风云三号气象卫星全球臭氧总量反演和真实性检验结果分析.pdf

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2010年第55卷第17期：

17261733英文版见英文版见:

WangWH,ZhangXY,AnXQ,etal.AnalysisforretrievalandvalidationresultsofFY-3TotalOzoneUnit（TOU）.ChineseSciBull,2010,55,doi:

10.1007/s11434-010-3240-2论文中国科学杂志社SCIENCECHINAPRESS风云三号气象卫星全球臭氧总量反演和真实性检验结果分析王维和,张兴赢*,安兴琴,张艳,黄富祥,王咏梅,王英鉴,张仲谋,吕建工,傅利平,江芳,刘国杨中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,北京100081;国家卫星气象中心,北京100081;中国气象局大气成分观测与服务中心,北京100081;中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100190;中国空间技术研究院航天恒星科技股份有限公司,北京100086;中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京100029*联系人,E-mail:

2009-12-03收稿,2010-03-17接受国家高技术研究发展计划（2008AA121703）、国家自然科学基金（40905056）、大气边界层物理和大气化学国家重点实验室基金（LAPC-KF-2008-11）、国家科技支撑计划重点项目（2008BAC34B04-2）、北京城市气象基金（UMRF200704）和国家重点基础研究发展计划（2005CB422202,2006CB403702）资助摘要利用我国第二代极轨气象卫星“风云三号”搭载的紫外臭氧总量探测仪（TOU）发射后一年内获取的观测数据以及地基臭氧观测数据,对全球特别是受到广泛关注的南极地区和青藏高原地区进行了臭氧总量反演试验,反演结果与国外同类产品及地面观测结果进行了对比分析.定性的分析结果表明,“风云三号”紫外臭氧探测仪反演的全球臭氧总量分布与国际上发布的同类产品相比,真实地反映了臭氧随时间与空间的分布特征.在全球部分地基观测站所处的位置上对臭氧总量探测仪与OMI产品和地基观测数据进行了比较,结果表明,“风云三号”紫外臭氧探测仪臭氧总量反演结果和国外同类卫星产品相对均方根偏差约为3%,与地基观测结果相比相对均方根偏差约为4.2%,中低纬度地区均方根偏差小于高纬度地区,最大均方根偏差出现在南极臭氧洞之内,大多数情况小于5%,个别站点上超过5%但低于10%,均优于10%的产品设计指标.目前TOU已经完成了在轨测试和试运行进入业务运行阶段,向国内外用户提供实时臭氧总量产品.关键词紫外臭氧总量探测仪大气臭氧总量风云三号卫星反演真实性检验臭氧是对生态、气候和环境有重要影响的大气微量气体1.1985年Farman等人27首次发现了南极臭氧洞,之后在中国的青藏高原以及世界上其他高原地区又相继发现了很多微型的臭氧洞.研究臭氧洞的成因和臭氧变化的机理需要高时空分辨率的臭氧监测资料.早在1924年,英国物理学家和气象学家Dobson8就发明了利用直射太阳光测量大气臭氧含量的紫外光谱仪,即Dobson仪器.目前国际上很多地基臭氧观测站仍采用Dobson仪器观测大气臭氧总量,臭氧总量的单位也以他的名字命名,即Dobson（DU）单位.和地基臭氧观测仪器相比,卫星臭氧探测仪在时空方面具有明显的优势,使卫星臭氧探测成为监测全球臭氧变化的重要手段.利用大气对太阳紫外线的后向散射反演大气臭氧总量是由Dave等人9在20世纪60年代提出的,之后美国、欧洲相继发射了十几个紫外臭氧探测仪,其中最早的是美国1727论文的TOMS系列仪器10,11,分别搭载在美国的NIMB-US-7（19781993年）和EarthProbe（EP,19962004年）、前苏联的Meteor3（19911994年）卫星平台上.于2008年5月27日发射的我国“风云三号”极轨气象卫星也搭载了我国第一台紫外臭氧总量探测仪（TOU）,该仪器与TOMS仪器具有类似的工作原理.20世纪90年代开始,欧洲率先在ERS-2卫星臭氧探测器（GOME）12和Envisat卫星差分吸收光谱仪（SCIAMACHY）13上使用了二极管列阵探测器,而美国则在AURA卫星臭氧检测仪（OMI）14上使用了二维CCD探测器.与TOMS仪器采用的光电倍增管探测器（PMT）相比,列阵二极管探测器和CCD探测器具有更高的光谱分辨率,除了可以探测臭氧外,还可以探测大气中其他痕量气体如二氧化硫、二氧化氮等.美国下一代臭氧探测仪器OMPS和我国新型臭氧探测仪将采用CCD探测技术.采用PMT和CCD或二极管列阵技术的星载紫外臭氧探测仪的臭氧反演方法主要基于Dave等人9的理论,其中PMT类型的仪器臭氧反演主要采用离散通道对法,如TOMS系列仪器臭氧反演算法TOMS_V715和TOMS_V816,而使用CCD探测器或二极管列阵探测技术的仪器除了可以利用离散通道对算法外,还可利用大气成分差分吸收光谱（DOAS）算法16反演臭氧总量和其他痕量气体总量.本文介绍TOU的主要特性和反演算法,分析了TOU在轨测试和试运行期间反演结果以及与OMI臭氧总量产品和地基观测的比较和误差分布特征,对2008年南极臭氧洞全过程、2009年青藏高原臭氧低值区监测结果进行了初步分析.1风云三号气象卫星臭氧总量探测仪介绍1.1风云三号卫星风云三号极轨气象卫星A星17（FY-3A）是中国第二代极轨气象卫星.与第一代极轨气象卫星只搭载一台可见光红外扫描辐射计相比,FY-3A卫星共搭载了包括紫外臭氧总量探测仪（TOU）在内的11个仪器,光谱通道达百余个,覆盖紫外、可见光、红外和微波波段,除对大气温度、湿度进行三维立体观测外,还可以检测云、雨、臭氧总量和臭氧垂直廓线、地表特征参数和空间粒子等.FY-3A星卫轨道高度为831km,道轨倾角为98.81,白天自北向南绕地球运行.卫星绕地球一周大约需要102min,降交点地方时间约为10时05分,回归周期约5d.1.2臭氧总量探测仪紫外臭氧总量探测仪（TOU）18是一台采用固定光栅、狭缝阵列式Ebert-Fastie单光栅光谱仪,探测器为光电倍增管,通过波长选择调制器实现对探测波段的快速选取和探测信号、暗流的交替测量,通过空间扫描系统成像.紫外臭氧总量探测仪的科学目标是探测全球臭氧总量分布,为大气化学、气候和环境监测提供臭氧分布参数.从臭氧赫金斯吸收带（Hugginsband）中选择6个波长,测量大气后向散射和大气外界太阳辐照度,从臭氧吸收系数差别显著的2个通道的后向散射辐射中提取臭氧吸收信息,根据臭氧在两个波长上对紫外线吸收的差异与臭氧总量的关系定量反演大气臭氧总量.表1为紫外臭氧总量探测仪光谱参数.TOU通过空间扫描系统完成仪器在垂直于卫星轨道平面方向的对地扫描,瞬间视场角为3.6,相应的星下点地面分辨率为52.6km.行扫描分31点完成,扫描范围为54,行扫描时间8.16s.臭氧总量探测仪有3种观测模式:

（1）对地观测模式:

测量太阳后向散射强度;

（2）波长检测模式:

对波长漂移进行监测;（3）辐射定标模式:

通过3块漫反射板测量太阳辐照度.2臭氧总量反演方法TOU臭氧总量反演模式是基于通道对算法开发的.通道对算法的原理是,臭氧吸收有明显差异的一对通道其紫外后向散射强度的差与臭氧总量之间存在密切关系,基于这个关系可以获得臭氧总量.美国的NIMBUS-7/TOMS,AURA/OMI的均采用这种算法反演臭氧总量,即TOMSV715和TOMSV816.相对于TOMSV7,TOMSV8的主要改进包括对流层气溶胶和水面太阳耀斑的订正,臭氧和温度廓线气候数据的改进和正演模式的改进.TOMSV8算法在正演表1TOU光谱特性通道中心波长带宽1308.680.151+0.3,0a）2312.590.151+0.3,0a）3317.610.151+0.3,0a）4322.400.151+0.3,0a）5331.310.151+0.3,0a）6360.110.251+0.3,0a）a）表明通道带宽在11.3nm之间2010年6月第55卷第17期1728辐射传输计算中对温度垂直分布和臭氧垂直分布廓线对臭氧总量反演的影响比TOMSV7算法考虑得更细致.TOU发射前定标系数存在系统偏差,忽略了在强信号与弱信号时线性度的差别,通过在轨交叉定标生成新的定标系数代替发射前定标系数计算辐射强度.TOU臭氧总量算法与TOMSV7基本类似,但略有区别.通过反演试验,发现TOU不同的通道组合反演的臭氧总量与地基以及OMI产品的偏差随纬度带的分布规律是有差别的,主要是原因是臭氧总量的反演精度主要取决于通道对之间的相对定标误差,而通道对之间的相对定标误差与入射能量范围有关,不同的纬度带紫外后向散射辐射能量是不同的.TOU反演算法在不同的纬度带采用不同的通道组合来计算臭氧总量初估值,再分别与360nm通道组合对辐射定标的影响进行订正,给出臭氧总量精确值.利用太阳紫外后向散射反演臭氧和其他痕量气体的时候,通常使用通道辐亮度与太阳辐照度的比值即N-值:

100lg（/）,NIF=

（1）其中I为通道后向散射亮度,F为相同通道的太阳辐照度.TOU臭氧总量反演模式包括4个部分:

快速正演模式、表面特性计算、臭氧总量初估值计算和臭氧总量精确值计算.快速正演模式:

是在精确辐射传输模式的基础上通过查算表实现的.精确正演模式主要基于Dave19的逐次迭代求解辐射传输方程理论开发的,是考虑了4个Stokes参数的矢量辐射传输模式.利用精确辐射传输模式计算了26条典型臭氧廓线和温度廓线、2个高度层、10个太阳天顶角和6个卫星观测天顶角下辐射传输方程中的辐射量并制成辐射查算表,任意条件下的辐射传输计算通过插值实现.表面特性计算:

表面特性包括有效云量、有效反射率及云顶和表面气压.表面反射率和有效云量利用通道6计算,因为通道6不受臭氧吸收的影响.表面气压根据标准的地表高程数据计算,云顶气压根据ISCCP（internationalsatellitecloudclimatologypro-ject）云顶高度气候数据集计算.在辐射传输计算中做了两条假设,首先假设表面为各向同性的朗伯反射体,其次假设表面反射率与波长无关.表面特性在臭氧总量反演中引起的误差主要是因表面的非朗伯特性,表面反射率随波长的变化,云顶高度的变化产生的.在无云和没有冰雪覆盖的情况下,紫外波段下垫面的反射率很低,而在臭氧反演中选取的通道对中两个波长的距离很近,下垫面反射特性相近,因此表面的非朗伯特性和反射率对波长的依赖产生的臭氧反演误差不大,当臭氧总量在240DU时误差一般在3%以下20.云对臭氧反演有一定的影响,主要是由于云高计算的误差和云的非朗伯特性引起的,对云和冰雪也会发生误判现象.对流层中臭氧含量大约占大气臭氧柱总量的10%左右,平流层臭氧含量的变化对大气臭氧柱总量的变化起最主要的作用,因此一般情况下云和表面特性对臭氧总量的反演的影响不超过7.7%20.臭氧总量初估值的计算:

利用臭氧总量与通道对N-值差之间的关系计算臭氧总量初估值.TOU臭氧总量算法使用两个通道对计算臭氧总量初估值,热带地区用24通道组合,其余地区用35通道组合.图1为臭氧总量与通道3和通道5N-值差的关系模拟计算结果,大多数情况下非常接近线性.精确臭氧总量计算:

将反演臭氧总量初估值的两个通道分别与通道6组合,假设初估值与真实臭氧总量差别不大,利用泰勒展开建立3个通道之间辐射值关系的方程组,求解方程组即可获得精确的臭氧总量15.3仪器运行状况、反演结果和真实性检验利用FY-3A发射后半年的在轨测试期间以及随后的试运行期间获取的观测数据对仪器的性能变化进行了分析并进行了全球臭氧总量反演实验.臭氧图1通道3和通道5N-值差与臭氧总量的关系模拟计算结果大气模式为热带大气,太阳天顶角为27,卫星天顶角为35,相对方位角为451729论文总量探测仪最重要的技术指标包括中心波长的稳定性、漫反射器的稳定性以及灵敏度.在轨测试和试运行期间数据分析结果表明,TOU的波长变化为0.065nm.除了高纬度地区和南大西洋辐射异常带以外,仪器的噪声小于0.004W/（m2srnm）.3块漫反射器中的盖板由于一直暴露在宇宙空间,到2008年底已经衰减超过30%,但工作板和参考板均为发生明显的变化17.卫星观测原始数据经定标、定位生成L1数据,在L1数据基础上进行在轨定标修正后进行臭氧总量反演.为了验证反演算法,搜集了同时期内AURA卫星的OMI臭氧总量产品和国内外大部分可获取的地基臭氧观测数据,通过对FY-3A/TOU全球臭氧总量反演结果的空间、时间和敏感地区的分布特征比较分析对臭氧总量反演算法进行了评估.3.1时空分布特征:

与国外同类产品的定性比较大气臭氧空间分布特征主要表现在随纬度有明显的变化21,臭氧总量的极小值出现在赤道附近,极大值在春季出现在纬度60附近.图2为FY-3A/TOU,AURA/OMI和METOP/GOME-2仪器2009年3月21日全球臭氧分布监测图像.从图像对比可以明显看出,3个星载仪器的监测结果均很好地反应了臭氧的空间分布特征,臭氧总量空间分布呈现明显的纬度特征,臭氧的最大值出现在北半球高纬度地区,热带地区臭氧含量较低,南半球的高纬度地区臭氧含量也较高,3月份南极地区因臭氧洞消失的时间不长臭氧含量仍较低.从图像上看,FY-3A/TOU与METOP/GOME-2更接近,特别是在北半球高纬度臭氧高值区,这是由于FY-3A与METOP的观测时间更为接近,而AURA卫星与FY-3A观测时间相差4h右.每年的9月份开始,南极地区的臭氧总量开始减少,到10月份在南极大陆地区形成臭氧洞,这期间南极地区的臭氧总量可降到100DU甚至更低,之后臭氧含量慢慢增加,到年底臭氧洞才慢慢消失.FY-3A/TOU在轨测试期间和试运行期间对南极臭氧洞进行了连续观测,图3为2008年南极臭氧洞过程典型图像.从TOU的南极臭氧洞图像可以看出,从8月下旬开始南极臭氧已经开始降低,南极大陆周边部分地区臭氧总量已经降到220DU以下,已达到臭氧洞标准;到9月下旬臭氧洞的范围已经覆盖整个南极大陆以及周边地区,在南极圈附近形成了一个臭氧总量最低为100DU左右的臭氧洞;9月底臭氧洞继图2FY-3A/TOU（a）,AURA/OMI（b）,METOP/GOME-2（c）全球臭氧总量分布图像监测时间:

2009年3月21日续增强,臭氧总量为100DU左右的地区大约占整个南极大陆的三分之二;10月中旬臭氧洞开始减弱,11月初继续变弱,2009年1月初恢复正常水平.TOU的监测结果与近年来南极臭氧洞的变化规律比较一致,成功地捕捉了臭氧洞的全过程.2010年6月第55卷第17期1730图32008年南极臭氧洞过程（a）2008年8月28日;（b）2008年9月26日;（c）2008年9月30日;（d）2008年10月8日;（e）2008年11月1日;（f）2009年1月4日3.2青藏高原地区臭氧低值区监测结果周秀骥等人5在1995年发现了在青藏高原地区出现一个明显的臭氧低值区,该低值区每年的6月份出现,一直持续到9月份,10月份以后低值区逐渐消失.低值中心610月份臭氧总量月平均值与同纬度青藏高原其他地区相比大约低10%左右,其他月份相差3%左右.低值中心的臭氧总量低于220DU,面积可达200多万平方千米.与青藏高原微型臭氧洞类似的微型臭氧洞在其他地区也出现过3,4,一般认为形成的原因是对流层低臭氧浓度向平流层输送或者是热带大气向高纬度输送的结果,而动力作用重新分配是臭氧低值区产生的主要原因37.FY-3A/TOU对青藏高原地区2009年臭氧低值区进行了连续的监测,10月4日青藏高原出现了一个比同纬度明显偏低的臭氧低值区,其中最低值臭氧总量接近220DU,如图4所示.1731论文图4FY-3/TOU2009年10月4日青藏高原地区臭氧低值区监测结果3.3与地基观测、国外卫星反演结果的定量比较图5给出了2008年911月南极臭氧洞形成期间全球部分站点地面观测的臭氧总量与FY-3/TOU和AURA/OMI反演的臭氧总量逐日对比结果.图5中的站点分别位于北极附近、北半球中纬度地区、热带地区和南极圈内.为了对TOU全球臭氧总量产品进行真实性检验,选取了在轨测试和试运行期间可获取数据的大部分全球地基臭氧观测站数据,分别与TOU和OMI观测结果进行对比.逐日对比结果表明,FY-3/TOU和AURA/OMI以及地基观测在4个纬度带呈现一致的变化趋势.图6给出了用于TOU真实性检验的地基臭氧观测站分布图,地基观测站基本上覆盖了全球大部分纬度带,其中欧亚地区站点数目较多,美洲和南极洲站点数据较少.图7为TOU,OMI与74个臭氧观测站地基观测结果之间3个月内逐日臭氧总量相对偏差平均值随纬度的分布情况.其中TOU与地基观测结果之间的平均相对偏差为0.96%,OMI与地基观测结果之间的平均相对偏差为0.60,TOU与OMI之间平均相对偏差为0.47%.从相对偏差分布情况可以看出,中低纬度地区以及北极附近卫星与地基观测之间的偏差均很小,大部分在2%之内,南极地区个别站点卫星与地基观测相对偏差偏大,最大可达10%左右,而卫星观测结果之图5FY-3/TOU,AURA/OMI反演的臭氧总量与地基观测结果的对比2008年811月.（a）LINDENBERG观测站,地理位置:

52.210N,14.120E;（b）香河观测站,地理位置:

39.975N,116.37E;（c）BANGKOK观测站,地理位置:

13.667N,100.612E;（d）位于南极的ARRIVALHEIGHTS/McMURDO观测站,地理位置:

77.830S,166.655E2010年6月第55卷第17期1732图6TOU臭氧总量真实性检验选用的地基臭氧观测站分布图图7FY-3A/TOU,AURA/OMI和地基观测之间在全球74个站点上的逐日臭氧总量相对偏差平均值监测时间:

2008年811月间相对偏差在全部站点均在2%之内.在南极地区偏差较大可能的原因有3个:

第一是南极地区极昼期间臭氧含量较低,卫星辐射定标的误差对反演结果影响较大;另一个原因是地基观测通常是日平均结果,而卫星观测则在瞬间完成;第三个原因是卫星观测值代表的是像元内的平均值,其中TOU像元的大小约为50km50km,OMI像元约为25km25km,而地基观测则仅代表一个位置,高纬度地区臭氧变化的速度要高于中低纬度地区21.地基观测与卫星观测相对偏差均方根随纬度的分布与相对偏差有类似图8FY-3A/TOU,AURA/OMI和地基观测之间在全球74个站点上的逐日臭氧总量相对偏差均方根平均值监测时间:

2008年811月的特征,如图8所示.图8给出了全球74个地基观测站与TOU和OMI三个月内逐日观测结果之间相对偏差均方根随纬度分布情况.TOU和OMI与地基观测相对偏差均方根平均值分别为4.19%和3.30%,TOU与OMI相对偏差均方根为3.01%.与相对偏差分布类似,中低纬度地区和北半球比南极地区偏小,大部分在5%之内,南极地区个别站点卫星与地基观测相对偏差均方根超过10%.相对偏差均方根分布特征的原因与相对偏差分布的原因相同.4结论风云三号紫外臭氧总量探测仪作为我国首次发射的实验型星载紫外臭氧观测仪器,经过一年的在轨测试检验和试运行,已经正式转入业务运行阶段.试运行期间反演结果表明,风云三号气象卫星紫外臭氧总量探测仪成功地实现了对全球臭氧总量分布,特别是广为关注的南极地区和青藏高原地区臭氧异常变化的连续监测.定性的监测结果与已有的研究结果相符,初步的真实性检验证实了风云三号紫外臭氧总量探测仪全球臭氧总量的反演精度与国际同类卫星臭氧总量产品的精度相当.致谢在本项研究中多次与NOAA/NESDIS的Lawrence.E.Flynn博士、国家卫星气象中心的范天锡研究员和方宗义研究员进行讨论,特此致谢.参考文献1KeithPS.Atmosphericozoneandclimatechange.Ozone:

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