EMI南极臭氧柱总量反演研究

钱园园,司福祺,罗宇涵,周海金,杨东上,杨太平,王煜

(1中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031;2中国科学技术大学,安徽 合肥 230036;3安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601)

0 引言

臭氧是地球上一种重要的痕量气体,它与人类健康、环境和气候变化密不可分。臭氧主要分布在距离地球表面20～35 km的平流层中,它可以通过吸收太阳紫外辐射来保护地球生物[1−3]。1985年,Farman等[4]在阿根廷岛屿(65°S,64°W)与哈雷湾(76°S,27°W)上空首次发现了臭氧空洞,臭氧空洞及变化需要高分辨率的臭氧柱总量(Total ozone column,TOC)信息。与地基观测相比,星载的臭氧柱总量观测具有高时空分辨率的优势,利用星载观测来监测臭氧柱总量已成为臭氧观测的一种重要手段[5]。直到现在,对臭氧柱总量(尤其是南极臭氧)进行反演仍然是星载探测器的重要任务之一。

国外在利用卫星对臭氧进行测量的研究方面起步较早。GOME(Global ozone monitor instrument)仪器搭载于ERS-2(European remote sensing)卫星于1985年发射,其紫外波段可进行臭氧的反演[6]。2002年,欧洲宇航局发射了Envisat卫星,该卫星搭载了SCIAMACHY(Scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography)光谱仪,该仪器具有临边与对地观测模式,可获得臭氧总量与平流层臭氧廓线信息[7,8]。2004年,美国宇航局发射了AURA卫星,其搭载了OMI(Ozone monitoring instrument)仪器,可对臭氧进行探测[9−11]。2017年,欧洲宇航局发射了哨兵5号卫星,其搭载了TROPOMI(TROPOspheric monitoring instrument)仪器,它是新一代的探测器,空间分辨率可达3.5 km×5.5 km(天底方向)[12−14]。我国于2008年5月27日发射了风云三号气象卫星,其携带了紫外臭氧总量探测仪,可以实现对臭氧的全球监测[15,16]。为实现痕量气体更精确的监测,我国于2018年发射了高分5号卫星,其搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument,EMI),EMI是我国第一个紫外-可见星载光谱仪,可用于二氧化氮、臭氧、二氧化硫等痕量气体的监测。

本文利用差分吸收光谱技术(Differential optical absorption spectroscopy,DOAS)反演了南极区域2018年10月25日至11月25日的臭氧柱总量,并将11月2日EMI反演的臭氧柱总量与OMI、TROPOMI进行对比分析。随后将EMI结果与南极长城站天顶散射光差分吸收光谱技术(Zenith scattered light-differential optical absorption spectroscopy,ZSL-DOAS)反演的臭氧柱总量进行对比,并开展了相关性分析。

1 方法与原理

1.1 研究数据

数据来自EMI的紫外2通道(310～403 nm),数据维为1473×191×1072,其中1473、191、1072分别指时间维、空间维、光谱维,EMI的扫描模式如图1所示。EMI的视场角为114°,在轨高度为705 km,光谱分辨率为0.3～0.5 nm,天底方向的空间分辨率为12 km×13 km。EMI、OMI与TROPOMI的具体参数见表1。

图1 EMI的天底扫描示意图Fig.1 Schematic diagram of nadir scanning of EMI

表1 EMI、OMI与TROPOMI的仪器性能Table 1 Instrumental performance of EMI,OMI and TROPOMI

1.2 反演方法

采用两步式DOAS算法对臭氧柱总量进行反演,即先通过DOAS方法反演斜柱浓度,再通过SCIATRAN辐射传输模型对大气质量因子(AMF)进行反演,进而获得臭氧的垂直柱浓度VCD,算法流程见图2。OMI与TROPOMI均采用三步式DOAS算法反演臭氧柱总量,即先通过DOAS方法反演斜柱浓度,再反演云信息(云压、云分数),最后将云信息带入辐射传输模型对AMF进行反演,进而得到VCD[13,17]。

图2 EMI臭氧反演的算法流程图Fig.2 Flowchart of ozone retrieval algorithm of EMI

其中,AMF查找表(Lookup table,LUT)的建立所需参数包括:太阳天顶角(Solar zenith angle,SZA)、相对方位角(Relative azimuth angle,RAA)、观测方位角(Viewing zenith angle,VZA)、地表反照率、先验廓线、温压廓线等,具体参数见表2。臭氧先验廓线与温压廓线来自SCIATRAN廓线库,由纬度与月份决定。

表2 AMF查找表的参数节点设置Table 2 Parameter node settings of LUT for AMF

2 数据分析

2.1 光谱反演

臭氧SCD通过QDOAS软件(http://uv-vis.aeronomie.be/software/QDOAS/)进行反演,反演波段范围为312～326 nm,该波段内的气体吸收截面包括O3(223 K,243 K)、SO2(203 K)吸收截面和Ring吸收截面[18],详细参数见表3。以2018年11月2日某一轨的第60维数据为例,臭氧反演结果如图3所示。

图3 2018年11月2日某轨的光谱拟合示意图。(a)SO2(203 K);(b)O3(223 K);(c)O3(243 K);(d)Ring;(e)拟合残差Fig.3 Spectral fitting for some orbit on November 2,2018.(a)SO2(203 K),(b)O3(223 K),(c)O3(243 K),(d)Ring,(e) fitting residual

表3 反演臭氧的参数设置Table 3 Parameter setting of ozone retrieval

2.2 南极臭氧VCD的反演结果

2018年11月2 日南极臭氧的反演结果如图4所示,图中分别展示EMI、OMI、TROPOMI的臭氧柱总量及差异。由图4(a)、(c)、(e)可知,反演的EMI臭氧结果与OMI、TROPOMI一致,均观测到南极中高纬度(30°S～70°S)的臭氧高值区域与南极内陆(75°S～90°S)的臭氧低值区域,并且EMI观测到的臭氧空洞区域 (小于 220 DU,1 DU=2.69×1016molecules·cm−2)与 OMI、TROPOMI一致。DOAS 算法反演臭氧的误差如图4(b)所示,误差小于1.2%。由图4(d)、(f)可知,EMI的臭氧总量与OMI、TROPOMI的偏差较小,在部分区域存在30 DU的偏差,这是由于EMI与OMI、TROPOMI使用的辐射传输模型参数(地表反照率、先验廓线、气溶胶信息等)不同,并且EMI反演臭氧柱总量时未考虑云的影响。该日EMI臭氧柱总量与OMI、TROPOMI臭氧柱总量的相关性分析如图5(a)、(b)所示,相关系数R2分别为0.977、0.979。

图4 2018年11月2日南极区域EMI、OMI与TROPOMI的臭氧反演结果。(a)EMI臭氧柱总量;(b)EMI臭氧SCD的反演误差;(c)TROPOMI臭氧柱总量;(d)EMI与TROPOMI的臭氧柱总量差异;(e)OMI臭氧柱总量;(f)EMI与OMI的臭氧柱总量差异Fig.4 Comparison of ozone retrieval results from EMI,OMI and TROPOMI in Antarctica on November 2,2018.(a)The total ozone columns of EMI,(b)retrieval errors of ozone SCD from EMI,(c)the total ozone columns of TROPOMI,(d)the difference of total ozone columns between EMI and TROPOMI,(e)the total ozone columns of OMI,(f)the difference of total ozone columns between EMI and OMI

图5 2018年11月2日EMI与OMI(a)、TROPOMI(b)臭氧柱总量的相关性分析Fig.5 The correlation analysis of total ozone columns between EMI and OMI(a)and TROPOMI(b)on November 2,2018

为了进一步验证利用DOAS算法反演EMI臭氧柱总量的准确性,反演了EMI 2018年10月25日–11月25日南极长城站的臭氧柱总量,并与基于地基ZSL-DOAS算法得到的臭氧柱总量结果进行比较,结果如图6所示。地基ZSL-DOAS算法利用地基DOAS仪器得到的天顶散射光对臭氧进行反演,由于臭氧是平流层气体,故可通过Langley画线法对每日的臭氧柱总量进行反演[19]。由图6可知,EMI反演的臭氧柱总量与ZSL-DOAS所测结果趋势一致,均观测到了臭氧空洞的存在。EMI与ZSL-DOAS反演的臭氧柱总量的散点图线性拟合结果如图7所示,相关系数为0.926,这表明DOAS算法反演的EMI臭氧柱总量具有较高的可靠性。

图6 2018年10月25日–11月25日EMI与ZSL-DOAS的臭氧柱总量Fig.6 The total ozone columns of EMI and ZSL-DOAS from October 25 to November 25,2018

图7 2018年10月25日–11月25日EMI与ZSL-DOAS臭氧柱总量的散点图与线性拟合Fig.7 Scatter plot and linear fitting of total ozone columns of EMI and ZSL-DOAS from October 25 to November 25,2018

3 结论

基于DOAS算法对EMI数据进行反演,获得了2018年10月25日–11月25日南极区域的臭氧柱总量。将2018年11月2日南极区域EMI的臭氧柱总量与OMI、TROPOMI进行对比,发现他们的空间分布一致,相关系数R2分别为0.977、0.979。随后将南极长城站的ZSL-DOAS臭氧数据与EMI臭氧柱总量进行对比,相关系数R2为0.926,这表明了DOAS算法反演EMI臭氧柱总量的可靠性。

但与OMI、TROPOMI结果相比,EMI臭氧柱总量结果在部分区域存在一定的偏差(30 DU),云、气溶胶、先验廓线等的处理是后续研究的重点方向。本文的研究内容与结果对EMI臭氧柱总量产品的开发具有十分重要的意义。