亞洲地區OMI和SCIAMACHY臭氧柱總量觀測結果比較

肖鐘湧,江 洪,2*(.南京大學國際地球系統科學研究所,江蘇 南京 20093；2.浙江農林大學亞熱帶森林培育國家重點實驗室,森林生態系統碳循環與固碳減排浙江省重點實驗室,浙江 杭州 3300)

亞洲地區OMI和SCIAMACHY臭氧柱總量觀測結果比較

肖鐘湧1,江 洪1,2*(1.南京大學國際地球系統科學研究所,江蘇 南京 210093；2.浙江農林大學亞熱帶森林培育國家重點實驗室,森林生態系統碳循環與固碳減排浙江省重點實驗室,浙江 杭州 311300)

利用臭氧觀測儀(OMI)和掃描成像大氣吸收光譜儀(SCIAMACHY)傳感器反演的臭氧總量數據,結合從世界臭氧與紫外線輻射數據中心(WODUC)獲取的地面觀測臭氧總量數據進行驗證,對比 2種不同衛星遙感反演的臭氧總量產品優缺點,并分析亞洲地區臭氧總量的時空特征.結果表明,OMI反演的結果比SCIAMACHY的結果更好,而且具有更高的時間和空間分辨率.臭氧總量存在明顯的季節變化,在低緯度地區最大值出現在4或5月,最小值在11或12月,而在高緯度地區則分別出現在2月或3月和8月或9月.臭氧總量緯度地帶性分布明顯,并隨著緯度增加而逐漸上升,在10°N～30°N之間,臭氧總量增長平緩,在30°N～50°N之間,臭氧總量快速增大.在青藏高原地區出現臭氧低值區,并在青藏高原東面的橫斷山脈向低緯度延伸,隔斷了臭氧總量的緯度地帶性分布.臭氧總量變化在不同緯度呈現不同的模式,距平值隨緯度的增大波動隨之增大.緯度最低的站點(216)臭氧總量距平值變化最小,最大只有30 DU;而緯度最高的站點(326)臭氧總量距平值變化可達180 DU以上.

臭氧總量；亞洲地區；衛星遙感；臭氧觀測儀；掃描成像大氣吸收光譜儀

臭氧是大氣中的重要微量成分之一,平流層臭氧能吸收太陽紫外輻射,起到保護地球生物圈的作用;同時在9.6μm處有一個很強的吸收帶,成為平流層的主要熱源.臭氧含量的變化會改變大氣輻射平衡,在全球氣候變化中扮演著重要角色 .

近幾十年的觀測研究表明,由于人類活動的影響,在平流層臭氧減小的同時,對流層臭氧卻有持續增加的趨勢[2-6].大氣臭氧層的變化將給人類本身的生存環境帶來嚴重的威脅.目前,已經進行了大量有關臭氧的科學研究,特別對南極洲臭氧空洞和青藏高原臭氧低谷的研究[7-11].世界氣象組織(WMO)已經建立了全球臭氧地面觀測網,這些地面數據為衛星反演提供驗證[12].利用地基觀測比較準確,但是地面觀測存在著局限性,只能在局部點上進行觀測,不能獲取臭氧的空間分布特征,特別是全球臭氧.

隨著空間遙感技術的發展,衛星遙感已經可以提供全球臭氧監測.20世紀70年代初,美國戈達空間飛行中心研制成功太陽后向散射紫外譜儀(Backscatter Ultraviolet instrument, BUV),搭載Nimbus-4衛星進行觀測,首次利用太陽后向散射測量反演大氣臭氧垂直分布的極軌衛星儀器,并獲得了星下點的大氣臭氧總量,但是數據較少[13].1978年發射的Nimbus-7衛星上搭載的太陽后同散射紫外光譜儀/臭氧總量繪圖譜儀(Solar Backscatter Ultraviolet and Total Ozone Mapping Spectrometer, SBUV/TOMS)實現了太陽紫外輻射和星下點的大氣臭氧垂直分布以及臭氧總量全球分布的同時測量.后來分別有 Meteor-3和Earth Probe衛星上裝載的臭氧探測儀器TOMS.TOMS由于其特有的優勢,逐漸成為臭氧探測的主要方式,在研究南極臭氧空洞、對流層、平流層和全球臭氧分布等重大科學問題上發揮了重要的作用[1,14].新一代的遙感傳感器主要有掃描成像大氣吸收光譜儀(SCIAMACHY)、臭氧觀測儀(OMI)等,可以監測全球臭氧的變化特征,為臭氧研究提供了更加精確的數據源[15-17].

多源傳感器提供了多樣化的數據,不同的傳感器設計獲得數據的方法和反演算法也各不相同.所以對于區域應用研究需要根據各個數據源的優缺點來利用數據.本研究利用 OMI和SCIAMACHY傳感器反演的2005～2009年臭氧總量數據,以亞洲地區為例,比較2個傳感器資料的優異.分析了該地區臭氧總量的時空特征,為進一步運用提供支持.

1 數據和研究區

1.1 遙感數據

本研究利用的臭氧總量數據來源于OMI和SCIAMACHY.它們分別裝載在 Aura和ENVISAT衛星上.

Aura衛星于2004年7月15日發射升空,是一顆太陽同步軌道的近極軌衛星,軌道高度約705km,過境時間一般在當地時 13:40～13:50.OMI傳感器通過觀測地球大氣和表面的后向散射輻射來獲取信息.傳感器波長范圍為 270～500nm,波譜分辨率為 0.5nm.利用臭氧在波段331.2和317.5nm的強吸收特性進行臭氧總量反演.星下點空間分辨率達到 13 km×24km,邊緣分辨率降低很多,為 40km×160km,傳感器視場角為114°,掃描寬度為 2600km,覆蓋全球只用 1d.OMI提供有 3種臭氧的數據:臭氧垂直柱濃度總量、對流層臭氧柱濃度和臭氧垂直廓線.臭氧垂直柱濃度也就是臭氧總量.本文利用Level 2條帶數據名稱為OMTO3.它利用TOMS V8算法進行臭氧總量反演[18].數據存儲格式為 HDF-EOS 5,相對誤差小于 2%.每個文件大小為 48Mb左右.詳細的數據格式信息可參考“OMTO3_FileSpec_V003”文檔(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/data-holdings/OMI/documents/v003/OMTO3_File Spec_V003.doc),數據信息可參考 OMI大氣產品文檔(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/ozone/documentation/docs/omi-spie-2003.doc).

SCIAMACHY是搭載在歐空局2002年3月1日發射的ENVISAT-1太陽同步極軌衛星上.軌道平均高度 799.8km.傾角 98.55°,軌道周期100.59mm,過境時間為地方時 10:00.每天圍繞地球約14圈.傳感器波長范圍為240～2380nm,每6d對全球掃描 1次.軌道重復周期為35d.主要科學目的是確定在大氣中的各種成分,如微量氣體、氣溶膠和云的分布情況.SCIAMACHY是利用DOAS算法反演臭氧總量[19],數據存儲格式為HDF-4,數據的分辨率為 30km×60km,相對誤差大約為 2%.詳細信息可參考“ENVISAT-1 Products Specifications”文檔(http://earth.esa.int/pub/ESA_DOC/).為了方便數據處理和分析,利用反距離權重(inverse distance weighted,IDW)插值法對OMI和SCIAMACHY數據進行插值,生成0.25°×0.25°空間分辨率的數據集.

1.2 地面數據

世界臭氧與紫外線輻射數據中心 WOUDC)是世界氣象組織(WMO)全球大氣觀測計劃下屬的 5個世界數據中心之一.本研究地面觀測的臭氧總量從世界臭氧和紫外輻射中心獲取,有亞洲地區 8個站點的數據,用以檢驗遙感反演數據的可靠性,站點的信息如下圖1和表1所示.詳細資料可訪問 WOUDC的網站(http://www.mscsmc.ec.gc.ca/woudc).

圖1 臭氧總量地面觀測站點的分布Fig.1 The distribution of ground-based monitoring stations of total ozone

表1 臭氧總量地面觀測站點的信息Table 1 The information of ground-based monitoring stations of total ozone

2 比較驗證

2.1 每天臭氧總量的比較

獲取臭氧總量比較的驗證值,在時間上,地面觀測值為日平均,衛星觀測值為過境時瞬時值;在空間上,地面觀測值與相對應衛星反演的一個像元值(0.25°×0.25°)進行比較.圖2為地面觀測站點和相對應OMI臭氧總量的線性回歸分析,回歸系數如表 2所示.線性回歸的相關系數較高,在0.82～0.99之間.斜率和截距分別在 0.62～1.02和-7.28～104.04之間.截距的變化范圍較大.精度最低站點為325號站點,相關系數最小,為0.82,斜率和截距分別為0.62和104.04.根據全部站點數據的回歸分析,斜率和截距分別為0.98和4.25,相關系數達0.98.結果比單一站點的分析結果更好,多點的分析減小數據的不確定性.回歸分析的結果表明了OMI反演的臭氧總量值普遍低于地面觀測值.

圖 3為地面觀測站點和相對應的SCIAMACHY臭氧總量的回歸分析,回歸系數如表2所示.相關系數和OMI的結果相似,但斜率和截距相差較大,特別是 325號站點.截距達131.89,相關系數為0.75.根據全部站點數據的回歸分析,斜率和截距分別為 0.95和 12.3,相關系數達 0.97.回歸分析結果表明 SCIAMACHY反演的臭氧總量值普遍低于地面地面觀測值,這與 OMI的結果相似.多點的綜合分析結果與OMI相似,減小了不確定性,也說明各個站點由于受到所在地理條件的影響,遙感反演結果差異較大.由于進行比較驗證的地面觀測值和衛星反演值在時間和空間上不是完成匹配的,大氣中臭氧總量時間變化和空間分布是不均一的,因此,地面觀測和衛星反演存在一定的誤差;衛星過境時間不一樣,OMI和SCIAMACHY反演結果也就存在一定的差異.從回歸分析結果來看,OMI反演結果優于SCIAMACHY,而且OMI具有更高的空間分辨率和時間分辨率,對于較小區域的臭氧研究更有價值.

2.2 月平均臭氧總量的比較

圖4為與地面觀測8個站點相對應遙感反演(OMI、SCIAMACHY)月平均臭氧總量相對偏差的變化.相對偏差是指遙感反演值減去地面觀測值與地面觀測值的比值.圖中有些站點某些月數據缺失,主要是地面觀測站點觀測儀器出現問題不能獲取數據.

OMI與WODUC的相對偏差較小,這個結果與 Fioletov 等[12]在北半球 25°N～60°N 的研究相似,OMI的相對偏差在-0.05～0.05 之間.但是,有少數月份的相對偏差達到-0.1,如站點 325,從 2005年 1月開始,相對偏差較小,為 0.05,到 2007年 4月,相對偏差較大,為-0.12.這個變化模式與SCIAMACHY的結果相似.SCIAMACHY與WODUC的相對偏差較大,特別是緯度較高的站點,主要集中在-0.1～0.1之間.緯度較低的 3個站點(216、209、190)的相對偏差較小,主要集中在-0.05～0.05之間.而且SCIAMACHY的相對偏差比較離散,波動較大.說明 SCIAMACHY 反演的臭氧總量不確定性更大,在高緯度地區更為明顯,與 OMI相比,相對偏差的變化相似性較差.OMI/WODUC和SCIAMACHY/WODUC的相對偏差呈現季節性變化,但是規律性較差.綜上所 述,OMI反演的臭氧總量精度更高.

圖3 SCIAMACHY和WODUC臭氧總量的線性回歸分析Fig.3 Linear regression analysis of total ozone from SCIAMACHY and WODUC

表2 線性回歸系數Table 2 Coefficients of linear regression

圖4 地面觀測(WODUC)和OMI、SCIAMACHY(SCI)月平均臭氧總量的相對偏差Fig.4 Relative difference of monthly mean total ozone from ground based obversation (WODUC) and OMI,SCIAMACHY (SCI)

圖5 OMI臭氧總量距平值的變化Fig.5 Variation of total ozone difference with mean value from OMI

3 臭氧總量的變化特征

3.1 不同站點的變化特征

利用與地面8個站點對應精度較高的OMI遙感數據進行臭氧總量變化特征分析.由于臭氧總量的緯度地帶性明顯,所以根據位于不同緯度的站點進行比較分析,圖5為2005～2009年臭氧總量距平值的變化.圖中站點(216、209、190、325)的地理緯度小于 35°N,站點(332、295、208、326)的地緯度大于35°N.

表3 8個站點臭氧總量平均值和標準差Table 3 Mean and standard deviation of total ozone from 8 monitoring stations

臭氧總量距平值隨緯度的增大波動隨之增大.站點位置小于 35°緯度的臭氧總量距平值變化較小,在-50～50DU之間,而且4個站點的變化模式相似.站點位置大于 35°緯度的臭氧總量距平值變化較大,在-60～150DU 之間,4個站點的變化模式相似.緯度最低的站點(216)臭氧總量距平值變化最小,大約只有-30～30DU;緯度最高的站點(326)臭氧總量距平值變化可達-100～180DU.從表3的標準差分析也反映出臭氧總量隨緯度的增大波動隨之增大.從緯度最低的站點(216)的標準差為 15.3DU增加到緯度最高的站點(326)的標準差為 54.7DU.臭氧總量距平值的變化存在明顯的季節性,秋季和冬季的臭氧總量低于春季和夏季.在低緯度的站點,最大的變化出現在4月或5月,最小值在11月或12月;在高緯度的站點,最大和最小的變化則分別出現在2月或3月和8月或9月.主要由于太陽輻射的季節變化引起的,特別是太陽輻射的紫外波段,它是大氣中產生臭氧光解作用的關鍵因素[20].在高緯度,太陽輻射的季節變化較大.因此,由O2光解產生O3的變化也較大.

3.2 臭氧總量空間分布

圖6為2005～2009年平均臭氧總量的空間分布,從圖 6中可以看出臭氧總量的分布呈現明顯的緯度地帶性,低緯度臭氧總量較低,高緯度臭氧總量較高.臭氧總量緯度地帶性分布的原因主要是太陽輻射和大氣環流引起的[1].臭氧總量從低緯度向高緯度變化量逐漸增大.赤道地區和中緯度地區差值可達200DU以上.

圖6 OMI和SCIAMACHY(SCI)臭氧總量的空間分布Fig.6 Spatial distribution of total ozone derived from OMI and SCIAMACHY (SCI)

在OMI數據中,顯示了臭氧總量空間分布在 青藏高原區出現明顯的低值中心,這與周秀驥等的研究一致,并且臭氧總量低值沿著青藏高原東南的橫斷山脈向低緯度延伸,低臭氧總量主要是由于較高海拔引起的[22].SCIAMACHY的結果在青藏高原區和橫斷山脈上空的低值區不明顯,并且在空間分布上連續性較差,表明了OMI反演的臭氧總量數據更能揭示出空間差異.可能是不同的反演算法和傳感器的設置引起的,如空間分辨率、感器視場角和掃描寬度.OMI和SCIAMACHY的空間分辨率分別為13km×24km和 30km×60km,OMI覆蓋全球只用 1d,而SCIAMA-CHY需要6d.

圖7是2005～2009年OMI和SCIAMACHY多年平均值的差值,描述 2個傳感器反演的臭氧總量空間分布的差異.2個傳感器的差值在-25～25DU 之間,說明 2個傳感器在不同地區反演結果不同,在青藏高原區,OMI的臭氧總量小于 SCIAMACHY,大約在 10～20DU 之間.在其他地區,特別是 40°N、130°E 地區,SCIAMACHY 反演的臭氧總量小于OMI,最大可達20DU.OMI的空間差異更加明顯,在低值的青藏高原和高值的東北亞地區能更好的表現出來.因此,OMI可以體現出臭氧總量空間變化上更多的信息.

圖7 OMI和SCIAMACHY(SCI)臭氧總量的差值Fig.7 The difference value of total ozone between OMI and SCIAMACHY (SCI)

圖8 30°N剖線上OMI和SCIAMACHY(SCI)臭氧總量的變化Fig.8 The variation of total ozone over 30°N profile of OMI and SCIAMACHY (SCI)

對 30°N做剖線,圖 8為 2005～2009年月平均臭氧總量在30°N剖線從70°E～140°E的變化.由于經過青藏高原,海撥在 4500m 以上,縮短了臭氧氣柱,減少了臭氧總量,臭氧總量與高程呈反比[22-23],而且高海拔改變了青藏高原區的熱力和動力狀況.因此,在 80°E～100°E 的青藏高原區出現臭氧低谷,隨著時間的演變臭氧低谷發生周期性變化,大約比周圍地區低了12DU,而在SCIAMACHY數據中,沒有體現這種空間特征和周期性變化.在中國四川盆地(105°E、30°N),OMI臭氧總量出現較小的峰值,而SCIAMACHY的數據也沒有體現出這個空間特征.四川盆地臭氧總量較高的原因可能是地形的影響,盆地地形不利于氣流的交換.而且四川盆地濕度較大,這也是影響臭氧總量較高的原因[22,24].較大的相對濕度有利于對流層中光化學反應,進而產生臭氧[25].

為了更好地分析臭氧總量緯度地帶性的變化,沿著 120°E 做剖線,圖 9 為 2005～2009 年月平均臭氧總量(OMI、SCIAMACHY)在 120°E 從4°N～55°N 的變化.臭氧總量隨著緯度的增大而逐漸上升,而且冬季、春季的緯度地帶性比夏季、秋季明顯,但是增長的速率存在明顯差異.以 30°附近為分界,在低緯度變化量小于中緯度,從4°N～30°N 地區,隨著緯度的增大臭氧總量增長平緩.從 30°N～50°N 地區, 隨著緯度的增大臭氧總量快速增大.2005～2009年多年平均值,對于OMI數據,50°N 比 30°N 大了大約 87.1 DU,為23.79%,30°N比4°N大了大約29.9 DU,為10.71%對于SCIAMACHY數據, 50°N比30°N大了大約91.0 DU,為 24.56%,30°N 比 4°N 大了大約 28.8 DU,為 10.30%;對于 OMI和 SCIAMACHY 的平均值,50°N比30°N大了大約89.1DU,為24.17%,30°N比 4°N 大了大約 29.4DU,為 10.51%.

圖9 120°E剖線上OMI和SCIAMACHY(SCI)臭氧總量的變化Fig.9 The variation of total ozone over 120°E profile of OMI and SCIAMACHY (SCI)

4 結論

4.1 利用OMI和SCIAMACHY傳感器反演的臭氧總量數據,結合地面觀測的臭氧總量數據進行了驗證.回歸分析表明,OMI反演的臭氧總量(斜率和截距分別為0.98和4.25,相關系數為0.98)比SCIAMACHY(斜率和截距分別為0.95和12.3,相關系數為0.97)反演的更好;相對偏差的分析也佐證了這個結果,而且OMI具有更高的時間和空間分辨率.2個傳感器反演的臭氧總量空間差異明顯,差值在-25～25DU 之間.在不同地區反演結果不同,在青藏高原區,OMI的臭氧總量小于SCIAMACHY,大約在 10～20DU 之間.在其他地區,特別是 40°N、130°E 地區,SCIAMACHY 反演的臭氧總量小于OMI,最大可達20DU.

4.2 臭氧總量存在明顯的季節變化,在低緯度地區最大值出現在4月或5月,最小值在11月或12月,而在高緯度地區最大和最小的變化則分別出現在2月或3月和8月或9月.

4.3 臭氧總量緯度地帶性分布明顯,而且呈現明顯的季節變化,臭氧總量隨著緯度增加而逐漸上升.從 4°N～30°N 臭氧總量增長較平緩,從30°N～50°N 臭氧總量快速增大,分別大約為 29.4和89.1 DU,即大約為10.51%和24.17%.在青藏高原地區出現臭氧低值區,并在青藏高原東面的橫段山脈向低緯度延伸.

4.4 臭氧總量變化在不同緯度呈現不同的模式隨緯度的增大波動隨之增大.緯度最低的站點(216)臭氧總量距平值變化最小,大約只有-30～30 DU,緯度最高的站點(326)臭氧總量距平值變化可達-100～180DU.

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致謝：本研究數據來自美國戈達地球科學數據和信息服務中心(GES DISC)、歐空局(ESA)和世界臭氧與紫外線輻射數據中心(WOUDC).作者在此表示感謝！

Comparison of total ozone derived from OMI and SCIAMACHY over Asia region.

XIAO Zhong-yong1, JIANG Hong1,2*(1.International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.State Key Laboratory of Subtropical Forest Science and Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Hangzhou 311300, China). China Environmental Science, 2011,31(4)：529～539

Using the total ozone products derived from ozone monitoring instrument (OMI) and scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography (SCIAMACHY), and validated by the ground based measured total ozone data from WODUC. The temporal and spatial characteristics of total ozone over Asia region was analyzed based on the remotely sensed datasets. The validation result indicates that there are higher accurate of the OMI retrieved total ozone data than SCIAMACHY’s, and OMI data has higher resolution both temporal and spatial-scales. The seasonal variation of total ozone presents obvious pattern, the largest value appear in April and May, and the smallest value often appear in November and December over lower latitude areas, respectively. But for the higher latitude areas; the largest and smallest appear in February or March and August or September respectively. The total ozone present latitudinal relied on distribution pattern and increasing with latitude raised. From 10oN ～30oN, the increasing rate is less, while from 30 oN～50oN, the increasing rate is boosty. There is a lower value area over Tibetan Plateau and extend to the lower latitude areas along Hengduan Mountains of China. The variation of total ozone distribution pattern also alterative along with different latitudes, the trend is that with the mean total ozone value increase with latitude raised. The variation of total ozone in 216 lower latitude stations are smaller, with alternation for mean value is 30 DU. There are big variation of total ozone value in 326 higher latitude stations, with alternation for mean value is up to 180 DU.

total ozone；eastern Asia；satellite remote sensing；ozone monitoring instrument (OMI)；scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography (SCIAMACHY)

X831

A

1000-6923(2011)04-0529-11

2010-09-09

國家“973”項目(2010CB428503);國家自然科學基金資助項目(4067113);科技部重大國際合作項目(2008DFA31810);科技部重大基礎性項目(2007FY110300-8)

* 責任作者, 教授, jianghong_china@hotmail.com

肖鐘湧(1979-),男,廣東汕頭人,南京大學國際地球系統科學研究所博士研究生,主要從事大氣環境遙感研究.發表論文 10篇.