卫星遥感影像的全球大气臭氧柱分布和变化特征分析

卫星遥感影像的全球大气臭氧柱分布和变化特征分析

1大气臭氧的时空变化监测研究大气氧化是地球大气中的重要含碳量气体。扁平流层氧化对太阳的紫外辐射具有强烈的吸收，并起到保护地球生物圈的作用。在对流层，氯是温室气体和污染气体。大气臭氧的柱总量及其在大气中的分布对全球的生态环境和气候变化有重要的影响。对大气臭氧进行监测和研究对生态学、气象学、地球物理学以及保护人类生存的大气环境等方面都具有重要的意义。自从1985年Farman等首次发现南极春季的臭氧空洞以来,大气臭氧的分布及变化趋势成为全球研究的热点,并且迫切需要在全球范围内监测大气臭氧的分布及其变化趋势。由于卫星观测不受时间和地域的限制,可以在时空上连续获取覆盖全球的臭氧观测数据,所以大气臭氧的卫星观测资料成为准确分析全球臭氧时空变化的主要手段。然而,卫星在轨运行期间获取的观测数据必须要进行数据质量验证,以避免由于仪器在轨服务寿命所引起的长期的数据漂移。只有通过对不同卫星观测仪器以及采用不同算法反演得到的臭氧数据进行比较,才能准确判断出大气臭氧的长期变化趋势和短期变化规律。过去30年中,卫星数据被成功应用于监测全球大气臭氧的变化,大量的研究是通过对各种卫星资料的比较分析,来判断当前大气臭氧的变化规律和未来的变化趋势。GaryK.Corlett等对GOME(GlobalOzoneMonitoringExperiment),TOVS,TOMS1996—1999年期间的观测数据进行对比分析得出,在南半球TOMS和TOVS的臭氧测值比GOME的测值要高;在赤道地区,TOMS的测值高于其他两颗星上仪器的测值;北半球在20°N—60°N三颗星上传感器的测值有较好的一致性。V.E.Fioletov等对地基观测资料和TOMS,SBUV(TheSolarBackscatterUltravioletinstruments),GOME的观测资料进行对比分析得出,在北半球地基资料与卫星资料有良好的一致,偏差小于1%;在赤道和南半球的中纬度地区,有2%—3%的系统偏差;在南极大陆偏差更大,大约5%。并指出1979—2000年期间,大气臭氧以平均每年2.5%的速率减少,没有迹象表明大气臭氧总量正在恢复。卞建春和陈洪滨等利用1979—2000年20年期间昆明、北京两地的地面观测资料和TOMS资料进行对比分析得出,Dobson仪测量得到的臭氧总量与TOMS资料非常一致。本文主要比较了TOMS,AIRS,TOVS在2003—2005年期间反演的大气臭氧总量数据,分析大气臭氧总量的时间变化、季节变化以及空间变化,最后将中国北京、昆明两站地基观测仪Dobson的测量数据与上述三种卫星反演数据进行了比较,主要是为了探索超光谱红外探测仪AIRS对臭氧监测的应用潜力。2大气红外发射辐射TOMS是成功长期观测全球臭氧的系列仪器。TOMS首次被装载在1978年发射的Nimbus-7卫星上并连续获取了15年的大气臭氧数据。从1996年到现在,TOMS被装载在EarthProbe卫星上,EP-TOMS在6个不同的波段(360.0nm,331.2nm,322.3nm,317.5nm,312.5nm,308.6nm)测量后向紫外辐射,能够测量臭氧总量、气溶胶指数及SO2等。在两极的冬季极夜期间,TOMS不能获取数据。TOVS由三部分组成:微波探测单元(MSU),高分辨率大气红外探测器(HIRS)及平流层探测单元(SSU)。其中HIRS利用通道9的9.6μm红外臭氧吸收波段测量地球—大气的红外发射辐射。超光谱大气红外探测器AIRS装载在2002年5月发射的EOS/Aqua卫星上,光谱覆盖3.7—15.4μm,有2378个红外光谱通道,高光谱分辨率为1200(λ/Δλ),其中臭氧吸收带在9.6μm波段。AIRS是红外多光谱探测仪向红外高光谱探测仪发展的里程碑,代表了高光谱探测仪的发展方向和发展趋势。中国风云三号系列卫星上将首次装载大气垂直探测器(IRAS-InfraRedAtmosphericSounder)。TOMS与TOVS,AIRS的最大不同点在于探测大气臭氧所使用的波段区域不同,TOMS测量太阳紫外辐射,而TOVS,AIRS测量地球—大气红外辐射。本文使用的资料主要有三个来源:AIRS8天臭氧数据产品由NASA的在线数据网站获取(/data/datapool/AIRS/index.html);TOMS日臭氧总量数据产品由NASA的在线数据网站获取(/data/datapool/TOMS/index.html);TOVS和AIRS数据是以1纬度×1经度的格点存储。TOMS数据是以1纬度×1.25经度的格点存储。本文利用MATLAB的插值函数interp2对TOMS数据进行线性插值,将TOMS数据插值到1纬度×1经度的格点上,并对TOMS和TOVS2003—2005年三年的日臭氧数据进行8天平均。3单因素柱分析3.1tovs和提供臭氧反演值对比对2003—2005年AIRS,TOVS,TOMS反演的大气臭氧总量进行平均,获得这三年全球逐周(8天)平均臭氧柱总量变化曲线如图1所示。考虑到在两极的冬季极夜期间TOMS不能获取数据,在进行全球大气臭氧总量平均时仅取60°N—60°S之间的区域。由图1可以清晰地看出大气臭氧柱总量呈周期性变化,TOMS的反演值与TOVS的反演值相对比较一致。AIRS反演的平均臭氧柱总量高于TOMS和TOVS反演值,平均比TOMS高约5DU,比TOVS的高约3.5DU;TOVS和TOMS有较好的一致性,平均相差大约1.5DU。为了进一步分析卫星反演的大气臭氧总量在各纬度的变化情况,本文将全球划分为18个纬度带,每10度一个纬度段,对每一个纬度段进行平均,从图2中可以看出各数据集的纬度变化。在两极地区,AIRS臭氧反演值存在异常偏高,最大差异出现在南极大陆地区,与TOMS和TOVS的反演值相差最大可达90DU,且在沙漠地区也出现异常,见图4和图5。图2中还可以清晰看出,AIRS反演的臭氧产品,超出50°N—50°S的范围,偏差明显加大,反演的数据将不再可靠。在赤道地区,AIRS的反演值比TOMS的反演值低约4DU,比TOVS的反演值高约3—6DU。TOMS的反演值比TOVS高约6—9DU。在其他纬度区,TOMS,AIRS,TOVS的反演值及变化趋势非常接近。AIRS的臭氧反演值略高于TOMS和TOVS的反演值。在南北半球中纬地区,臭氧含量由赤道向两极呈线性递增。3.2大气臭氧含量为分析臭氧的季节性变化,图3给出了2003年12月—2005年11月期间的冬(12月—次年2月),春(3月—5月),夏(6月—8月),秋(9月—11月)四个季节的平均大气臭氧柱总量在不同纬度的分布。通过分析图3可以清晰看出,大气臭氧柱总量在各纬度都存在明显的季节变化,北半球冬春季大气臭氧含量较高,春季达到最大值(AIRS平均反演值为325.78DU,TOMS平均反演值为319.25DU,TOVS平均反演值为321.73DU);夏秋季大气臭氧含量较低,秋季达到最小值(AIRS平均反演值为282.23DU,TOMS平均反演值为269.78DU,TOVS平均反演值为281.48DU)。南半球的大气臭氧有较小的季节性变化,南半球中纬度(30°—60°S)与北半球相反,大气臭氧含量夏秋季较高(AIRS平均反演值为298.97DU,TOMS平均反演值为287.04DU,TOVS平均反演值为297.79DU);冬春季较低(AIRS平均反演值为278.88DU,TOMS平均反演值为271.68DU,TOVS平均反演值为276.89DU),极值中心出现在50°—60°S左右。赤道地区,全年臭氧含量都比较低,冬春略低(AIRS平均反演值为245.92DU,TOMS平均反演值为251.77DU,TOVS平均反演值为244DU);夏秋略高(AIRS平均反演值为259.70DU,TOMS平均反演值为261.79DU,TOVS平均反演值为252.41DU)。高纬度的南极地区在秋季形成臭氧空洞,大气臭氧含量达到极小值,TOMS平均反演值为194DU,TOVS平均反演值为145.23DU。两半球各自在冬春季高纬度地区臭氧总量变大之起源是动力学过程,它的产生是由于极区平流层的空气下降,然后再与极地和高纬区之间的空气进行交换所致。因为在极地和高纬区富有臭氧。臭氧的纬度分布与季节变化还与大气环流,平流层环流,臭氧和空气的垂直运动以及高空气压场等存在复杂的关系,具体臭氧的变化是如何同它们关联的还需要进一步的研究。3.3各传感器臭氧反演的空间分布在空间尺度上分析各传感器所测得大气臭氧总量之间的差异,可以呈现出在全球分析和纬度分析时被平均掉的空间特性。由于TOMS在两极极夜期间不能获取数据,AIRS在极区的反演也存在异常,因此取60°N—60°S之间的区域对各传感器在2003—2005年的大气臭氧柱含量作平均,获得各传感器之间相对偏差的空间分布图(图4—图6)。从图4—图6中不难看出,在空间尺度上的大气臭氧的分布与纬度分析结果基本一致。在赤道地区,TOMS的臭氧反演值比AIRS和TOVS的臭氧反演值高,在海洋占绝大多数的南半球中纬度地区,各传感器的臭氧反演值基本一致。然而也可看到在全球纬度分析中被消除的一些局地特性。最大偏差出现在非洲撒哈拉沙漠地区,AIRS和TOVS的臭氧反演值相对比TOMS的臭氧反演值高,AIRS与TOMS的相对偏差大约为20%—25%,TOVS与TOMS的相对偏差大约为10%。另外,在青藏高原,非洲西南海岸,南美洲西南海岸及澳大利亚南部,各传感器反演值之间都出现较大的相对偏差,可能是由于不适当的地表发射率输入到AIRS/TOVS反演算法当中所引起,具体原因有待进一步研究及验证。4大气臭氧的月际变化图7为北京香河、云南昆明、青海瓦里关、黑龙江龙凤山4个地面站逐日资料的8天平均,TOMS逐日过顶资料的8天平均及由AIRS产品中提取的AIRS过顶资料随时间变化的曲线。在北京香河站和黑龙江龙凤山站,监测到的臭氧的变化趋势相当一致。2—4月份臭氧含量较高,北京香河站平均值为376.17DU,黑龙江龙凤山站平均值为423.50DU;8—10月份臭氧含量较低,北京香河站平均值为308.67DU,黑龙江龙凤山站平均值为313.11DU,北京香河站的变化幅度大约为70DU,黑龙江龙凤山的变化幅度大约为110DU;AIRS的臭氧反演值在10—3月份比香河站测量值平均大约低23DU,比龙凤山站测量值平均大约低18.4DU;4—9月份两者的结果基本一致,在香河站相差大约1DU,龙凤山站相差大约5DU。在临安站,4—6月份臭氧含量较高,平均值为301.62DU;9—12月份臭氧含量较低,平均值为267.82DU。变化幅度约为33DU。在昆明站,4—6月份臭氧含量较高,平均值为283.17DU;11—1月份臭氧含量较低,平均值为250.5DU,变化幅度大约为33DU;AIRS的臭氧反演值在4—9月份比地面Dobson仪测量值平均大约高12DU;10—3月份两者的结果基本一致,相差大约1DU。在瓦里关站,2—4月份臭氧含量较高,平均值为311.27DU;6—9月份臭氧含量较低,平均值为274.04DU,变化幅度约为37.23DU。3—10月份,AIRS的臭氧反演值比地面观测值高大约26.37DU,11—2月份两者结果基本一致,相差大约5DU。2004—2005年,TOMS的臭氧反演值比地面站测值都低,比北京站测值低大约17DU,比龙凤山站的测值低大约11DU,比昆明站测值低大约7DU,而与临安站和瓦里关站的测量结果基本一致,比临安站测值低1DU,比瓦里关站测值低2DU。表1给出了同期卫星反演的大气臭氧总量与地面站测量值的平均偏差以及相关分析状况。可以看出,TOMS的反演值在大部分站点偏低,AIRS在大部分站点相对偏高。卫星数据与地基数据之间的相关系数大于0.7,大部分达到0.9以上,可见二者的相关性非常显著。因此,在地面仪器观测数据缺失时,卫星反演值仍可作为一种参考。计算大气臭氧总量地面资料与卫星资料的8天平均相对差异情况见图8。图8表明,AIRS反演的臭氧含量比北京香河站的Dobson仪测量值低大约3.1±4.8%,比昆明站的Dobson仪测量值高大约2.5±3.6%,比龙凤山站的Brewer仪测量值低大约1.87±5.3%,比临安站的Brewer仪测量值高大约0.73±4.0%,比瓦里关站的Brewer仪测量值大约高6.8±5.6%。TOMS反演的臭氧含量比北京香河站的Dobson仪测量值低大约4.4±2.4%,比昆明站的Dobson仪测量值低大约2.8±2.3%,比龙凤山站的Brewer仪测量值低大约3.6±2.7%,比临安站的Brewer仪测量值高大约0.1±3.0%,比瓦里关站的Brewer仪测量值大约低0.73±3.6%。卞建春和陈洪滨等曾利用32个地面台站与TOMS臭氧资料进行比较,发现在36°N以北的19个站点,在2001—2003年几乎都出现了地面站测值显著高于TOMS反演值的情况,而在36°N以南的绝大多数站点,这种现象不明显。根据以上分析,在2004—2005年,中国除临安站之外的4个地面站测值明显高于TOMS的反演值,这进一步表明TOMS资料在中国地区继2003年之后到2005年,与地面资料相比出现了很大偏差。如果仅仅用EP-TOMS资料分析臭氧的变化趋势,将会对近5年来中国地区臭氧的减少过高估计。因此,在分析2002—2005年的TOMS资料时,必须非常谨慎。5全球臭氧柱的特征本文对20