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卫星臭氧资料在气象领域的发展与应用

中国学术期刊网【通信论文】 编辑:天问 气象学报 2016-05-03卫星臭氧资料在气象领域的发展与应用论文作者:刘寅 邹晓蕾,原文发表在《气象学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 卫星臭氧资料 气旋 气候分布 青藏高原 数值应用
摘要: 随着卫星探测技术的进步、天气学和气候学理论的不断完善,以及高性能计算机广泛应用,卫星臭氧资料的种类得到极大丰富并被应用到多个研究领域中,取得了一系列重要成果。文中介绍了主要星载臭氧探测仪的发展概况,回顾了卫星臭氧资料在气象领域的应用研究成果,主要包括卫星臭氧资料在气旋或低压过程中、全球或区域臭氧的气候分布及变化特征、高原臭氧分布及变化特点、数值应用等方面的应用研究,并展望了卫星臭氧资料研究的未来发展趋势。

刘寅1,2,3, 邹晓蕾3,4
1. 江苏省气象探测中心, 南京, 210009;
2. 江苏省气象科学研究所, 南京, 210009;
3. 南京信息工程大学资料同化研究与应用中心, 南京, 210044;
4. Earth System Science Interdisciplinary Center, University of Maryland, College Park, MD 20740-3823, USA
2015-02-16 收稿; 2015-11-16 改回
资助课题: 江苏省气象局北极阁开放研究基金(BJG201512);江苏省气象局科研基金重点项目(KZ201605);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406008);国家自然科学基金项目(91337218);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0506);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。
作者简介: 刘寅,主要从事卫星臭氧资料的质量控制与同化研究。

1 引言

臭氧是一种重要的大气微量气体,主要集中在10—50 km高的平流层,只有大约10%的臭氧分布在对流层。平流层中的臭氧可以吸收太阳紫外辐射,从而保护了地球生物圈;对流层中的臭氧通过吸收地-气系统的长波辐射对大气产生加热作用,是一种重要的温室气体,同时高浓度的地面臭氧会构成大气污染物,直接影响到生态系统和人类健康。因此,臭氧可以影响对流层-平流层大气动力、热力、辐射、化学等过程,对气候和环境变化具有重要意义(王体健等,1999)。

自1921年Fabry发现大气臭氧层以及1929年Dobson分光光度计成功研制以来,大气臭氧观测开始了飞速发展(谢冰等,2014)。中外学者利用地基和气球等不同平台测量大气臭氧,相关研究表明大气臭氧的变化与对流层顶高度、温度、位势高度以及高层的槽、脊强弱等密切相关(Normand,1953;Ohring et al,1960;Shapiro et al,1982;Davis et al,1999;王庚辰等,2006)。由于地基和气球等观测手段缺乏时空连续性,使得利用卫星进行大气臭氧观测成为近几十年来主要的观测手段。大气臭氧的卫星观测从20世纪60年代开始,1965年Singer首先提出了基于太阳紫外后向散射的大气臭氧测量方法,开启了大气臭氧卫星探测的新篇章,随后又进一步发展了若干种大气臭氧测量方法(邱金桓等,2003)。迄今,大气臭氧的卫星探测方法主要分为掩日法、气辉测量法、红外波段法、可见光谱法以及紫外后向散射法。掩日法在卫星通过昼夜交界面时进行测量,在每条轨道上最多获得两次测量数据;气辉测量法由于受到气辉峰值高度的限制,只能得到50 km高度以上的卫星臭氧资料;红外波段法可以对地球背阳面进行测量,有利于反演15 km以下的臭氧分布,但是该方法容易受到地表辐射、云层和大气中水含量的影响;可见光谱法通过特征吸收光谱鉴别大气中污染气体的类型和浓度,可以实现臭氧等标准大气污染物的高精度非接触测量,但是该技术只适用于具有窄带吸收结构的气体;紫外后向散射方法算法稳定,对仪器要求不高,可以得到较高精度的臭氧资料,是获得卫星臭氧资料的主要方法(Mateer et al,1971)。

随着气象卫星技术的迅速发展,越来越多的大气臭氧探测仪器发射升空,提供了高精度、全球性、全天候的卫星臭氧资料。近几十年来,中外学者开展了卫星臭氧资料在气旋或低压过程中、全球或区域臭氧的气候分布及变化特征、高原臭氧分布及变化特点、数值应用等方面的深入研究,取得了丰富的成果。

2 星载臭氧探测仪的发展概况

空间遥感技术的快速发展促使大气臭氧卫星探测研究日趋活跃,表 1列举了主要星载臭氧探测仪的基本情况。20世纪60年代为了确定是否可以基于200—340 nm波段的大气后向散射来获得大气臭氧垂直分布,首次发射了OGO-4卫星紫外气辉光谱仪(Ultraviolet Airglow Spectrometer,UAS)(Meier et al,1971)。随后,Nimbus-4卫星第一次携带紫外后向散射光谱仪(Backscatter Ultraviolet Instrument,BUV),首次成功利用紫外后向散射测量获得了大气臭氧的垂直分布和星下点的大气臭氧总量。该光谱仪有12个通道,其中8个短波通道主要用于大气臭氧垂直分布探测,另外4个长波通道主要用于大气臭氧总量探测(Ghazi,1974)。为了解决波长扫描和空间扫描的矛盾,1978年发射的Nimbus-7卫星搭载了太阳后向紫外散射光谱仪/臭氧总量绘图光谱仪(Solar Backscatter Ultraviolet and Total Ozone Mapping Spectrometer,SBUV/TOMS),从而可以同时观测大气臭氧垂直分布和臭氧总量全球分布(Heath et al,1975)。出于延续从Nimbus-7/TOMS开始的全球大气臭氧总量长期监测的目的,美国和苏联在1991年合作发射的Meteor-3卫星安装了另一台臭氧总量绘图谱仪(Meteor-3/TOMS),该仪器与Nimbus-7搭载设备相比,在定标技术等方面有了改进(Ozone Processing Team,2015)。此后,美国又从波长对选取、辐射定标和监测等方面对TOMS仪器进行改进,从而一批改进型TOMS仪器分别通过美国1996年发射的EP小卫星、日本1996年发射的ADEOS-1卫星和俄罗斯2001年发射的Meteor-3M N1卫星投入使用(王咏梅,2003)。平流层气溶胶和气体试验(Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Ⅱ,SAGE Ⅱ)传感器于1984年通过地球辐射收支卫星(Earth Radiation Budget Satellite,ERBS)升空,该仪器利用太阳光遮掩技术对通过地球临边大气层的太阳辐射进行观测,从而获得气溶胶衰减、臭氧、NO2和水汽的廓线(Ackerman et al,1989)。2001年,该系列仪器的第四代SAGE Ⅲ通过Meteor-3M卫星升空,相比前一代,SAGE Ⅲ添加了温度和气压廓线测量功能,同时还具备在月光下进行掩星观测的能力(NASA,2015)。为了了解高层大气对气候和气候变率的影响,美国NASA于20世纪80年代开始执行“行星地球使命”中的首个主要任务——高层大气研究卫星(Upper Atmosphere Research Satellite,UARS),并于1991年由“发现号”航天飞机携带升空(Reber et al,1993)。UARS上的微波临边探测器(the Microwave Limb Sounder,MLS)在地球临边方向扫描,可以对大气成分、温度和冰云的垂直廓线进行测量,其优点在于有冰云和气溶胶的情况下可以确保对上对流层和下平流层的观测(Barath et al,1993)。2004年,由UARS/MLS发展而来的新一代MLS搭载Aura卫星升空,其辐射计得到优化,探测频率进一步拓展。此外,UARS上的卤素掩星实验(the Halogen Occultation Experiment,HALOE)采用太阳掩星模式,其信号由低分辨率红外滤波辐射计获得,可以对温度和包括臭氧在内的7种大气成分的浓度廓线进行观测(Russell III et al,1993)。20世纪90年代欧空局为了综合监测臭氧以及气溶胶和云层分布情况,成功研制了全球臭氧监测试验装置(Global Ozone Monitoring Experiment,GOME)和扫描成像大气吸收光谱仪(Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric ChartographY,SCIAMACHY)。GOME是第一台高光谱分辨率臭氧观测仪,其性能较BUV有显著提高,采用差分吸收光谱的方法对臭氧进行测量(Hoogen et al,1999)。在GOME的基础上,SCIAMACHY扩展了光谱范围,增加了光谱通道并提供多种观测方式和辐射定标方式(Bovensmann et al,1999)。为了延续该计划,GOME-2于2006和2012年分别搭载MetOp-A和MetOp-B升空,其星下点分辨率得到了显著提升。美国于2002和2004年相继又发射了Aqua和Aura卫星,其分别搭载了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)和臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)。AIRS在3.7—15.4 μm的光谱范围内有2378个光谱通道,垂直分辨率为1 km,星下点分辨率为13.5 km,可以提供高光谱高精度的大气温、湿度资料及云、地表、臭氧等参数资料(Aumann et al,2003)。OMI继承了TOMS的优点,通过观测地球大气和表面的后向散射辐射来获取信息,星下点的分辨率达到13 km×24 km(Pittman et al,2009)。与此同时,由加拿大主持的大气化学实验(Atmospheric Chemistry Experiment,ACE)于2003年发射了隶属于ACE的SCISAT-1卫星,该卫星上最主要的仪器是一个高光谱分辨率的傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Spectrometer,FTS)。ACE-FTS可以获得温度、气压和包括臭氧在内的24种微量或者痕量气体浓度的廓线分布,垂直分辨率高达1 km,其多年累积的高质量资料对中高层大气的化学和动力学过程的研究起到了促进作用(Bernath et al,2005)。2006年欧洲第1颗极轨气象业务卫星MetOp-A发射成功,超高光谱红外大气探测仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer,IASI)是MetOp-A上最先进的仪器之一,它是继AIRS之后的超高光谱大气探测器,对大气温、湿度廓线、大气化学成分遥感达到了前所未有的高分辨率和高精度(Clerbaux et al,2007)。2011年搭载于美国新一代极轨环境卫星(Suomi National Polar-Orbiting Partnership,SNPP)上的大气臭氧制图廓线仪(Ozone Mapping and Profiler Suit,OMPS)不需要扫描镜系统,可以使用临边观测方式凝视观测地球临边大气,其工作光谱为288.5—1020 nm,空间垂直分辨率为3 km,探测精度和可靠性得到明显提高(Leitch et al,2003)。搭载在SNPP卫星平台上的高光谱红外探测仪(Cross-Track Infrared Sounder,CrIS)延续了AIRS的观测,该仪器拥有1305个光谱通道,覆盖了长波红外、中波红外和短波红外3个波段范围,可以提供精确可靠的大气观测资料(Weisz et al,2012)。
中国从20世纪70—80年代开始大气臭氧卫星探测仪器的研制,1981年9月发射了实践2号卫星,其上搭载了太阳紫外光度计和地-气紫外后向散射辐射计,标志中国大气臭氧卫星探测的首次试验(叶宗海等,1997)。随后,中国的相关探测技术飞速发展,以2008年5月27日搭载于FY-3A卫星上的臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit,TOU)和紫外臭氧垂直探测仪(Solar Backscatter Ultraviolet Sounder,SBUS)成功发射和运行为代表,中国星载大气臭氧探测资料进入实用阶段(杨军等,2009)。为了进一步强化中国极轨气象卫星上、下午星组网观测的业务布局,中国分别于2010年11月5日和2013年9月23日成功发射了FY-3B和FY-3C。在FY-3B和FY-3C上同样搭载了TOU和SBUS,但是两者的性能得到了升级,可以提供更精确可靠的臭氧观测资料(王维和等,2013;黄富祥等,2013)。与国际同类卫星臭氧资料相比,中国风云系列卫星臭氧资料毫不逊色,可以成功实现全球大气臭氧的动态监测并为中国环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供支持(王咏梅等,2009;黄富祥等,2009;王维和等,2010,2011;刘年庆等;2011;江芳等,2012;刘寅,2014)。目前,中国正在进行紫外高光谱臭氧探测仪的研制,大气臭氧卫星探测将从单一的臭氧成分探测升级为以臭氧为中心的污染成分联合探测,该仪器的研制与应用意味着中国大气紫外遥感已经进入到可视化成像探测阶段。

3 卫星臭氧资料的应用

3.1 卫星臭氧资料在气旋或低压过程中的应用

臭氧是天气系统重要的示踪气体,其浓度变化和天气尺度的波动联系紧密(郭世昌等,2007)。早期,Dobson(1923)根据流星观测记录探讨了从地面至200 km高度的大气特征,并发现臭氧层对夏季和冬季的流星观测存在影响。随后,Dobson等(1927)和Dobson(1929)的研究表明,在反气旋和气旋等不同的气象条件下臭氧的空间分布会发生显著变化,臭氧浓度与平流层底部的气压、平流层底部的高度和对流层的温度等因素存在相关。基于地基和气球等不同平台测量的大气臭氧资料,进一步揭示了天气系统的异常可以通过臭氧的变化反映出来(Normand ,1953;Ohring et al,1960;Shapiro et al,1982;Davis et al,1999;王庚辰等,2006)。而通过种类丰富的卫星臭氧资料,与大气臭氧相关的研究不断深入,获得了许多新认识。Uccellini等(1985)利用包括TOMS卫星臭氧资料在内的多种资料研究了1979年美国总统日的暴雪,发现登陆气旋是引起雪灾的主要原因,由于动力强迫而生成的α中尺度垂直环流又对后续发展的暴雪系统有显著影响,通过TOMS卫星臭氧资料可以发现此次过程中存在比较明显的对流层顶折叠。Rodgers等(1990)分析了1979—1982年大西洋多个飓风过程中的TOMS臭氧总量资料,发现臭氧总量的空间分布形式与飓风的增强与减弱密切相关,可以利用卫星臭氧资料来监测飓风的发展过程,同时还发现飓风过程中平流层空气会侵入对流层上部,从而导致臭氧总量增加,这就是对流层顶折叠现象。Stout等(1992)随后又分析了多年的TOMS卫星臭氧资料,指出气旋中心距离上游臭氧槽的远近会影响热带气旋的运动,在臭氧槽下游15个纬距内的热带气旋多数的运动会向右偏转。Zou等(2005)利用TOMS卫星数据对1996—2003年多个热带气旋个例进行分析,发现当飓风处于增强阶段时眼墙附近的臭氧浓度达到最低值,而飓风眼的臭氧浓度达到最高值,但是当飓风处于减弱阶段时,飓风眼和眼墙区域的臭氧浓度均偏低。Zou等(2005)同时还指出,热带气旋中的臭氧总量与高层位势高度、平均位势涡度、海平面气压高度相关,将风暴尺度和天气尺度的特征分离后,分区域的臭氧总量与平均位势涡度的相关系数高于0.9。基于OMI卫星臭氧资料,Joiner等(2006)研究发现,臭氧总量的空间分布受飓风的影响较大,在臭氧资料的反演算法中需要考虑飓风对云顶气压的影响,以提高OMI卫星臭氧资料在飓风环境中的适用性。在孟加拉湾和阿拉伯海地区,Midya等(2012)利用1997—2009年的TOMS和OMI臭氧资料同样发现随着热带气旋的发展,臭氧总量的空间分布会发生显著变化,而臭氧总量的变化与大气化学、大气动力学理论是一致的。Wang等(2012)的研究表明,臭氧总量的空间分布形式与卫星云图的对应关系较好,通过高分辨率的卫星臭氧资料可以观测到热带气旋的精细结构。图 1为台风Sinlaku和飓风Earl强盛时期AIRS观测到的臭氧总量空间分布及对应时刻的卫星云图,清楚体现了其研究结论。Zhan等(2012)进一步利用AIRS卫星臭氧资料和ERA-Interim资料对西北太平洋的热带气旋进行综合分析,结果表明由热带气旋引起的深对流在平流层-对流层交换中具有重要作用。基于OMI和再分析资料,Fu等(2013)对台风发生过程中大气臭氧廓线进行定量分析,结果表明台风的强弱会使大气臭氧廓线发生显著变化。