對(duì)24種大氣成分的熱紅外天底觀(guān)測(cè)

L.Clarisse Y.R'Honi P.－F.Coheur D.Hurtmans

對(duì)24種大氣成分的熱紅外天底觀(guān)測(cè)

L.Clarisse Y.R'Honi P.－F.Coheur D.Hurtmans

熱紅外天底探測(cè)儀是觀(guān)測(cè)諸如水汽、二氧化碳和臭氧等大氣組分總柱含量或垂直剖面的理想儀器。低于5cm－1光譜分辨率的高分辨率探測(cè)儀能夠分辨痕量氣體細(xì)微的光譜特征。在第一臺(tái)高光譜探測(cè)儀IRIS出現(xiàn)的40年后，現(xiàn)在幾款改進(jìn)了儀器特性的儀器已經(jīng)在軌運(yùn)行。本文評(píng)述了應(yīng)用熱紅外天底探測(cè)儀觀(guān)測(cè)痕量氣體，重點(diǎn)在于紅外大氣探測(cè)干涉儀（IASI）的新近觀(guān)測(cè)。文章介紹了14種非?；顫姷暮哿繗怏w的典型觀(guān)測(cè)。從天底視角觀(guān)測(cè)氣體講，一些組分屬首次報(bào)道，包括亞硝酸、呋喃、乙炔、丙基烯、乙酸、甲醛和氰化氫；這些組分是在2009年2月澳大利亞叢林大火的火積云中觀(guān)測(cè)到的。由于能夠觀(guān)測(cè)這些大量活性的痕量氣體，所以我們關(guān)于源排放及其對(duì)環(huán)境和氣候方面影響的知識(shí)可能會(huì)加深。

引言

高分辨率地面紅外光譜第一次是由從太空通過(guò)搭載于氣象衛(wèi)星雨云（Nimbus）3號(hào)和4號(hào)平臺(tái)上的紅外干涉光譜儀（IRIS，1969～1971）測(cè)得的，揭示了二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亞氮和臭氧的吸收帶（Hanelet al，1972）。雖然早期認(rèn)識(shí)到了天底觀(guān)測(cè)的高光譜紅外探測(cè)儀的探測(cè)潛力，但是當(dāng)時(shí)的技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足天氣變量對(duì)光譜分辨率和重訪(fǎng)周期的要求。在接下來(lái)的幾十年里，人們更傾向于應(yīng)用寬頻紅外探測(cè)器對(duì)云、溫度和濕度進(jìn)行探測(cè)。1990年代，氣候變化的爭(zhēng)論推動(dòng)了溫室氣體干涉監(jiān)視器（IMG，1996～1997）的發(fā)展。IMG設(shè)計(jì)用來(lái)探測(cè)眾多痕量氣體，例如CO2、H2O、O3、CO 和 CH4（Shimoda and Ogawa，2000；Clerbauxet al，2003）。對(duì)比IRIS和IMG光譜證明了溫室氣體吸收的增加，包括 CFC－11 和 CFC－12 （Harrieset al，2001）。

IMG未完成使命便中途夭折，但幸運(yùn)的是2002年以來(lái)在數(shù)字天氣預(yù)報(bào)以及大氣組分監(jiān)測(cè)對(duì)探測(cè)儀需求逐步增長(zhǎng)的推動(dòng)下，新的天底觀(guān)測(cè)的高分辨率光譜儀應(yīng)運(yùn)而生，有大氣紅外探測(cè)儀（AIRS，2002－；見(jiàn)Chahineet al，2006）、對(duì)流層放射光譜儀（TES，2004－；見(jiàn)Beer，2006）、紅外大氣探測(cè)干涉儀（IASI，2006－）、溫室氣體觀(guān)測(cè)衛(wèi)星 （GOSAT，2009－；見(jiàn) Kuzeetet al，2009）。在這篇文章中，我們主要探討IASI，因?yàn)镮ASI在這些探測(cè)儀中應(yīng)用范圍最廣。IASI搭載于太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星Metop－A平臺(tái)上，為交叉軌道掃描儀，4個(gè)像素掃描范圍2400km。IASI每天對(duì)地球紅外輻射進(jìn)行1280000次探測(cè)，每日兩次全球覆蓋。最大覆蓋范圍在天底為直徑12km的圓形，到掃描最大點(diǎn)為近似的橢圓，兩軸分別為39km（交叉軌道）和20km（沿軌道）。該光譜儀切趾光譜分辨率為0.5cm－1，光譜覆蓋范圍從645cm－1到2760cm－1（3.6 到15.5μm），輻射噪聲低（波數(shù)低于2300cm－1，NeΔT～0.2K；高于2300cm－1，NeΔT＞0.3K）（Clerbauxet al，2009）。

在每個(gè)IASI光譜中能探測(cè)到10種氣體， 即 CO2、 N2O、 CFC－11、 CFC－12、OCS、H2O、CH4、O3、CO 和 HNO3（見(jiàn)Clerbauxet al，2009及其內(nèi)的參考文獻(xiàn)）。這些氣體普遍存在且具有清晰的光譜特征。探測(cè)它們的背景豐度和局地變化對(duì)監(jiān)測(cè)和研究平流層及對(duì)流層化學(xué)和氣候是重要的。

近年來(lái)，在IASI光譜中發(fā)現(xiàn)了一些痕量氣體（主要是短時(shí)存在的）。這些氣體是二氧化硫 （SO2）（Clarisseet al，2008）、氨（NH3）、甲醇（CH3OH）、甲酸（HCOOH）、乙烯（C2H4）和 PAN（C2H3O5N）（Coheuret al，2009）。強(qiáng)排放源的上風(fēng)向或下風(fēng)向通常要求對(duì)這些氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些強(qiáng)排放源可以是一個(gè)極端點(diǎn)源，例如可能達(dá)到平流層高度的火山或大型野火。由于不強(qiáng)烈及覆蓋區(qū)域較小，其他來(lái)源通常排放高度較低（例如植物的生物排放、密集農(nóng)業(yè)或者特大城市的人為排放）。如果有足夠負(fù)荷和充足的大氣條件，這些排放能夠在邊界層中或者通過(guò)對(duì)流層低層的上升被監(jiān)測(cè)到。對(duì)某些全球或準(zhǔn)全球分布的種類(lèi)（NH3、CH3OH 和HCOOH）也可以監(jiān)測(cè)到（Clarisseet al，2009；Razaviet al，2011）。

IASI到現(xiàn)在已經(jīng)在軌運(yùn)行4年。在這篇文章中我們通過(guò)介紹典型光譜對(duì)迄今已經(jīng)探測(cè)到的14種非常活潑的痕量氣體進(jìn)行概述（在這里我們不討論每個(gè)頻譜可觀(guān)測(cè)到的10種氣體）。我們對(duì)之前應(yīng)用天底探測(cè)儀從未探測(cè)到的幾種氣體進(jìn)行報(bào)道。這些氣體是在2009年2月澳大利亞叢林大火的火積云中識(shí)別出來(lái)的（Trepteet al，2009）。對(duì)之前探測(cè)到的氣體，我們對(duì)極端的例子進(jìn)行介紹。在這里我們對(duì)痕量氣體的探測(cè)進(jìn)行論述，對(duì)詳細(xì)的定量研究和分析，如熱羽柱化學(xué)，則不在本文論述的范圍之內(nèi)。此外還對(duì)之前一些通過(guò)臨邊探測(cè)儀探測(cè)到的氣體進(jìn)行論述（Coheuret al，2007）。

1 全球觀(guān)測(cè)

圖1對(duì)本文的主要結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明，介紹了觀(guān)測(cè)到的14種氣體的光譜。對(duì)這些光譜用兩種不同方法進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)光譜特征可以清楚地區(qū)別于其他干擾種類(lèi)時(shí)，顯示原始光譜（黑色），光譜分子特征疊加（紅色）。由于我們論述的是短時(shí)間存在的痕量氣體，這只在少數(shù)情況下可能存在（C2H4、NH3、SO2和CH3OH）。對(duì)其他種類(lèi)我們應(yīng)用最優(yōu)估計(jì)技術(shù)重建合成光譜。殘差，即探測(cè)到的光譜和擬合的光譜之間的差別，表示理想的儀器噪聲。與Coheur等（2009）一樣，我們不考慮重建光譜的具體種類(lèi)，因此能夠顯示出它們的特征（紅色）在剩余光譜（藍(lán)色）中的存在。應(yīng)用HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫(kù)（Rothmanet al，2009）進(jìn)行了 Atmosphit（Coheuret al，2009）正演和反演計(jì)算。對(duì)HITRAN不存在的種類(lèi)如HONO，我們應(yīng)用PNNL紅外截面數(shù)據(jù)庫(kù)（Sharpeet al，2004）進(jìn)行計(jì)算。最近已經(jīng)獲得了 NH3、CH3OH、HCOOH的全球分布，本節(jié)將對(duì)這些種類(lèi)進(jìn)行討論。

圖1所示氨氣光譜是2008年4月18日在阿根廷布宜諾斯艾利斯上空觀(guān)測(cè)到的。2008年4月18日布宜諾斯艾利斯因被內(nèi)陸草和灌木燃燒生成的濃煙籠罩而被世界所關(guān)注。由于氨氣正在排放，氨氣光譜十分異常，光譜特征可見(jiàn)位于基線(xiàn)以上，表明大火煙柱內(nèi)空氣溫度與地表溫度相比升高了。這是對(duì)氨氣觀(guān)測(cè)條件的說(shuō)明。作為短時(shí)間存在的種類(lèi)，氨氣主要局限在邊界層，對(duì)其進(jìn)行觀(guān)測(cè)需要地表和第一層大氣邊界之間中等溫度梯度到較大的溫度梯度。這可以是負(fù)梯度（如這里所示），但更常見(jiàn)的是正梯度。例如在以集約化農(nóng)業(yè)而聞名的加利福尼亞州圣華金河谷，最近的一項(xiàng)研究表明IASI能夠?qū)?個(gè)最熱月份的NH3進(jìn)行探測(cè)（Clarisseet al，2010）。

圖1 IASI觀(guān)測(cè)到的揭示14種稀有痕量氣體的種類(lèi)的火山和大火光譜。黑色表示光譜的亮度溫度，單位開(kāi)爾文，藍(lán)色（原圖為彩色圖——譯注）表示光譜輻射率，單位 Wm－2 m Sr－1，橫坐標(biāo)單位為cm－1

揮發(fā)性有機(jī)化合物甲醇和甲酸是大氣中最重要的有機(jī)物種類(lèi)。據(jù)估計(jì)它們的排放量分別為200Tg/a和10Tg/a，主要是源于生物的排放。當(dāng)局部濃度很高時(shí)，在大火煙流中發(fā)現(xiàn)了它們的最顯著特征。2009年澳大利亞上空的大火煙流顯示了甲醇的光譜，2008年10月博茨瓦納上空的大火煙流顯示了甲酸的光譜特征。雖然這里的特征顯而易見(jiàn)，但常規(guī)探測(cè)受到了臭氧（甲醇）和水線(xiàn)（甲酸）的強(qiáng)烈干擾。由于這兩種氣體生命期在一周左右，因此能夠?qū)@兩種氣體進(jìn)行全球觀(guān)測(cè)，從而對(duì)排放源和輸送模式進(jìn)行揭示（Razaviet al，2011）。從這些結(jié)果可見(jiàn)，甲醇排放已經(jīng)得到證實(shí)，產(chǎn)生了適用于獨(dú)立測(cè)量的改進(jìn)模型（Stavrakouet al，2011）。

2 局地觀(guān)測(cè)

這一節(jié)討論偶然探測(cè)到的氣體種類(lèi)，如火山噴發(fā)后探測(cè)到的SO2和H2S。盡管用紫外線(xiàn)儀器探測(cè)SO2有很長(zhǎng)的歷史（Torreset al，2002），但人們知道紅外線(xiàn)儀器也能夠探測(cè)大氣中的 SO2（Prataet al，2003）。圖1所示的SO2光譜是在2008年8月卡薩托奇火山噴發(fā)后探測(cè)到的（Karagulianet al，2010）。在光譜中能夠區(qū)分出3條明顯的吸收帶。SO2波譜與ν3振動(dòng)模式高度相關(guān)，然而水汽的干預(yù)，使波譜在中對(duì)流層上部只對(duì)SO2敏感。在這個(gè)波段大多數(shù)探測(cè)的是火山煙流，雖然人為排放的SO2上升也會(huì)偶爾被探測(cè)到。ν1和ν1＋ν3波段比較弱，但對(duì)對(duì)流層低處的SO2敏感度較高，在ν3波段飽和的情況下也是可用的。

第一次對(duì)H2S進(jìn)行觀(guān)測(cè)是在最近卡薩托奇火山噴發(fā)的火山煙流中，光譜如圖1所示（Clarisseet al，2011詳細(xì)討論了該事件，也提出了更詳細(xì)的光譜證據(jù)）。由于IASI在光譜區(qū)（～0.04K）的噪聲極低以及火山煙流的高度，使得用這種方法辨別硫化氫是可能的。上對(duì)流層火山煙流探測(cè)界限估算為25DU。這種原始的觀(guān)測(cè)非常重要，因?yàn)镠2S在全球硫預(yù)算中具有很大的不確定性。同時(shí)在遠(yuǎn)程探測(cè)火山噴發(fā)類(lèi)型中具有重要作用（巖漿/射氣巖漿）。

其余種類(lèi)實(shí)例來(lái)自2009年澳大利亞森林大火，是典型的生物量燃燒產(chǎn)物。三種氣體，即氰化氫（HCN）、呋喃（C4H4O）和乙炔（C2H2）是在 CO2為500cm－1和800cm－1顯著的ν2波段探測(cè)的。由于它們特有的顯著特征，使得對(duì)它們進(jìn)行明確地識(shí)別成為可能。對(duì)于HCN和C4H4O這是一個(gè)Q波段，在大氣層頂部超過(guò)5K。乙炔的特征在ν5Q波段之間最為明顯，但一些R線(xiàn)也清晰可見(jiàn)。丙烯（C3H6）是在波長(zhǎng)較短的912cm－1附近ν19波段觀(guān)測(cè)到的，雖然擬合不完美，但其特征清楚地從剩余的氣體中顯現(xiàn)出來(lái)。

甲醛（HCHO），特別是亞硝酸（HONO）是羥基自由基（OH）初期重要的形式，在很大程度上決定了氧化能力以及清除大多數(shù)污染物的速度（Elshorbanyet al，2009）。這二者都在澳大利亞的大火煙流中觀(guān)測(cè)到了。甲醛從空間中的紫外線(xiàn)很容易觀(guān)測(cè)到（De Smedtet al，2008），這里論述的亞硝酸是第一次從空間進(jìn)行觀(guān)測(cè)，并且由于其顯著的特征，未來(lái)的觀(guān)測(cè)是可以預(yù)期的。剩余的甲醛僅僅在儀器噪聲中出現(xiàn)，但是對(duì)煙流中幾個(gè)光譜進(jìn)行平均時(shí)，甲醛能夠清晰地顯現(xiàn)出來(lái)。

之前用IASI探測(cè)過(guò)乙烯（C2H4）、乙酸（CH3COOH）和PAN（Coheuret al，2009）。乙烯的特征極其明顯，能夠很容易地從許多大火煙流光譜中區(qū)分出來(lái)。圖1顯示的是觀(guān)測(cè)到的CH3COOH和PAN不同的吸收帶。之前只有PAN在794cm－1波段處觀(guān)測(cè)到過(guò)，而對(duì)乙酸的觀(guān)測(cè)只是試探性的。一些吸收帶有部分重疊，如1140cm－1到1220cm－1的區(qū)域（橙色標(biāo)記），而且如果較大部分的光譜不能被分析時(shí)還會(huì)錯(cuò)誤地歸因于其他分子的吸收。圖1還顯示出觀(guān)測(cè)到的光譜，用來(lái)說(shuō)明其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。除了許多不同的分子吸收，氣溶膠的貢獻(xiàn)也能夠作為一個(gè)在基線(xiàn)以下（背景表面溫度大約295K）的寬波段被區(qū)分出來(lái)，在1050cm－1到1250cm－1的區(qū)域大量吸收。

圖2 用天底紅外探測(cè)儀累積探測(cè)到的氣體種類(lèi)歷史回 顧：IRIS（Hanel et al，1972）、IMG（Clerbaux et al，2008）、AIRS（Carn et al，2005）、TES（Beer et al，2008）以及IASI（Coheur et al，2009；本文）。由于首次探測(cè)的確切日期難以確定，分別列出各種氣體探測(cè)儀開(kāi)始應(yīng)用的時(shí)間

3 結(jié)論

在這篇文章中我們介紹了14種稀有痕量氣體在IASI光譜中的光譜跡象。這14種氣體中有7種以前從未有應(yīng)用天底探測(cè)器探測(cè)的報(bào)道。圖2對(duì)1969年第一次應(yīng)用IRIS探測(cè)活性痕量氣體以來(lái)紅外天底遙感測(cè)量的進(jìn)展進(jìn)行了說(shuō)明。最近快速增多的探測(cè)種類(lèi)不僅僅在于光譜分辨率的提高，而是由于輻射度性能提高以及時(shí)空覆蓋的改進(jìn)（探測(cè)到更多的事件，并在早期發(fā)現(xiàn)）。IASI還將在軌運(yùn)行10年（在 Metop－B和 Metop－C平臺(tái)上），帶有改進(jìn)儀器的后續(xù)發(fā)射已納入了計(jì)劃。對(duì)大量痕量氣體進(jìn)行觀(guān)測(cè)是重要的，將有助于更好地理解源排放、大氣化學(xué)和對(duì)環(huán)境與氣候的影響。

譯自：Geophys Res Lett.2011.38：L10802

原 題：Thermal infrared nadir observations of 24atmospheric gases

（中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所 孫玉濤譯：杜建國(guó)、崔月菊校）