FY-3星紫外臭氧總量探測儀（TOU）監(jiān)測大氣臭氧及吸收性氣溶膠

王后茂 王詠梅, 王維和 張卓

（1 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；3 中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

0 引言

近年來，我國氣溶膠大氣污染事件（如沙塵、灰霾等）的發(fā)生越來越頻繁，尤其在我國北方地區(qū)，除受沙塵天氣的影響外，受灰霾的影響也較大[1]?；姻驳任廴臼录殡S的主要污染物為氣溶膠和痕量氣體（O3、SO2及NO2等），因此對它們進行大范圍的星載監(jiān)測有助于我國大氣環(huán)境污染的預(yù)報。

國際上對痕量氣體和氣溶膠的星載監(jiān)測起步于20世紀(jì)70年代。1979年，TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer）探測儀利用大氣紫外后向散射已連續(xù)進行近30年的全球大氣臭氧總量反演，并利用吸收性氣溶膠指數(shù)進行吸收性氣溶膠監(jiān)測[2-3]。之后，一系列的星載紫外探測儀器被發(fā)射并進行痕量氣體的探測，如歐州空間管理局的GOME-1[4-5]、SCIAMACHY[6]、GOME-2[4]，以及美國的OMI[3]和OMPS[7-8]等。此外，這些儀器還進行吸收性氣溶膠指數(shù)的反演[9-11]，用于吸收性氣溶膠的監(jiān)測，如灰霾、沙塵、生物燃燒及火山灰等。

由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的臭氧總量探測儀（TOU）是我國自主開發(fā)研制的用于全球臭氧總量監(jiān)測的儀器[12]，于2008年開始搭載在氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號A星（FY-3A）發(fā)射，之后的FY-3B星和FY-3C星先后搭載TOU發(fā)射成功，至今已有三臺TOU儀器在軌運行。TOU的成功發(fā)射和運行實現(xiàn)了我國臭氧總量探測從無到有的過程，從根本上改變了我國大氣臭氧探測和研究的現(xiàn)狀，為我國實時地提供全球的臭氧總量分布監(jiān)測數(shù)據(jù)。研究表明，TOU與地基測量值之間的平均相對偏差為－0.16%±4.3%，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，其與美國同類儀器OMI的相對誤差為2.52%[13]。2013年，F(xiàn)Y-3/TOU數(shù)據(jù)被成功地用于紫外吸收性氣溶膠指數(shù)的反演，進而進行我國灰霾、沙塵及生物質(zhì)燃燒等吸收性氣溶膠的監(jiān)測。

TOU是一臺采用固定光柵、狹縫陣列式Ebert-Fastie單光柵光譜儀[14]。TOU空間掃描瞬時視場角為3.6°，對應(yīng)的星下點空間分辨率為52.6 km，行掃描像元個數(shù)為31個，掃描范圍為±54°，行掃描時間為8.16 s，對應(yīng)的刈寬為2908 km。TOU探測波段為6個（表1），每個波段的狹縫函數(shù)接近于高斯型，帶寬（FWHM）在1.0～1.3 nm[15]。TOU在軌輻射定標(biāo)和波長定標(biāo)是分別通過漫反射板和Hg線燈來實現(xiàn)的，其采用三個漫反射板系統(tǒng)監(jiān)測定標(biāo)特性的變化，用以減小星上漫反射板衰變對大氣臭氧總量反演精度的影響，漫反射板的輻射定標(biāo)精度為3%。TOU利用監(jiān)測296.8 nm Hg線強度相對變化的方法來實現(xiàn)對儀器波長漂移的監(jiān)測，波長定標(biāo)精度為0.03 nm[16]。

表1 TOU的光譜設(shè)置及特征Table 1 Characteristics of the six TOU bands

FY-3A/FY-3B/FY-3C TOU利用臭氧總量進行全球臭氧分布及變化的監(jiān)測，利用反演獲得的AAI指數(shù)對吸收性氣溶膠（如灰霾、沙塵和生物質(zhì)燃燒等）的空間分布特征進行監(jiān)測。本文將對TOU的探測原理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品及應(yīng)用進行綜合介紹。

1 基本原理

1.1 臭氧總量反演原理

不同波長的紫外后向散射強度的差異與臭氧總量之間存在著密切關(guān)系，基于這個關(guān)系進行TOU臭氧總量的反演。目前，國際上主要有兩種反演方法，分別為TOMS[17-18]和差分吸收DOAS[19-20]算法。其中，TOMS算法有兩個版本，分別為TOMS V7[17]和TOMS V8[18]，其被應(yīng)用于美國NIMBUS-7/TOMS和AURA/OMI 儀器進行臭氧總量的反演；而DOAS算法則被應(yīng)用于美國AURA/OMI 儀器、歐州空間管理局GOME系列儀器[19]及SCIAMACHY儀器[20]。FY-3/TOU 臭氧總量算法與TOMS V7 基本類似，但略有區(qū)別。TOU反演算法在不同的緯度帶采用不同的通道組合來計算臭氧總量初估值，再分別與360 nm 通道組合對輻射定標(biāo)的影響進行訂正，給出臭氧總量精確值[21]。

利用太陽紫外后向散射反演臭氧和其他痕量氣體時，通常使用通道輻亮度與太陽輻照度的比值即N值

式中，I為通道后向散射亮度，F(xiàn)為相同通道的太陽輻照度。

TOU臭氧總量反演模式包括4個部分：快速正演模式、表面特性計算、臭氧總量初估值計算和臭氧總量精確值計算，具體方法在文獻18中有詳細(xì)描述。

1.2 吸收性氣溶膠反演原理

吸收性氣溶膠反演基于如下紫外吸收性氣溶膠指數(shù)反演公式

式中，AAI為吸收性氣溶膠指數(shù)，ALER為地表反照率，I為強度值，λ為波長，下標(biāo)meas表示衛(wèi)星測量值，下標(biāo)calc表示模型計算值。基于輻射傳輸模型，通過改變地表反照率計算獲得波段λ1的多個模擬觀測值，將這些模擬觀測值與λ1的衛(wèi)星量測值進行比較，找到最接近于所對應(yīng)的。由于λ1波段的模擬值與觀測值相等，因此式（2）可以簡化為

由于地表同一地物在紫外波段的地表反照率差異較小，可以認(rèn)為。因此由式（3）可得，基于模型利用求得λ2觀測模擬值，將其與λ2實測值相結(jié)合即可求得吸收性氣溶膠指數(shù)AAI。

AAI可以較好地進行云、雪或冰等亮背景區(qū)域的吸收性氣溶膠的監(jiān)測。由于灰霾、沙塵等氣溶膠污染事件的發(fā)生常伴隨有云，可見光學(xué)監(jiān)測方法無法有效地將云與吸收性氣溶膠進行區(qū)分，因而不能很好地進行污染事件的追蹤與監(jiān)測。而吸收性氣溶膠在紫外波段具有較大的吸收差異，云在紫外波段有強烈的散射作用，吸收差異則非常小。因此，AAI可以很好地將云和吸收性氣溶膠區(qū)別開，避免多云和陰天等帶來的監(jiān)測影響，從而較好地進行云區(qū)的灰霾、沙塵等污染事件的監(jiān)測。

AAI值的大小與大氣中具有吸收作用的氣溶膠含量相關(guān)，因此AAI不僅可以定性反映氣溶膠的多少，還可以反映氣溶膠吸收性的強弱，這對氣溶膠類型有很好的指示作用，為氣溶膠污染事件的來源分析提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 FY-3/TOU數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果

2.1 L1B數(shù)據(jù)

基于紫外波段的交叉定標(biāo)方法[22]，本研究對TOU L1B數(shù)據(jù)與歐州空間管理局MetopB/GOME-2（圖1）和美國NPP/OMPS（圖2）對應(yīng)數(shù)據(jù)進行在軌交叉比較分析。交叉定標(biāo)方法主要分為軌道預(yù)報、像元時空匹配、觀測幾何匹配、均勻性匹配及光譜轉(zhuǎn)換與匹配等。其中，通過計算每個像元的時間和地理位置來進行時空匹配，兩臺儀器的像元時間差異小于5 min，像元空間位置差異小于0.5個像元（25 km,TOU空間分辨率為50 km）[20]。比較結(jié)果表明，TOU探測數(shù)據(jù)與國際其他標(biāo)準(zhǔn)儀器的對應(yīng)數(shù)據(jù)具有很好的線性相關(guān)性（R2一般大于0.96）。如圖1所示，TOU 312 nm、317 nm、322 nm、331 nm及360 nm的輻亮度數(shù)據(jù)與GOME-2對應(yīng)波段的數(shù)據(jù)具有很好的線性相關(guān)性（R2＞0.98）。此外，交叉定標(biāo)方程的斜率位于0.93～1.06，且截距均較小，這表明兩臺儀器的探測響應(yīng)非常一致。

TOU 308 nm、312 nm、317 nm、322 nm、331 nm及360 nm的輻亮度數(shù)據(jù)與OMPS對應(yīng)波段的數(shù)據(jù)具有很好的線性相關(guān)（圖2）。此外，交叉定標(biāo)方程的斜率位于0.86～1.06，方程的截距均較小，這表明兩臺儀器的探測響應(yīng)非常一致。

圖1 TOU與GOME-2 L1B輻亮度數(shù)據(jù)交叉定標(biāo)比較分析Fig. 1 Inter-comparison of radiance between TOU and GOME-2

圖2 TOU與OMPS L1B輻亮度數(shù)據(jù)交叉比較分析Fig. 2 Inter-comparison of radiance between TOU and OMPS

2.2 臭氧監(jiān)測

TOU通過臭氧總量來實現(xiàn)我國對全球大氣臭氧分布的監(jiān)測。因此，利用在軌測試期間TOU 的觀測數(shù)據(jù)，進行了全球臭氧總量反演與研究，尤其對南極及青藏高原等地區(qū)（圖3）。圖3 為TOU 2008—2016年監(jiān)測到的南極臭氧洞的年平均變化情況?？梢钥闯觯蠘O臭氧洞在2008—2011年較大，且沒有明顯的變化；2012和2013年，臭氧洞面積縮小很多；2014—2015年，臭氧洞面積擴大，且擴大面積較為明顯；2016年，臭氧濃度增加，臭氧洞面積有所減小。

2.3 吸收性氣溶膠監(jiān)測

衛(wèi)星AAI可以對連續(xù)空間分布的霧霾天氣及其移動發(fā)展趨勢進行監(jiān)測，在空間覆蓋方面具有優(yōu)勢，為霧霾的產(chǎn)生、發(fā)展和消退等過程的研究提供實時大范圍的觀測數(shù)據(jù)。目前，紫外臭氧總量探測儀反演的AAI可以定性反映霧霾的強度分布情況，同時還有助于氣溶膠類型的識別。

TOU是利用331和360 nm通道計算氣溶膠指數(shù)，并以此進行灰霾、沙塵及生物質(zhì)燃燒等吸收性氣溶膠的監(jiān)測。吸收性氣溶膠指數(shù)能夠?qū)⒃?、雪及冰等亮背景與吸收性氣溶膠進行區(qū)分，較準(zhǔn)確地進行灰霾和沙塵等的發(fā)生、發(fā)展和影響范圍的遙感監(jiān)測。

圖4為2015年2月FY-3/TOU對我國灰霾進行連續(xù)空間范圍變化監(jiān)測的結(jié)果。由圖可得，TOU可以很好地對我國北方地區(qū)產(chǎn)生的灰霾進行大范圍的監(jiān)測。

圖3 FY-3衛(wèi)星TOU南極地區(qū)臭氧總量監(jiān)測（2008—2016年）Fig. 3 Ozone measurements for Antarctic from 2008 to 2016 by FY-3/TOU

圖5為2010年4月FY-3/TOU對我國沙塵型氣溶膠進行大范圍連續(xù)空間變化監(jiān)測的結(jié)果。由圖可知，TOU可以很好地對沙塵分布等進行大范圍監(jiān)測。

3 結(jié)語

FY-3A/B/C衛(wèi)星上搭載的TOU探測儀利用大氣紫外后向散射進行全球臭氧總量的探測，自2008年，3臺TOU已連續(xù)進行全球臭氧分布的特征監(jiān)測，如南極臭氧洞和青藏高原等地區(qū)。TOU L1B輻亮度探測值與歐洲空間管理局儀器GOME-2和美國OMPS對應(yīng)的L1B數(shù)據(jù)進行比較分析，它們之間具有很好的線性相關(guān)；而L2全球臭氧總量數(shù)據(jù)與美國儀器OMI的相對誤差為2.52%，足以滿足臭氧總量的探測要求。此外，2013年，基于TOU AAI成功實現(xiàn)了我國灰霾、沙塵等吸收性氣溶膠污染事件的監(jiān)測，并持續(xù)為我國大氣環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報提供實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。但TOU的波段僅為6個分離式通道，限制了其進行更多大氣參數(shù)的探測。

FY-3/TOU AAI反演選擇的波段為331和360 nm，它們將受到臭氧不同程度的吸收影響，這將導(dǎo)致反演獲得的AAI產(chǎn)生一定的不確定性。此外，由于FY-3/TOU的空間分辨率為50 km×50 km，這不能很好地滿足城市等人口密集區(qū)域的環(huán)境污染監(jiān)測的要求。而且，TOU采用的是獨立式多通道進行的探測，而不是采用連續(xù)的高光譜進行探測，這導(dǎo)致其不能應(yīng)用于其他多種痕量氣體（如SO2、NO2）的觀測。因此，在今后的儀器研制中，需要在波段的選取與擴展、空間分辨率的提高等方面進行改進。由于AAI的反演是基于兩個不同波長對氣溶膠吸收的差異，為了提高AAI的敏感性，波段選取應(yīng)遵循以下原則：

圖4 紫外臭氧總量探測儀在我國華北地區(qū)的灰霾動態(tài)監(jiān)測Fig. 4 Smog observation from North China which were completed by using ultraviolet total ozone unit

圖5 2015年2月17日—21日紫外臭氧總量探測儀在我國西北新疆地區(qū)的沙塵動態(tài)監(jiān)測Fig. 5 Dust observation from northwest China using the ultraviolet Total Ozone Unit during 17-21 February 2015

1）盡量避開臭氧吸收和Ring效應(yīng)的影響；

2）盡量避免波段間的地表反射率差異較大；

3）有較強的輻射強度；

4）可以兼顧與可見光氣溶膠光學(xué)厚度的結(jié)合。

基于以上要求，綜合考慮大氣透過率在紫外波段的變化特性和太陽紫外后向散射輻射強度，在今后的儀器設(shè)計中，將采用紫外-可見光連續(xù)光譜的方式進行大氣探測，光譜范圍將覆蓋紫外-短波可見光-近紅外波段，以獲得更多的大氣反演參數(shù)，包括吸收性氣溶膠指數(shù)、氣溶膠類型、氣溶膠光學(xué)厚度及痕量氣體，在分辨率的提高上主要分為以下幾個方向：1）光譜分辨率的提高，光譜分辨率將小于0.6 nm，可同時進行大氣氣溶膠相關(guān)參數(shù)和痕量氣體的觀測；2）空間分辨率的提高，光譜分辨率滿足氣溶膠的探測需求，使得空間分辨率小于7 km；3）光譜分辨率和空間分辨率的同時提高。