大氣臭氧總量衛(wèi)星反演產(chǎn)品地基驗(yàn)證的空間異質(zhì)性特征

呂春光，王玉萍，張悅，耿君，史云飛

(1.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

臭氧作為一種地球大氣中重要的痕量氣體，在全球氣候變化和地表生態(tài)效應(yīng)中都扮演著重要的角色[1]。作為表征大氣臭氧狀況的重要指標(biāo)，大氣臭氧總量可由搭載在地基和衛(wèi)星平臺(tái)上的各類傳感器進(jìn)行觀測(cè)，在相應(yīng)的反演算法支持下，形成臭氧總量產(chǎn)品[2]。其中，地基觀測(cè)方式通常利用Dobson或Brewer紫外分光光度計(jì)等測(cè)量?jī)x器，在一定空間范圍上，實(shí)現(xiàn)大氣臭氧總量的觀測(cè)[3-5]。地基儀器易于維護(hù)和標(biāo)定，其觀測(cè)結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性和延續(xù)性，便于對(duì)其他觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，但在大范圍上表現(xiàn)臭氧總量的空間分布狀況時(shí)，受限于觀測(cè)站點(diǎn)的布局和數(shù)量等條件[6]。相比而言，衛(wèi)星觀測(cè)臭氧總量具有大范圍同步優(yōu)勢(shì)，可快速得到覆蓋全球的臭氧總量數(shù)據(jù)，已成為有效監(jiān)測(cè)全球大氣臭氧時(shí)空分布和變化的重要手段[7]。然而，由于受到衛(wèi)星傳感器壽命、遙感反演算法適用性以及氣象資料準(zhǔn)確性等因素的影響，特定時(shí)間和區(qū)域的衛(wèi)星反演臭氧總量會(huì)存在不同程度的觀測(cè)誤差[8]。因此，研究如何利用區(qū)域內(nèi)地基觀測(cè)等可靠性強(qiáng)的數(shù)據(jù)資料，對(duì)衛(wèi)星遙感臭氧總量產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，掌握比對(duì)過(guò)程中存在的各類誤差來(lái)源、影響因素及其空間變異性，一直是遙感研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，具有重要的研究意義和實(shí)際價(jià)值。

在利用地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星反演臭氧總量產(chǎn)品驗(yàn)證方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已針對(duì)各類不同的衛(wèi)星傳感器，進(jìn)行了大量的研究工作。根據(jù)反演產(chǎn)品的連續(xù)性和穩(wěn)定性，選用的星載儀器以紫外高光譜傳感器為主，包括TOMS、GOME、OMI、SCIAMACHY、TOU以及SBUV/2等，而用以進(jìn)行比對(duì)的地基站點(diǎn)，其空間分布范圍廣泛，多采用Dobson或Brewer臭氧總量觀測(cè)儀，具有較長(zhǎng)的觀測(cè)歷史和數(shù)據(jù)積累，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選以及特征規(guī)律分析[9-18]。上述的比對(duì)研究，多采用衛(wèi)星過(guò)境與地基觀測(cè)時(shí)間和空間距離接近、觀測(cè)角度偏差較小的樣本數(shù)據(jù)集，在保證充足數(shù)據(jù)量的情況下，對(duì)不同緯度不同區(qū)域的臭氧總量的線性相關(guān)性、年季和月季變化特征進(jìn)行細(xì)致深入的論述。在分析測(cè)量誤差方面，則多關(guān)注臭氧總量偏差隨時(shí)間的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，側(cè)重于從時(shí)序特征中提取輔助信息，圍繞太陽(yáng)角度偏差、近地面狀況、觀測(cè)儀器靈敏度以及反演算法的設(shè)定參數(shù)等因素評(píng)估其對(duì)臭氧總量估算的影響[19-20]。值得注意的是，衛(wèi)星傳感器對(duì)地觀測(cè)臭氧總量的像元范圍可能在十幾公里至上百公里，而地基觀測(cè)有效范圍僅限于站點(diǎn)附近，如此的觀測(cè)空間尺度差異，可能會(huì)使得像元內(nèi)部的空間響應(yīng)效應(yīng)、大氣及地表狀況的空間可變性對(duì)衛(wèi)星-地基臭氧總量觀測(cè)偏差產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致較為顯著的空間異質(zhì)性特征。空間異質(zhì)性是各類地物在空間分布中普遍存在的特征，也是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域較為關(guān)注的研究問(wèn)題。在對(duì)其長(zhǎng)期的研究過(guò)程中，形成了半變異函數(shù)、空間自相關(guān)系數(shù)以及熱點(diǎn)分析等豐富的研究方法，以揭示研究目標(biāo)的空間異質(zhì)性情況[21-25]。然而，在當(dāng)前的相關(guān)研究中，針對(duì)大氣臭氧總量衛(wèi)星反演產(chǎn)品在地基驗(yàn)證過(guò)程中存在空間異質(zhì)性特征的研究還不多見(jiàn)。

綜合上述情況，本研究嘗試選取多個(gè)典型的、具有較長(zhǎng)臭氧總量觀測(cè)數(shù)據(jù)積累的地基站點(diǎn)及周邊范圍為研究區(qū)，開(kāi)展對(duì)衛(wèi)星-地基臭氧總量觀測(cè)結(jié)果的空間變化趨勢(shì)分析，以揭示其空間異質(zhì)性特征。首先，以地基站點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，構(gòu)建其與各個(gè)樣本衛(wèi)星觀測(cè)中心點(diǎn)的空間距離維度和空間方位維度，并在對(duì)應(yīng)衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)位標(biāo)記臭氧總量的觀測(cè)偏差；其次，結(jié)合探空站氣象資料，評(píng)估并識(shí)別風(fēng)速風(fēng)向因素對(duì)站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果空間變異的效應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)各研究區(qū)觀測(cè)偏差的空間距離變異進(jìn)行表達(dá)，并結(jié)合衛(wèi)星和地基臭氧總量觀測(cè)結(jié)果相關(guān)性隨距離指標(biāo)變化關(guān)系，分析其在空間距離維度上表現(xiàn)出的空間變化整體情況；進(jìn)一步，借助空間聚類分析方法，對(duì)觀測(cè)偏差在空間距離和方位上表現(xiàn)出的梯度性和綴塊性進(jìn)行表達(dá)，以揭示臭氧總量觀測(cè)的空間異質(zhì)性差異及與基站類型等影響因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系。該研究將有助于提升在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中應(yīng)用大氣臭氧總量衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的適用性，亦可為構(gòu)建大氣臭氧總量遙感觀測(cè)的修正模型提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究區(qū)

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究使用的衛(wèi)星反演臭氧總量產(chǎn)品來(lái)自于太陽(yáng)紫外后向散射儀SBUV(solar backscatter ultraviolet instrument)/2。該衛(wèi)星傳感器采用太陽(yáng)同步軌道天底觀測(cè)方式，空間分辨率為170 km，具有12個(gè)光譜分辨率為1 nm的探測(cè)通道，其光譜覆蓋范圍在252～340 nm。搭載在NOAA19衛(wèi)星的SBUV/2臭氧總量反演數(shù)據(jù)集，即SBUV2N19L2，采用類似TOMS算法的雙通道反演算法[26]。該算法經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和訂正，是目前世界上使用最廣泛的臭氧總量衛(wèi)星反演算法。在研究過(guò)程中，根據(jù)選定的地基臭氧總量樣本的觀測(cè)時(shí)間和空間位置，來(lái)確定SBUV2N19L2數(shù)據(jù)集中所需的具體像元。

臭氧總量地基觀測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)自于世界臭氧與紫外輻射數(shù)據(jù)中心(World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre，WOUDC)。WOUDC包含全球超過(guò)400個(gè)站點(diǎn)和80年的連續(xù)臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可提供逐日/逐小時(shí)臭氧總量以及通過(guò)激光雷達(dá)、探空儀器等手段得到的臭氧廓線等豐富資料[27]。為了便于各地基站點(diǎn)同時(shí)期觀測(cè)的橫向比較，保證空間異質(zhì)性分析的有效性，在研究中選取連續(xù)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)具有較為密集觀測(cè)樣本的逐小時(shí)臭氧總量觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)選用的NOAA19 SBUV/2過(guò)境情況，進(jìn)行綜合比較和篩選，最終確定了在2009—2010年內(nèi)五個(gè)地基觀測(cè)站共計(jì)2 824組不同觀測(cè)時(shí)間的臭氧總量數(shù)據(jù)(表1)。

1.2 研究區(qū)概況

如表1所示，選取的五個(gè)典型地基觀測(cè)站分別是Aosta站、Churchill站、HongKong站、Kislovodsk站和Toronto站。根據(jù)站點(diǎn)所處的城市規(guī)模以及其周邊環(huán)境狀況，可將其分為都市型、城鎮(zhèn)型和鄉(xiāng)村型三種類型。其中，Aosta站、Kislovodsk站和Toronto站具有相近的緯度，均位于43.66°N～45.74°N。具體地，Aosta站和Kislovodsk站周邊多為度假勝地，附近沒(méi)有重要的大氣污染物源，冬季干燥，夏季溫暖，屬于典型的城鎮(zhèn)型站點(diǎn)。而Toronto站，位于國(guó)際著名大都市附近，人們的日常生活和工業(yè)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的對(duì)流層臭氧污染。Churchill站臨近高緯度地區(qū)(58.74°N)，它的觀測(cè)儀器布設(shè)在加拿大哈德遜灣西緣的村鎮(zhèn)附近，氣候寒冷，人類活動(dòng)極少，是鄉(xiāng)村型站點(diǎn)的代表。HongKong站位于22.21°N的熱帶低緯度地區(qū)，與Toronto站類似，臨近人口密集、生產(chǎn)活動(dòng)頻繁的香港大都市區(qū)，是典型的都市型觀測(cè)站。

表1 地基觀測(cè)站信息

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

分別提取2009—2010年內(nèi)的NOAA19 SBUV/2衛(wèi)星遙感臭氧總量產(chǎn)品以及WOUDC地基站點(diǎn)臭氧總量觀測(cè)資料，并在對(duì)應(yīng)空間和時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和篩選，共得到3 522組有效的比對(duì)樣本。它們具體包括：Aosta站613組、Churchill站1 043組、HongKong站547組、Kislovodsk站667組和Toronto站652組。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，通過(guò)相對(duì)偏差對(duì)衛(wèi)星反演和地基觀測(cè)的差異進(jìn)行表達(dá)。

在預(yù)處理過(guò)程中，也同時(shí)記錄與之相關(guān)的輔助信息，包括衛(wèi)星-地基太陽(yáng)天頂角及其偏差、大氣質(zhì)量、二氧化硫濃度、氣溫、地基儀器類型和觀測(cè)模式等參數(shù)值(表2)。

表2 相關(guān)輔助信息統(tǒng)計(jì)

此外，風(fēng)速和風(fēng)向等氣象觀測(cè)條件的顯著變化，可改變特定探測(cè)時(shí)間上地基觀測(cè)站點(diǎn)與衛(wèi)星觀測(cè)像元所在實(shí)際空間范圍內(nèi)的臭氧總量分布格局，進(jìn)而對(duì)各個(gè)空間范圍內(nèi)的衛(wèi)星觀測(cè)偏差變化特征施加作用。為了能夠合理評(píng)價(jià)風(fēng)速和風(fēng)向影響，增強(qiáng)空間異質(zhì)性分析的有效性，實(shí)驗(yàn)選用了WOUDC現(xiàn)有的HongKong站和Churchill站同期臭氧探空數(shù)據(jù)178組，提取并統(tǒng)計(jì)了在臭氧總量中占主要比重的平流層臭氧峰值范圍上的平均風(fēng)速和平均風(fēng)向數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步為了表達(dá)風(fēng)速風(fēng)向情況、觀測(cè)偏差值與觀測(cè)空間位置之間的特定關(guān)系，定義可變距離百分比(percentage of drifting distance，pdd)如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：D表示地基站點(diǎn)至衛(wèi)星觀測(cè)像元中心的空間距離，單位為km；ws表示平流層臭氧峰值范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，單位為m/s；t表示衛(wèi)星與地基站觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)間隔，單位為s；α表示地基站點(diǎn)位和衛(wèi)星觀測(cè)像元中心點(diǎn)形成的方位角φ(0°～360°)，與平流層臭氧峰值范圍內(nèi)平均風(fēng)向wd(0°～360°)之間形成的夾角。當(dāng)風(fēng)速ws在方位角φ上的分量與地面站-衛(wèi)星像元中心同方向時(shí)，cos(α)≥0，pdd表現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ^測(cè)點(diǎn)位之間實(shí)際空間距離的“縮近”作用；而當(dāng)反向時(shí)，cos(α)<0，pdd則表現(xiàn)對(duì)實(shí)際空間距離的“拉伸”程度。

2.2 統(tǒng)計(jì)方法

在以往的研究中，線性相關(guān)性分析是對(duì)衛(wèi)星反演值和地面站觀測(cè)值進(jìn)行比對(duì)最常用的方法，可發(fā)掘其特征規(guī)律以及構(gòu)建轉(zhuǎn)換模型。因此，在本研究中，首先對(duì)觀測(cè)樣本值進(jìn)行相關(guān)性分析，以揭示觀測(cè)值隨空間距離偏離的基本情況。進(jìn)一步，為了分析與衛(wèi)星像元構(gòu)成不同空間比例關(guān)系的樣本值整體偏離情況，借助半變異函數(shù)以空間距離因子為自變量的函數(shù)表達(dá)方式，構(gòu)建空間距離變異曲線，從而形成更具適用性的評(píng)價(jià)指標(biāo)?？臻g距離變異曲線可與相關(guān)性分析形成應(yīng)證關(guān)系，進(jìn)而用于表明觀測(cè)偏差隨觀測(cè)點(diǎn)空間距離偏移之間的內(nèi)在關(guān)系。該曲線通過(guò)各空間范圍內(nèi)的樣本計(jì)算平均相對(duì)偏差(mean relative deviation in the distance，mrdd)，如式(3)所示。

(3)

式中：rd為相對(duì)偏差；i為樣本編號(hào)；N為一定空間距離范圍內(nèi)的觀測(cè)樣本數(shù)量。空間距離范圍可由定義的空間距離因子d表示，如式(4)所示。

(4)

式中：D的含義同式(1)；Rpixel為衛(wèi)星傳感器像元的半徑，此處對(duì)于SBUV2傳感器為85 km。在觀測(cè)活動(dòng)中，d為介于0～1的值表示地基站點(diǎn)位于對(duì)應(yīng)衛(wèi)星傳感器像元內(nèi)部，而當(dāng)d大于1時(shí)，表明地基觀測(cè)站點(diǎn)位于觀測(cè)像元范圍之外。

2.3 熱點(diǎn)分析方法

(5)

式中：rdj是要素j的統(tǒng)計(jì)值，即衛(wèi)星臭氧總量觀測(cè)值與地基站點(diǎn)的第j組觀測(cè)的相對(duì)偏差；ωi，j是要素i和j之間的空間權(quán)重；n為要素總數(shù)；μ為所有要素統(tǒng)計(jì)值的均值；S為要素統(tǒng)計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)上述熱點(diǎn)分析原理并應(yīng)用相關(guān)分析工具，可構(gòu)建關(guān)于rd的密度表面，表現(xiàn)其在各個(gè)空間方向上的不均勻程度，可視為由各距離上mrdd構(gòu)成的空間變異曲線在二維空間平面上的拓展。

3 結(jié)果與討論

3.1 相關(guān)性分析

圖1展示了上述五個(gè)典型研究區(qū)的地基站與SBUV/2最鄰近像元在各對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)間的臭氧總量的線性相關(guān)性，其中臭氧總量個(gè)數(shù)以多布森單位(Dobson unit,DU)表示。如圖1所示，通過(guò)對(duì)空間距離因子d≤1(圖1(a))、d≤2(圖1(b))、d≤3.5(圖1(c))以及d≤7(圖1(d))的樣本點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況，可以發(fā)現(xiàn)，在地基站位于衛(wèi)星探測(cè)像元內(nèi)部以及外部較大空間范圍上，普遍具有較為良好的線性擬合關(guān)系。其中，Churchill站的相關(guān)性整體最高，R2介于0.853～0.915，Toronto站和Aosta站的相關(guān)性略低于Churchill站，分別為0.799～0.924以及0.754～0.924。另外，Kislovodsk站點(diǎn)的相關(guān)性則穩(wěn)定在0.800～0.857，而HongKong站的相關(guān)性最低，為0.353～0.504。為了進(jìn)一步揭示臭氧總量相關(guān)關(guān)系在地基-衛(wèi)星探測(cè)點(diǎn)空間距離變化過(guò)程中所表現(xiàn)出的特征和趨勢(shì)，對(duì)各個(gè)空間距離因子的線性相關(guān)性的擬合優(yōu)度R2進(jìn)行了加密計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上展現(xiàn)其變化趨勢(shì)的整體性以及各研究區(qū)所體現(xiàn)的差異性。

圖1 地基站臭氧總量與各個(gè)空間距離范圍內(nèi)衛(wèi)星觀測(cè)值的相關(guān)性

如圖2(a)所示，各個(gè)研究區(qū)擬合優(yōu)度的曲線形態(tài)及閾值范圍差異主要表現(xiàn)為：Churchill站的擬合程度最高，R2均值可達(dá)0.89，且在整個(gè)空間范圍上緩慢下降趨勢(shì)明顯。相比而言，Toronto站、Kislovodsk和Aosta站的擬合優(yōu)度閾值波動(dòng)范圍略低于Churchill站，分布在0.77～0.93之間，其擬合優(yōu)度較大幅度的升降變化多出現(xiàn)在d<2的空間范圍。而HongKong站閾值與其他站點(diǎn)相比明顯偏低，介于0.35～0.53之間，且變化幅度較大，這可能是由于站點(diǎn)處于低緯度熱帶，光照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，大氣較為活躍，使得風(fēng)速風(fēng)向等氣象因素對(duì)結(jié)果的影響較大；并且該區(qū)域臭氧總量閾值范圍小，對(duì)流層范圍特別是近地基臭氧濃度的變化對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果影響更為顯著，因而其在各距離范圍上表現(xiàn)出相對(duì)較低的線性相關(guān)程度。

圖2 臭氧總量觀測(cè)值擬合優(yōu)度隨空間距離因子的變化趨勢(shì)

3.2 風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ^測(cè)偏差的影響

臭氧探空數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在平流層各觀測(cè)樣本臭氧峰值范圍的高度區(qū)間，風(fēng)速介于0.9～42 m/s，平均風(fēng)速約為13.3 m/s，HongKong站和Churchill站由于緯度帶差異，兩地風(fēng)速隨時(shí)間呈現(xiàn)較顯著的負(fù)相關(guān)，且具有典型的季節(jié)性變化。研究區(qū)內(nèi)盛行東風(fēng)(風(fēng)向在45°～135°)和西風(fēng)(風(fēng)向在225°～315°)，所占時(shí)間比重達(dá)到81%，且兩個(gè)觀測(cè)站風(fēng)向具有較明顯的正相關(guān)特征。根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，結(jié)合地基站與衛(wèi)星像元中心路徑，可進(jìn)一步計(jì)算得到可變距離百分比(ppd)。由統(tǒng)計(jì)可知，ppd的均值在8.27附近，中位數(shù)為0.49，標(biāo)準(zhǔn)差約為37.9。如表3所示，ppd值域范圍在0～333.0之間，其中，小于1的樣本比重超過(guò)70%。ppd大于5的比重約為11.2%，結(jié)合均值和中位數(shù)來(lái)看，在該閾值范圍內(nèi)，風(fēng)速風(fēng)向?qū)Φ鼗?衛(wèi)星觀測(cè)空間距離產(chǎn)生的擾動(dòng)更為顯著。

表3 ppd值域分布情況 %

如圖3(a)所示，ppd指數(shù)在觀測(cè)rd增序區(qū)間上呈現(xiàn)出向rd高值區(qū)集聚的分布形態(tài)。當(dāng)rd>4.45時(shí)，ppd>5的樣本出現(xiàn)頻次增加，數(shù)值升高明顯，可視為ppd指數(shù)的高頻分布區(qū)間。以上情況表明，風(fēng)速風(fēng)向與臭氧觀測(cè)偏差具有特定的響應(yīng)關(guān)系，特別在觀測(cè)偏差較大的區(qū)間上，具有顯著效應(yīng)。

研究表明，風(fēng)速風(fēng)向如對(duì)地基站與衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果施加作用，需要衛(wèi)星與地基觀測(cè)具備必要的時(shí)間差。圖3(b)所示為地基站與衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間差的增序區(qū)間上ppd指數(shù)的變化情況。在時(shí)間差負(fù)值范圍(衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間早于地基站觀測(cè))以及時(shí)間差正值范圍上，ppd高值均集中于時(shí)間差區(qū)間的兩端。同時(shí)，在區(qū)間中部，即時(shí)間差大于-9.4且小于6.5范圍內(nèi)，形成了ppd指數(shù)均不超過(guò)5的穩(wěn)定區(qū)間。

圖3 風(fēng)速風(fēng)向指數(shù)與臭氧總量觀測(cè)指標(biāo)的關(guān)系

綜上所述，由于在時(shí)間差絕對(duì)值小于6.5的范圍，ppd處于穩(wěn)定的低值區(qū)間。因此，采用該標(biāo)準(zhǔn)可分離風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ^測(cè)偏差的作用，進(jìn)而修正擬合優(yōu)度以及觀測(cè)偏差等指標(biāo)的空間變異曲線。如圖2(b)所示，在基于風(fēng)速風(fēng)向修正后的各研究區(qū)擬合優(yōu)度中，HongKong站與Kislovodsk站出現(xiàn)了顯著的升高。其中，Kislovodsk站整體接近擬合優(yōu)度最高的Churchill站，而HongKong站曲線閾值升至0.53以上?？梢钥吹?，修正后的HongKong站擬合優(yōu)度仍然處于較低水平，這與站點(diǎn)區(qū)域的緯度帶和周邊環(huán)境關(guān)系密切。為了進(jìn)一步有效識(shí)別因站點(diǎn)類型因素影響的觀測(cè)偏差空間異質(zhì)性特征，對(duì)各研究區(qū)觀測(cè)偏差空間變異曲線進(jìn)行繪制并對(duì)結(jié)果加以修正，具體論述請(qǐng)見(jiàn)3.3節(jié)。

3.3 觀測(cè)偏差空間變化的區(qū)域性特征

圖4展示了在采用時(shí)間差指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向效應(yīng)修正前后，各研究區(qū)臭氧總量觀測(cè)偏差隨著空間距離因子的變化情況。如圖5(b)所示，鄉(xiāng)村型Churchill站mrdd值在修正前后變化較小，整個(gè)空間距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差曲線都處于較低水平，極小值為2.73%和2.45%(修正后)，其出現(xiàn)位置接近，分別在d=1.67和d=1.70處。作為都市型站點(diǎn)的HongKong站和Toronto站，修正前在整個(gè)空間距離上均值曲線分別大于5.3%和4%，表現(xiàn)出較高的相對(duì)偏差(圖4(c)和圖4(e))。修正后，HongKong站的均值曲線的下降較明顯，曲線平均值由5.79%降至4.46%，而標(biāo)準(zhǔn)差曲線值亦顯著減小，這可能是由于其所處低緯度熱帶地區(qū)，大氣層間流動(dòng)作用更為顯著所致。作為城鎮(zhèn)型觀測(cè)站，Aosta站在修正前后其均值和標(biāo)準(zhǔn)差之間較為接近，均值的整體變動(dòng)范圍略高于鄉(xiāng)村型站點(diǎn)(圖4(a))。而同為城鎮(zhèn)型觀測(cè)站的Kislovodsk站，在修正后均值和標(biāo)準(zhǔn)差曲線均出現(xiàn)下降，其平均值分別由4.02%和3.86%降至3.91%和3.20%。

從整體上看，各研究區(qū)修正后的空間距離變化曲線的閾值范圍均有不同程度的降低(圖4(a)～圖4(f))。在d<2的區(qū)間內(nèi)，mrdd均值曲線的整體閾值由鄉(xiāng)村型->城鎮(zhèn)型->都市型而逐漸增大，表明其對(duì)地基觀測(cè)站點(diǎn)的類型具有指向性；而在d>3.5的范圍，各個(gè)研究區(qū)mrdd均值和標(biāo)準(zhǔn)差均有整體升高的趨勢(shì)。前人研究結(jié)果表明，在HongKong和Toronto等都市型站點(diǎn)，由于近地面人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)頻繁，使得對(duì)流層范圍的臭氧濃度顯著升高，衛(wèi)星自頂向下觀測(cè)，易受太陽(yáng)角度和反演算法的影響，對(duì)對(duì)流層臭氧濃度變化的敏感性較弱[29]。在這種情況下，對(duì)HongKong站和Toronto站為中心的區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)星觀測(cè)，可能會(huì)使得臭氧總量觀測(cè)結(jié)果偏差增大(見(jiàn)圖4(c)和圖4(e)均值)。

圖4 臭氧總量相對(duì)偏差隨空間距離因子的變化趨勢(shì)

如圖4所示，研究區(qū)mrdd空間距離因子均值曲線主要表現(xiàn)了一定空間距離上的偏差整體大小，而標(biāo)準(zhǔn)差曲線可用于表現(xiàn)在具體空間范圍上觀測(cè)偏差分布的離散程度。如需對(duì)研究區(qū)域觀測(cè)偏差空間格局進(jìn)行分析，表現(xiàn)空間平面內(nèi)的距離性和方向性，則可通過(guò)熱點(diǎn)分析的密度分布圖予以展現(xiàn)。

3.4 熱點(diǎn)分析結(jié)果

如圖5所示，對(duì)各研究區(qū)域以地基站為中心，利用觀測(cè)偏差樣本數(shù)據(jù)表現(xiàn)的d<7(約600 km空間范圍)空間范圍熱點(diǎn)分布情況進(jìn)行分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于上述五個(gè)研究區(qū)，在整個(gè)空間上，觀測(cè)偏差均出現(xiàn)不同程度的空間綴塊和梯度變化，表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性特征。以Churchill站為代表的鄉(xiāng)村型研究區(qū)，由地面基站至較大的空間范圍上，觀測(cè)樣本的空間梯度變化在所選研究區(qū)中最為明顯，低值區(qū)分布范圍廣，集中于地面基站附近，而高值斑塊面積較小且整體性好，分布在離中心較遠(yuǎn)的區(qū)域。相比之下，在城鎮(zhèn)型Aosta站和Kislovodsk站附近區(qū)域，高值斑塊的數(shù)量較少，但覆蓋范圍有明顯的增加，在站點(diǎn)中心較近區(qū)域某些方位的高值有增加趨勢(shì)。以HongKong站和Toronto站為代表的都市型站點(diǎn)，其觀測(cè)偏差在空間上則表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的綴塊性，即高值斑塊的破碎程度加強(qiáng)，數(shù)量顯著增加，站點(diǎn)中心附近的高值在面積和強(qiáng)度上也較城鎮(zhèn)型站點(diǎn)區(qū)域有所加強(qiáng)。

圖5 各研究區(qū)空間異質(zhì)性分布狀況

總體而言，地基站點(diǎn)由鄉(xiāng)村型-城鎮(zhèn)型-都市型的類型轉(zhuǎn)換，可使得衛(wèi)星反演臭氧總量觀測(cè)偏差值的空間梯度性弱化，高值斑塊破碎化加強(qiáng)，并向SBUV/2的觀測(cè)像元尺度內(nèi)(d<1)漂移，空間異質(zhì)性程度得到加強(qiáng)。

在衛(wèi)星傳感器和地基儀器觀測(cè)臭氧總量的觀測(cè)過(guò)程中，存在諸多因素，如輻射傳輸模型、臭氧垂向分布、大氣溫度狀況、下墊面狀況、數(shù)值內(nèi)插誤差、太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角、雜散光以及儀器誤差等，都可能對(duì)臭氧總量估算結(jié)果產(chǎn)生影響[30]。不難發(fā)現(xiàn)，上述因素若對(duì)衛(wèi)星-地基觀測(cè)偏差的空間分布格局產(chǎn)生影響必須滿足兩個(gè)條件：影響因子在空間上具有較為明顯的動(dòng)態(tài)變化范圍；衛(wèi)星-地基觀測(cè)時(shí)影響因子及其差異與觀測(cè)偏差之間隨著空間位置變化能夠具有顯著的相關(guān)性。在通常情況下，輻射傳輸模型、數(shù)值內(nèi)插誤差、雜散光以及儀器誤差等類型的影響因素可作為系統(tǒng)性誤差，對(duì)空間距離因子變化并不敏感。

此外，如臭氧廓線、地表反射率等部分指標(biāo)，由于地基站點(diǎn)觀測(cè)各種限制原因，較難得到同步觀測(cè)值的大量樣本，但可通過(guò)其他參量對(duì)其產(chǎn)生的觀測(cè)偏差影響進(jìn)行粗略估計(jì)和定性分析。綜合上述考慮，根據(jù)觀測(cè)季節(jié)和觀測(cè)時(shí)間劃分時(shí)段，選取太陽(yáng)天頂角及偏差、大氣質(zhì)量、二氧化硫濃度、氣溫、地基儀器類型和觀測(cè)模式等幾個(gè)因素(表2)，來(lái)進(jìn)行其與空間異質(zhì)性的相關(guān)性分析。

分析結(jié)果表明，隨空間距離和空間方位的變化，上述單一影響因素與觀測(cè)偏差之間不存在顯著的線性相關(guān)性(擬合優(yōu)度均低于0.3)。另一方面，根據(jù)各研究區(qū)的空間異質(zhì)性情況，其表現(xiàn)出的梯度性和綴塊性又與氣溫、緯度、對(duì)流層臭氧以及下墊面狀況等相關(guān)影響因素所確定的基站類型之間具有很強(qiáng)的指向性。由此可見(jiàn)，依照長(zhǎng)時(shí)間序列不同觀測(cè)條件的樣本數(shù)據(jù)所得到的衛(wèi)星-地基臭氧總量觀測(cè)偏差空間分布狀況，可能是上述多個(gè)影響因素對(duì)特定時(shí)間和空間臭氧總量觀測(cè)的綜合作用結(jié)果，從而形成了針對(duì)不同類型研究區(qū)固有的空間異質(zhì)性格局。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以NOAA-19 SBUV/2衛(wèi)星臭氧總量產(chǎn)品和WOUDC地基逐小時(shí)臭氧總量觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)相關(guān)性分析、空間統(tǒng)計(jì)分析和熱點(diǎn)分析等方法，選取典型研究區(qū)開(kāi)展了大氣臭氧總量衛(wèi)星反演產(chǎn)品地基驗(yàn)證的空間異質(zhì)性研究。主要有以下結(jié)論。

1)對(duì)于衛(wèi)星臭氧總量反演產(chǎn)品，在利用地基站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證過(guò)程中，二者之間的臭氧總量觀測(cè)存在復(fù)雜的空間異質(zhì)性特征，這使得觀測(cè)偏差并非隨衛(wèi)星觀測(cè)中心點(diǎn)與地基站點(diǎn)之間空間距離因子的增大而呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的遞增變化趨勢(shì)。

2)風(fēng)速和風(fēng)向氣象條件在觀測(cè)相對(duì)偏差大于4.45%的區(qū)間范圍上對(duì)臭氧總量觀測(cè)偏差具有不可忽略的效應(yīng)，其在低緯度熱帶地區(qū)施加的影響更加顯著。風(fēng)速和風(fēng)向的影響作用較依賴于觀測(cè)時(shí)間差的大小，可利用時(shí)間差絕對(duì)值小于6.5分鐘指標(biāo)確定非風(fēng)速風(fēng)向影響的穩(wěn)定區(qū)間。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地基站點(diǎn)緯度帶及其周邊環(huán)境等因素確定的站點(diǎn)類型，對(duì)衛(wèi)星-地基觀測(cè)臭氧總量的線性相關(guān)關(guān)系以及相對(duì)偏差，在空間距離上體現(xiàn)出較明顯的關(guān)聯(lián)性和分選性。其中，在d<2的范圍內(nèi)，觀測(cè)相對(duì)偏差與站點(diǎn)類型的關(guān)聯(lián)度最強(qiáng)。隨著空間距離因子的增大，特別是在d>3.5的范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)出總體上升趨勢(shì)。總體上，各個(gè)研究區(qū)空間距離變異曲線的閾值范圍和波動(dòng)形態(tài)，是觀測(cè)偏差空間變化區(qū)域差異顯著性的反映。

3)通過(guò)熱點(diǎn)分析所得Gi*統(tǒng)計(jì)值范圍在0～0.018之間。根據(jù)其在空間距離維度和空間方位維度上的分布形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，鄉(xiāng)村型站點(diǎn)區(qū)域的空間梯度性最強(qiáng)，而都市型站點(diǎn)區(qū)域具有的斑塊破碎化程度最高。指向不同地基站點(diǎn)類型的觀測(cè)偏差空間分布格局，受控于衛(wèi)星傳感器的空間響應(yīng)、觀測(cè)像元內(nèi)部和外部氣象條件以及下墊面性質(zhì)的均勻程度等因素，是氣溫和對(duì)流層臭氧濃度等對(duì)空間敏感的各類影響因素綜合作用的結(jié)果。

在未來(lái)有必要針對(duì)TOMS、OMI以及TOU等多種類型的紫外衛(wèi)星傳感器，開(kāi)展大氣臭氧總量地基驗(yàn)證過(guò)程的空間異質(zhì)性研究，以便更全面地掌握其觀測(cè)偏差在空間上的變異規(guī)律。同時(shí)，在后續(xù)的研究中，可選取更多類型的高光譜衛(wèi)星傳感器大氣臭氧產(chǎn)品，通過(guò)與多種地面臭氧觀測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，嘗試對(duì)對(duì)流層臭氧總量觀測(cè)結(jié)果的空間異質(zhì)性情況進(jìn)行研究。