SCIAMACHY臨邊散射探測的切高校正及敏感性研究

朱芳，司福祺，周海金，趙敏杰，竇科，羅宇涵，詹鍇

1.中國科學院 合肥物質(zhì)科學研究院安徽光學精密機械研究所環(huán)境光學研究中心,合肥 230031;

2.中國科學技術(shù)大學,合肥 230026

1 引言

基于紫外—可見光太陽輻射的衛(wèi)星臨邊觀測是研究地球大氣化學成分的重要手段（von Savigny等，2005a）。相較與天底和掩星模式，臨邊觀測在反演臭氧等痕量氣體和氣溶膠廓線上既具有較高的垂直分辨率又具有一定的全球覆蓋率（Degenstein 等，2009）。具有臨邊探測技術(shù)的儀器最早是搭載在太陽中間層探測器SME（Solar Mesosphere Explorer）上用于臭氧探測的紫外光譜儀UVS（Ultra Violet Spectrometer）和用于二氧化氮探測的可見光光譜儀VLS（Visible Light Spectrometer）（Rusch 等，1984）。其他采用臨邊觀測技術(shù)的儀器還包括搭載在空間任務(wù)STS-87 上的航天臭氧臨邊探測實驗/臨邊臭氧反演實驗SOLSE/LORE（Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment/Limb Ozone Retrieval Experiment）（McPeters 等，2000）、搭載在Odin 衛(wèi)星上的光學光譜儀與紅外成像系統(tǒng)OSIRIS（Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System）（Llewellyn等，2004）、搭載在Meteor-3M 衛(wèi)星上的平流層氣溶膠和氣體實驗SAGE Ⅲ（Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Ⅲ）（Thomason 等，1997；Rault，2005）、搭載在環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT 上的大氣制圖掃描成像吸收光譜儀SCIAMACHY（Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chatography）（Bovensmann 等，1999）及搭載在美國極軌SNPP（Suomi National Polar-Orbiting Partnership）衛(wèi)星上具有臨邊任務(wù)的臭氧制圖和廓線儀OMPS（Ozone Mapping and Profiler Suite）（Jaross等，2014）。

SCIAMACHY 于2002 年3 月搭載歐空局ESA（European Space Agency）環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT 發(fā)射升空。該儀器在214—2380 nm 的光譜范圍內(nèi)以臨邊、天底和掩星等3 種方式工作，其光譜分辨率為0.22—1.48 nm（Wuttke 等，2004；Kaiser 等，2004）。臨邊散射觀測的幾何示意圖如圖1 所示。SCIAMACHY 的臨邊觀測掃描從地表到約90 km 高度的大氣散射太陽輻射，垂直掃描間距約為3.3 km。垂直指向即切線高度，簡稱切高TH（Tangent Height），是臨邊觀測產(chǎn)生痕量氣體垂直信息的一個先決條件。錯誤的切線高度或指向信息會導致錯誤的氣體廓線反演結(jié)果（Flittner 等，2000）：400 m 的TH 誤差會導致在某些海拔高度上反演的O3濃度誤差≥10%（Wang等，2011；朱芳 等，2021），中間層臭氧濃度誤差甚至高達20%（Rohen 等，2006）。切高誤差也會導致反演的臭氧濃度峰值出現(xiàn)在不符合實際的海拔高度（von Savigny 等，2004）。

圖1 臨邊觀測幾何示意圖Fig.1 Observational geometry of limb-scattering

切高校正是基于臨邊散射反演的重要組成部分。Janz等（1996）提出一種基于臨邊紫外輻射測量航天器姿態(tài)的儀器，稱為瑞利散射姿態(tài)傳感器RSAS（Rayleigh Scattering Attitude Sensor），即利用355 nm波長的臨邊輻射在20 km以上的梯度推導儀器指向。隨后，McPeters 等（2000）將RSAS 方法應(yīng)用于345 nm波長的SOLSE/LORE觀測；Merkel等（2001）將其應(yīng)用于215 和236.5 nm 波長的SNOE（Student Nitric Oxide Explorer）觀測；Sioris 等（2003）采用該方法分析305 nm 附近的幾個波長，應(yīng)用于OSIRIS 的切線高度重建；Kaiser 等（2004）將RSAS 方法進行了擴展，提出了一種新的TH 反演方法并將其命名為TRUE（Tangent height Retrieval by UV-B Exploitation）膝點法（knee method）；Rault（2005），Rault 和Taha（2007）使用改進的RSAS技術(shù)得出了SAGE III 觀測高度校準的平均標準偏差為350 m；Taha等（2008）將350 nm波長的RSAS切線高度算法分析GOMOS（Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars）儀器指向，與GOMOS 已知的精確指向一致；Bourassa 等（2018）將350 nm 臨邊輻射比率與SASKTRAN（University of Saskatchewan radiative transfer model）輻射傳輸模型計算的比率之間的差異最小化用來修正OSIRIS 的指向漂移；Moy 等（2017）指出RSAS 法受氣溶膠干擾很大，因此提出了在相對高度校準方面優(yōu)于絕對高度校準的絕對輻射殘差法ARRM（Absolute Radiance Residual Method）。衛(wèi)星遙感臨邊大氣探測也是中國十分重視的大氣探測模式，其中臨邊切高指向校正是需要關(guān)注的首要問題，目前國內(nèi)在該方面的研究還很少，相應(yīng)算法研究也非常有限。

本文引用膝點法，通過分析多個臨邊紫外輻射廓線的形狀，并研究UV 波段和工程指向信息對切高修正的影響，提出了一種基于少量UV-B波段和新工程指向的切線高度反演THRUNB（Tangent Height Retrieved by UV Narrow Bands）方法，并將其應(yīng)用于SCIAMACHY臨邊探測；通過與ESA提供的SCIAMACHY L1B 切高信息相比較，驗證了該方法的有效性和穩(wěn)定性；其次，全面分析了大氣壓強、溫度和臭氧廓線的不確定性對TH 反演的影響，為后期反演臭氧廓線對氣候?qū)W的依賴性提供了修正方向。最后結(jié)果表明，校正后的切線高度能提供更準確和更高質(zhì)量的臭氧廓線數(shù)據(jù)。

2 研究方法

根據(jù)UV波段臨邊探測的膝點特征建立正向輻射傳輸模型，采用最優(yōu)估計OE（Optimal Estimation）算法（Rodgers，1976，2000）對切高偏差進行迭代反演。其中，為了減少對儀器效應(yīng)、對流層云和地表反照率的敏感性，對臨邊輻射廓線進行插值、采樣以及正則化處理，確定反演向量；并基于牛頓迭代的最優(yōu)估算方法進行切高偏差反演。切高反演流程圖如圖2所示。

圖2 臨邊輻射切高反演流程圖Fig.2 Flowchart of the retrieval of tangent height from limb radiance

2.1 光學基礎(chǔ)

臨邊衛(wèi)星遙感記錄沿地表上空不同高度的大氣散射輻射，具有一些獨特的特性。由于大氣中散射體的垂直分布，臨邊輻射隨著切線高度的增加而呈指數(shù)下降（Flittner 等，2000），見圖3。然而，在UV 光譜范圍內(nèi)，這種下降僅限于平流層上部及以上高度。在較低的海拔高度，輻射隨著TH的下降保持不變甚至減少。這是由于大氣中性密度隨高度降低呈指數(shù)形式增加直到大氣吸收引起的衰減足夠大以至于抵消掉額外增加的散射。高度相關(guān)的瑞利散射強度和臭氧吸收的結(jié)合產(chǎn)生了一個最大的輻射強度。從圖3 中可以明顯看出，300 nm 和305 nm 的輻射隨海拔高度降低而指數(shù)增加，但在海拔下降到一定高度時輻射不再增加，甚至略有減少。因此，UV 波段的臨邊輻射廓線在整個海拔高度上具有一個最大輻射值。這個最大值稱為輻射廓線的膝點。

圖3 SCIAMACHY 32980軌道觀測到的300—700 nm的臨邊輻射廓線Fig.3 Limb radiance profiles between 300 nm and 700 nm wavelength observed by SCIAMACHY in orbit 32980

300—305 nm的波長輻射膝點大約在47 km處。400 nm 及以上的波長輻射幾乎沒有膝點。膝點在不同波長下的高度和形狀幾乎完全取決于平流層上層的中性密度和臭氧含量。在膝點以上，瑞利散射和臭氧密度呈指數(shù)下降，輻射強度隨海拔高度的增加而減小。而膝點以下的臭氧吸收變大，基本上阻止了大部分瑞利散射輻射到達衛(wèi)星。

2.2 算法描述

目前切高校準的常用方法都是利用單一的波長從理論上計算膝點的高度而獲得切線高度信息，比如RSAS技術(shù)就是350 nm波長處的臨邊輻射由于視線的較大光學厚度在近20 km 海拔高度上具有“膝點”特征，而在30 km 以上的臨體輻射遵循指數(shù)梯度，這兩個高度區(qū)域的輻射率與正向輻射傳輸模型計算的輻射率進行比較可以獲得較準確的切線高度，請參見文獻（Moy 等，2017）中圖1。“膝點法”與之類似，將用于反演切線高度的臨邊輻射移到紫外波段（＜310 nm），該波段的膝點特征處于高海拔地區(qū)，可以有效減少氣溶膠的影響。本文研究UV 波段中不同的波長范圍對切高反演的影響，確定以300—305 nm 的6 個波長及其對應(yīng)的輻射廓線的膝點高度、強度和形狀來確定新的工程切高（43、46、49、52 和55 km），結(jié)合SCIATRAN（the radiative transfer model for SCIAMACHY）模型，采用最優(yōu)估計算法進行擬合來確定THs（Tangent Heights）。

在本研究中，為了減小儀器定標誤差的影響，并降低輻射對云和地表反照率的敏感性，將臨邊輻射正規(guī)化到參考切高上（Flittner 等，2000；朱芳 等，2021），即歸一化輻射IN(λ，hi)是根據(jù)定標后的原始輻射數(shù)據(jù)I(λ，hi)在參考切高處的光譜計算得出的：

式中，λ表示波長，h表示切高，i表示某切高處的索引，本文所選的參考切高href為49 km，在波長輻射膝點的上方。因此，所有的多重輻射傳輸和儀器效應(yīng)以及大部分太陽輻照度結(jié)構(gòu)都得到了補償（Kaiser等，2004）。

進行大氣遙感的光譜探測時，需要合適的光譜分辨率和光譜覆蓋范圍以及探測光譜信噪比等，才能滿足廓線反演的應(yīng)用需求（苗晶 等，2021）。本文使用SCIAMACHY 通道1（214—314 nm）中第4 組（Cluster）光譜（282—313.9 nm）測量值，此光譜區(qū)間的光譜分辨率約為0.11 nm。因此對歸一化輻射IN(λ，hi)進行線性插值，并在300，…，305 nm等6個波長處采樣。用于反演算法分析的反演向量y由5 個工程切線高度處的歸一化輻射度樣本組成：

波長和切線高度的選擇使得測量矢量維數(shù)最小化，同時保持切線高度較全的靈敏度。

由于從臨邊觀測數(shù)據(jù)中進行參數(shù)反演是一個不適定問題，因此必須使用正則化方法，即通過一個先驗值和適當?shù)膮f(xié)方差矩陣來實現(xiàn)。本文通過反演切高的參數(shù)化引入先驗知識。切線高度序列hi由偏移量Δh進行參數(shù)化：

式中，hi表示模擬的切線高度，表示工程的切線高度。因此，整個TH序列在Δh的反演過程中垂直移動。本方法在固定臭氧數(shù)密度廓線的情況下，只有Δh被擬合，由反演算法確定的狀態(tài)向量x定義為

對于非線性反演問題，基于牛頓迭代的最優(yōu)估計的解如下：

式（5）在臨邊衛(wèi)星遙感切高反演中，x0表示需要反演的切線高度誤差Δh的初始值。xn是切線高度誤差Δh第n次迭代估計值，y表示衛(wèi)星觀測臨邊輻射反演向量，yn是切線高度誤差為xn時利用正向輻射傳輸模型模擬的臨邊輻射反演向量，Sx0為初始x0的協(xié)方差矩陣，Sy為觀測值的協(xié)方差矩陣，K是權(quán)函數(shù)矩陣。

解的協(xié)方差矩陣為

當n→∞時，xn→，式中是在處估計的K值。

權(quán)函數(shù)矩陣K和模擬的反演向量yn均由球形模式多重散射正向輻射傳輸模型SCIATRAN（Rozanov 等，2005）計算。權(quán)函數(shù)定義為波長300，…，305 nm 在切線高度為43、46、49、52 和55 km 處的輻射變化。以擾動量為1%，基于SCIATRAN 模型，模擬得到6 個波長在5 個切線高度上的臨邊散射輻射變化，即臨邊散射輻射對切線高度的敏感性。

式中，y表示衛(wèi)星觀測臨邊輻射反演向量，x表示其切線高度。

2.3 正向輻射傳輸模型

利用Rozanov 等（2005）針對SCIAMACHY 儀器開發(fā)的臨邊輻射傳輸模型SCIATRAN 2.2 作為本文模擬輻射的計算工具。大氣壓強和溫度廓線取自加拿大氣象局McLinden 氣候?qū)W廓線。區(qū)域和月平均臭氧氣候?qū)W作為模型的臭氧廓線輸入。使用的臭氧橫截面來自Burrows 等（1999a），采用多重散射模式，地表反射率設(shè)定為0.3，選擇LOWTRAN 氣溶膠廓線，氣溶膠相函數(shù)為Henyey-Greenstein，不考慮云。輻射傳輸計算模擬了球形、水平分層、無云且具有折射的大氣中的兩級散射和表面反射彎曲。因此，所有射線路徑包括在內(nèi)的模型完全線性化，即所有大氣參數(shù)的加權(quán)函數(shù)都是準解析計算的。模型所需的輸入?yún)?shù)包括觀測幾何結(jié)構(gòu)，即切線高度、太陽天頂角和相對方位角。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同波段與工程切高的分析

SCIAMACHY臨邊探測的紫外波段可達214 nm，由于吸收O3的Hartley 帶（200—310 nm）而導致的UV 臨邊輻射廓線的最大值（即“膝點”）為切高校正提供了合適的范圍。而中波紫外波段簡稱UVB，波長280—320 nm（SCIAMACHY 通道1 的第4 組數(shù)據(jù)也處于該波段），該波段的臨邊輻射廓線既具有明顯的膝點特征又能減少氣溶膠影響。然而該波段中并非所有的波長都適合切高校正，本文對285—305 nm、295—305 nm 和300—310 nm等幾種波段在相同實驗條件下進行切高偏差反演，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果與SCIAMACHY L1B 產(chǎn)品信息偏差比較大，并不適合作為切高反演的條件。為了驗證本文所選的300—305 nm 波段適合用于切高校正，對其與文獻（Kaiser 等，2004）中所選的波段分別進行切高反演實驗，結(jié)果表明本文所選的波段運算時間短且能達到較好的精度。另考慮工程切高在膝點附近獲取，因此本文把工程切高確定在43、46、49、52 和55 km。4 種不同波段和工程切高的詳細情況見表1。選取SCIAMACHY 32980—32992軌道為實驗對象。由于臭氧柱濃度的水平不均勻性無法在輻射傳輸模型中表現(xiàn)，因此本文TH 反演僅限于30°S以北的緯度。

表1 4種不同波段和工程切高的情況Table 1 Four cases in different wave bands and engineering tangent heights

圖4為32980軌道的4種TH反演結(jié)果，其他軌道均有類似結(jié)果。從結(jié)果可知，同一軌道在這4種情況下反演切高時結(jié)果具有類似的變化趨勢，不同的是變化程度不一致。由圖4 可知，第1 種和第3種反演結(jié)果接近，兩者具有相同的工程切高，不同的波段，說明本文提出的窄波段可達到與較長波段反演相似的效果；然而本文的波長只有6 個（第1種），與第3種情況相比減少了近一半。第2種和第4 種反演結(jié)果接近也說明類似的效果。第1 種和第2 種情況具有相同的波段，不同的工程切高，兩者的TH 偏差相差比較大是因為處于不同的切線高度，從下表2可知這兩種情況的精度差異比較小；總的來說，第1種組合用于TH反演效果最好。

表2 4種情況的精度平均值、標準差和均方根以及運算時間Table 2 The mean，standard deviation and root mean square of accuracy as well as running time in four cases

圖4 4種情況的TH反演結(jié)果Fig.4 TH retrieved results in four cases

為了進一步驗證這4 種情況的切高反演效果，將所有的TH 反演結(jié)果與ESA 提供的與之對應(yīng)的SCIAMACHY L1B 切高產(chǎn)品進行比較，得到切高校正的精度：

平均值、標準差和均方根的計算結(jié)果見表2。由表2可知，本文提出的新波段和新工程切高組合（第1 種）反演的切高精度平均值、標準差和均方根較其他3 種情況的好，第3 種次之，第2 種誤差最大。進行10 次迭代后，每條臨邊掃描序列所需運算的平均時間也是第1種較少。

3.2 敏感性分析

指向信息的反演誤差很大程度上取決于痕量氣體廓線的形狀，并且在一定程度上因氣體不同而不同（von Savigny等，2005b）。而各種痕量氣體吸收截面受溫度和壓強的影響，因此儀器指向的反演誤差來源主要是大氣壓強、溫度和臭氧廓線。本文討論了在不同縮放因子下這些量的TH 反演靈敏度，這里的實驗對象為SCIAMACHY 32980軌道。

采用SCIATRAN 軟件包提供的McLinden 氣候?qū)W廓線文件，這些廓線文件按月份和緯度分成多個包含溫度、壓強和O3等氣體體積混合比的文件。在保持其他成分不變的情況下，將壓強和溫度數(shù)值分別按系數(shù)0.8、0.95、1.05 和1.2 進行縮放，并將反演結(jié)果與標準反演結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明，壓強和溫度廓線的變化對TH 反演具有較大影響，見圖5（a）。為了研究臭氧廓線對TH 反演的影響，將比例系數(shù)按照0.5、0.8、0.95、1.05、1.2和2的情況進行了從低到高臭氧濃度的TH反演，并將反演結(jié)果與標準反演結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明比例因子為0.5 和2 時，反演的TH 差異可達3 km。比例因子為0.8 和1.2 時產(chǎn)生的差異不高于1 km，見圖5（b）。

圖5 不同系數(shù)下的壓強、溫度和臭氧廓線對TH反演的影響Fig.5 Effects of pressure，temperature and ozone profiles under different coefficients on TH retrieved

從圖5 可知，反演的TH 偏差在不同比例系數(shù)的廓線下具有類似的變化趨勢；當壓強廓線由小變大時，反演的TH 偏差由?。ㄘ摚┳兇螅ㄕ?；當溫度廓線由小變大時，反演的TH 偏差變化趨勢與壓強的相反；而臭氧廓線由小變大時，則與壓強的相同。

另一項實驗是將同一月份不同緯度的壓強（溫度、臭氧）值作為壓強（溫度、臭氧）廓線，以25°N附近的臨邊掃描輻射為例進行TH反演，并將反演結(jié)果與標準反演結(jié)果（-0.7147 km）進行比較，見圖6。不同緯度的壓強、溫度和臭氧廓線具有隨機性，因此反演結(jié)果也具有不固定性，反演的TH 差異最大可達700 m（85°N 壓強廓線貢獻）。從圖6可知，30°N以北的廓線對反演結(jié)果影響比較大；而30°N 以南的結(jié)果比較穩(wěn)定，這是因為30°N以南的壓強、溫度和臭氧廓線差異比較小。其中壓強和臭氧廓線的變化對反演結(jié)果的影響比溫度廓線的大。

圖6 不同緯度的壓強、溫度和臭氧廓線對TH反演的影響Fig.6 Effects of pressure，temperature and ozone profiles on TH retrieved at different latitudes

為了更加明確地表現(xiàn)大氣壓強、溫度和臭氧廓線對反演結(jié)果的影響，將標準廓線輸入的反演結(jié)果與其他非標準廓線的進行比較，并且進行雙尾t檢驗。p值為雙尾t檢驗的結(jié)果，當p＞0.05 時，表示標準與非標準無顯著差異；當0.01＜p＜0.05時，表示兩者有顯著差異；當p＞0.01 時，表示差異特別大。特別說明，均值差異為差異絕對值的均值。由表3可知，壓強、溫度或臭氧廓線與對應(yīng)標準廓線的差異在±5%以內(nèi)，則它們對反演結(jié)果影響較小，TH 反演差異為200 m 左右；而比例因子為0.8 時，3 種廓線產(chǎn)生的平均TH 差異達到近1 km；比例因子為1.2 時，壓強廓線的影響導致平均TH 差異約為800 m，溫度廓線的影響導致的平均TH 差異只有600 m，臭氧廓線的介于兩者之間；不同緯度的廓線對反演結(jié)果的影響，溫度廓線最小，平均TH差異不到100 m，壓強次之，臭氧最大。

表3 標準與非標準的平均差異、最大差異、最小差異和p值Table 3 Mean difference，maximum difference and minimum difference，and p value between standard and non-standard

3.3 切高反演

本文將THRUNB法應(yīng)用于SCIAMACHY在2008年6 月21 日期間獲得的軌道32980—32992 臨邊觀測。圖7 中繪制了反演的TH 偏移量Δh，其是緯度的函數(shù)。由于臭氧柱總量在沿著軌道和垂直軌道方向的變化梯度都很陡（Burrows 等，1999b），而水平不均勻性在SCIATRAN 輻射傳輸模型中無法實現(xiàn)。因此，反演的TH偏移量Δh在南半球的中高緯度地區(qū)（即30° S以南）具有不穩(wěn)定性。本文反演的TH僅限于能得到穩(wěn)定結(jié)果的緯度范圍即30°S到80°N。實驗結(jié)果表明在32980—32992 軌道上，反演的TH偏移量Δh相對穩(wěn)定，Δh的平滑性表明了切高反演算法和工程信息的穩(wěn)定性。TH 偏移具有緯度性，總體曲線隨著衛(wèi)星由南向北運行呈減少趨勢，并且顯示從一個軌道到另一個軌道的漂移。由于測量幾何結(jié)構(gòu)在不同軌道之間僅略有不同，漂移歸因于熱帶和中緯度臭氧場的緯向變化，或歸因于工程切線高度的誤差。

圖7 32980—32992軌道反演切線高度偏移ΔhFig.7 32980—32992 orbit inversion tangent height offset Δh

在固定臭氧濃度模式下進行切線高度反演，對每條軌道反演的所有切高偏移量Δh的平均值、標準差以及反演精度的平均值、標準差和均方根進行分析（表4）。由表4 可知，雖然每軌反演的TH 偏移量之間都存在幾十米的漂移，但是整體上每軌的平均TH 偏移量約為-0.9±0.5 km；每軌反演的TH精度約為150±100 m。

表4 每軌的TH偏移量的平均值和標準差以及每軌精度的平均值、標準差和均方根Table 4 Mean value and standard deviation of TH offsets，and mean value，standard deviation and root mean square of accuracy per orbit

3.4 臭氧廓線的反演

為了驗證切高校正對反演臭氧廓線的影響，本文將未校正的切高、校正的切高和ESA提供的L1B切高產(chǎn)品分別進行臭氧廓線反演。該臭氧反演方法基于MART算法利用臭氧Chappuis吸收帶反演平流層O3廓線，詳情請參考文獻（朱芳 等，2021）。以2008 年6 月21 日軌道32980 不同緯度的典型臨邊輻射廓線為例，進行3種不同切高序列的臭氧廓線反演，并與Bremen 大學提供的SCIAMACHY v3.5臭氧產(chǎn)品在時空匹配的廓線進行比較，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，與校正的切高和L1B 切高反演的臭氧廓線相比，未校正的切高反演的臭氧廓線明顯出現(xiàn)垂直向上偏移的現(xiàn)象，然而3種反演的臭氧廓線的形狀是類似的；校正THs 后的O3廓線比未校正切高廓線更符合SCIAMACHY v3.5 臭氧產(chǎn)品。圖9 顯示了軌道對應(yīng)緯度反演的臭氧廓線與SCIAMACHY v3.5 臭氧廓線之間的相對差異以及切高校正與未校正臭氧廓線之間的相對差異。由于SCIAMACHY v3.5 臭氧產(chǎn)品的垂直分辨率與本文的不同，因此將其進行樣條插值到1 km 的高度網(wǎng)格上再進行比較。由圖9可知，未校正和校正的切高產(chǎn)生的臭氧反演相對誤差在臭氧峰值以下為正值，在臭氧峰值以上為負值；說明未校正的切高反演的臭氧廓線存在垂直移動。校正后的切高反演的臭氧廓線與ESA 提供的L1B 切高反演的臭氧廓線一致性比較好，平均相對誤差在±3.5%以內(nèi)；而與未校正的反演結(jié)果的平均相對誤差為±20%；與SCIAMACHY v3.5 的臭氧產(chǎn)品相比，校正后的廓線誤差和未校正切高的誤差曲線在海拔高度上的變化趨勢類似；但是校正切高的反演結(jié)果產(chǎn)生的平均相對誤差在13—38 km 范圍內(nèi)小于±10%；而未校正切高產(chǎn)生的平均誤差在該范圍內(nèi)高達22%。

圖8 32980軌道反演的臭氧廓線與 SCIAMACHY v3.5臭氧產(chǎn)品在不同緯度上的比較Fig.8 Comparison between the retrieved ozone profile and SCIAMACHY v3.5 ozone products at different latitudes

圖9 切高校正和未校正反演的臭氧廓線之間以及反演結(jié)果與臭氧產(chǎn)品之間的相對差異Fig.9 Relative differences between the pointing corrected and uncorrected retrieved ozone profiles and between the retrievals and ozone products

4 結(jié)論

切高偏移是臨邊散射觀測反演痕量氣體的主要誤差來源之一。本文在膝點法的基礎(chǔ)上提出了新的波段和新的工程切高使測量矢量在保持較全靈敏度的同時維數(shù)更小，并應(yīng)用于SCIAMACHY 臨邊輻射切高校正。采用THRUNB 方法反演得到了每個軌道的平均TH 偏移量和相應(yīng)的反演精度，切高校正顯著提高了反演的臭氧廓線與SCIAMACHY臭氧廓線產(chǎn)品之間的一致性。主要結(jié)論如下：

（1）對SCIAMACHY 32980—32992 軌道的臨邊輻射進行切線高度校正，獲得的平均TH偏移量約為-0.9±0.5 km，平均TH 統(tǒng)計精度約為150±100 m。在該精度范圍內(nèi)的TH 誤差引起的臭氧廓線反演誤差小于±3.5%，驗證了該方法的有效性和穩(wěn)定性。與Bremen大學提供的SCIAMACHY v3.5臭氧廓線產(chǎn)品相比，校正后的臭氧廓線相對誤差在13—38 km范圍內(nèi)比未校正的臭氧廓線誤差下降了12%；說明在痕量氣體廓線反演之前進行的切高校正顯著提高了臭氧廓線反演的精度。

（2）切高偏移的反演很大程度上取決于痕量氣體廓線的形狀，本文分析了壓強、溫度和臭氧廓線對TH 反演的影響，發(fā)現(xiàn)壓強和臭氧對TH 反演的影響是正相關(guān)的，而溫度是負相關(guān)的；臭氧廓線對TH 反演的影響最大，壓強次之，溫度最?。ㄏ鄬Χ裕１疚倪€研究了地表反照率和氣溶膠對TH 反演的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地表反照率變化為0.1 時，TH 反演精度僅為0.2 m；有無氣溶膠時，反演的TH 偏移量的平均差異僅約為±10 m；因此地表反照率和氣溶膠對TH反演的影響可忽略。

（3）準確的切線高度是臨邊散射輻射反演大氣痕量氣體成功的關(guān)鍵。切高校正技術(shù)比安裝在航天器上的星體跟蹤器更便宜，也更全面。利用校正后的切高反演的臭氧廓線可以用來驗證其他儀器是否也存在指向信息錯誤，并對臭氧濃度監(jiān)測和長期變化趨勢提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)服務(wù)。本文的切高校正方法依賴于固定的臭氧廓線，因此下一步研究計劃是將TH 反演與臭氧廓線擬合同時進行，以期減少對臭氧的依賴性。

志 謝本文所用實驗數(shù)據(jù)為SCIAMACHY L1B臨邊數(shù)據(jù)，均可由ESA提供的網(wǎng)頁下載：ftp：//scia-ftp-ds.eo.esa.int/；臭氧廓線產(chǎn)品（SCIMACHY v3.5）由Bremen大學環(huán)境與遙感物理研究所（IUP/IFE）提供，下載網(wǎng)站：https：//www.iup.uni-bremen.de/scia-arc/。同時對Bremen 大學環(huán)境與遙感物理研究所（IUP/IFE）提供的SCIAMACHY 定標和提取工具（SciaL1C V.3.2）表示衷心的感謝！