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

對24種大氣成分的熱紅外天底觀測

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

熱紅外天底探測儀是觀測諸如水汽、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儀能夠分辨痕量氣體細(xì)微的光譜特征。在第一臺高光譜探測儀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)在軌運行。本文評述了應(yīng)用熱紅外天底探測儀觀測痕量氣體，重點在于紅外大氣探測干涉儀（IASI）的新近觀測。文章介紹了14種非常活潑的痕量氣體的典型觀測。從天底視角觀測氣體講，一些組分屬首次報道，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測到的。由于能夠觀測這些大量活性的痕量氣體，所以我們關(guān)于源排放及其對環(huán)境和氣候方面影響的知識可能會加深。

引言

高分辨率地面紅外光譜第一次是由從太空通過搭載于氣象衛(wèi)星雨云（Nimbus）3號和4號平臺上的紅外干涉光譜儀（IRIS，1969～1971）測得的，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)識到了天底觀測的高光譜紅外探測儀的探測潛力，但是當(dāng)時的技術(shù)無法滿足天氣變量對光譜分辨率和重訪周期的要求。在接下來的幾十年里，人們更傾向于應(yīng)用寬頻紅外探測器對云、溫度和濕度進(jìn)行探測。1990年代，氣候變化的爭論推動了溫室氣體干涉監(jiān)視器（IMG，1996～1997）的發(fā)展。IMG設(shè)計用來探測眾多痕量氣體，例如CO2、H2O、O3、CO 和 CH4（Shimoda and Ogawa，2000；Clerbauxet al，2003）。對比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，但幸運的是2002年以來在數(shù)字天氣預(yù)報以及大氣組分監(jiān)測對探測儀需求逐步增長的推動下，新的天底觀測的高分辨率光譜儀應(yīng)運而生，有大氣紅外探測儀（AIRS，2002－；見Chahineet al，2006）、對流層放射光譜儀（TES，2004－；見Beer，2006）、紅外大氣探測干涉儀（IASI，2006－）、溫室氣體觀測衛(wèi)星 （GOSAT，2009－；見 Kuzeetet al，2009）。在這篇文章中，我們主要探討IASI，因為IASI在這些探測儀中應(yīng)用范圍最廣。IASI搭載于太陽同步極軌衛(wèi)星Metop－A平臺上，為交叉軌道掃描儀，4個像素掃描范圍2400km。IASI每天對地球紅外輻射進(jìn)行1280000次探測，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IASI光譜中能探測到10種氣體， 即 CO2、 N2O、 CFC－11、 CFC－12、OCS、H2O、CH4、O3、CO 和 HNO3（見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。探測它們的背景豐度和局地變化對監(jiān)測和研究平流層及對流層化學(xué)和氣候是重要的。

近年來，在IASI光譜中發(fā)現(xiàn)了一些痕量氣體（主要是短時存在的）。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)向通常要求對這些氣體進(jìn)行監(jiān)測。這些強(qiáng)排放源可以是一個極端點源，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對流層低層的上升被監(jiān)測到。對某些全球或準(zhǔn)全球分布的種類（NH3、CH3OH 和HCOOH）也可以監(jiān)測到（Clarisseet al，2009；Razaviet al，2011）。

IASI到現(xiàn)在已經(jīng)在軌運行4年。在這篇文章中我們通過介紹典型光譜對迄今已經(jīng)探測到的14種非?；顫姷暮哿繗怏w進(jìn)行概述（在這里我們不討論每個頻譜可觀測到的10種氣體）。我們對之前應(yīng)用天底探測儀從未探測到的幾種氣體進(jìn)行報道。這些氣體是在2009年2月澳大利亞叢林大火的火積云中識別出來的（Trepteet al，2009）。對之前探測到的氣體，我們對極端的例子進(jìn)行介紹。在這里我們對痕量氣體的探測進(jìn)行論述，對詳細(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)。此外還對之前一些通過臨邊探測儀探測到的氣體進(jìn)行論述（Coheuret al，2007）。

1 全球觀測

圖1對本文的主要結(jié)果進(jìn)行了說明，介紹了觀測到的14種氣體的光譜。對這些光譜用兩種不同方法進(jìn)行說明。當(dāng)光譜特征可以清楚地區(qū)別于其他干擾種類時，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）。對其他種類我們應(yīng)用最優(yōu)估計技術(shù)重建合成光譜。殘差，即探測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，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（Rothmanet al，2009）進(jìn)行了 Atmosphit（Coheuret al，2009）正演和反演計算。對HITRAN不存在的種類如HONO，我們應(yīng)用PNNL紅外截面數(shù)據(jù)庫（Sharpeet al，2004）進(jìn)行計算。最近已經(jīng)獲得了 NH3、CH3OH、HCOOH的全球分布，本節(jié)將對這些種類進(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測到的。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，光譜特征可見位于基線以上，表明大火煙柱內(nèi)空氣溫度與地表溫度相比升高了。這是對氨氣觀測條件的說明。作為短時間存在的種類，氨氣主要局限在邊界層，對其進(jìn)行觀測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，最近的一項研究表明IASI能夠?qū)?個最熱月份的NH3進(jìn)行探測（Clarisseet al，2010）。

圖1 IASI觀測到的揭示14種稀有痕量氣體的種類的火山和大火光譜。黑色表示光譜的亮度溫度，單位開爾文，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。據(jù)估計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，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，但常規(guī)探測受到了臭氧（甲醇）和水線（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)行全球觀測，從而對排放源和輸送模式進(jìn)行揭示（Razaviet al，2011）。從這些結(jié)果可見，甲醇排放已經(jīng)得到證實，產(chǎn)生了適用于獨立測量的改進(jìn)模型（Stavrakouet al，2011）。

2 局地觀測

這一節(jié)討論偶然探測到的氣體種類，如火山噴發(fā)后探測到的SO2和H2S。盡管用紫外線儀器探測SO2有很長的歷史（Torreset al，2002），但人們知道紅外線儀器也能夠探測大氣中的 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振動模式高度相關(guān)，然而水汽的干預(yù)，使波譜在中對流層上部只對SO2敏感。在這個波段大多數(shù)探測的是火山煙流，雖然人為排放的SO2上升也會偶爾被探測到。ν1和ν1＋ν3波段比較弱，但對對流層低處的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H2S進(jìn)行觀測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。上對流層火山煙流探測界限估算為25DU。這種原始的觀測非常重要，因為H2S在全球硫預(yù)算中具有很大的不確定性。同時在遠(yuǎn)程探測火山噴發(fā)類型中具有重要作用（巖漿/射氣巖漿）。

其余種類實例來自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波段探測的。由于它們特有的顯著特征，使得對它們進(jìn)行明確地識別成為可能。對于HCN和C4H4O這是一個Q波段，在大氣層頂部超過5K。乙炔的特征在ν5Q波段之間最為明顯，但一些R線也清晰可見。丙烯（C3H6）是在波長較短的912cm－1附近ν19波段觀測到的，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。

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測到了。甲醛從空間中的紫外線很容易觀測到（De Smedtet al，2008），這里論述的亞硝酸是第一次從空間進(jìn)行觀測，并且由于其顯著的特征，未來的觀測是可以預(yù)期的。剩余的甲醛僅僅在儀器噪聲中出現(xiàn)，但是對煙流中幾個光譜進(jìn)行平均時，甲醛能夠清晰地顯現(xiàn)出來。

之前用IASI探測過乙烯（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。圖1顯示的是觀測到的CH3COOH和PAN不同的吸收帶。之前只有PAN在794cm－1波段處觀測到過，而對乙酸的觀測只是試探性的。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還會錯誤地歸因于其他分子的吸收。圖1還顯示出觀測到的光譜，用來說明其復(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)也能夠作為一個在基線以下（背景表面溫度大約295K）的寬波段被區(qū)分出來，在1050cm－1到1250cm－1的區(qū)域大量吸收。

圖2 用天底紅外探測儀累積探測到的氣體種類歷史回 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）。由于首次探測的確切日期難以確定，分別列出各種氣體探測儀開始應(yīng)用的時間

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)用天底探測器探測的報道。圖2對1969年第一次應(yīng)用IRIS探測活性痕量氣體以來紅外天底遙感測量的進(jìn)展進(jìn)行了說明。最近快速增多的探測種類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空覆蓋的改進(jìn)（探測到更多的事件，并在早期發(fā)現(xiàn)）。IASI還將在軌運行10年（在 Metop－B和 Metop－C平臺上），帶有改進(jìn)儀器的后續(xù)發(fā)射已納入了計劃。對大量痕量氣體進(jìn)行觀測是重要的，將有助于更好地理解源排放、大氣化學(xué)和對環(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

（中國地震局地震預(yù)測研究所 孫玉濤譯：杜建國、崔月菊校）