楊太平,司福祺,周海金,趙敏杰,羅宇涵,劉建國

(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

0 引言

云作為大氣研究的重要輸入?yún)?shù),它不僅可以調(diào)節(jié)大氣的輻射收支,還可應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測和全球氣候研究[1,2]。云的存在會使太陽散射光的光子路徑發(fā)生變化,進(jìn)而影響以自然光作為光源的大氣探測技術(shù)的反演精度,并且云在大氣氣候模型中參數(shù)設(shè)置以及遙感監(jiān)測反演和定量應(yīng)用中均起著關(guān)鍵影響作用。因此獲取有效的云參數(shù)信息不僅便于掌握全球云量分布和云壓情況,還是準(zhǔn)確反演痕量氣體的重要前提條件。

星載高光譜大氣痕量氣體探測儀在全球云量和云壓反演中得到了廣泛的應(yīng)用。目前云參數(shù)反演算法主要有:Kuze和Chance[3]基于GOME(Global ozone monitoring experiment)星載儀器研發(fā)了云參數(shù)反演算法ICFA(Initial cloud fitting algorithm),用于反演有效云量,該算法對于高緯度地區(qū)云量反演誤差較大。Loyola等[4]基于閾值方法開發(fā)的OCRA(Optical cloud recognition algorithm)有效云量反演算法,該算法也用于SCIMACHY(Scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography)云量的反演。Koelemeijer等[5]基于GOME開發(fā)的FRESCO(Fast retrieval scheme for clouds from oxygen a band)算法,無需云壓作為先驗(yàn)信息,可以同時(shí)反演有效云量和云壓,并與ISCCP(International satellite cloud climatology project)進(jìn)行對比,一致性良好。Fournier等[6]將FRESCO算法應(yīng)用于SCIMACHY沙漠上空云量的反演,與HICRU(Heidelberg iterative cloud retrieval utilities)和MODIS(Moderate resolution imaging spectroradiometer)對比相關(guān)性良好。Wang等[7,8]考慮單次瑞利散射對FRESCO進(jìn)行改進(jìn)提出FRESCO+算法,提高了部分有云情況時(shí)云壓的反演精度,并通過地面數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了對比驗(yàn)證。Rodriguez等[9]將ROCINN(Retrieval of cloud information using neutral network)算法用于反演GOME云頂高度和云反照率,通過與SEVIRI(Spinning enhanced visible and infrared imager)結(jié)果的對比證明了此算法的有效性。Rozanov等[10]提出SACURA(Semianalytical cloud retrieval algorithm)算法,對云頂高度與云光學(xué)厚度進(jìn)行反演?；贠MI(Ozone monitoring instrument)載荷,Acarreta等[11]利用O4的吸收帶開發(fā)了OMCLDO2云參數(shù)反演算法,Joiner等[12]基于Ring效應(yīng)提出OMCLDRR算法,2016年Veefkind等[13]加入實(shí)際溫壓廓線提高了OMCLDO2算法的反演精度。Loyola等[14,15]通過對OCRA算法和ROCINN算法進(jìn)行改進(jìn)用于TROPOMI(Tropospheric monitoring instrument)云產(chǎn)品開發(fā)。

國外基于星載高光譜大氣痕量氣體探測儀云參數(shù)研究已較為成熟,而我國正處于初步發(fā)展階段,本文主要基于我國2018年發(fā)射的EMI(Environmental trace gas monitoring instrument)的有效云量進(jìn)行反演并展開對比驗(yàn)證。EMI有效云量反演方法主要是繼承了OMI的云參數(shù)反演算法,利用O4在477 nm處的吸收,結(jié)合SCIATRAN輻射傳輸模型,創(chuàng)建云量查找表,通過EMI實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)插值得到EMI有效云量,并與TROPOMI的云產(chǎn)品進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 研究方法

1.1 觀測儀器介紹

EMI搭載于高分五號(GF-5)衛(wèi)星,2018年5月9日發(fā)射,主要用于監(jiān)測大氣中NO2、SO2、O3等痕量氣體。EMI運(yùn)行在太陽同步軌道,對地進(jìn)行面陣掃描天底觀測,通過在大氣層頂對地探測來自地球大氣和地表的反射和散射光[16],觀測模式如圖1所示。本研究主要使用了EMI的可見1(401～550 nm)通道的觀測數(shù)據(jù)對EMI有效云量進(jìn)行反演,光譜分辨率范圍為0.3～0.5 nm,視場為114°×0.5°,總視場114°,空間分辨率小于 48 km(穿軌方向)×13 km(沿軌方向)。

圖1 EMI天底推掃示意圖Fig.1 Diagram of EMI in a nadir push-broom mode

1.2 研究方案

主要基于O4在477 nm處的吸收特性展開云參數(shù)的反演。首先,利用SCIATRAN輻射傳輸模型模擬輻亮度,結(jié)合獨(dú)立像元近似法加入云量和云壓參數(shù),進(jìn)而得到模擬的反射(Reflectance)率和O4斜柱濃度(Slant column density,SCD)的査找表,其中SCIATRAN輻射傳輸模型的主要參數(shù)設(shè)置包括太陽天頂角(Solar zenith angle,SZA)、觀測天頂角(Viewing zenith angle,VZA)、相對方位角(Relative azimuth angle,RAA)、地表反照率(Surface albedo)、地面高度(Surface altitude)。然后,通過徑向基函數(shù)將反射率和O4SCD查找表轉(zhuǎn)換為有效云量和云壓的查找表。最后,利用EMI實(shí)際測量得到的O4SCD、連續(xù)反射率和實(shí)際相關(guān)參數(shù)進(jìn)行多維插值得到有效云量,楊太平等[17]介紹了詳細(xì)研究方法實(shí)現(xiàn)過程。EMI云參數(shù)反演算法的具體數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示。

圖2 算法流程圖Fig.2 Flow diagram of EMI cloud fraction algorithm

1.3 TROPOMI數(shù)據(jù)介紹

研究主要使用了TROPOMI的云產(chǎn)品對EMI的有效云量進(jìn)行驗(yàn)證分析。TROPOMI于2017年10月13日發(fā)射,同樣運(yùn)行在太陽同步軌道,過境時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:30,與EMI過境時(shí)間一致。TROPOMI是OMI使命的繼承者,基于OMI的基礎(chǔ)上功能更加強(qiáng)大,可測波段更廣,分辨率更高,可達(dá)5.6 km×3.6 km,不僅用于NO2、SO2和O3的反演,還可用于CO和CH4的反演,同時(shí)可以更好地利用O2A帶和O2B帶的吸收反演云和氣溶膠。TROPOMI云產(chǎn)品數(shù)據(jù)可從https://s5phub.copernicus.eu/dhus/#/home網(wǎng)站下載,TROPOMI相關(guān)特性參數(shù)如表1所示。

表1 TROPOMI特性參數(shù)及光譜波段Table 1 Characteristics of TROPOMI and spectral bands

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 EMI與TROPOMI全球云量分布日變化對比

通過EMI云量反演算法對2019年3月EMI數(shù)據(jù)進(jìn)行反演并與TROPOMI數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。為了比較EMI云量全球分布特征變化情況,首先對2019年3月2日、6日、9日、10日四天的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到全球云量分布如圖3所示,部分軌道覆蓋不完全是由于數(shù)據(jù)拼接問題導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。因?yàn)樵撛品囱菟惴▽τ诟呔暥群蜆O地等冰雪覆蓋的高地表反照率區(qū)域的敏感性較差[13],僅分析了±60°緯度范圍內(nèi)的云量分布情況,圖中顏色由深到淺表示云量從小到大的變化。

圖3 2019年3月2日(a)、6日(b)、9日(c)、10日(d)EMI云量分布圖Fig.3 The distribution of EMI cloud fraction on March 2(a),March 6(b),March 9(c)and March 10(d),2019

為驗(yàn)證EMI云參數(shù)反演算法的有效性,進(jìn)一步展開與載荷TROPOMI的對比驗(yàn)證分析,選取相同四天內(nèi)TROPOMI的云量數(shù)據(jù),分別進(jìn)行網(wǎng)格化平均處理之后進(jìn)行比較(圖4)。通過對比圖3和圖4中四天的云量分布情況可以看出,EMI與TROPOMI云量高值和低值分布區(qū)域非常一致。

圖4 2019年3月2日(a)、6日(b)、9日(c)、10日(d)TROPOMI云量分布圖Fig.4 The distribution of TROPOMI cloud fraction on March 2(a),March 6(b),March 9(c)and March 10(d),2019

EMI和TROPOMI云量反演采用的算法不一樣,為展開二者云量相關(guān)性分析,分別對四天的云量進(jìn)行網(wǎng)格化平均,即對1°×1°網(wǎng)格內(nèi)的云量求平均值,EMI和TROPOMI云量相關(guān)性如圖5所示,色標(biāo)顏色由淺到深表示分布密度由小到大,兩者四天全天數(shù)據(jù)的相關(guān)性分別為0.752、0.712、0.764、0.762,相關(guān)性良好,證明了EMI云參數(shù)反演算法的正確性。

圖5 2019年3月2日(a)、6日(b)、9日(c)、10日(d)TROPOMI與EMI云量相關(guān)性分析Fig.5 The correlation analysis of TROPOMI and EMI cloud fraction on March 2(a),March 6(b),March 9(c)and March 10(d),2019

2.2 EMI與TROPOMI不同區(qū)域云量變化對比

選取海洋、沙漠、陸地三種不同下墊面的上空云量進(jìn)行對比,以研究不同區(qū)域長期的云量變化情況。三個(gè)區(qū)域分別為Atlantic、Sahara和EastChina,基本位置信息如表2所示。Sahara地區(qū)為在非洲北部沙哈拉沙漠地區(qū)選取的一個(gè)1°×1°的網(wǎng)格區(qū)域,Atlantic地區(qū)為在大西洋地區(qū)選取的一個(gè)1°×1°的網(wǎng)格區(qū)域,EastChina地區(qū)為在中國華東地區(qū)選取的一個(gè)1°×1°的網(wǎng)格區(qū)域。

表2 三個(gè)區(qū)域基本信息Table 2 Basic information of three areas

對2019年3月EMI數(shù)據(jù)反演的三個(gè)區(qū)域每日的云量與TROPOMI云量進(jìn)行對比,結(jié)果如圖6所示。由于數(shù)據(jù)拼接導(dǎo)致EMI多軌數(shù)據(jù)缺失,所以存在某些天數(shù)EMI數(shù)據(jù)間斷的情況。圖6(a)為Sahara區(qū)域整月EMI和TROPOMI的云量統(tǒng)計(jì)情況,從圖中可以看出Sahara區(qū)域整體情況低云量居多,高云量現(xiàn)象也會存在,與TROPOMI對比,R2為0.88,一致性良好。圖6(b)為EastChina區(qū)域整月EMI和TROPOMI的云量統(tǒng)計(jì)情況,從圖中可以看出EastChina區(qū)域整體云量情況多變,高云量和低云量出現(xiàn)情況相當(dāng),與TROPOMI對比,R2為0.94,一致性非常好。圖6(c)為Atlantic區(qū)域整月EMI和TROPOMI的云量統(tǒng)計(jì)情況,從圖中可以看出Atlantic區(qū)域整體情況呈低云量,高云量現(xiàn)象非常少,與TROPOMI對比,R2為0.82,一致性良好。

圖6 EMI與TROPOMI在Sahara、EastChina、Atlantic區(qū)域的云量對比(a)-(c)以及相關(guān)性分析(d)-(f)Fig.6 Comparison between EMI cloud fraction and TROPOMI cloud fraction in Sahara,EastChina,and Atlantic(a)-(c)and correlation analysis(d)-(f)

3 結(jié)論

主要依據(jù)O4在477 nm帶的吸收特性對EMI有效云量進(jìn)行反演,并與TROPOMI云產(chǎn)品進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:EMI云參數(shù)反演算法反演的有效云量與TROPOMI云產(chǎn)品結(jié)果相關(guān)性良好;通過2019年3月數(shù)據(jù)分析得出沙漠地區(qū)低云量情況偏多,存在少數(shù)高云量情況,海洋上空云量整體呈低云量,東亞陸地高云量低云量存在情況相當(dāng),該結(jié)果對于EMI云產(chǎn)品的開發(fā)和云分布分析具有重要意義。