FY-3B TOU 与Aura OMI 卫星臭氧总量产品的比对分析

钟 美，皮 波，佘 勇，郑向东

(1.重庆市气象信息与技术保障中心，重庆 401147；2.民航重庆空管分局，重庆 401120；3.成都信息工程大学，成都 610225；4.中国气象科学研究院，北京 100081)

引言

臭氧是大气中非常重要的痕量气体之一［1］，平流层含有大气中90%的臭氧，其强烈吸收对生物有害的紫外线辐射，保护地球生物圈的进化与发展，并直接影响大气辐射的收支平衡，从而对地球大气环流和气候变化有着非常重要的影响［2-3］。

臭氧观测方式有地基观测和卫星遥感监测(简称星基观测) 两种不同方式，由于地基观测易受天气、地形、仪器状况等因素影响，而无法获取覆盖全球的大气臭氧含量，所以地基观测对全球大气臭氧变化研究工作的开展存在一定局限性［4-6］。星基观测可以弥补地基观测的局限性，它具有覆盖面积广、周期观测能力强、空间时间连续性好等优势，且不受恶劣天气及地形条件的影响［7-9］。因此，为了对全球平流层臭氧损耗的可靠评估，星基观测已成为精准分析全球臭氧时空变化的重要手段［10］。

FY-3B 卫星是我国新一代极轨气象卫星［11］，它所携带的紫外臭氧总量探测仪 (Total Ozone Unit：TOU) 是我国自主研制并专门用于获取大气臭氧总量产品的星载仪器［12］，该臭氧探测仪器已经实现业务化运行，并在2011 年北极臭氧损耗等重大事件监测中得到应用［13］。目前，利用地基观测数据验证TOU 臭氧总量产品精度的研究工作已经有很多［14］，然而，利用卫星遥感观测数据对连续时间序列TOU测值的验证并不多。

Aura-OMI 的OMTO3e 是目前各界常用的卫星臭氧总量产品，该产品是居于多国卫星数据以TOMS V8.0 算法为基础进行反演的，而FY-3B TOU反演臭氧总量算法是基于通道开发，其工作原理与TOMS V8.0 基本类似［15］。因此，本文选择与FY-3B TOU 反演算法相似的OMTO3e 臭氧总量产品，通过对两者反演臭氧总量产品的空间分布特征、时间变化规律、其他影响因素的对比分析和研究，来进一步检验FY-3B TOU 反演臭氧总量产品的精度水平。

1 数据和分析方法

1.1 数据来源

(1)FY-3B TOU 及其臭氧总量产品资料

FY-3B 卫星其轨道高度为836km，轨道倾角为98.75°，降交地方时为北京时间10:00—10:20，升交地方时为13:40—14:00。其紫外臭氧总量探测仪(TOU)是我国首次自主研发的第一台臭氧总量探测仪，并于2010 年11 月5 日成功发射升空［16］。FY-3B TOU 是采用固定光栅、狭缝阵列式的单光栅光谱仪［17］，其主要科学目标是探测全球臭氧总量的分布，为气候和环境监测提供可靠的臭氧分布参数。

研究使用的是FY-3B TOU 臭氧总量日产品(全球等经纬度投影)，空间分辨率达到0.5°×0.5°，存储格式为HDF，时间是2010 年11 月11 日至2016 年12 月31 日。

(2)Aura-OMI 及其臭氧总量产品资料

卫星臭氧总量数据除了来源于我国FY-3B 卫星数据，还来源于国际同期在轨的EOS-Aura 卫星上的OMI 传感器数据。EOS-Aura 卫星于2004 年7月15 日在美国上空成功发射，是一颗由多国共同研制的近极地、太阳同步科学探测卫星，其轨道高度为705Km，约在当地时间13:45 过境。其中臭氧检测仪(OMI，Ozone Monitor Instrument) 由荷兰和芬兰与NASA 合作制造，是继全球臭氧监测实验(GOME，Global Ozone Monitoring Experiment) 和扫描成像大气吸收图谱仪(SCIAMACHY，Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography)之后的新一代大气成分探测传感器［19］。

本文使用OMI Level 3 Gridded dataset 全球臭氧总量格网产品OMTO3e，单位是DU(Dobson Unit)，空间分辨率达到0.25°×0.25°覆盖全球(89.5°S～89.5°N，179.5°W～179.5°E，极夜区除外)，存储格式为HDF-EOS5，时间从2010 年1 月1 日至2016年12 月31 日。

1.2 数据处理

首先利用Matlab 中高级数据函数hdf5read()批量读取TOU 和OMI 反演的臭氧总量数据，具体方法如下：

式中data 是FY-3B 和Aura-OMI 卫星反演全球臭氧总量产品HDF 数据集的所有数据，hinfo 是HDF 中数据集结构。通过Matlab 封装的高级函数对HDF 文件读取的优势在于Matlab 使用起来简单易学，运用广泛；函数集成高，简单几个函数命令就可提取数据，避免大量的编程工作。

由于OMI 与TOU 臭氧总量数据空间格点分布不同，TOU 臭氧总量的空间分布为0.5°×0.5°等经纬度格点数据，OMI 为0.25°×0.25°等经纬度格点数据，OMI 与TOU 臭氧数据的原始空间格点分布如下图1 所示，为便于对TOU 臭氧总量数据的比对分析，需将OMI 臭氧总量数据的原始格点分布转换为TOU 臭氧总量数据格点分布。

图1 FY－3B 与Aura－OMI 经纬度格点示意图

基于上图1 经纬度格点分布规律，采用空间就近平均值插值法将OMI 格点数据按照TOU 格点分布进行格点化处理，即在TOU 格点附近取OMI 四个格点测值的算术平均值作为OMI 对应TOU 网格格点测值，并与TOU 测值进行比较，例如：TOU 某网格格点(lat_i，lon_j)的臭氧总量测值为Olat_i，lon_j，其附近OMI 四个网格格点臭氧总量测值分别为Olat_i＋0.125，lon_j＋0.125、Olat_i＋0.125，lon_j-0.125、Olat_i-0.125，lon_j＋0.125、Olat_i-0.125，lon_j-0.125，通过公式(2)计算得到OMI 对应TOU 格点的臭氧总量 值Plat_i，lon_j。

式 中Plat_i，lon_j表示OMI 对应TOU 网格格点(lat_i，lon_j)的臭氧总量值。

1.3 数据分析

通过计算TOU 与OMI 在全球所有网格点测值的相对偏差(Relative Difference：RD)来表征TOU 的测量精度水平，进而分析TOU 反演臭氧总量产品在全球不同区域的时空分布特征。

相对偏差RD 的计算公式如下：

式中OUi表示FY-3B 卫星臭氧总量值，OMIi表示Aura-OMI 卫星臭氧总量产品OMTO3e 值。

考虑到卫星反演的大气臭氧总量在不同纬度和时间的变化情况，本文TOU 的验证分析通过将纬度分为5 个区域，即南极区域(63.5°S 以南)、南半球中纬度区域(63.5°S～23.5°S)、赤道区域(23.5°S～23.5°N)、北半球中纬度区域(23.5°N～63.5°N)、北极区域(63.5°N 以北)，对每一个纬度带所包含网格点的相对偏差进行平均计算。同时，将TOU 臭氧总量覆盖时间(2010 年11 月11 日至2016 年12 月31 日)按月对全球所有网格点的相对偏差进行平均计算。

卫星观测臭氧总量反演过程中需考虑大气臭氧总量值本身、太阳天顶角(Solar Zenith Angle，SZA)等因素，为进一步分析TOU 臭氧总量RD 值对上述因素变化的敏感性，本文通过分析TOU 臭氧总量RD 随参考卫星臭氧总量、太阳天顶角(Solar Zenith Angle，SZA)的变化特点，以此来检验TOU 臭氧总量的准确性和稳定性［20］。

2 结果与分析

2.1 TOU 臭氧总量RD 的全球空间分布特征

首先看全球不同区域TOU 臭氧总量RD 的总体分布特征，图2 分别将TOU 与OMTO3e 在全球360×720 个网格点上的相对偏差值利用色标图形式填充到世界图上，最终直观展现出TOU 与OMI 臭氧总量RD 全球空间分布特征。

图2 TOU 与OMTO3e 臭氧总量RD 空间分布图

从图2 可看出，RD 在全球各纬度区域的分布大部分区域均大于零，可知全球大部分区域的TOU 测值均大于OMTO3e。其中赤道区域大部分RD 分布在2%～4%之间，小部分在0～2%之间，南北半球中纬度区域几乎都集中在2%～4%之间，北极和南极地区扩大到4%～6%和8%～10%之间，故从赤道到两极地的RD 分布是随纬度升高而增大。产生此种现象，主要是由于赤道地区的大气运动的上升气流将臭氧从低纬度带到高纬度区域，两极地区极昼期间臭氧含量较低，卫星辐射定标的误差对反演结果影响较大，从而导致两极地区域特别是在南极上空相对偏差RD 较大［21］。

2.2 TOU 臭氧总量RD 的季节变化特征

为验证TOU 臭氧总量RD 值的季节变化特征，对全球不同区域RD 值的月平均值做了对比分析，图3 给出了TOU 与OMTO3e 在全球及5 个纬度区域的月平均RD 比较结果。结果显示，TOU 与OMTO3E 在全球区域RD 值波动在2.1%～6.7%之间，变化幅度较小，赤道区域RD 值在0～4%，南北半球区域RD 值分别在0.1%～5.6%和1.5%～5.9%，而南北极区域RD 扩到到5%～19.9%和2.3%～18.7%，明显看出，随着纬度的上升，RD 出现较大幅度的增长趋势。

图3 TOU 与OMTO3e 臭氧总量月平均RD 季节分布图

由图3 还可看出，全球所有区域的RD 均为非负值，说明在全球各纬度TOU 的测值均大于OMTO3e。其次，除南北极地区域外，TOU 臭氧总量RD 均呈现出明显的季节变化特征，尤其南半球中纬度区域的季节变化较其他区域更加显著。赤道区域波谷出现在1—2 月，类似于北半球中纬度区域的变化趋势，且变化幅度较为平稳，在南半球中纬度区域，波谷值出现在6—7 月，冬春季节RD 较大，夏秋季较小，北半球中纬度区域，波谷出现在2—3 月，冬春季RD 较小，夏秋季RD 较大，南北半球出现相位相反的变化规律。这与南北半球地形差异有关，南半球以海洋为主，而北半球以陆地覆盖为主，下垫面地形差异导致大气环流引起南北半球RD 值变化差异。

南、北极区因极夜无法观测而导致数据的连续性出现规律性断点，南极出现在6—7 月，北极出现在12—1 月，由于南北极区在极夜期间臭氧含量较少，卫星辐射定标的误差对反演结果影响较大，甚至导致极区缺测，且昼夜交替时长随纬度升高而加长［21］。

2.3 影响TOU 臭氧总量RD 的可能因素

为验证TOU 臭氧总量RD 值对参考卫星臭氧总量和太阳天顶角SZA 因素变化的敏感性，针对全球5 个不同区域的RD 值对上述因素变化的敏感性进行逐一分析。图4 给出全球及5 个纬度区域TOU臭氧总量RD 值随OMTO3e 臭氧总量变化结果。

图4 TOU 与OMTO3e 臭氧总量RD 与参考卫星臭氧总量关系图

从图4 可看出，在全球不同区域TOU 臭氧总量RD 均对OMTO3e 卫星臭氧总量产品呈现出一定区域特征。结果显示，赤道区域RD 值随卫星臭氧总量的变化波动较小，基本稳定在0.1%～2.9%之间。除赤道区域以外，仅卫星臭氧总量在一定范围值内变化时，TOU 臭氧总量RD 才出现相对稳定的波动。全球、南半球、北半球区域RD 值均在卫星臭氧总量230～500DU 之间相对平稳，全球区域RD 值在2.7%～4.4%，南半球区域RD 值在1.9%～3.4%，北半球区域RD 值在1.9%～3.6%之间，而低于230DU 和高于500DU 区域则出现明显拐点变化趋势，南极区域当在200～460DU 范围内时，RD 值波动于7.3%～8.5%，低于200DU 的“臭氧空洞”时，RD 值变化幅度明显增大，北极在230～500DU 可达到7.3%～11.4%，由此可见，TOU 臭氧总量RD 在不同区域对卫星臭氧总量值均出现了一定程度的依赖性。

在理想状态下，TOU 相对差别的变化随着太阳天顶角的变化不应有明显的变化趋势［22］。从图5 可看出，赤道区域基本符合这种情况，这是由于热带赤道区域的纬度低，卫星过境期间的太阳天顶角比较小的缘故，便会减小卫星测值对SZA 的依赖性。在南北极区域，太阳天顶角SZA 在45°～65°期间，TOU臭氧总量RD 随SZA 增大均呈正的下降趋势，RD值分别波动在11.3%～8.4%和9.8%～4.5%，在70°～80°之间均呈现小幅度回升趋势，总体上南极区域的RD 值明显高于北极区域。在全球、和南北半球区域，随着SZA 太阳天顶角增大，TOU 臭氧总量RD 值均呈现缓慢的上升趋势，但全球区域的上升幅度相对较大，约为9%左右。不过从总体上来看，TOU 臭氧总量误差受SZA 变化情况并不明显。

图5 TOU 与OMTO3e 臭氧总量RD 与太阳天顶角(SZA)关系图

3 结论

(1)FY3B TOU 与OMTO3e 在全球各纬度区域的RD 大部分均大于零，可知全球大部分区域的TOU 测值均大于OMTO3e。其中赤道区域RD 大部分在2%～4%，小部分在0%～2%，南北半球中纬度区域几乎集中在2%～4%，北极地区大部在4%～6%，南极地区扩大到8%～10%。由此可见，从赤道到两极的RD 随纬度升高而不断增大。

(2)FY3B TOU 与OMTO3e 在全球区域RD 月平均值在2.1%～6.7%之间，变化幅度较小，赤道RD值在0～4%，南北半球RD 值分布在0.1%～5.6%和1.5%～5.9%，而南北极RD 扩大到5%～19.9%和2.3%～18.7%，随着纬度的上升，RD 出现较大幅度的增长。除南北极地区域外，TOU 臭氧总量RD 均呈现出明显的季节变化特征，尤其南半球中纬度区域的季节变化较其他区域更加显著。

(3)FY3B TOU 与OMTO3e 在赤道区域RD 值随卫星臭氧总量的变化波动较小，基本稳定在0.1%～2.9%之间。除赤道区域以外，仅卫星臭氧总量在230～500DU 之间，TOU 臭氧总量RD 才出现相对稳定的波动。全球及南北半球区域RD 值在低于230DU 和高于500DU 时均出现明显拐点变化，低于230DU 时，RD 随卫星臭氧总量值的增大而降低，大于500DU 时，RD 则随臭氧总量值由正往负下滑。故TOU 臭氧总量RD 在不同区域对卫星臭氧总量值均出现了一定程度的依赖性。

(4)在全球、赤道、南北半球区域，随着SZA 太阳天顶角增大，TOU 臭氧总量RD 值均呈现缓慢的上升趋势，在南北极区域SZA 在45°～65°期间，TOU臭氧总量RD 随SZA 增大均呈正的下降趋势，在70°～80°之间均呈现小幅度回升趋势。从总体上来看，TOU 臭氧总量RD 值误差受SZA 变化情况并不明显。