FY-3气象卫星紫外臭氧总量探测仪辐亮度在轨定标与反演结果分析

FY-3气象卫星上搭载的紫外臭氧总量探测仪TOU是我国自主开发研制的首台用于全球臭氧总量定量测量的探测仪,自发射以来已成功在轨运行近两年.由于TOU发射前辐亮度定标存在偏差,为了得到高精度的产品,TOU必须进行在轨定标.本文介绍了基于辐射传输模式计算对TOU辐亮度进行在轨道定标的方法,定标过程中用于模拟辐亮度计算的臭氧总量由与TOU观测时刻相近的国外臭氧总量探测仪器MetOp/GOME-2提供.文章将在轨定标后TOU的反演结果与AURA/OMI以及地基的产品进行比较,结果表明,用辐射传输模式对TOU辐亮度进行在轨定标的方法是可行的,反演结果能够真实地反映臭氧的时空分布特性,在全球部分地基观测站所处的位置上对TOU,OMI以及地基的臭氧总量进行比较的结果表明,TOU与OMI的相对偏差均方根约为2.52%,TOU与地基以及OMI与地基观测结果之间的相对偏差均方根分别为4.45%和3.89%.

FY-3C/臭氧总量探测仪太阳辐照度偏差的修正

为了解决风云-3C/臭氧总量探测仪(FY-3C/TOU)太阳辐照度数据异常的问题,给出了一种求解TOU漫反射板坐标系安装偏差的算法,并利用调整后的安装参数对TOU太阳辐照度进行了修订。系统研究了该算法的基本原理及数值分析结果。该算法假设TOU在轨实际漫反射板坐标系与理想漫反射板坐标系之间的偏差可用未知转换矩阵刻画,根据太阳辐照度真值与TOU修订辐照度数据之间的关系建立了关于未知变量的方程。然后,基于最优目标问题求解出了转换矩阵的各未知参数;最后,将修订后的漫反射板坐标系参数代入TOU定位及定标处理流程,实现对FY-3C/TOU太阳辐照度偏差的订正,达到利用辐照度追踪仪器衰减系数的目的。数值分析结果表明偏差修订效果显著,TOU太阳辐照度的最大相对误差从35%降低为2%,相对误差波动范围从27.2%缩小为3.2%。

FY-3C卫星紫外臭氧总量探测仪的在轨替代定标

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标,导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后,结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据,探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区,用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度,比较观测值与模拟计算值,通过统计筛选晴空像元,估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理,反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明,基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候,可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。

FY-3星紫外臭氧总量探测仪(TOU)监测大气臭氧及吸收性气溶胶

FY-3卫星上搭载的紫外臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit,TOU)是我国首台自主研制的用于全球臭氧总量监测的仪器,自2008年5月至今已有3台仪器搭载在气象卫星(FY-3A/FY-3B/FY-3C)上成功发射并在轨运行。TOU利用紫外波段进行臭氧总量反演,以获得全球臭氧的分布及其变化。2013年,针对我国灰霾、沙尘等气溶胶污染事件频发的环境问题,TOU紫外探测数据被成功用于吸收性气溶胶指数(AAI)的反演,之后TOU被用于我国吸收性气溶胶污染事件的监测,为沙尘、灰霾等的预报提供监测数据。对TOU的数据和产品的质量和应用进行了介绍,包括L1B数据、臭氧总量产品及AAI指数。在此基础上,根据现有仪器的不足,对后续仪器的发展方向进行了阐述。

FY-3卫星紫外臭氧总量探测仪

"风云三号"气象卫星是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了我国自主开发研制的紫外臭氧总量探测仪TOU,它的主要任务是测量地球大气对太阳紫外辐射的后向散射,以反演地球大气臭氧总量的全球分布,为环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供重要参数.目前已完成了在轨测试,取得了圆满成功,即将交付国家卫星气象中心,进入工程业务化阶段.本文主要介绍TOU测量原理、仪器概况,分析了仪器的灵敏度特性,辐照度测量精度、漫反射板衰变和波长漂移情况以及产品可用性.结果表明,TOU反演的全球臭氧分布图与OMI的臭氧总量产品一致性很好,均方根偏差约为5%.这表明利用TOU观测数据和我国自主开发的反演技术,可获得满意的大气臭氧总量全球分布数据.

FY-3A气象卫星臭氧总量数据的质量控制方案及其在台风Tembin (2012)和Isaac (2012)中的应用

我国第二代极轨气象卫星"风云三号"A星(FY-3A)上搭载的紫外臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit,TOU)每天可以提供一次覆盖全球的臭氧总量观测。为了在数值预报中应用TOU的臭氧资料,从资料同化角度发展了一套质量控制方案。首先基于臭氧总量和平均位势涡度的高相关性建立了逐日动态更新的臭氧线性回归预报模型,然后使用双权重算法对臭氧资料进行质量控制。将该质量控制方案应用于台风Tembin(2012)和Isaac(2012)个例,试验结果说明该方案可以体现出臭氧总量和平均位势涡度之间相关关系的逐日变化,识别出的离群资料百分比随时间变化较稳定,可以保留原始资料的主体信息,并且显著降低了原始资料的标准差。同时,质量控制后的臭氧数据与统计拟合量更加一致,观测减拟合的概率密度函数分布形式也更接近高斯分布,有利于后续的资料同化。

风云三号气象卫星全球臭氧总量反演和真实性检验结果分析

利用我国第二代极轨气象卫星"风云三号"搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)发射后一年内获取的观测数据以及地基臭氧观测数据,对全球特别是受到广泛关注的南极地区和青藏高原地区进行了臭氧总量反演试验,反演结果与国外同类产品及地面观测结果进行了对比分析.定性的分析结果表明,"风云三号"紫外臭氧探测仪反演的全球臭氧总量分布与国际上发布的同类产品相比,真实地反映了臭氧随时间与空间的分布特征.在全球部分地基观测站所处的位置上对臭氧总量探测仪与OMI产品和地基观测数据进行了比较,结果表明,"风云三号"紫外臭氧探测仪臭氧总量反演结果和国外同类卫星产品相对均方根偏差约为3%,与地基观测结果相比相对均方根偏差约为4.2%,中低纬度地区均方根偏差小于高纬度地区,最大均方根偏差出现在南极臭氧洞之内,大多数情况小于5%,个别站点上超过5%但低于10%,均优于10%的产品设计指标.目前TOU已经完成了在轨测试和试运行进入业务运行阶段,向国内外用户提供实时臭氧总量产品.

大气臭氧总量与吸收性气溶胶指数的关系

吸收性气溶胶指数AAI(Absorbing Aerosol Index)是基于卫星观测的紫外后向散射辐射导出的参数,与大气中对紫外线有吸收作用的气溶胶(简称吸收性气溶胶)有关,能够定性反应吸收性气溶胶的存在与空间分布特征。由于臭氧在AAI反演波段对紫外线仍然存在弱吸收作用,因此AAI可能与大气臭氧总量有关,臭氧反演的误差也可能对AAI的反演精度造成影响。为了研究臭氧总量与AAI的关系,臭氧反演的精度对AAI反演的影响,利用辐射传输模型通过敏感性实验,来模拟吸收性气溶胶指数和臭氧总量之间的关系,臭氧反演误差对吸收气溶胶指数的反演的影响。采用沙漠气溶胶,不改变气溶胶的含量,通过改变中纬度夏季的臭氧总量来计算大气模型。对臭氧总量、气溶胶含量与AAI的内在关系,臭氧总量对AAI反演精度的影响进行了模拟,模拟结果表明,气溶胶指数与臭氧总量的改变存在正相关关系,而臭氧总量的反演误差对AAI指数的反演影响不大。基于风云三号气象卫星紫外臭氧总量探测仪(FY-3/TOU)的臭氧总量和吸收性气溶胶指数数据(2012年),分析了青藏高原地区7月份臭氧总量与吸收性气溶胶指数空间分布特征的关系,与模拟结果一致。

北极臭氧年际变化特征及其与极涡的关系

利用风云三号卫星搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)和国际同类卫星的臭氧总量数据对1979年—2011年北半球春季臭氧特征进行了分析,发现北极臭氧年际变化显著,它与平流层温度变化一致(相关系数为0.75)。北极臭氧损耗异常强弱年的月均和日变化特征有明显差异,春季北极臭氧损耗强年有明显的化学损耗过程(1997年和2011年),而弱年化学作用影响不明显(1999年和2010年)。损耗弱年的日变化型在不同年份特征不同,它的臭氧变化可能更多受天气过程的影响。综合分析北极涛动、极涡和平流层温度等大气环流背景场的变化,表明春季北极臭氧损耗强弱受大气环流变化影响。北极涛动指数正位相,极涡偏强偏冷,北极臭氧损耗异常偏高。北极涛动指数负位相,极涡偏弱偏暖,北极臭氧损耗异常偏低。

FY-3A/TOU与Metop-B/GOME-2在轨交叉定标检验分析

FY-3A气象卫星上搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)是我国首台自主研制的用于日常全球臭氧总量监测的仪器,自2008年5月发射至2015年3月已成功在轨运行近7年。前期研究表明FY-3A/TOU仪器辐射响应存在分段差异特征[辐射值大于和小于6.6μW/(cm2·nm·sr)的仪器响应明显不同],存在双线性响应问题。提出了基于欧洲Metop-B卫星上全球臭氧监测实验2(GOME-2)的探测数据开展紫外波段在轨交叉定标研究方法,进行FY-3A/TOU L1B数据的在轨交叉定标检验,用于仪器探测值在轨实时比较和校正。2013年2月—2015年2月两年定标结果表明,2013年8月以前的辐射值比对斜率均为1左右,表明TOU的探测值在2013年8月以前比较准确,随后TOU与GOME-2的比对斜率开始偏大,TOU探测值相对偏高,表明FY-3A/TOU仪器的探测响应发生变化。虽然比对斜率有变化,但两者的探测辐射值一直保持较好的线性相关性(R2>0.96),因此可以通过交叉定标对TOU后期的探测数据进行校正。