一種基于OMI數(shù)據(jù)的中國區(qū)域?qū)α鲗覱3的反演方法

徐軍 盧毅敏

0 引言

臭氧(O3)是大氣中的一種痕量氣體,約占大氣總量的十萬分之一[1]．平流層臭氧是地球的“保護傘”,能夠使人類免受紫外線的干擾,在大氣環(huán)境變化中發(fā)揮著重要的作用[2-3]．與平流層臭氧相比,高濃度的對流層臭氧嚴(yán)重影響著動植物的生長和人們的身體健康,會引發(fā)人們的呼吸性系統(tǒng)疾病,尤其對嬰幼兒健康的損害更為嚴(yán)重[4-6]．對流層臭氧還是一種重要的溫室氣體,其增溫效果僅次于CO2和SO2[7]．近年來,隨著國家在PM2.5治理上的投入,PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低,空氣質(zhì)量逐漸改善,但臭氧已逐漸代替PM2.5成為我國大部分地區(qū)的首要污染物[8-9]．因此,為了能夠精確地評估對流層臭氧變化對人類身體健康、動植物生存的危害，以及對氣候變化等問題產(chǎn)生的影響,需要一套精度較高、時間序列較長的臭氧數(shù)據(jù)來建模與分析,而現(xiàn)有的對流層臭氧產(chǎn)品無法滿足較高時空分辨率的監(jiān)測要求．

相對于地面站點數(shù)據(jù),衛(wèi)星能夠獲取到高空間分辨率、高精度的全球的臭氧數(shù)據(jù)．從20世紀(jì)70年代開始,美國就通過臭氧總量繪圖光譜儀(Total Ozone Mapping Spectrometer,TOMS)獲取全球尺度上的臭氧時空變化信息[10]．隨著空間遙感技術(shù)的不斷進步,一系列新型環(huán)境遙感衛(wèi)星的應(yīng)用也越來越廣泛．由于臭氧監(jiān)測儀(Ozone Monitoring Instrument,OMI)具有更高的空間分辨率,1 d能夠獲取覆蓋全球的數(shù)據(jù),且具有較長的時間序列,因此得到了廣泛的使用．但OMI數(shù)據(jù)自2006年末開始就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象,且隨著時間的推移,缺失內(nèi)容越來越多,嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量,因此需要對數(shù)據(jù)進行修復(fù)[11]．目前,針對臭氧數(shù)據(jù)修復(fù)的研究方法較少,常見的數(shù)據(jù)修復(fù)方法就是空間插補法,如:樣條函數(shù)法[12]、反距離加權(quán)法[13]、克里金插值法[14]、貝葉斯插值法[15-16]等．此外也有學(xué)者利用多元線性回歸[17]、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18]、生成對抗網(wǎng)絡(luò)[19-20]等進行多元數(shù)據(jù)的融合,從而實現(xiàn)對遙感數(shù)據(jù)的修復(fù)．基于OMI數(shù)據(jù)的特性,在短時間、小范圍內(nèi)的臭氧變化波動較小,因此本文根據(jù)時空擬合的方法實現(xiàn)對缺失數(shù)據(jù)的修復(fù)[21-22]．

對流層臭氧的反演方法有對流層云切片法[23]、衛(wèi)星觀測角差異法[24]、直接反演法(最優(yōu)估計算法)[25]．衛(wèi)星觀測角差異法不能到達(dá)中國區(qū)域的對流層頂部,無法準(zhǔn)確地獲得平流層部分的臭氧,直接反演法結(jié)果會偏高,而云反演法一般適用于熱帶,由于云的物理和微物理特性隨季節(jié)變化,不能將衛(wèi)星云產(chǎn)品用于中國區(qū)域?qū)α鲗映粞鯘舛鹊姆囱荩疄榇?本文選擇對流層臭氧殘差法實現(xiàn)對流層臭氧總量的提取,從而獲取具有更高精度的對流層臭氧數(shù)據(jù),為對流層臭氧污染的評估與防治提供重要的數(shù)據(jù)．

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

1.1.1 OMI臭氧數(shù)據(jù)

臭氧監(jiān)測儀(OMI)傳感器是NASA于2004年發(fā)射的Aura衛(wèi)星上搭載的傳感器,主要用于監(jiān)測痕量氣體的變化,其空間分辨率為13 km×24 km,時間分辨率為1 d,可以提供每日的全球范圍的臭氧觀測結(jié)果．OMI可以觀測臭氧柱總量和廓線數(shù)據(jù)、氣溶膠、云量等,以及NO2、SO2等痕量氣體．OMI產(chǎn)品共有Level1B、Level2、Level2G、Level3四種等級的產(chǎn)品,本文選擇基本OMI-TOMS V8算法的Level3產(chǎn)品OMTO3e,它是空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1 d的臭氧總量產(chǎn)品．為了避免云量數(shù)據(jù)的干擾,本文剔除了云量大于0.3的數(shù)據(jù)格點．

圖1 MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)與OMI臭氧廓線數(shù)據(jù)的比較(2019-01-01)Fig.1 MLS ozone profile (a) and OMI ozone profile (b) on Jan.1st,2019

1.1.2 MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)

微波臨邊探測儀(Microwave Limb Sounder,MLS)是搭載在Aura衛(wèi)星上的臨邊觀測儀,用于提供溫度和O3、NO2、CO等痕量氣體的廓線數(shù)據(jù)．該數(shù)據(jù)的垂直分辨率約為3 km,水平分辨率約為165 km×3 km,從地面(1 000 hPa)開始將數(shù)據(jù)分為55層,每層代表不同的氣壓值．雖然OMI也提供了臭氧廓線數(shù)據(jù),其從地面1 013～0.3 hPa將大氣層分為18層,因此MLS數(shù)據(jù)相較于OMI臭氧廓線數(shù)據(jù)具有更高的垂直分辨率(圖1),其中MLS臭氧廓線(圖1a)為體積混合比的形式,它定義為某一氣體組分占整體空氣體積的分?jǐn)?shù);OMI臭氧廓線(圖1b)用多布森(Dobson)單位表示,它表示在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下10-3cm臭氧層的厚度,單位為DU．

Froidevaux等[26]最早對MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)的精度進行驗證發(fā)現(xiàn),MLS數(shù)據(jù)在平流層各個壓強范圍內(nèi)的誤差在1%左右,而對流層的誤差則大于20%,因此本文所使用的數(shù)據(jù)主要是平流層范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)．

1.1.3 對流層頂高度數(shù)據(jù)

對流層頂?shù)母叨葦?shù)據(jù)主要選用美國國家環(huán)境預(yù)報中心和美國國家大氣研究中心的NCEP/NCAR對流層頂高度再分析資料的每日數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)的空間分辨率為2.5°×2.5°,時間分辨率為1 d,下載自http:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.tropopause.html．

1.1.4 OMI/MLS對流層臭氧數(shù)據(jù)

OMI/MLS對流層臭氧數(shù)據(jù)是根據(jù)TOR(Tropospheric Ozone Residue)方法反演得到的對流層臭氧月平均數(shù)據(jù)集(https:∥acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/cloud_slice/new_data.html),該數(shù)據(jù)的空間分辨率為1.25°×1°,覆蓋了60°S～60°N之間的全球?qū)α鲗映粞鯏?shù)據(jù),且該數(shù)據(jù)與地基數(shù)據(jù)相比具有較好的一致性．

1.2 研究方法

1.2.1 時空加權(quán)法

由于OMI臭氧數(shù)據(jù)可以獲取每日的臭氧柱總量數(shù)據(jù),且在短時間、小范圍內(nèi),臭氧總量的變化只有輕微的波動,因此可用時空擬合的方法來對臭氧總量進行修復(fù)．時空擬合的核心思想就是利用該時刻相鄰兩個時刻的數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)(圖2),圖2中t±1時刻表示與t時刻相鄰兩個時相的數(shù)據(jù),白底表示數(shù)據(jù)缺失,灰底表示數(shù)據(jù)有效,t時刻的紅色三角形表示待修復(fù)像元,藍(lán)色的三角形為參考像元,且t中的缺失區(qū)域能完全被t-1和t+1兩個時刻的有效值覆蓋．通過與目標(biāo)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的回歸關(guān)系對缺失值進行預(yù)測,然后依據(jù)兩個參考像元對目標(biāo)數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)程度進行加權(quán)求和,最終得到目標(biāo)數(shù)據(jù)的擬合值．將目標(biāo)數(shù)據(jù)的位置作為中心點,通過多組實驗對比之后,確定一個以目標(biāo)數(shù)據(jù)為中心點21×21的矩陣,并將這個矩陣?yán)锩娴臄?shù)據(jù)確定參考像元的個數(shù)N,若N>11,則將這些數(shù)據(jù)建立回歸關(guān)系對目標(biāo)數(shù)據(jù)進行擬合,否則將該目標(biāo)數(shù)據(jù)判斷為離群點(具體流程如圖3所示)．若矩陣過大,則與目標(biāo)像元的空間差異會增大，若矩陣過小,則參與修復(fù)的像元數(shù)達(dá)不到要求,這都將影響到數(shù)據(jù)修復(fù)的精度．

圖2 參考像元的選取Fig.2 Reference pixel selection

I′t±1(x,y)=at±1×It±1(x,y)+bt±1,

(1)

其中:t表示待修復(fù)數(shù)據(jù)獲取時間；t±1表示目標(biāo)數(shù)據(jù)的參考數(shù)據(jù)；It±1(x,y)表示參考數(shù)據(jù)位于目標(biāo)位置的臭氧柱總量;I′t±1(x,y)表示根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)建立回歸關(guān)系得到的擬合值;(x,y)表示目標(biāo)像元所在的位置;a,b均是通過最小二乘法擬合所得到的值.

由于兩個參考數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)所用的參考像元并不相同，即兩個參考數(shù)據(jù)對目標(biāo)像元有著不同的貢獻(xiàn)度，因此目標(biāo)像元的擬合值可以表示為

(2)

其中，ω1,ω2由地理加權(quán)回歸獲得:

(3)

圖3 時空加權(quán)法流程Fig.3 Flow chart of spatial-temporal weighted fitting method

通過上述方法大致能修復(fù)90%左右數(shù)據(jù),其余的缺失數(shù)據(jù)則可用t-1或t+1時刻該位置具有有效值的數(shù)據(jù)建立一組回歸關(guān)系的擬合值代替目標(biāo)像元的擬合值．

1.2.2 對流層臭氧殘差法

對流層臭氧殘差法的實質(zhì)就是利用臭氧柱總量數(shù)據(jù)減去平流層臭氧數(shù)據(jù),從而得到對流層臭氧總量數(shù)據(jù)．本文先根據(jù)NCEP/NCAR對流層頂高度數(shù)據(jù)和MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)進行空間匹配,將臭氧廓線數(shù)據(jù)所在的經(jīng)緯度與NCEP/NCAR對流層頂高度數(shù)據(jù)所在的格網(wǎng)進行匹配,從而得到該位置的對流層頂高度數(shù)據(jù),再計算平流層臭氧柱總量(Stratosphere Column Ozone,SCO,其量值記為ηSCO),且由于MLS數(shù)據(jù)是臭氧體積比的形式,因此需要先將MLS數(shù)據(jù)與對流層臭氧數(shù)據(jù)統(tǒng)一為Dobson(DU)單位,因此其計算公式[27]可以表示為

(4)

其中，Vx為臭氧體積比的形式，P1為對流層頂?shù)臍鈮海?.215為平流層頂?shù)臍鈮褐?，單位為hPa，n為對流層頂?shù)狡搅鲗禹敋鈮簬У臈l數(shù)，ΔP表示為兩個相鄰高度氣壓之差.之后統(tǒng)一SCO和臭氧柱總量(Column Ozone,CO,其量值記為ηCO)數(shù)據(jù)的空間尺度,將平流層的臭氧柱總量數(shù)據(jù)利用反距離加權(quán)法插值成與OMI臭氧柱總量對應(yīng)的0.25°×0.25°的格網(wǎng)數(shù)據(jù),再利用對流層臭氧殘差法得到對流層臭氧柱總量(Troposphere Column Ozone,TCO,其量值記為ηTCO),具體流程如圖4所示．

ηTCO=ηCO-ηSCO.

(5)

圖4 對流層臭氧殘差法Fig.4 Flow chart of tropospheric ozone residual method

2 中國區(qū)域?qū)α鲗映粞醯姆囱?/h2>

2.1 臭氧柱總量的修復(fù)試驗

圖5 2010年12月23日原始數(shù)據(jù)(缺失掩膜)Fig.5 Raw O3 data on Dec.23rd,2010 (missing mask)

本文所選擇的研究區(qū)是根據(jù)中國區(qū)域經(jīng)緯度范圍所裁剪出的矩形區(qū)域(73.0°～ 135.5°E,3°～ 53.75°N),為了保證試驗結(jié)果的可靠性,分別選取了2005年1月、4月、7月、10月的數(shù)據(jù)進行了4組試驗進行精度比較．按照2010年12月23日(圖5)的缺失掩膜進行修復(fù),即利用該區(qū)域的缺失值來代替2005年4 d的缺失數(shù)據(jù)．其中,缺失數(shù)據(jù)的柵格點的個數(shù)為15 761個,缺失的經(jīng)度范圍最大達(dá)到了10°．

定量評價可以很好地評判數(shù)據(jù)的修復(fù)結(jié)果,表1所示的是對4組模擬試驗利用反距離加權(quán)法、克里金插值法、時空加權(quán)法3種不同數(shù)據(jù)修復(fù)方法的均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)的評價結(jié)果．反距離加權(quán)法和克里金插值法的評價結(jié)果具有一定的相似性,2種修復(fù)方法的RMSE和MAE的差距較?。畷r空加權(quán)法相較于前2種方法的RMSE和MAE均較小,說明其具有更好的修復(fù)效果．因此,說明時空擬合法具有更好的穩(wěn)定性,修復(fù)數(shù)據(jù)的誤差更?。?/p>

表1 2005年4組模擬數(shù)據(jù)修復(fù)方法的評價指標(biāo)

圖6—7、8—9、10—11、12—13所示的分別是對OMI臭氧柱總量數(shù)據(jù)修復(fù)結(jié)果和與之對應(yīng)的3種不同修復(fù)方法與原始數(shù)據(jù)對比的散點圖．通過2005年這4 d(圖6—13)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)中國區(qū)域的臭氧柱總量在200～460 DU之間,且高值區(qū)域集中于我國的東北部地區(qū)．同樣,該數(shù)據(jù)也說明了臭氧柱總量在冬季、春季較高,而夏季、秋季較低的情況．隨著緯度的上升,臭氧柱總量也在逐漸上升,而西部的青藏高原地區(qū)由于海拔較高,相較于同緯度的中東部地區(qū),其臭氧總量相對較少．1月、4月的臭氧柱總量相對于7月、10月的臭氧柱總量在我國中南部地區(qū)差異較小,而在我國東三省1月和4月的臭氧柱總量明顯高于7月和10月．

圖6 2005年1月不同修復(fù)方法對比 a.原始數(shù)據(jù);b.反距離加權(quán)法;c.克里金插值法;d.時空擬合法Fig.6 Performance comparison between different repair methods for data of January 2005 a.original data;b.inverse distance weighted interpolation;c.Kriging interpolation; d.the proposed spatial-temporal weighted fitting approach

圖7 2005年1月不同修復(fù)方法散點圖Fig.7 Scatter diagram of original data and repaired data for January 2005

圖6a—d展示了2005年1月2日原始數(shù)據(jù),以及通過掩膜裁剪后的利用反距離加權(quán)法、克里金插值法、時空加權(quán)法3種不同方法的修復(fù)結(jié)果．圖6b和c分別是反距離加權(quán)和克里金插值的修復(fù)結(jié)果,可以看出,利用自身的空間相關(guān)性對臭氧總量數(shù)據(jù)進行修復(fù)在空間上出現(xiàn)了明顯的不連續(xù)性,且對缺失區(qū)域的數(shù)據(jù)做了一定程度平滑處理．圖6d是通過時空加權(quán)的方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)修復(fù)的,其修復(fù)結(jié)果相對于上述2種修復(fù)方法具有明顯的優(yōu)勢,且修復(fù)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)(圖6a)基本一致,也沒有出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象．圖7是3種不同修復(fù)方法對缺失區(qū)域的修復(fù)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的比較,反距離加權(quán)法相較于時空加權(quán)法和克里金插值法更為分散,說明其與真實值的偏離程度較大．因此,從定性和定量的角度考量,時空加權(quán)法相較于反距離加權(quán)法和克里金插值法具有更高的精度,修復(fù)效果最好．

圖8 2005年4月不同修復(fù)方法對比 a.分別代表原始數(shù)據(jù);b.反距離加權(quán)法;c.克里金插值法;d.時空擬合法Fig.8 Performance comparison between different repair methods for data of April 2005 a.original data;b.inverse distance weighted interpolation;c.Kriging interpolation; d.the proposed spatial-temporal weighted fitting approach

圖9 2005年4月不同修復(fù)方法散點圖Fig.9 Scatter diagram of original data and repaired data for April 2005

圖10 2005年7月不同修復(fù)方法對比 a.分別代表原始數(shù)據(jù);b.反距離加權(quán)法;c.克里金插值法;d.時空擬合法Fig.10 Performance comparison between different repair methods for data of July 2005 a.original data;b.inverse distance weighted interpolation;c.Kriging interpolation; d.the proposed spatial-temporal weighted fitting approach

圖11 2005年7月不同修復(fù)方法散點圖Fig.11 Scatter diagram of original data and repaired data for July 2005

圖9、11、13分別是以2005年4月2日、7月2日、10月2日的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù),利用2010年12月23日的缺失區(qū)域作為掩膜的修復(fù)結(jié)果．通過圖8—13可以發(fā)現(xiàn),4月2日的修復(fù)結(jié)果除我國東北區(qū)域外未出現(xiàn)明顯的空間不連續(xù)現(xiàn)象,而7月2日和10月2日的修復(fù)結(jié)果表明無論是反距離加權(quán)法還是克里金插值法在缺失的數(shù)據(jù)帶上均存在明顯的空間不連續(xù)現(xiàn)象,而時空加權(quán)法均能夠保證數(shù)據(jù)在空間上的連續(xù)性,而且與原始數(shù)據(jù)具有相同的時空變化特征．通過散點圖的修復(fù)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn),除4月時空擬合法相較于反距離加權(quán)法的數(shù)據(jù)較為分散以外,其余相較于反距離加權(quán)法和克里金插值法的離散程度更低,即與原始數(shù)據(jù)的偏差較?。m然4月和7月的數(shù)據(jù)離散程度相對較大,但其與克里金插值相比離群點的個數(shù)較少,且偏差相對較小,說明了時空加權(quán)法相對于其余兩種修復(fù)方法具有更好的效果．

圖12 2005年10月不同修復(fù)方法對比 a.原始數(shù)據(jù);b.反距離加權(quán)法;c.克里金插值法;d.時空擬合法Fig.12 Performance comparison between different repair methods for data of October 2005 a.original data;b.inverse distance weighted interpolation;c.Kriging interpolation; d.the proposed spatial-temporal weighted fitting approach

圖13 2005年10月不同修復(fù)方法散點圖Fig.13 Scatter diagram of original data and repaired data for October 2005

通過以上4組對比試驗可以發(fā)現(xiàn):從定性的角度考慮,時空加權(quán)法保持了數(shù)據(jù)在空間上的連續(xù)性,且與原始數(shù)據(jù)的偏離程度較小;從定量的角度考慮,無論是RMSE還是MAE的評價結(jié)果顯示,時空加權(quán)法從時空變化的角度去考慮數(shù)據(jù)的修復(fù),相較于反距離加權(quán)法和克里金插值法考慮到空間的因素的誤差均較小,說明時空加權(quán)法對于OMI臭氧柱總量的修復(fù)效果較好．

圖14為根據(jù)時空加權(quán)法對2019年臭氧柱總量修復(fù)的結(jié)果．總體上呈現(xiàn)出高緯度地區(qū)的臭氧柱總量高,低緯度地區(qū)少,西部地區(qū)相對于東部地區(qū)而言的臭氧柱總量較低．全年的臭氧柱總量位于220～400 DU之間,夏季最大值較低,而在中國區(qū)域內(nèi)整體處于一個高值狀態(tài);冬季,我國南方地區(qū)的臭氧柱總量整體處于一個低值狀態(tài),北方的臭氧柱總量普遍偏高．

圖14 2019年中國區(qū)域各月臭氧柱總量Fig.14 Monthly ozone column over China in 2019

2.2 對流層臭氧濃度的反演

圖15為根據(jù)對流層臭氧殘差法反演的2019年中國區(qū)域?qū)α鲗映粞醯脑码H變化空間分布,可以看出除冬季(1、2、12月)以外,其余月份青藏高原地區(qū)的對流層臭氧相對于我國其他地方而言處于一個明顯的低值區(qū)域,這主要是因為青藏高原地區(qū)的海拔較高,對流層的高度較低,因此其對流層臭氧柱量處于一個低值范圍內(nèi)．

圖15 2019年對流層臭氧的月平均分布Fig.15 Monthly average distribution of tropospheric ozone in 2019

由圖15可見,我國各地區(qū)的對流層臭氧柱總量差距較大,最高值與最低值相差100 DU左右,且總體上我國東部地區(qū)的對流層臭氧柱量低于中部地區(qū)和北部地區(qū),這主要是受到地形因素的影響所致．由于氣象條件和動力作用的影響,使我國北方地區(qū)的對流層臭氧柱總量常年處于較高水平;另一方面,南方經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)主要為沿海城市,所產(chǎn)生的污染物能快速地被來自海上的大量的清潔空氣所稀釋．因此,同為經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)的長三角和珠三角地區(qū)的對流層臭氧柱量明顯低于京津冀地區(qū)．由圖15可以看出,青藏高原范圍內(nèi)的臭氧柱總量處于一個明顯的低值區(qū)域,這主要是由于青藏高原地區(qū)海拔較高,大部分地區(qū)的海拔高度都在4 000 m以上,臭氧柱總量的范圍較窄;另一個原因是因為大氣對流層與平流層之間的物質(zhì)輸送,稀釋了對流層臭氧的含量,從而導(dǎo)致對流層臭氧柱總量的下降．

從臭氧的時間變化角度來說,夏季的臭氧柱總量較高,春秋季次之,冬季的對流層臭氧處于一個低值范圍．這主要是因為夏季的溫度高,加速了臭氧前體物的光化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的光化學(xué)污染．而東部沿海地區(qū)的臭氧柱總量低于中部地區(qū),這主要是夏季風(fēng)帶來海上潔凈的空氣稀釋了臭氧所致．

2.3 與OMI/MLS官方對流層臭氧產(chǎn)品的對比

將反演出的0.25°×0.25°對流層臭氧產(chǎn)品按照1°×1.25°的格網(wǎng)進行劃分,從而求取每個格網(wǎng)的均值,再將其與OMI/MLS的對流層臭氧產(chǎn)品格網(wǎng)進行一一匹配,將擬合的結(jié)果與OMI/MLS官方臭氧產(chǎn)品進行對比(表2),其相關(guān)系數(shù)R基本在0.6以上,最高值達(dá)到了0.82,說明了對流層臭氧殘差法擬合的結(jié)果與OMI/MLS的官方臭氧產(chǎn)品有著較高圖16的相似性,反演的效果較好．

表2 2019年各月對流層臭氧殘差法與 OMI/MLS官方產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)

為中國區(qū)域2019年夏季的OMI/MLS官方臭氧產(chǎn)品對流層臭氧的時空變化,可以看出,通過對流層臭氧殘差法擬合的結(jié)果與OMI/MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)的時空分布結(jié)果大概一致,但OMI/MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)的官方產(chǎn)品空間分辨率較低,只針對月平均數(shù)據(jù)進行了反演,部分區(qū)域的反演結(jié)果存在著一定的數(shù)據(jù)缺失等問題．并且,OMI/MLS官方產(chǎn)品選用的是OMIO3PR數(shù)據(jù)進行反演,該廓線數(shù)據(jù)雖然與OMI數(shù)據(jù)屬于同一種衛(wèi)星產(chǎn)品,但其垂直分辨率較低,誤差較大,從而導(dǎo)致反演的結(jié)果也存在著較大的誤差．除此以外,OMI/MLS官方臭氧產(chǎn)品覆蓋范圍為60S°～60°N之間,而MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)可以覆蓋除南北極以外的所有區(qū)域．因此,首先利用時空擬合法對臭氧總量數(shù)據(jù)進行修復(fù)從而提高臭氧總量數(shù)據(jù)的精度,再將修復(fù)完整的OMIO3e臭氧數(shù)據(jù)和MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)相結(jié)合,根據(jù)對流層臭氧殘差法得到對流層臭氧數(shù)據(jù)集在一定程度上彌補了OMI/MLS官方臭氧產(chǎn)品在空間分辨率以及數(shù)據(jù)缺失等方面的缺陷,且可以及時監(jiān)測對流層臭氧的日變化．

圖16 2019年夏季(6月、7月、8月)OMI/MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)Fig.16 OMI/MLS ozone profile data in June (left),July (middle),and August (right) of 2019

3 結(jié)論與展望

運用時空擬合的方法對OMI缺失數(shù)據(jù)進行修復(fù),并與反距離加權(quán)法、克里金等插值方法從定性和定量的角度進行對比分析,再根據(jù)對流層臭氧殘差法反演中國區(qū)域的對流層臭氧柱量,得到的結(jié)論主要有:

1)對于不同日期的對比試驗,時空擬合法相對于克里金和反距離加權(quán)的修復(fù)方法從定量的角度其RMSE和MAE均較小,從定性的角度也更為平滑,沒有了條帶性的差異．

2)運用對流層臭氧殘差法構(gòu)建的對流層臭氧估算模型相對于其他的對流層臭氧的反演方法具有一定的優(yōu)勢,且比較適合中國區(qū)域的反演,其反演的結(jié)果與OMI/MLS臭氧廓線數(shù)據(jù)有著較高的相關(guān)性．由于夏季的溫度較高,光化學(xué)反應(yīng)加劇了臭氧前體物的轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致夏季的對流層臭氧濃度較高．

3)對流層臭氧殘差法反演的結(jié)果與OMI/MLS官方臭氧產(chǎn)品相比較為相近,其相關(guān)系數(shù)R均在0.6以上,最高可達(dá)0.82,說明反演的結(jié)果具有一定的代表性．

本文所選擇的時空擬合法以及對流層臭氧殘差法雖然在一定程度上能夠得到較為精確的信息,但隨著數(shù)據(jù)缺失條帶的增大,時空擬合法對臭氧總量數(shù)據(jù)的修復(fù)效果也越來越差．另外,MLS數(shù)據(jù)雖然具有更高的精度,但與OMI傳感器測量臭氧總量的原理不盡相同,因此還需對臭氧廓線數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的誤差校正,以此來進一步提高對流層臭氧濃度反演的精度．