利用GOME-2卫星资料反演对流层臭氧的方法、验证及其应用

以现有算法为基础，建立适用于MetOp-A卫星GOME-2传感器的大气臭氧廓线反演算法。主要研究内容包括：验证并订正卫星观测的一级辐射数据（L1B）；改进正演模式中对大气偏振，云和气溶胶的处理方法，发展利用GOME-2观测的散射光偏振信息提高反演的对流层臭氧廓线的垂直分辨率和精度的技术；同时利用典型地区的臭氧探空观测资料、激光雷达观测臭氧廓线资料和地面臭氧观测资料对反演的臭氧廓线进行验证。在此基础上开展青藏高原背景地区和华北地区、长三角等人类活动影响地区对流层臭氧时空分布变化规律的研究。

为了改进对流层臭氧的反演精度。本文利用矢量辐射传输模式VLIDORT和微波临边臭氧数据模拟并验证了GOME-2紫外光谱和偏振数据。结果显示GOME-2数据存在依赖于波长和扫描位置的偏差以及存在随纬度和季节变化未校正的杂散光的影响。研究表明GOME-2 观测的反射比从2007到2009年存在随扫描角度和波长变化的持续衰减。本研究获得了订正卫星观测光谱的关键书籍。在光谱订正和辐射订正的基础上利用GOME-2数据反演了大气臭氧廓线和对流层臭氧总量。反演廓线的水平分辨率为640 km×40 km；垂直分辨率为7-13 km；信号自由度（DFS）为4.8～5.5，平流层 DFS 为3.8～5.3， 对流层DFS为0.1～1.3；反演结果具备分辨对流层臭氧总量的能力。对流层臭氧总量的反演误差为10%，平流层臭氧总量和臭氧总量的反演误差在1%以内。 利用临边卫星数据（MLS和MIPAS）和全球的臭氧探空数据对GOME-2臭氧廓线，平流层臭氧总量和对流层臭氧总量进行了详细的验证。结果表明GOME-2反演的对流层臭氧总量同臭氧探空数据相比平均偏差在2%左右，标准差24.5%以内.GOME-2同臭氧探空一致的反映了对流层臭氧的变化。.进一步探讨了利用偏振和可见光波段改进对流层臭氧反演的可能性。建立了基于最优估计方法的反演模型，模拟分析了GOME-2偏振波段和可见光波段对对流层臭氧反演结果的影响。偏振波段能够增加反演结果对对流层中上层臭氧的敏感性，但是依赖于跨轨扫描的位置和波段的选取。当采用310-340 nm 的5个PMD波段时，GOME-2 轨道东侧对流层DFS 提高了18%。 可见光提高了反演结果对对流层下层特别是边界层臭氧的敏感性（DFS增加超过>40%）。. 利用利用北京臭氧探空数据和拉格朗日化学输送模式分析了2002-2010年期间北京地区对流层臭氧的结构和变化趋势。北京夏季臭氧浓度有明显增大的趋势，对流层臭氧柱总量的变化趋势为4.6 %/yr，其中由于臭氧光化学过程产生的趋势对整个对流层的贡献约为3.1 %/yr。通过模拟分析发现在2002–2010年期间，对流层内的臭氧光化学过程对北京上空对流层臭氧的变化趋势有显著的贡献。