青藏高原夏季上对流层和中下平流层Aura微波探测仪反演温度、水汽和臭氧的验证外文翻译资料

 2022-12-04 14:42:32

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青藏高原夏季上对流层和中下平流层Aura微波探测仪反演温度、水汽和臭氧的验证

摘要：本研究通过与用于青藏高原地区臭氧、气溶胶和辐射过程研究（SOAR-TP）的气球探空资料进行比对，验证了Aura微波探测仪（MLS）版本3（v3）和版本4（v4）对夏季上对流层和中下平流层(UTLS； 10–316 hPa)温度、水汽和臭氧的反演资料的可靠性。在数据测量期间，这一区域的温度、水汽和臭氧的平均廓线在v3和v4平流层内多个层次（10-68hpa）十分相近，但在上对流层和对流层顶层有几个方面不同。v4相较v3的不同之处包括：100-316hpa平均温度略微偏冷，上对流层（215-316hpa）平均水汽混合比偏低，气候平均对流层顶以下（100-316hpa）平均臭氧混合比在垂直方向上更为均匀。这些变化显著改善了上对流层中臭氧探空仪和MLS臭氧反演结果的一致性，但是在这些层次上原有的偏冷、偏干偏差均扩大少许。

相较于中下平流层和上对流层内几个层次的同位温度测量，Aura MLS温度廓线存在明显的冷偏差。对水汽体积混合比的MLS反演通常与同位测量较为一致，除了存在延伸到上对流层（121–261 hPa）大部分层次的干偏差（在v4中偏差值为-32%plusmn;11%）。臭氧体积混合比的MLS相较于同位臭氧探空仪的测量值在平流层（18-83hpa）偏高，但在100hpa偏低。臭氧反演中最大的相对偏差（约为 70%）位于83 hPa。 v4在v3的基础上做了改进优化，特别是在水汽和臭氧方面。关键的改进方面包括更大的数据产量，在上对流层中降低噪声，减少了大于100hpa压力之下偏差廓线的上下浮动。温度情况不太明朗，上对流层的冷偏差和噪音水平在v4中都要比在v3中大。以上资料比对验证结果与在其他地理位置进行的验证结果存在一些差异。而这些差异往往能被季风爆发所放大，这表明亚洲季风反气旋会给遥感带来严峻的挑战，从而影响了该地区MLS反演质量。

  1. 引言

对流层上层和平流层中下层（UTLS）温度、水汽和臭氧的变化在地球辐射平衡中十分关键（Manabe和Wetherald，1967），对气候变化有重要影响（Soden等，2008；Solomon等，2010；Dessler等，2013）。然而，目前这些变量在UTLS高度上的准确观测很难获得。安装在探空气球和飞机上的仪器可收集高分辨率的、沿特定航迹的测量数据，但其空间和时间覆盖范围有限。再分析资料和其他资料同化系统可以提供覆盖全球的信息，但是更依赖于对应的数值模式结果，并不能有效同化臭氧或平流层水汽的观测数据。卫星观测资料位于它们的中间地带，相对于探空仪和航空器的测量结果其空间和时间覆盖范围有所改善，但代价是时空分辨率降低；相对于再分析而言，对大气状态的保真度有所提高，但代价是无法同时覆盖全球。

卫星反演是基于对大气辐射观测数据的数学计算和物理表征而对观测资料进行处理的方法，其误差和不确定性反映了用来进行观测的仪器设计以及观测数据处理算法的不完善。这些误差可以是全球的、系统的，也可以是随季节和地区变化的，因此卫星反演的评估和验证需要在不同地理区域和不同时间与各种观测和半观测平台所得数据资料进行一系列独立的比对验证。

自2004年8月以来，Aura卫星搭载的MLS提供了近乎连续的对流层上层、平流层以及中间层下层的温度、水汽和臭氧的太阳同步观测（Waters等，2006）。MLS数据的四个版本已经向公众发布。 最初的成品版本1.5（v1.5）在2007年被版本2.2 / 2.3（v2）取代，在2010年进一步被版本3.3 / 3.4（v3）取代。2015年2月，最新的生产版本即版本4.2（v4）取代了v3 。

夏季，青藏高原UTLS由亚洲季风反气旋控制。这个区域的大气成分和热力学结构是热带和中纬度特征的结合，与同纬度的其他区域存在显著差异（Park等，2007）。青藏高原地区被称为“世界水塔”（Xu等，2008）和“臭氧谷”（Zhou等，1995； Tobo等，2008），亚洲季风反气旋被认为是水汽和污染物穿过对流层顶、进入全球平流层的重要输送路径（Fu等，2006； Randel等，2010； Wright 等，2011； Ploeger 等，2013）。目前已有很多研究对Aura MLS在全球平均温度（Froidevaux等，2006；Schwartz等，2008）、水汽（Read等，2007； Lambert等， 2007；Vouml;mel等，2007a； Berthet等，2013； Hegglin等，2013； Hurst等，2014）、臭氧（Jiang等，2007； Livesey等，2008； Tegtmeier等，2013）方面的偏差进行了验证分析，主要是通过与无线电探空仪和臭氧探测仪网络、霜点湿度计、地面激光雷达、飞行器数据和其他卫星反演数据集进行对比。然而，尽管已有很多工作基于亚洲季风反气旋附近的MLS反演资料进行分析研究（Park等，2007； Uma等，2014），但鲜有研究对该地区MLS观测数据的可靠性进行验证（除了2015年Yan等的研究之外，下文将对此进行进一步讨论）。此外，用于全球平均状况的MLS反演资料验证研究中的变量，只有非常少一部分被拿来在亚洲季风反气旋附近区域进行验证研究。因此，该区域的偏差表征主要基于全球和纬向平均与其他卫星数据集的比较结果。

图1.无线电探空仪发射场的位置。圆形阴影区域覆盖每个地点方圆1000公里。虚线等值线对应于ERA-Interim再分析中100hpa位势高度的16 770gpm等值线，1979-2014年6月-8月平均值。阴影表示地形，颜色越暗对应地表高度越高。

本研究旨在通过与臭氧、气溶胶和辐射研究计划（SOAR-TP）期间在四个不同地点、4年（图1和表1）收集到的气球探空数据对比，考查夏季青藏高原南部和邻近区域的Aura卫星MLS反演资料第三（v3）和第四（v4）版本的可靠性，提供对亚洲季风反气旋附近温度、水汽和臭氧MLS反演资料的详细评估。在第2节中，首先描述了原位观测数据、v3和v4的主要区别以及数据验证方法。验证结果在第3节给出，并结合前人对v3和v4数据的对比验证研究、相关变量特征、v3和v4存在的差异，对本研究结果进行分析讨论。主要结论在第5节中给出。

  1. 数据和方法

表1.本验证中所用数据的无线电探空仪站点信息。最右一列列出了对应的 Aura MLS同位观测廓线的数量（参见2.3节）

列出的数量是使用维萨拉RS80和RS92仪器收集的温度廓线。在拉萨（7）和林芝（11）使用InterMet（IMet）仪器也收集了18个温度廓线。在腾冲（2010年8月17日和22日）收集的两个廓线无法与符合质量控制和配置标准的v3 MLS臭氧反演相匹配。这两个廓线都成功地与v4 MLS反演相匹配，并包含在v4臭氧验证中。

2.1 探空仪测量

本研究采用的是中国西南地区四个海拔高度较高层次上收集到的气球探空仪测量数据（图1）：云南腾冲（2010年8月）；西藏那曲（2011年8月）；西藏拉萨（2012年5 - 7月），西藏林芝（2014年6 - 7月）。表1列出了每个地点的地理位置信息和在验证分析中所用的对应地点的温度、水汽和臭氧廓线数量。温度测量采用维萨拉RS80（腾冲和那曲）和RS92（那曲、拉萨和林芝）无线电探空仪进行采集。由于RS92探空仪不允许携带低温露点湿度计（cryogenic frost point hygrometer，CFH），所以使用携带于RS80（腾冲和那曲）和InterMet（拉萨和林芝）无线电探测仪之上的低温露点湿度仪收集水汽混合比的廓线信息。在拉萨和林芝发布的InterMet无线电探空仪与RS92无线电探空仪一起发射，因此可以直接比较。臭氧测量使用的是电化学浓缩池（ECC）装置。在每个气球爆发之前的温度、水汽和臭氧廓线信息都能被采集，气球爆发高度通常大于30公里、压力低至5-10 hPa。气球发射时间并不一致，但主要发射于腾冲、那曲和拉萨当地时间下午和林芝当地时间凌晨左右。

CFH是一种微处理器和冷镜仪器，能够测量从地表到约28公里高度很大变化范围的水汽浓度（Vouml;mel等，2007b）。使用低温流体来维持反射镜霜点温度，然后根据Goff和Gratch（1946）提出的克拉伯龙方程的近似方法将其转换成水汽混合比。CFH测量的不确定性在对流层上层和平流层小于10％。

ECC臭氧探测仪则通过测量臭氧（）和碘化钾（KI）分别在阴极和阳极槽中发生化学反应产生的电流来得到臭氧混合比观测值。该电流与进入仪器的空气中臭氧量成正比。最低检测极限约为2 ppbv，远低于对流层干净空气（30 ppbv）的典型背景值。ECC测量值的精确度在对流层的误差为10％以内，在平流层10 hPa以下的误差在5％以内（Smit等，2007）。

飞行过程中CFH和ECC数据流通过RS80（腾冲和那曲）、InterMet（拉萨和林芝）和RS92（那曲、拉萨和林芝；仅ECC）无线电探空仪接口传输到地面的接收设备。这些数据与压力、温度和其他由无线电探空仪观测到的变量廓线一起存储。这些探测装置重约1千克，挂载在1600克乳胶氢气球上飞行。尽管本文只分析了气球上行过程收集的数据，但是每个气球都配备一个降落伞，以便能够在研究中使用仪器包下行和恢复期间收集的数据。

2.2 Aura MLS温度，水汽和臭氧反演

MLS反演算法版本3和4已分别用于处理MLS数据的第三和第四公开版本（以下称为v3和v4）。这两个版本数据都包括每十年从1000到1 hPa 12个等压层、从1到0.1 hPa 6个等压层、以及0.1到0.01 hPa 3个等压层上的廓线。MLS测量系统使用最优估计理论（Rodgers，2000）来反演大气状态向量（Livesey等，2013，2015）。温度廓线用118 GHz（平流层及以上）和239 GHz（对流层）光谱带附近的辐射进行反演，水汽廓线用190 GHz辐射进行反演，臭氧廓线用240 GHz辐射进行反演。全部反演算法得到的大气状态矢量包含55个等压层的温度、水汽和臭氧（以及其他变量，这里不考虑）估计值。在该验证分析中使用的廓线已经采用Livesey等人(2013)在v3和Livesey等人(2015)在v4(转载于附录A)提出的质量控制标准进行了筛选。我们对316-10hPa的19个标准MLS等压层验证水汽、温度和臭氧MLS廓线（见图2）。尽管目前在科学研究中不建议使用大于261hpa等压面的温度和臭氧MLS反演，但我们仍评估并简要讨论了316 hPa这两个变量的反演性能。

（a）温度

（b）水汽

（c）臭氧

图2.在四个数据测量对应的月份期间（2010年8月，2011年8月，2012年5月至7月和2014年6月至7月），图1中概括的一个或多个圆形阴影区域内，MLS v3和MLS v4测得的（a）温度、（b）水汽体积混合比和（c）臭氧体积混合比的平均廓线。差异（v4减v3）显示在右侧。水汽和臭氧的相对差异是根据v3混合比计算的。不确定性边界值表征的是测量（估计反演精度）和统计（平均标准误差的两倍）的不确定性的组合。

MLS测量的不确定性是通过将辐射观测的精度与Rodgers（1976）提出的先验估计不确定性相结合估计得到。这些不确定性估计值表示数值解协方差矩阵的对角线元素，并提供给MLS层次2数据文件的每个廓线。MLS产品精确度正值表明，反演主要取决于观测的辐射率，而不是先验估计值（软件将精确度明确地设置为负值，以标记受先验估计显著影响的反演）。对于包含在此次验证的19个等压层，四个数据测量期间该区域内（见图1所述区域）各个MLS温度廓线均方根（rms）精度在v3中为0.5-1.3K，在v4中为0.5-1.0K。相应的单个水汽体积混合比廓线均方根精度在v3中为4–39 %，在v4中为4–8 %，单个臭氧体积混合比廓线均方根精度在10到261 hPa处v3中为1–124 % (316 hPa为100%)，v4中为1–28 % (316 hPa为490 %)。在大多数情况下，混合比空间中，MLS精度在给定层次上相当稳定。因此，水平或时间尺度变化较大的物种（包括对流层上层的水汽和臭氧）小数精度变化显著。

图2给出的是v3和v4中一个或多个发射场（图1圆形阴影区域）在1000公里内的温度、水汽、臭氧平均廓线。基于这两个MLS数据版本，温度、水汽和臭氧平均廓线的差异很小，特别是在平流层（10-68 hPa）。v4中对流层上层（121-261 hPa）平均温度比v3低0.28-1.43 K（当测量和统计不确定性被考虑时，所有差异均显著）。v4平均温度廓线在31-38hpa处比v3冷（约0.2K），在56hpa（0.27plusmn;0.13 K）和10hpa（0.15plusmn;0.11 K）处均比v3暖。v4中平均水汽混合比在对流层上层（215-316 hPa）比v3小（316 hPa处最大相对偏差为-29plusmn;5％），但在147hpa，v4略高于v3（11plusmn;3％）。廓线其余部分的差异在plusmn;3％以内。臭氧最显着的变化是v4相对于v3在对流层上层和对流层顶低层（100-316 hPa）垂直梯度减少。这种垂直同化导致与北半球夏季拉萨和昆明独立观测的平均臭氧垂直结构具有更好的一致性（Bian等，2012），并且包括在对流层顶层（83-147 hPa）平均臭氧混合比显著降低6-17％，在对流层上层（178-261 hPa）显著增加4-14％。

由于反演算法和质量控制标准的不同，图2所示的平均廓线基于略微不同的样本。具体说来，该地区v4相对于v3提供了更高的数据产量（温度廓线多10％，水汽廓线多32％，臭氧廓线多29％）。数据产量增加主要导致相应的MLS质量筛

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