热红外对流层臭氧廓线反演中温度的影响机制和反演不确定性研究

Ozone is a particularly critical trace gas in the Earth’s atmosphere, since this molecule plays a key role in the photochemical reaction and climate change. At present, there is a great uncertainty in the inversion of tropospheric ozone. The tropospheric ozone column retrieved from backward scattering in ultraviolet band is influenced by the surface albedo and aerosol absorption. This project analyze and discuss the sensitivity of ozone absorption spectra and weighting function to temperature and water vapor profile in detail. We plan to induce Ozone Total Column as a constraint in the Optimal Estimation Method (OEM) to add more information to a prior. A prior of ozone profiles in China is to be established from the atmospheric chemical model, hourly surface O3 concentration from EPA, ground-based ozone lidar and Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) observations. The channel used in the retrieval is selected from sensitivity analysis to make sure the Averaging Kernel (AK) has peak from low troposphere to up stratosphere. The most important correction is made on the input parameters to the Radiative Transfer Model (RTA) model such as temperature and water vapor profiles. The uncertainty of the ozone profile retrieved from OEM is discussed especially in the lower troposphere. Then the retrieved ozone profiles are to be validated by the ground-based observation, ozonesonde and atmospheric chemical model. Finally the regional characters of tropospheric ozone pollution and its transportation will be studied from ozone profiles retrieved from CrIS measurements.

臭氧是地球大气中一种重要的痕量气体，在光化学反应和气候变化中都扮演重要的角色。目前对流层臭氧卫星反演方法存在很大的不确定性。紫外后向散射信号受地表反照率和气溶胶多次散射影响较大，热红外反演大气成分的不确定性大部分在于正向辐射传输模式中输入温湿廓线的误差。由于热红外波段辐射信息主要来自温度，同时存在水汽连续吸收，温湿廓线误差会影响到辐射量和臭氧的权重函数，进而影响臭氧廓线的反演精度。本项目通过研究热红外臭氧廓线反演中温湿廓线误差的影响机制，建立误差订正模型；利用大气模式、地面、地基、探空臭氧观测资料建立我国臭氧廓线先验知识库；建立以紫外臭氧柱总量为约束的热红外臭氧廓线最优化反演模型，通过Lenvenberg-Marquardt方法加强约束；利用多种观测资料对反演模型进行验证、误差分析和不确定性分析；最后利用卫星反演的臭氧廓线资料研究我国对流层臭氧污染的区域特征和输送规律。

对流层臭氧（O3）廓线在大气化学、空气质量和气候变化中有着极为重要的作用，它通过改变大气的辐射收支影响全球气候的变化影响人类的生存环境。尤其是近些年日益严峻的O3污染已成为制约我国空气质量持续改善、实现2035年美丽中国宏伟目标的关键性指标。.由于仅有10%臭氧分布在对流层，给对流层臭氧廓线的卫星遥感反演带来了巨大挑战，目前对流层臭氧卫星反演方法存在很大的不确定性。紫外后向散射信号受地表反照率和气溶胶多次散射影响较大，热红外反演大气成分的不确定性大部分在于正向辐射传输模式中输入温湿廓线的误差。本项目主要研究内容包括热红外臭氧廓线反演中温湿廓线误差的影响机制、建立臭氧先验估算模型、建立臭氧廓线最优化反演模型以及模型的验证和应用等四个方面。.本项目研究成果包括：1）分析了我国季风区和非季风区温湿廓线误差，利用正向辐射传输模型分析温度、湿度廓线误差对辐射的影响，得到辐射修正因子；2）以臭氧在紫外和热红外吸收波段的辐射信息和气象信息作为输入特征，将世界臭氧和紫外线辐射数据中心站点的臭氧探空廓线作为输出特征，基于长短期记忆网络建立了泛化性好的臭氧廓线先验估算模型；3）基于红外CrIS数据，引入同卫星平台紫外OMPS载荷的臭氧柱总量重新定义代价函数，采用Levenberg-Marquardt模型来反演对流层臭氧廓线，利用臭氧探空数据对该模型进行了验证，柱总量约束的反演结果比未约束的反演结果的相对误差小，平均核函数的峰值增大了约1倍，与臭氧激光雷达观测的臭氧廓线比对相对误差在10%之内；4）利用本模型反演的对流层臭氧廓线在垂直维度上分析了内蒙古呼和浩特、乌兰察布夏季在8km和5km左右存在显著的平流层臭氧向对流层输送的过程，在水平维度上分析了中国华北平原（NCP）、长三角地区（YRD）和四川盆地（SCB）多年日尺度、月尺度以及年均尺度的臭氧结果及变化趋势。.本项目建立的对流层臭氧廓线反演框架解决了高空臭氧层强信号干扰的问题，对对流层臭氧卫星监测具有重要意义。