臭氧是一种重要的大气微量气体，主要集中在10—50 km高的平流层，只有大约10%的臭氧分布在对流层。平流层中的臭氧可以吸收太阳紫外辐射，从而保护了地球生物圈；对流层中的臭氧通过吸收地-气系统的长波辐射对大气产生加热作用，是一种重要的温室气体，同时高浓度的地面臭氧会构成大气污染物，直接影响到生态系统和人类健康。因此，臭氧可以影响对流层-平流层大气动力、热力、辐射、化学等过程，对气候和环境变化具有重要意义(王体健等，1999)。

自1921年Fabry发现大气臭氧层以及1929年Dobson分光光度计成功研制以来，大气臭氧观测开始了飞速发展(谢冰等，2014)。中外学者利用地基和气球等不同平台测量大气臭氧，相关研究表明大气臭氧的变化与对流层顶高度、温度、位势高度以及高层的槽、脊强弱等密切相关(Normand，1953；Ohring et al，1960；Shapiro et al，1982；Davis et al，1999；王庚辰等，2006)。由于地基和气球等观测手段缺乏时空连续性，使得利用卫星进行大气臭氧观测成为近几十年来主要的观测手段。大气臭氧的卫星观测从20世纪60年代开始，1965年Singer首先提出了基于太阳紫外后向散射的大气臭氧测量方法，开启了大气臭氧卫星探测的新篇章，随后又进一步发展了若干种大气臭氧测量方法(邱金桓等，2003)。迄今，大气臭氧的卫星探测方法主要分为掩日法、气辉测量法、红外波段法、可见光谱法以及紫外后向散射法。掩日法在卫星通过昼夜交界面时进行测量，在每条轨道上最多获得两次测量数据；气辉测量法由于受到气辉峰值高度的限制，只能得到50 km高度以上的卫星臭氧资料；红外波段法可以对地球背阳面进行测量，有利于反演15 km以下的臭氧分布，但是该方法容易受到地表辐射、云层和大气中水含量的影响；可见光谱法通过特征吸收光谱鉴别大气中污染气体的类型和浓度，可以实现臭氧等标准大气污染物的高精度非接触测量，但是该技术只适用于具有窄带吸收结构的气体；紫外后向散射方法算法稳定，对仪器要求不高，可以得到较高精度的臭氧资料，是获得卫星臭氧资料的主要方法(Mateer et al，1971)。

随着气象卫星技术的迅速发展，越来越多的大气臭氧探测仪器发射升空，提供了高精度、全球性、全天候的卫星臭氧资料。近几十年来，中外学者开展了卫星臭氧资料在气旋或低压过程中、全球或区域臭氧的气候分布及变化特征、高原臭氧分布及变化特点、数值应用等方面的深入研究，取得了丰富的成果。

空间遥感技术的快速发展促使大气臭氧卫星探测研究日趋活跃，表 1列举了主要星载臭氧探测仪的基本情况。20世纪60年代为了确定是否可以基于200—340 nm波段的大气后向散射来获得大气臭氧垂直分布，首次发射了OGO-4卫星紫外气辉光谱仪(Ultraviolet Airglow Spectrometer，UAS)(Meier et al，1971)。随后，Nimbus-4卫星第一次携带紫外后向散射光谱仪(Backscatter Ultraviolet Instrument，BUV)，首次成功利用紫外后向散射测量获得了大气臭氧的垂直分布和星下点的大气臭氧总量。该光谱仪有12个通道，其中8个短波通道主要用于大气臭氧垂直分布探测，另外4个长波通道主要用于大气臭氧总量探测(Ghazi，1974)。为了解决波长扫描和空间扫描的矛盾，1978年发射的Nimbus-7卫星搭载了太阳后向紫外散射光谱仪/臭氧总量绘图光谱仪(Solar Backscatter Ultraviolet and Total Ozone Mapping Spectrometer，SBUV/TOMS)，从而可以同时观测大气臭氧垂直分布和臭氧总量全球分布(Heath et al，1975)。出于延续从Nimbus-7/TOMS开始的全球大气臭氧总量长期监测的目的，美国和苏联在1991年合作发射的Meteor-3卫星安装了另一台臭氧总量绘图谱仪(Meteor-3/TOMS)，该仪器与Nimbus-7搭载设备相比，在定标技术等方面有了改进(Ozone Processing Team，2015)。此后，美国又从波长对选取、辐射定标和监测等方面对TOMS仪器进行改进，从而一批改进型TOMS仪器分别通过美国1996年发射的EP小卫星、日本1996年发射的ADEOS-1卫星和俄罗斯2001年发射的Meteor-3M N1卫星投入使用(王咏梅，2003)。平流层气溶胶和气体试验(Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Ⅱ，SAGE Ⅱ)传感器于1984年通过地球辐射收支卫星(Earth Radiation Budget Satellite，ERBS)升空，该仪器利用太阳光遮掩技术对通过地球临边大气层的太阳辐射进行观测，从而获得气溶胶衰减、臭氧、NO₂和水汽的廓线(Ackerman et al，1989)。2001年，该系列仪器的第四代SAGE Ⅲ通过Meteor-3M卫星升空，相比前一代，SAGE Ⅲ添加了温度和气压廓线测量功能，同时还具备在月光下进行掩星观测的能力(NASA，2015)。为了了解高层大气对气候和气候变率的影响，美国NASA于20世纪80年代开始执行“行星地球使命”中的首个主要任务——高层大气研究卫星(Upper Atmosphere Research Satellite，UARS)，并于1991年由“发现号”航天飞机携带升空(Reber et al，1993)。UARS上的微波临边探测器(the Microwave Limb Sounder，MLS)在地球临边方向扫描，可以对大气成分、温度和冰云的垂直廓线进行测量，其优点在于有冰云和气溶胶的情况下可以确保对上对流层和下平流层的观测(Barath et al，1993)。2004年，由UARS/MLS发展而来的新一代MLS搭载Aura卫星升空，其辐射计得到优化，探测频率进一步拓展。此外，UARS上的卤素掩星实验(the Halogen Occultation Experiment，HALOE)采用太阳掩星模式，其信号由低分辨率红外滤波辐射计获得，可以对温度和包括臭氧在内的7种大气成分的浓度廓线进行观测(Russell III et al，1993)。20世纪90年代欧空局为了综合监测臭氧以及气溶胶和云层分布情况，成功研制了全球臭氧监测试验装置(Global Ozone Monitoring Experiment，GOME)和扫描成像大气吸收光谱仪(Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric ChartographY，SCIAMACHY)。GOME是第一台高光谱分辨率臭氧观测仪，其性能较BUV有显著提高，采用差分吸收光谱的方法对臭氧进行测量(Hoogen et al，1999)。在GOME的基础上，SCIAMACHY扩展了光谱范围，增加了光谱通道并提供多种观测方式和辐射定标方式(Bovensmann et al，1999)。为了延续该计划，GOME-2于2006和2012年分别搭载MetOp-A和MetOp-B升空，其星下点分辨率得到了显著提升。美国于2002和2004年相继又发射了Aqua和Aura卫星，其分别搭载了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder，AIRS)和臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument，OMI)。AIRS在3.7—15.4 μm的光谱范围内有2378个光谱通道，垂直分辨率为1 km，星下点分辨率为13.5 km，可以提供高光谱高精度的大气温、湿度资料及云、地表、臭氧等参数资料(Aumann et al，2003)。OMI继承了TOMS的优点，通过观测地球大气和表面的后向散射辐射来获取信息，星下点的分辨率达到13 km×24 km(Pittman et al，2009)。与此同时，由加拿大主持的大气化学实验(Atmospheric Chemistry Experiment，ACE)于2003年发射了隶属于ACE的SCISAT-1卫星，该卫星上最主要的仪器是一个高光谱分辨率的傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Spectrometer，FTS)。ACE-FTS可以获得温度、气压和包括臭氧在内的24种微量或者痕量气体浓度的廓线分布，垂直分辨率高达1 km，其多年累积的高质量资料对中高层大气的化学和动力学过程的研究起到了促进作用(Bernath et al，2005)。2006年欧洲第1颗极轨气象业务卫星MetOp-A发射成功，超高光谱红外大气探测仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI)是MetOp-A上最先进的仪器之一，它是继AIRS之后的超高光谱大气探测器，对大气温、湿度廓线、大气化学成分遥感达到了前所未有的高分辨率和高精度(Clerbaux et al，2007)。2011年搭载于美国新一代极轨环境卫星(Suomi National Polar-Orbiting Partnership，SNPP)上的大气臭氧制图廓线仪(Ozone Mapping and Profiler Suit，OMPS)不需要扫描镜系统，可以使用临边观测方式凝视观测地球临边大气，其工作光谱为288.5—1020 nm，空间垂直分辨率为3 km，探测精度和可靠性得到明显提高(Leitch et al，2003)。搭载在SNPP卫星平台上的高光谱红外探测仪(Cross-Track Infrared Sounder，CrIS)延续了AIRS的观测，该仪器拥有1305个光谱通道，覆盖了长波红外、中波红外和短波红外3个波段范围，可以提供精确可靠的大气观测资料(Weisz et al，2012)。

中国从20世纪70—80年代开始大气臭氧卫星探测仪器的研制，1981年9月发射了实践2号卫星，其上搭载了太阳紫外光度计和地-气紫外后向散射辐射计，标志中国大气臭氧卫星探测的首次试验(叶宗海等，1997)。随后，中国的相关探测技术飞速发展，以2008年5月27日搭载于FY-3A卫星上的臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit，TOU)和紫外臭氧垂直探测仪(Solar Backscatter Ultraviolet Sounder，SBUS)成功发射和运行为代表，中国星载大气臭氧探测资料进入实用阶段(杨军等，2009)。为了进一步强化中国极轨气象卫星上、下午星组网观测的业务布局，中国分别于2010年11月5日和2013年9月23日成功发射了FY-3B和FY-3C。在FY-3B和FY-3C上同样搭载了TOU和SBUS，但是两者的性能得到了升级，可以提供更精确可靠的臭氧观测资料(王维和等，2013；黄富祥等，2013)。与国际同类卫星臭氧资料相比，中国风云系列卫星臭氧资料毫不逊色，可以成功实现全球大气臭氧的动态监测并为中国环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供支持(王咏梅等，2009；黄富祥等，2009；王维和等，2010，2011；刘年庆等；2011；江芳等，2012；刘寅，2014)。目前，中国正在进行紫外高光谱臭氧探测仪的研制，大气臭氧卫星探测将从单一的臭氧成分探测升级为以臭氧为中心的污染成分联合探测，该仪器的研制与应用意味着中国大气紫外遥感已经进入到可视化成像探测阶段。

臭氧是天气系统重要的示踪气体，其浓度变化和天气尺度的波动联系紧密(郭世昌等，2007)。早期，Dobson(1923)根据流星观测记录探讨了从地面至200 km高度的大气特征，并发现臭氧层对夏季和冬季的流星观测存在影响。随后，Dobson等(1927)和Dobson(1929)的研究表明，在反气旋和气旋等不同的气象条件下臭氧的空间分布会发生显著变化，臭氧浓度与平流层底部的气压、平流层底部的高度和对流层的温度等因素存在相关。基于地基和气球等不同平台测量的大气臭氧资料，进一步揭示了天气系统的异常可以通过臭氧的变化反映出来(Normand ，1953；Ohring et al，1960；Shapiro et al，1982；Davis et al，1999；王庚辰等，2006)。而通过种类丰富的卫星臭氧资料，与大气臭氧相关的研究不断深入，获得了许多新认识。Uccellini等(1985)利用包括TOMS卫星臭氧资料在内的多种资料研究了1979年美国总统日的暴雪，发现登陆气旋是引起雪灾的主要原因，由于动力强迫而生成的α中尺度垂直环流又对后续发展的暴雪系统有显著影响，通过TOMS卫星臭氧资料可以发现此次过程中存在比较明显的对流层顶折叠。Rodgers等(1990)分析了1979—1982年大西洋多个飓风过程中的TOMS臭氧总量资料，发现臭氧总量的空间分布形式与飓风的增强与减弱密切相关，可以利用卫星臭氧资料来监测飓风的发展过程，同时还发现飓风过程中平流层空气会侵入对流层上部，从而导致臭氧总量增加，这就是对流层顶折叠现象。Stout等(1992)随后又分析了多年的TOMS卫星臭氧资料，指出气旋中心距离上游臭氧槽的远近会影响热带气旋的运动，在臭氧槽下游15个纬距内的热带气旋多数的运动会向右偏转。Zou等(2005)利用TOMS卫星数据对1996—2003年多个热带气旋个例进行分析，发现当飓风处于增强阶段时眼墙附近的臭氧浓度达到最低值，而飓风眼的臭氧浓度达到最高值，但是当飓风处于减弱阶段时，飓风眼和眼墙区域的臭氧浓度均偏低。Zou等(2005)同时还指出，热带气旋中的臭氧总量与高层位势高度、平均位势涡度、海平面气压高度相关，将风暴尺度和天气尺度的特征分离后，分区域的臭氧总量与平均位势涡度的相关系数高于0.9。基于OMI卫星臭氧资料，Joiner等(2006)研究发现，臭氧总量的空间分布受飓风的影响较大，在臭氧资料的反演算法中需要考虑飓风对云顶气压的影响，以提高OMI卫星臭氧资料在飓风环境中的适用性。在孟加拉湾和阿拉伯海地区，Midya等(2012)利用1997—2009年的TOMS和OMI臭氧资料同样发现随着热带气旋的发展，臭氧总量的空间分布会发生显著变化，而臭氧总量的变化与大气化学、大气动力学理论是一致的。Wang等(2012)的研究表明，臭氧总量的空间分布形式与卫星云图的对应关系较好，通过高分辨率的卫星臭氧资料可以观测到热带气旋的精细结构。图 1为台风Sinlaku和飓风Earl强盛时期AIRS观测到的臭氧总量空间分布及对应时刻的卫星云图，清楚体现了其研究结论。Zhan等(2012)进一步利用AIRS卫星臭氧资料和ERA-Interim资料对西北太平洋的热带气旋进行综合分析，结果表明由热带气旋引起的深对流在平流层-对流层交换中具有重要作用。基于OMI和再分析资料，Fu等(2013)对台风发生过程中大气臭氧廓线进行定量分析，结果表明台风的强弱会使大气臭氧廓线发生显著变化。

图 1 (a)2008年9月9日18时台风Sinlaku和(b)2010年9月1日18时飓风Earl的AIRS臭氧总量空间分布及 (c)2008年9月9日22时42分台风Sinlaku和(d)2010年9月1日13时25分飓风Earl相对应的卫星云图(来自http://www.nrlmry.navy.mil/)(Wang， et al，2012)Fig. 1 AIRS total ozone distribution for (a) Typhoon Sinlaku at 18：00 UTC 9 Sep 2008 and (b) Hurricane Earl at 18：00 UTC 1 Sep 2010, and, the corresponding visible cloud image for (c) Typhoon Sinlaku at 22: 42 UTC 9 Sep 2008 and (d)Hurricane Earl at 13: 25 UTC 1 Sep 2010 (See http://www.nrlmry.navy.mil/ for the cloud image) (Wang， et al，2012)

图选项

臭氧作为示踪气体，还经常被用于南极极涡、北极极涡以及平流层空气深入侵过程的研究。自1985年南极“臭氧洞”发现以来(Stolarski et al，2005)，国际上众多学者利用卫星资料对此现象进行了深入研究，近年来中国也在南极地区开展了相关的观测分析(郑向东等，1995)。实际上，臭氧低值现象不仅在南极可以观测到，在北半球的不同地点也曾多次观测到。2011年春季，中国FY-3A和FY-3B监测到北极地区臭氧低值事件发生、发展全过程，通过对多颗卫星臭氧资料的综合分析，发现此次严重的臭氧损耗事件主要是由极冷的极涡引起的(刘年庆等，2011；王维和等，2011)。此外，平流层入侵过程会引起对流层臭氧浓度增加，同时也会使近地面臭氧浓度升高(杨健等，2004)，利用卫星臭氧资料对平流层空气深入侵过程进行分析，结果表明在切断低压发展成熟阶段，来自极区高位势涡度和高臭氧库区的空气会在切断低压的中心形成局地高位势涡度和高臭氧浓度区域，与此同时臭氧次峰结构会出现在对流层中上部(李丹等，2014)。

利用卫星臭氧资料来分析一些气候现象是卫星臭氧资料的另一个重要应用领域。基于卫星臭氧资料和站点臭氧资料的研究已经证实臭氧总量的准两年振荡(QBO)对于赤道是不对称的，季节周期在其中有重要作用(Gray et al，1990)。Geller等(1992)分析了1978—1986年的SBUV卫星臭氧资料，发现余差环流的输送作用对温度和臭氧的空间分布有较大影响。随后，Gray等(1993)通过一个简单的二维模式成功模拟出臭氧的准两年振荡，模式结果与BUV、TOMS等卫星的臭氧资料吻合度较高，从而实现了利用模式对臭氧准两年振荡进行精细化分析。邹捍等(1997a)在重点分析了60°—70°S TOMS卫星臭氧总量资料后指出，从该纬圈臭氧总量的长期变化中可以发现准两年振荡和ENSO信号，Efstathiou等(2013)则进一步发现太阳周期对臭氧总量也有重要的影响。Bian等(2002)利用大约20年Dobson和TOMS资料对北京和昆明两地的大气臭氧总量进行分析后发现，大气臭氧的年际变化主要由准两年振荡和长期趋势项组成。Gabis(2014)指出，TOMS和OMI观测到的热带地区的臭氧总量准两年振荡与赤道平流层的纬向风准两年振荡密切相关，通过风场的准两年振荡预报可以实现臭氧总量的准两年振荡预报。Tian等(2007)分析了26年的卫星臭氧资料，发现副热带臭氧异常与赤道附近热带大气季节内振荡(MJO)密切相关。此外，大尺度的波动以及大气环流对全球的臭氧分布也有重要的贡献(Jiang et al，2008)，Randel(1993)基于SBUV卫星臭氧资料发现平流层臭氧的空间分布会受到罗斯贝行星波的影响。随后，Hood等(2005)从E-P(Eliassen-Palm)通量和位涡角度揭示出卫星观测到的北半球中纬度地区臭氧减少是行星波和非线性天气尺度波共同作用的结果。郑彬等(2006)和Ialongo等(2012)通过多年的卫星资料进一步证实行星波的扰动会引起经向的臭氧输送，从而形成了臭氧的纬向分布不对称特点，而基本气流的输送作用会造成行星波原始扰动与臭氧纬向扰动有一个位相差。

随着越来越多的气象卫星投入使用，许多学者尝试定标与融合不同卫星平台获得的大气臭氧资料，从而可基于时间序列较长的卫星臭氧资料进行气候趋势研究，目前已经取得了丰富的成果(Frith et al，2014)。长期的卫星观测资料表明北半球臭氧总量的变化幅度比南半球要大，臭氧总量的最大值和最小值分别出现在两半球的春季和秋季(曲绍厚，1994)，西欧的臭氧准4年周期振荡最明显，而东亚的准11年周期振荡最明显(郭世昌等，2007)。总体而言，1964—1970年臭氧总量呈现出普遍上升趋势，而从20世纪70年代至今，各纬带上的臭氧总量则主要呈现出下降趋势，并且强度随着纬度的逐渐升高而逐步加剧，北半球的臭氧下降趋势与南半球相比更为明显(任福民等，1998)。随着卫星臭氧资料时空分辨率的不断提高，众多学者开始关注局部区域中臭氧的变化趋势。卞林根等(2011)分析了卫星和台站观测的南极臭氧资料，发现平流层氯和溴的卤化物当量和平流层温度对南极臭氧洞面积有重要影响，自2010年以来臭氧洞面积正在逐渐减小，至2070年前后则有可能会重新恢复至1980年前的水平。北极的斯堪的纳维亚地区也发现存在严重的臭氧亏损现象，而北大西洋海温与该现象有极好的负相关，因此周立波等(2001)认为，北大西洋海温的季节变化是斯堪的纳维亚地区在气候尺度变化上臭氧亏损的重要预报因子。不同于南极地区一年四季始终有一个臭氧低值中心，北极臭氧总量减少则存在于整个春、夏季，在秋季出现最低值，而在冬季北极臭氧会迅速恢复(刘姝媛等，2011；郭世昌等，2014)，北极臭氧显著的年际变化与平流层温度变化较为一致，综合考虑北极涛动、极涡和平流层温度等因素，可以发现春季北极臭氧损耗强弱受大气环流变化影响(张艳等，2013)，而北极臭氧损耗会对东亚中高纬度地区初春地面气温产生影响(朱乾根等，2000；郑明华等，2010)。李燕等(2002)对1996—2001年的TOMS卫星臭氧资料进行分析，发现东亚地区的年均臭氧浓度在近6年已经停止下降，其数值达到了20世纪80年代中后期水平，全球臭氧层保护措施的实施已经产生了积极影响。中国低纬度地区大气臭氧总量的时间变化趋势较为一致，空间上则主要表现为东高西低，大气臭氧总量的极大值和极小值分别出现在夏季和冬季(张秀年等，2004；沈凡卉等，2011)，四川盆地与周围地区相比常年存在一个臭氧总量高值区(韦惠红等，2006)，而中国东部沿海人口密集和工业发达地区则是中国对流层臭氧浓度高值区(李莹等，2007)。此外，基于TOMS卫星臭氧资料的研究还表明，北大西洋东北部和北太平洋西北部大气臭氧的季节变化区域特征很强，这两个地区大气臭氧纬向偏差的季节变化具有非常好的反相关(邹捍等，2006)。

青藏高原的热力与动力作用对中国、亚洲以及全球的天气气候有极其重要的影响，中国学者对此高度关注并做出了凸出的贡献(周秀骥等，2004)，周秀骥等(1995)利用TOMS卫星臭氧资料对中国1979—1991年平均的臭氧总量月平均值分布进行计算，发现1月的臭氧总量等值线与纬圈基本平行，6月在青藏高原附近则出现了较明显的臭氧总量低值中心并可以一直维持至9月，但是该中心从10月开始逐渐消失。与此同时，Zou(1996)也分析了TOMS卫星臭氧资料，得到了全球范围内1979—1991年各季节平均臭氧总量纬向偏差，其结果进一步说明青藏高原臭氧低值中心确实存在。由此，“青藏高原臭氧低值中心”这个概念被正式提出(图 2)。随后，Zou等(1997)和郑向东等(2000)利用卫星臭氧资料对青藏高原臭氧的垂直分布进行了研究，发现在拉萨地区可以观测到较明显的臭氧低值现象，约18 km高度是青藏高原臭氧减少的最大层次，林伟立等(2005)则发现卫星观测到青藏高原地区10—20 km高度臭氧浓度有较明显的季节与南北区域差异。在全球大气臭氧中所发现的准两年振荡信号和ENSO信号，同样可以在青藏高原的大气臭氧中发现，并且对该地区大气臭氧有重要影响(季崇萍等，2001；邹捍等，2001)。随着研究的不断深入，青藏高原上空臭氧的变化被认为与气温的年代际变化存在着物理联系，当青藏高原上空臭氧总量减少时，平流层会减少对太阳紫外辐射的吸收，从而进入对流层底层的辐射会增加，平流层低层降温，对流层升温，这可能是造成青藏高原地区与同纬度其他地区温度变化趋势差异的重要因素，同时也会影响到青藏高原对流层顶高度(Zhou et al，2005；张人禾等，2008；杨双艳等，2012)。青藏高原冬季的臭氧变化还与中国冬季和夏季的气候关系密切，预测中国冬季和夏季降水的多寡以及地面气温的高低可以通过监测青藏高原冬季的臭氧变化来实现(徐国强等，2004)。值得注意的是，自2003年12月青藏高原上空出现微型臭氧洞以来(卞建春等，2006)，统计分析结果表明虽然全球的臭氧正在缓慢恢复，但是青藏高原臭氧低值中心却仍然维持并且有可能越来越严重(Zhou et al，2013)，观测与模拟均表明南亚高压的动力作用对青藏高原上空臭氧垂直分布有重要影响(陈闯等，2012；郭栋等，2012)。此外，因为大尺度山地上“被抬高的”地面热源加热大气(尤其是感热加热)，所以，在全球其他大尺度山地上空(如伊朗高原、落基山脉和安第斯山脉)也可以观测到和青藏高原上空类似的臭氧低值现象(邹捍等，1997b，1998；周任君等，2005)。

图 2 FY-3A TOU观测到的2009年10月4日(a)和2010年9月21日(b)青藏高原臭氧低值中心Fig. 2 Tibetan ozone low at 4 Oct 2009 (a) and at 21 Sep 2010 (b) as viewed from FY-3A TOU

图选项

对于青藏高原臭氧低值中心的形成原因，周秀骥等(2004)认为青藏高原夏季是对流层低空物质向平流层输送的一个重要渠道，低空污染物会向青藏高原辐合，从而上升到平流层底部，随后向周围辐散，因此对流层低浓度臭氧被不断输送到平流层并伴随着低空污染物的物理化学过程，最终引起了臭氧总量的降低。然而，前期的工作主要是从青藏高原局地环流的角度进行分析(Ye et al，2003；Tian et al，2008)，没有考虑亚洲夏季风环流的影响(卞建春等，2011)。基于卫星臭氧资料和相应的数值模拟，Randel等(2010)指出，夏季整个亚洲季风区在对流层污染物进入全球平流层的过程中有非常重要的作用。Bian等(2011b)则进一步指出青藏高原仅是整个亚洲季风区的局部区域，而青藏高原臭氧低值中心的形成原因主要有两点：一是与同纬度地区相比，亚洲季风区上对流层-下平流层(UTLS)臭氧浓度偏低；二是与平原地区相比，青藏高原大地形引起了空气柱的减少。与此同时，Park等(2007，2008)提出亚洲夏季风的一种可能输送机制：在南亚高压内，大尺度反气旋在垂直方向的输送较为缓慢，而水平方向的混合过程则较快，因此水汽和臭氧等的极值中心与反气旋中心相对应。当南亚高压中心位置分别位于伊朗高原和青藏高原上空时，臭氧总量和上对流层-下平流层区域大气成分会发生明显变化(卞建春等，2013)。Yan等(2011)和舒斯等(2011)基于卫星臭氧资料的研究表明，在伊朗模态下，伊朗高原上空的平流层示踪物减少而对流层示踪物增加，但是青藏高原上空的平流层示踪物增加而对流层示踪物减少，在青藏模态下的变化则与伊朗模态下的变化相反。值得注意的是，这种新观点主要是基于卫星臭氧资料和数值模拟得到，仍然需要高精度的感应探头得到的野外观测数据来进一步验证(Bian et al，2007，2011a)。

由于大气臭氧会对卫星温度资料的反演、短波辐射和长波辐射带来影响，同时大气臭氧的变化与风场密切相关，因此，在数值模式中同化卫星臭氧资料已经成为近年来的研究热点(Eskes et al，2003)。根据同化方式的不同，卫星臭氧资料同化可以分为直接同化与间接同化两类。

卫星臭氧资料的直接同化主要应用于全球化学输送模式和大气环流模式。Riishøjgaard等(1997)首先通过理想试验发现罗斯贝波会影响位势涡度和臭氧总量的相关，而位势涡度的变化会改变臭氧总量的分布，并指出臭氧总量资料可以通过适当的方法同化进入数值模式。随后，Riishøjgaard(1996)利用一个二维正压模式对模拟臭氧资料进行了四维变分同化，发现所有纬度的风场模拟效果都得到了改进。同时，Levelt等(1997)在一个全球模式中同化了TOVS(TIROS Operational Vertical Sounder)臭氧资料，结果表明200 hPa的风场对臭氧总量的分布有较好的指示意义，同化臭氧资料后的预报结果包含了丰富的大气化学和大气动力学信息。Eskes等(1999)的研究则进一步证实四维变分方法确实是同化卫星臭氧资料的最有效方法，对于臭氧数值模拟有重要意义。Eskes等(2002)通过同化ERS-2 GOME资料成功实现了对南极臭氧洞的预报，并且将预报时间提前了4—5 d。在大气环流模式中的臭氧资料同化研究表明，同时同化MLS和GOME臭氧资料可以提供更真实的大气臭氧分布，臭氧的预报也更接近于实际观测(Struthers et al，2002)。Eskes等(2003)和El Serafy等(2003)在一个三维的全球化学输送模式中利用卡尔曼滤波方法同化了GOME臭氧资料，结果表明该方法同样可以降低臭氧的预报误差并且适合业务应用，随后Segers等(2005)对该同化模式的协方差进行了优化，进一步提高了臭氧垂直分布的数值预报精度。Feng等(2008)在已经同化了SCIAMACHY资料和SBUV/2资料的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)业务应用四维变分资料同化系统中增加了MLS资料的同化，结果表明模式在动力作用和化学作用较明显区域的臭氧预报效果得到了很大的提高。同时，OMI、IASI、LIMS和GOME-2资料的同化试验也证明卫星臭氧资料直接同化是改进臭氧数值预报的有效方法，并且随着理论与技术的不断完善有非常广阔的发展前景(Migliorini et al，2009；Massart et al，2009；Remsberg et al，2013；Nakamura et al，2013；Allen et al，2013；Hao et al，2014)。同化卫星臭氧资料后的模式预报结果可以有效提高臭氧资料的时空分辨率，同时可以与其他种类的大气观测资料在动力学上保持一致，这为全球和区域的大气臭氧研究提供了可靠的支持。Stajner等(2004)研究了同化SBUV/2臭氧资料后得到的模式臭氧资料，发现可以通过监测O-F(观测值减预报值)随时间的变化来识别臭氧资料的观测误差随时间的变化。Pierce等(2007)基于同化卫星臭氧资料后得到的全球范围模式臭氧资料，指出美国大陆光化学的臭氧在臭氧总量中所占比重比较小，其他种类的观测资料也证实了这个结论。Rösevall等(2008)和Balis等(2011)则利用模式臭氧资料分析了北极臭氧损耗的发生过程以及原因，并得到了一些新的结论。此外，模式臭氧资料还被广泛应用于卫星臭氧资料订正、上对流层-下平流层臭氧研究和平流层臭氧长期趋势研究中(Migliorini et al，2008；Wargan et al，2010；Kiesewetter et al，2010)。

卫星臭氧资料的间接同化目前主要应用于热带气旋的数值模拟中。Allaart等(1993)和Folkins等(1996)发现臭氧总量和平均位势涡度的相关在春季和冬季比较明显。随后，Davis等(1999)利用这种相关性从TOMS资料中反演得到较真实的中纬度风场。臭氧总量和平均位势涡度的密切关系使臭氧资料的间接同化成为一种可能。Jang等(2003)发现臭氧总量和平均位势涡度之间存在明显的线性关系(图 3)，并根据此关系建立的线性观测算子首次间接同化了TOMS资料，研究表明臭氧总量资料中包含的大气状态信息可与常规资料同化结合，将进一步改进中纬度风暴的路径和强度模拟效果。Zou等(2005)基于TOMS资料分析了多个热带气旋，结果表明分区域模型可以显著提高在热带气旋环境中臭氧总量与平均位势涡度的相关性，卫星臭氧资料在热带气旋数值预报中有较大潜力。基于这个分区域模型，Wu等(2008)在大尺度背景场中间接同化了TOMS资料，同化试验准确把握了热带气旋Erin的背景场特征，有效调整了引导气流，从而明显提高了热带气旋的路径预报效果。Wang等(2012)和Liu等(2015a)分别从资料同化角度发展了AIRS臭氧总量资料的质量控制方案，研究结果表明热带气旋中心附近仍然有相当数量的AIRS臭氧总量资料可以使用，通过合理的质量控制这些资料在热带气旋数值预报中可以发挥重要的作用。刘寅(2014)随后又提出了改进的质量控制方案，并将新方案成功应用到中国FY-3A TOU臭氧资料中，提升了中国风云系列卫星臭氧资料在热带气旋数值预报中的应用潜力。在保证资料质量的前提下，Liu等(2015b)发展了一种四维变分选层同化方案，首次实现了AIRS臭氧总量资料的间接同化，初步结果表明臭氧总量资料同化可以影响热带气旋高层和中低层的位势涡度场，增强热带气旋的暖心结构并调整引导气流，从而改进了热带气旋的路径预报，但是该方案对于热带气旋的强度预报改进有限。随后，Liu等(2016)在Liu等(2015b)的臭氧资料同化方案中加入了Bogus资料同化方案，新方案通过同化AIRS臭氧总量资料改进中高层的位势涡度场，同时通过同化Bogus资料改进海平面气压场，从而显著提高了热带气旋路径和强度预报的准确度，批量试验的结果表明同化层数为4—6时可以保证热带气旋的路径和强度预报改进最大，而初始化所需的计算时间最合理。已有的研究表明，卫星臭氧资料包含了丰富的大气状态信息，通过合理的观测算子进行同化可以对热带气旋数值预报产生积极影响。

图 3 FY-3A TOU观测的Tembin(2012年8月23日00时，a)和Isaac(2012年8月29日12时，b)的臭氧总量空间分布(红色台风符号代表台风的中心位置，黑色实线是平均位势涡度的等值线；单位：PVU)(刘寅，2014)Fig. 3 Spatial distribution of total ozone for Tembin at 00: 00 UTC 23 Aug 2012 (a) and Isaac at 12: 00 UTC 29 Aug 2012 (b) from FY-3A TOU (Red typhoon symbol represents the typhoon center, and black contour represents the MPV; unit: PVU) (Liu, 2014)

图选项

对卫星臭氧资料的研究进展进行了详细的回顾，介绍了星载臭氧探测仪的发展概况，并系统总结了卫星臭氧资料在气旋或低压过程、全球或区域臭氧的气候分布及变化特征、高原臭氧分布及变化特点、数值应用等领域中的研究。

虽然目前卫星臭氧资料已经得到了较为广泛的应用，但是由于天气气候系统的复杂性和个体差异、卫星资料的时空分辨率限制和反演误差以及数值模式中物理参数化方案的不完善和模式误差，卫星臭氧资料的研究仍然存在很大的进步空间：

(1)进一步优化卫星臭氧资料的反演算法，提高产品的精度，同时综合地面站、探空和卫星多种臭氧资料研究包括南极极涡、北极极涡和热带气旋在内的天气现象对臭氧分布的影响。随着地面探测技术的发展以及卫星光谱分辨率的不断提高，尤其是近年来高光谱臭氧探测仪的研制与应用，使得精细化定量研究一些灾害性天气现象(比如台风)与大气臭氧垂直分布的关系成为可能。

(2)对多卫星平台的臭氧资料进行订正与融合，建立高分辨率的长时间序列大气臭氧数据集，并对利用数据集进行气候研究的可行性进行论证，研究大气臭氧与各种气候现象的相互关系，尤其是南极臭氧洞和北极臭氧损耗应该重点关注。

(3)由于青藏高原独特的地形特点，使得卫星资料成为研究青藏高原相关天气气候现象的重要数据源。然而，目前的研究主要集中于现象分析，对机理的分析还不够深入。后续的研究中应该综合其他资料加强机理分析，同时开展相应的模式验证工作，进一步解释青藏高原臭氧低值现象的形成原理以及带来的影响。值得注意的是，在使用卫星臭氧资料之前，首先要确保相关反演算法在青藏高原区域的适用性，以提高研究的可信度。

(4)卫星臭氧资料的数值应用是近年来的研究重点，也取得了许多令人关注的研究成果。对于相对成熟的卫星臭氧资料直接同化而言，目前重要的研究趋势是综合多卫星平台的臭氧资料，实现多源资料同化，以期提高数值模式的臭氧预报能力，同时生成高时空分辨率的模式臭氧资料用于相关研究，从而弥补卫星臭氧资料的不足。卫星臭氧资料间接同化目前仍然处于起步阶段，尚有许多的问题亟待解决。比如，Liu等(2015b)的最新研究表明，同时同化AIRS臭氧总量资料和Bogus资料可以有效改进热带气旋的数值预报，那么在此基础上再加入其他卫星资料的同化是否可以取得更好的效果？同时，已有的同化研究都是基于MM5模式，是否可以把卫星臭氧资料的间接同化方案移植到目前较主流的WRF和GRAPES模式中，从而促进相关的研究？此外，卫星臭氧资料的间接同化在热带气旋的数值预报中表现不俗，那么同样的方法是否可以应用到强对流、暴雨等灾害性天气的数值预报中，这也有待进一步研究。