L.Clarisse Y.R'Honi P.－F.Coheur D.Hurtmans

对24种大气成分的热红外天底观测

L.Clarisse Y.R'Honi P.－F.Coheur D.Hurtmans

热红外天底探测仪是观测诸如水汽、二氧化碳和臭氧等大气组分总柱含量或垂直剖面的理想仪器。低于5cm－1光谱分辨率的高分辨率探测仪能够分辨痕量气体细微的光谱特征。在第一台高光谱探测仪IRIS出现的40年后，现在几款改进了仪器特性的仪器已经在轨运行。本文评述了应用热红外天底探测仪观测痕量气体，重点在于红外大气探测干涉仪（IASI）的新近观测。文章介绍了14种非常活泼的痕量气体的典型观测。从天底视角观测气体讲，一些组分属首次报道，包括亚硝酸、呋喃、乙炔、丙基烯、乙酸、甲醛和氰化氢；这些组分是在2009年2月澳大利亚丛林大火的火积云中观测到的。由于能够观测这些大量活性的痕量气体，所以我们关于源排放及其对环境和气候方面影响的知识可能会加深。

引言

高分辨率地面红外光谱第一次是由从太空通过搭载于气象卫星雨云（Nimbus）3号和4号平台上的红外干涉光谱仪（IRIS，1969～1971）测得的，揭示了二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮和臭氧的吸收带（Hanelet al，1972）。虽然早期认识到了天底观测的高光谱红外探测仪的探测潜力，但是当时的技术无法满足天气变量对光谱分辨率和重访周期的要求。在接下来的几十年里，人们更倾向于应用宽频红外探测器对云、温度和湿度进行探测。1990年代，气候变化的争论推动了温室气体干涉监视器（IMG，1996～1997）的发展。IMG设计用来探测众多痕量气体，例如CO2、H2O、O3、CO 和 CH4（Shimoda and Ogawa，2000；Clerbauxet al，2003）。对比IRIS和IMG光谱证明了温室气体吸收的增加，包括 CFC－11 和 CFC－12 （Harrieset al，2001）。

IMG未完成使命便中途夭折，但幸运的是2002年以来在数字天气预报以及大气组分监测对探测仪需求逐步增长的推动下，新的天底观测的高分辨率光谱仪应运而生，有大气红外探测仪（AIRS，2002－；见Chahineet al，2006）、对流层放射光谱仪（TES，2004－；见Beer，2006）、红外大气探测干涉仪（IASI，2006－）、温室气体观测卫星 （GOSAT，2009－；见 Kuzeetet al，2009）。在这篇文章中，我们主要探讨IASI，因为IASI在这些探测仪中应用范围最广。IASI搭载于太阳同步极轨卫星Metop－A平台上，为交叉轨道扫描仪，4个像素扫描范围2400km。IASI每天对地球红外辐射进行1280000次探测，每日两次全球覆盖。最大覆盖范围在天底为直径12km的圆形，到扫描最大点为近似的椭圆，两轴分别为39km（交叉轨道）和20km（沿轨道）。该光谱仪切趾光谱分辨率为0.5cm－1，光谱覆盖范围从645cm－1到2760cm－1（3.6 到15.5μm），辐射噪声低（波数低于2300cm－1，NeΔT～0.2K；高于2300cm－1，NeΔT＞0.3K）（Clerbauxet al，2009）。

在每个IASI光谱中能探测到10种气体， 即 CO2、 N2O、 CFC－11、 CFC－12、OCS、H2O、CH4、O3、CO 和 HNO3（见Clerbauxet al，2009及其内的参考文献）。这些气体普遍存在且具有清晰的光谱特征。探测它们的背景丰度和局地变化对监测和研究平流层及对流层化学和气候是重要的。

近年来，在IASI光谱中发现了一些痕量气体（主要是短时存在的）。这些气体是二氧化硫 （SO2）（Clarisseet al，2008）、氨（NH3）、甲醇（CH3OH）、甲酸（HCOOH）、乙烯（C2H4）和 PAN（C2H3O5N）（Coheuret al，2009）。强排放源的上风向或下风向通常要求对这些气体进行监测。这些强排放源可以是一个极端点源，例如可能达到平流层高度的火山或大型野火。由于不强烈及覆盖区域较小，其他来源通常排放高度较低（例如植物的生物排放、密集农业或者特大城市的人为排放）。如果有足够负荷和充足的大气条件，这些排放能够在边界层中或者通过对流层低层的上升被监测到。对某些全球或准全球分布的种类（NH3、CH3OH 和HCOOH）也可以监测到（Clarisseet al，2009；Razaviet al，2011）。

IASI到现在已经在轨运行4年。在这篇文章中我们通过介绍典型光谱对迄今已经探测到的14种非常活泼的痕量气体进行概述（在这里我们不讨论每个频谱可观测到的10种气体）。我们对之前应用天底探测仪从未探测到的几种气体进行报道。这些气体是在2009年2月澳大利亚丛林大火的火积云中识别出来的（Trepteet al，2009）。对之前探测到的气体，我们对极端的例子进行介绍。在这里我们对痕量气体的探测进行论述，对详细的定量研究和分析，如热羽柱化学，则不在本文论述的范围之内。此外还对之前一些通过临边探测仪探测到的气体进行论述（Coheuret al，2007）。

1 全球观测

图1对本文的主要结果进行了说明，介绍了观测到的14种气体的光谱。对这些光谱用两种不同方法进行说明。当光谱特征可以清楚地区别于其他干扰种类时，显示原始光谱（黑色），光谱分子特征叠加（红色）。由于我们论述的是短时间存在的痕量气体，这只在少数情况下可能存在（C2H4、NH3、SO2和CH3OH）。对其他种类我们应用最优估计技术重建合成光谱。残差，即探测到的光谱和拟合的光谱之间的差别，表示理想的仪器噪声。与Coheur等（2009）一样，我们不考虑重建光谱的具体种类，因此能够显示出它们的特征（红色）在剩余光谱（蓝色）中的存在。应用HITRAN光谱数据库（Rothmanet al，2009）进行了 Atmosphit（Coheuret al，2009）正演和反演计算。对HITRAN不存在的种类如HONO，我们应用PNNL红外截面数据库（Sharpeet al，2004）进行计算。最近已经获得了 NH3、CH3OH、HCOOH的全球分布，本节将对这些种类进行讨论。

图1所示氨气光谱是2008年4月18日在阿根廷布宜诺斯艾利斯上空观测到的。2008年4月18日布宜诺斯艾利斯因被内陆草和灌木燃烧生成的浓烟笼罩而被世界所关注。由于氨气正在排放，氨气光谱十分异常，光谱特征可见位于基线以上，表明大火烟柱内空气温度与地表温度相比升高了。这是对氨气观测条件的说明。作为短时间存在的种类，氨气主要局限在边界层，对其进行观测需要地表和第一层大气边界之间中等温度梯度到较大的温度梯度。这可以是负梯度（如这里所示），但更常见的是正梯度。例如在以集约化农业而闻名的加利福尼亚州圣华金河谷，最近的一项研究表明IASI能够对8个最热月份的NH3进行探测（Clarisseet al，2010）。

图1 IASI观测到的揭示14种稀有痕量气体的种类的火山和大火光谱。黑色表示光谱的亮度温度，单位开尔文，蓝色（原图为彩色图——译注）表示光谱辐射率，单位 Wm－2 m Sr－1，横坐标单位为cm－1

挥发性有机化合物甲醇和甲酸是大气中最重要的有机物种类。据估计它们的排放量分别为200Tg/a和10Tg/a，主要是源于生物的排放。当局部浓度很高时，在大火烟流中发现了它们的最显著特征。2009年澳大利亚上空的大火烟流显示了甲醇的光谱，2008年10月博茨瓦纳上空的大火烟流显示了甲酸的光谱特征。虽然这里的特征显而易见，但常规探测受到了臭氧（甲醇）和水线（甲酸）的强烈干扰。由于这两种气体生命期在一周左右，因此能够对这两种气体进行全球观测，从而对排放源和输送模式进行揭示（Razaviet al，2011）。从这些结果可见，甲醇排放已经得到证实，产生了适用于独立测量的改进模型（Stavrakouet al，2011）。

2 局地观测

这一节讨论偶然探测到的气体种类，如火山喷发后探测到的SO2和H2S。尽管用紫外线仪器探测SO2有很长的历史（Torreset al，2002），但人们知道红外线仪器也能够探测大气中的 SO2（Prataet al，2003）。图1所示的SO2光谱是在2008年8月卡萨托奇火山喷发后探测到的（Karagulianet al，2010）。在光谱中能够区分出3条明显的吸收带。SO2波谱与ν3振动模式高度相关，然而水汽的干预，使波谱在中对流层上部只对SO2敏感。在这个波段大多数探测的是火山烟流，虽然人为排放的SO2上升也会偶尔被探测到。ν1和ν1＋ν3波段比较弱，但对对流层低处的SO2敏感度较高，在ν3波段饱和的情况下也是可用的。

第一次对H2S进行观测是在最近卡萨托奇火山喷发的火山烟流中，光谱如图1所示（Clarisseet al，2011详细讨论了该事件，也提出了更详细的光谱证据）。由于IASI在光谱区（～0.04K）的噪声极低以及火山烟流的高度，使得用这种方法辨别硫化氢是可能的。上对流层火山烟流探测界限估算为25DU。这种原始的观测非常重要，因为H2S在全球硫预算中具有很大的不确定性。同时在远程探测火山喷发类型中具有重要作用（岩浆/射气岩浆）。

其余种类实例来自2009年澳大利亚森林大火，是典型的生物量燃烧产物。三种气体，即氰化氢（HCN）、呋喃（C4H4O）和乙炔（C2H2）是在 CO2为500cm－1和800cm－1显著的ν2波段探测的。由于它们特有的显著特征，使得对它们进行明确地识别成为可能。对于HCN和C4H4O这是一个Q波段，在大气层顶部超过5K。乙炔的特征在ν5Q波段之间最为明显，但一些R线也清晰可见。丙烯（C3H6）是在波长较短的912cm－1附近ν19波段观测到的，虽然拟合不完美，但其特征清楚地从剩余的气体中显现出来。

甲醛（HCHO），特别是亚硝酸（HONO）是羟基自由基（OH）初期重要的形式，在很大程度上决定了氧化能力以及清除大多数污染物的速度（Elshorbanyet al，2009）。这二者都在澳大利亚的大火烟流中观测到了。甲醛从空间中的紫外线很容易观测到（De Smedtet al，2008），这里论述的亚硝酸是第一次从空间进行观测，并且由于其显著的特征，未来的观测是可以预期的。剩余的甲醛仅仅在仪器噪声中出现，但是对烟流中几个光谱进行平均时，甲醛能够清晰地显现出来。

之前用IASI探测过乙烯（C2H4）、乙酸（CH3COOH）和PAN（Coheuret al，2009）。乙烯的特征极其明显，能够很容易地从许多大火烟流光谱中区分出来。图1显示的是观测到的CH3COOH和PAN不同的吸收带。之前只有PAN在794cm－1波段处观测到过，而对乙酸的观测只是试探性的。一些吸收带有部分重叠，如1140cm－1到1220cm－1的区域（橙色标记），而且如果较大部分的光谱不能被分析时还会错误地归因于其他分子的吸收。图1还显示出观测到的光谱，用来说明其复杂的结构。除了许多不同的分子吸收，气溶胶的贡献也能够作为一个在基线以下（背景表面温度大约295K）的宽波段被区分出来，在1050cm－1到1250cm－1的区域大量吸收。

图2 用天底红外探测仪累积探测到的气体种类历史回 顾：IRIS（Hanel et al，1972）、IMG（Clerbaux et al，2008）、AIRS（Carn et al，2005）、TES（Beer et al，2008）以及IASI（Coheur et al，2009；本文）。由于首次探测的确切日期难以确定，分别列出各种气体探测仪开始应用的时间

3 结论

在这篇文章中我们介绍了14种稀有痕量气体在IASI光谱中的光谱迹象。这14种气体中有7种以前从未有应用天底探测器探测的报道。图2对1969年第一次应用IRIS探测活性痕量气体以来红外天底遥感测量的进展进行了说明。最近快速增多的探测种类不仅仅在于光谱分辨率的提高，而是由于辐射度性能提高以及时空覆盖的改进（探测到更多的事件，并在早期发现）。IASI还将在轨运行10年（在 Metop－B和 Metop－C平台上），带有改进仪器的后续发射已纳入了计划。对大量痕量气体进行观测是重要的，将有助于更好地理解源排放、大气化学和对环境与气候的影响。

译自：Geophys Res Lett.2011.38：L10802

原 题：Thermal infrared nadir observations of 24atmospheric gases

（中国地震局地震预测研究所 孙玉涛译：杜建国、崔月菊校）