基于TES反演数据的亚洲中低纬度地区大气水汽_D的时空分布_黄一民pdf

第69卷第11期地理学报Vol.69,No.112014年11月ACTAGEOGRAPHICASINICANovember,2014基于TES反演数据的亚洲中低纬度地区大气水汽δD的时空分布黄一民1,孙葭2,黄一斌3,章新平4(1.衡阳师范学院资源环境与旅游管理系,湖南衡阳421008;2.海南师范大学地理与旅游学院,海口571158;3.装甲兵工程学院装备试用与培训大队,北京100072;4.湖南师范大学资源与环境科学学院,长沙410081)摘要：利用搭载在Aura卫星上的TES观测仪所反演的2004年8月至2010年12月逐日HDO、H2O、气温以及GNIP等资料，对亚洲中低纬度地区大气水汽中δD的时空分布特征、水汽δD与气温、水汽量的关系以及与降水同位素的关系进行了研究。从空间上来看：大气水汽、降水δD整体上表现出随纬度升高而降低的趋势，同时低纬度的西太平洋暖池以东和西亚地区形成了两个高值中心，中纬度的青藏高原和西太平洋形成了两个低值中心。从季节变化来看：陆地上水汽δD表现出暖季的高值与冷季的低值交替出现，海洋上这种变化则不明显，同时，可以看到水汽δD的季节变化与低纬度陆地上降水δD的暖季低、冷季高正好相反；中纬度大陆上水汽δD的最大值出现在气温最高的夏季；低纬度的印度半岛、中南半岛的最大值出现在季风暴发前的春季。就水汽中δD与气温、水汽量关系而言：在中纬度大陆及西亚地区均表现出正相关；在西太平洋暖池处，水汽中δD与气温呈正相关，与水汽量呈负相关。关键词：亚洲；大气水汽；δDDOI:10.11821/dlxb2014110071引言过去几十年中，自然水体中的水稳定同位素(如D和18Ο)在云物理学、气候学、水文学、古气候学和生态学等研究中得到了广泛应用[1-3]。水循环过程中，大气水汽、降水中D和18Ο的变化起因于蒸发和凝结时所伴随的同位素分馏[4]。在国际原子能机构(IAEA)和世界气象组织(WMO)的共同倡导下，1961年建立了全球大气降水同位素网(GlobalNetworkofIsotopesinPrecipitation，GNIP)，其目的在于为水文水资源调查、规划和开发提供同位素资料。目前，全球有来自125个国家或地区的超过1000多个气象站为GNIP收集逐月降水水样。基于降水中同位素的研究工作，取得了丰硕成果，如提出了温度效应、雨量效应、纬度效应、高度效应、大陆效应，它们对降水同位素进行了充分解释。需要指出的是，降水只是大量蒸发、冷凝以及混和过程的最终产品[5]。研究表明大气水汽中稳定同位素有助于深入认识水循环过程以及反馈机制[1,6-8]。因此，有必要对水循环过程中水汽稳定同位素进行相应了解。然而，大气水汽因收集难以实现，对它的研究却不多。大气水汽中稳定同位素的研究在国外开始较早，研究发现影响大气水汽中稳定同位素的因素非常复杂。如中纬度地区的纽约、帕利塞德以及新英格兰地区大气水汽中同位素与相对湿度和收稿日期：2013-09-23;修订日期：2014-03-21基金项目：国家自然科学基金项目(41401019;41201398);衡阳师范学院科研启动项目(14B45)共同资助[Foundation:NationalNaturalScienceFoundationofChina,No.41401019;No.41201398;ScientificResearchStartupProjectofHengyangNormalUniversity,No.14B45]作者简介：黄一民(1980-),男,湖南汨罗人,博士,讲师,主要从事全球气候变化研究。E-mail:[e-mail]1661-1672页1662地理学报69卷比湿都存在显著正相关[9-10]。海岸附近大气水汽中同位素则受到强烈的海—气相互作用的影响[11]。天气过程对大气水汽中同位素成分也有着重要影响，如强烈的暴风雨活动引起的降水能使大气水汽中重同位素迅速脱离出来，从而导致剩余水汽中同位素比率降低[12]。在国内，余武生等[13]、尹常亮等[14]分别对青藏高原上的那曲、德令哈两地近地面的大气水汽同位素进行了研究，发现季风活动和降水事件对水汽中δ18O的影响非常大。温学发等[15-16]对北京近地面大气水汽中δ18O和δD的观测表明同位素丰度的日变化及昼夜变化在夏季风期间明显小于其它时段、非季风期间同位素的丰度与水汽含量存在着显著正相关[16]。上述研究均基于小尺度(包括时间和空间)的分析，那么大尺度时空下，大气水汽中水稳定同位素又有着怎样的变化特征呢？卫星遥感技术在大气成分观测上的应用使得在全球尺度以及长时间对大气中H2O和HDO的观测成为了可能。利用卫星观测大气水汽和水汽中HDO具有以下优点[17]：采用连续覆盖模式，并沿卫星轨道密集取样；从三维空间观测大气水汽和水汽同位素的水平与垂直分布；探测沙漠和海洋上空的水汽同位素，弥补了人工观测的不足。1996年8月17日，日本发射了地球大气观测卫星之一的ADEOS(ADvancedEarthObservingSatellite)，搭载在该卫星上的温室气体干涉监测仪(InterferometricMonitorforGreenhouseGases)实现了全球首次对流层中层至低层水汽中HDO的测量，其观测时长为1996年11月至1997年7月[18-19]。2002年3月1日，欧洲空间局发射了环境研究卫星(EnvironmentalSatellite，ENVISAT)，搭载在该卫星上的迈克尔逊无源大气探测干涉仪(MichelsonInterferometerforPassiveAtmosphericSounding)测量了高度6~68km范围内的HDO，其观测时长为2002年7月至2004年3月[20-21]。同样搭载在欧洲空间局的环境研究卫星ENVISAT上的大气扫描成像吸收光谱仪(ScanningImagingAbsorptionSpectrometerforAtmosphericChartography)，它则测量了整个大气柱的总可降水量和HDO[5]，其观测时长为2003年1月至2005年12月。目前，在轨运行的Aura卫星上的对流层发射光谱仪(TroposphericEmissionSpectrometer，TES)从2004年8月开始H2O、HDO观测(将在资料与方法部分作详细介绍)。基于前三种卫星观测仪所反演资料的研究较少，但却有着重要发现。如撒哈拉内部地区大气水汽中δD强的季节性就表明哈德莱环流的下沉支对水汽同位素存在着强烈的贫化作用，这也表明水汽同位素的丰度受到大气环流的动力过程影响[5]。美国国家航空航天局下的喷气推进实验室(JetPropulsionLaboratory)对TES反演算法进行了不断改进，并对精度进行了评估[22-23]。TES资料现已成功用于多个研究中[22,24-29]，如对热带地区水循环中雨滴蒸发和大陆上对流活动进行定量估计[28]；对亚洲季风区(限定在很小区域内)、澳大利亚北部和亚马逊地区的研究则发现云中及云底存在大量水循环[24]；对热带海洋上空云层与水汽过程的研究则发现热带海洋大气水汽中δD并非严格按照瑞利分馏模型进行，这表明对流、下沉、雨滴再蒸发以及有序的深层对流在控制水汽分布中都起着重要作用[25]。在国内，黄一民等[30]、章新平等[17]基于TESLevel3数据，前者初步揭示了亚洲水汽同位素在等压面以及垂直方向上的特征，同时该文也指出所用资料存在的缺陷，后者则对全球水汽同位素的分布、季节变化以及影响水汽同位素的温度和可降水量进行了研究。亚洲是全球最著名的季风区[31-32]，也是全球人口最多的洲。对亚洲季风区的水循环研究具有着重要理论及实际意义。目前，氢氧稳定同位素示踪技术已成功用于研究水循环机理，而应用氢氧同位素示踪技术有两个必要前提：一是需了解参与水循环过程的不同水体中D和18O组成的变化特征，二是需揭示影响同位素变化的机制。本文基于TESLevel2数据，经过偏差校正，揭示了亚洲中低纬地区大气水汽中δD的时空分布特征以及它与气温、水汽量的关系，这为水循环研究提供了来自水汽同位素的支持，同时对降水中稳定同位素研究具有重要的参考价值。11期黄一民等：基于TES反演数据的亚洲中低纬度地区大气水汽δD的时空分布16632资料与方法2004年7月15日，美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)发射了地球观测系统(EarthObservingSystem，EOS)的Aura卫星。该卫星的升交点为当地太阳时下午约1:45，其轨道为近极地太阳同步轨道，轨道高度705km。近极地太阳同步轨道上的卫星能以固定的地方时观测地球大气，有较固定的光照条件，这对可用资料的获取、资料的接收、轨道的计算等都十分方便。TES正是搭载在Aura卫星上的四个仪器之一。TES是一个红外、高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪(FTS)，它有limb(2005年5月停止工作)和nadir(俯视)两个观测模式，前者分辨率为0.025cm-1，后者的分辨率为0.1cm-1，这使得它能够分辨出各种气体的发射光谱线特征。TES能对H2O、HDO、CO、CH4、NO2和HNO3等的形成和消亡进行全球的、三维的观测。同时，TES也对大气温度进行了反演。本文采用的数据来自nadir模式，该模式下的一次全球观测由连续16个轨道组成(约26小时)，每两天进行一次(为了延长仪器使用寿命，仪器工作一天，关闭一天)，生成约500~3000个高质量的大气HDO剖面，其水平扫描范围为5.3km×8.4km[22]。本文采用TESlevel2VOO4资料(下载自)，它生成了67个等压面上的H2O、HDO、气温，资料时长为2004年8月到2010年12月(因仪器故障，存在部分缺测值)。TES同位素比率的精确估计来源于一种联合反演算法，该算法能部分抵消HDO、H2O两者均存在的系统误差[22]。就TES同位素比率估计的垂直分辨率和误差特性来看：TES的同位素估计在地球表面(约1000hPa)至大约300hPa范围内非常灵敏，700hPa处灵敏度达到峰值；误差特性则因TES反演的灵敏度依赖于气温和水汽量，出现了灵敏度随纬度升高(伴随气温降低、水汽量减少)而降低的情形[22]。南北纬45°向两极区域，反演的灵敏度已非常小。基于上述原因，我们的分析限于自由对流层(500~850hPa)以及45°N以南区域。为了保证所用数据为来自高质量的、具有物理意义的反演，本研究选择信号自由度(Degrees-of-Freedom)大于或等于0.5的反演剖面[24,28]。由于HDO光谱谱线强度的原因[33]，500-850hPa间HDO的整个反演值比实际值约偏大6.3%[23]。我们采用下式对HDO进行偏差校正[23]：lnqcorrectedHDO=lnqoriginalHDO-ADDδbias(1)式中：qoriginalHDO为HDO剖面的体积混和比(vmr)、ADD为平均核函数矩阵，在level2产品中均已给出。δbias是一与qoriginalHDO长度相等的列向量，它包含偏差校正0.063。经过对HDO进行偏差校正后，HDO/H2O比的精度接近1.90%[23]。需要注意的是偏差校正仅针对HDO，而不适于H2O。大气水汽中D的比率(HDO/H2O，采用分子比)用相对于维也纳标准海洋水的千分差(δDv)表示，其计算公式为[28]：RδDv=-1×1000(2)RV-SMOW式中：R=qHDO/qH2O，RV-SMOW为维也纳标准平均海洋水的同位素比率，此时其值取3.1152×10-4，其计算公式如下：。δDv的加权平均计为δDv=∑qH2Oi×δDi∑qH2OiδDv(3)式中：qH2Oi和δDi分别为第i个观测剖面的水汽体积混和比及与之