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1、利用AVHRR和OCI資料求取大氣中的氣溶膠參數鍾明珠、曾忠一中央研究院物理研究所cytsengphys.sinica.edu.tw摘要1999年1月27日發射升空的中華衛星一號，它所酬載的海洋水色照相儀OCI與NOAA衛星所酬載的AVHRR輻射計，有兩個頻道其觀測波段部分重合；分別為AVHRR的第1頻道與海洋水色照相儀的第5頻道，AVHRR的第2頻道與海洋水色照相儀OCI的第6頻道。它們分別位於可見光至近紅外光波段，適合量測大氣中的氣溶膠。本研究用來量測大氣中的氣溶膠模式是採用Durkee(1991)等人於研究中所建立的模式。該模式是利用衛星所接收到的輻射量在可見光至近紅外光波段間會與大氣氣
2、溶膠光程近乎線性關係，且藉由AVHRR的第1頻道和第2頻道兩波段推演出氣溶膠粒徑參數，得到小尺寸的氣溶膠(粒徑)對氣溶膠粒徑參數的影響很明顯，也就是說氣溶膠粒徑參數對小尺寸氣溶膠的敏感度較大尺寸為高。將海洋水色照相儀的衛星資料代入上述的氣溶膠模式，計算台灣附近海域的氣溶膠光程和氣溶膠粒徑參數。計算出來的結果顯示：利用海洋水色照相儀OCI的衛星資料也可量測大氣中的氣溶膠光程，唯其值較利用AVHRR衛星資料所計算出的值低；而經由模式計算出來的氣溶膠粒徑參數也是相同的情形。1一、前言1980年NOAA利用繞極軌道氣象衛星來遙測大氣中的氣溶膠且針對區域性的氣溶膠分佈情形進行研究(Fraser et a
3、l.1984)，並於1981年時將這項技術運用在AVHRR輻射計上。此後美國、日本和歐洲的學者便藉著衛星遙測技術而發展出全球監測系統，國際性太空發展機構以及歐洲太空環境計畫等。我國也於1999年1月27日發射第一顆科學實驗衛星中華衛星一號加入這個領域。該衛星資料的研究可分為三方面：通訊、日地物理和海洋水色。而本研究是著重在海洋水色這方面的資料，其相關研究有Liu et al.1999, Chen et al.1999, 劉, 1999等。由於大氣氣溶膠在輻射效應方面對地球能量收支產生了影響，使得全球氣候受到了改變，所以近數十年來有很多藉由衛星遙測技術，對氣溶膠進行大尺度範圍的監測與研究(Two
4、mey et al. 1984; Charlson et al.1992; Schwartz et al. 1995; Houghton et al. 1996)。更有人藉由火山爆發事件所產生的灰塵、煙灰等物質進行研究，以期對氣溶膠影響氣候變化有更進一步的了解(McCormick et al.1995; Kent et al. 1995; Tegen et al. (1996)針對灰塵進行研究；Christopher et al. (1996)針對煙灰進行研究)。他們的方法有很多，例如：Griggs 1975; Fraser 1976; Mekler et al 1977; Quenzal a
5、nd Koepke 1984; Takayama and Takashima 1986; Kautamam et al. 1990等的研究是以單一頻道反射函數方法(single-channel reflectance); 這是利用可見光頻道對大氣中的氣溶膠進行量測、研究和分析；這種方法又以利用繞極軌道氣象衛星-NOAA的單一頻道反演法最能成功描述在海洋面上的氣溶膠於對流層和平流層的分佈情形(Husar et al. 1997)。例如：Veefkind等人於1999年所發表的文章即是以AVHRR輻射計的第1頻道衛星資料帶入已建立的模式和另一顆名叫ATSR-2的衛星資料作比較分析後，發現乾性的氣溶
6、膠於垂直向上的溫度、相對溼度和粒徑散射的變化梯度不如相對溼度的改變，而這個研究是為了能更進一步了解大氣中的氣溶膠，所以在1998年進行了一項名為TARFOX的計劃。在多頻道反射函數法衛星遙測技術中，以使用可見光至近紅外光波段來建立該兩波段的模式是最常見的例子。例如：Durkee等人於1991年的研究中，便是利用了AVHRR輻射計的第1頻道和第2頻道來量測大氣中的氣溶膠光程，他們是利用衛星在晴空無雲且平靜的海域上，在可見光至近紅外光波段間所接收到的輻射量視為主要是由氣溶膠所引起的散射而來，並假設衛星觀測到的輻射強度都是單次散射。所以，對太陽輻射而言，氣體分子所引起的雷氏散射可視為常數而忽略不計，
7、但雲滴和氣溶膠所引起的散射，就不能略去不計。在這樣的假設下，就驗證了衛星所接收到的輻射強度與氣溶膠光程有近乎線性的關係。這個模式中所選用的波段與我國剛發射的中華衛星一號所酬載的海洋水色照相儀的第5頻道和第6頻道，恰有相重疊的部分。所以，本研究目的是利用海洋水色照相儀的衛星資料代入上述的輻射傳遞單次散射近似模式，將計算出的氣溶膠粒徑參數和氣溶膠光程與AVHRR輻射計所算出的值做比較分析看其差異性，以了解海洋水色照相儀所接收到的輻射強度是否會與AVHRR輻射計所接收到的輻射強度一樣對氣溶膠的光程呈現近乎線性的關係。二、模式的應用在討論平行平面大氣的輻射傳遞方程之前，必須假設吸收氣體的溫度、密度在局
8、部地區和水平方向無關，也就是說假設大氣是層結的，所有的物理量只是高度的函數，並忽略地球曲率的影響，把地表當作平面。另外，假設大氣主要是由氣體分子和氣溶膠所組成的。在這些假設下，太陽輻射傳遞方程可寫為(曾, 1988a, b, c)： (1)其中各符號的意義如下：光程處沿方向的漫射輻射強度：我們所考慮的方向，可用衛星天頂角和方位角表示：太陽天頂角的餘弦：衛星天頂角的餘弦：大氣層頂處的太陽通量密度：散射相函數：單次散射反照率：入射輻射的方向：立體角元：太陽方向(1)式中右邊第一項表示因散射或吸收而引起的衰減，第二項表示多重散射的增加效應，第三項表示直射陽光單次散射的增加效應。此指的單次散射就是陽光
9、只被散射一次；換句話說，陽光這唯一的輻射源到達光程後被散射到方向，可是被散射到以外方向的陽光不會再被散射到方向，但方向的輻射強度仍可能被氣體所吸收或散射到別的地方。 在海洋上，光程一般都小於0.2，而且第三項比第二項來得大；也就是說衛星所觀測到的散射強度可視為全由單次散射的貢獻而來(僅在海洋上才可以如此簡化)。因此太陽輻射傳遞方程(1)式中的右邊第二項可略去不計，而將(1)式的太陽輻射傳遞方程改寫為 (2)利用(2)式的太陽輻射傳遞方程，可以很容易求得解，並由這個解得到大氣層頂處的向上輻射強度為(見曾，1988c) (3)其中為散射角，即入射陽光方向和方向間的夾角。(3)式中的其意義為整個大氣
10、層的光程。本文即是利用氣溶膠反射太陽輻射至衛星輻射計的量來量測氣溶膠散射強度。若考慮光學上的薄層大氣(optically thin atmosphere)，即則(3)式可簡化成 (4)因為已假設大氣主要是由氣體分子和氣溶膠所組成的，所以散射強度可分為氣溶膠引起的散射加上氣體分子引起的雷氏散射。因此純粹由氣溶膠引起的散射可寫為 (5)其中就是氣溶膠光程。這裏證明了本模式的理論基礎：氣溶膠散射強度和氣溶膠光程有近乎線性的關係(Durkee et al., 1986)。氣溶膠光程的定義如下： (6)(6)式中削弱係數的定義為 (7)其中為氣溶膠的粒徑分布，即為半徑在到間的氣溶膠數目密度，為削弱效率因
11、子，可由氣溶膠大小、成分和波長決定，為衛星高度。另外，為折射指數。所以削弱係數是氣溶膠大小、成分和分布情形的函數。總結的說，是氣溶膠粒徑和粒徑分布的函數，而氣溶膠光程又是削弱係數的函數。因此氣溶膠的粒徑大小和分布情形將會反映在氣溶膠光程上。由(5)式就可導出氣溶膠光程為： (8)若要求出(8)式中的氣溶膠光程，就必須先求出等式右邊的, 和三項的值。首先來看單次散射反照率。關於值，Durkee(1991)提供NOAA衛星所酬載的AVHRR輻射計第1頻道的單次散射反照率值為1.0；另藉由5S程式套(Tanre, 1987)的使用說明書，也可求出海上型、大陸型和城市型三種隨波長變化的曲線。只要給定本
12、研究所取用的衛星資料其觀測波段的波長範圍，即可找到相應的單次散射反照率值和大氣層頂處的太陽光譜。就局部小尺度的分析來說，可以假設大氣氣溶膠的粒徑分布變化是極微的，也就是說相函數在小尺度的分析上並沒有扮演太重要的角色。可是就大尺度或對全球來說，粒徑分布的明顯變化是可以預期的。因此先假設氣溶膠的粒徑分布是一種雙模型式，又相函數主要是由氣溶膠的粒徑分布來決定，加上從(8)式中可以看出若給定相函數後就可以決定氣溶膠光程了。由(6)與(7)式可知，氣溶膠粒徑分布決定了氣溶膠光程，也就是說氣溶膠的粒徑分布變化將會反映在氣溶膠光程與因氣溶膠所引起的米氏散射上。Durkee(1984)選用可見光(即AVHRR
13、輻射計第1頻道)和近紅外(即AVHRR輻射計第2頻道)兩波段推演出所謂氣溶膠粒徑參數(aerosol particle size parameter)： (9)小尺寸的氣溶膠(粒徑微米)對氣溶膠參數的影響特別明顯，也就是說氣溶膠參數對小尺寸的氣溶膠其敏感度較大尺寸者為高。正因為如此，氣溶膠粒徑參數在南北半球的平均值就會明顯的差異，是因為北半球大都是陸地，所以氣溶膠為大陸型的氣溶膠粒子(粒徑微米)為主，而南半球大都是海洋，所以普遍是海洋型的氣溶膠粒子(粒徑微米)居多。在這裏我們引進指數來對相函數進行參數化。在定性上必須先了解，低的值表示氣溶膠主要為大粒子(粒徑微米)，高的值則表示氣溶膠主要為小粒
14、子(粒徑微米)，這將有助於更了解氣溶膠在相函數中所扮演的角色。上面已經說過，有別於氣體分子對於太陽輻射所引起的雷氏散射，氣溶膠所引起的散射是以米氏散射為主。而本文所採用的Henyey-Greenstein相函數在描述米氏散射時，僅在前向散射方面表現良好，但在後向散射方面卻不甚理想。因此在這裏採用兩個Henyey-Greenstein相函數來彌補這種缺失，這就是所謂雙模相函數，其表達式為 (10)其中為權因子，與為非對稱參數(asymmetry parameter)，三者都是氣溶膠粒徑參數的函數。Shettle and Fenn(1979)以1.2為海洋模式的平均值，將這些參數表達如下 (11)
15、 (12) (13)(11)到(13)式中的參數值隨著區域和季節的不同而有所差異，因此不同的個案將有不同的值。此外，在利用氣溶膠粒徑參數對相函數進行參數化之前，理應先對大氣分子產生的雷氏散射效應和臭氧的吸收效應加以訂正。但是本文選用的AVHRR輻射計第1頻道和第2頻道，兩者對上述效應的敏感程度不同，且同頻道內這兩個效應對氣溶膠粒徑參數的影響恰好相反。意即第1頻道的雷氏散射效應遠大於第2頻道，使得在第1頻道的氣溶膠粒徑參數值增大，而臭氧的吸收效應也主要發生在第1頻道，後者則使氣溶膠粒徑參數減小。正因為如此相互消長，故為了模式的簡化起見，所以不特別對上述效應加以訂正。經過估算後，有無訂正的結果相差不大。三、個案的選取中華衛星一號於1999年1月27日發射升空，雖然每日約6次對國內接收站傳輸所收集到的資料，但海洋水色照相儀所拍攝的影像卻未必都是以台灣地區附近海域為主的資料。所以，先藉由中華衛星一號海洋水色照相儀科學資料分送中心所建構的網站看衛星影像速覽的影像資料，挑選出海洋水色照相儀有觀測到台灣附近海域的影像資料(見圖1、2、3所示)，再申請購買AVHRR輻射計相同範圍的衛星資料(見圖4、5、6所示)。結果選取了三個符合本文模式的個案，這三個個案分別是1999年6月23日，NOAA-14號衛星由南向北經過台灣附近時，衛星站所接收到的
