中国近30 a臭氧气候场特征

沈凡卉，王体健，沈毅，张欣

(南京大学大气科学学院，江苏南京210093)

0 引言

大气臭氧(O3)是大气中重要的微量气体，对紫外线有强烈的吸收作用。同时，O3也是大气中的强氧化剂，是大气“清洁剂”OH自由基的前体物。臭氧层分为平流层和对流层。平流层臭氧主要由氧分子吸收紫外辐射经光解反应生成，平流层中存在的氮氧化物(NOX)和卤素化合物等对平流层中的O3层起破坏作用。对流层臭氧主要来源于平流层的输送，或前体物的光化学转化生成。自工业革命以来，由于人类活动排放的O3前体物和平流层O3破坏物的增加，全球对流层臭氧浓度有着显著的增加，而平流层臭氧却不断损耗(柳燕，1998)。

大气臭氧层对人类和生物的影响非常重要，因此臭氧的探测和研究受到越来越广泛的关注。自从臭氧层发现以来，人们利用各种仪器，如飞机、气球、火箭和卫星对大气臭氧进行观测研究。其中卫星探测显得尤为重要，可以观测到空间中大气微量成分的时空变化特征，大气臭氧卫星遥感，使用的主要方法是掩日法、紫外后向散射法、临边探测法、气晖测量法和红外法等，其中紫外后向散射方法观测臭氧总量的精度达到了传统地面Dobson方法的水平，世界气象组织认为它是目前唯一能获得具有实用价值大气臭氧资料的卫星探测方法(张仲谋等，2001)。

从卫星观测的大气臭氧总量数据得到对流层臭氧总量的方法有很多种，其中Fishman提出的TOR方法得到广泛的使用，是通过臭氧总量测绘光谱计(TOMS)获取的大气臭氧柱含量数据和太阳紫外后向散射法(solar backscatter ultraviolet，SBUV)提供的平流层臭氧廓线数据来得到对流层臭氧柱含量(Fishman et al.，1996，1997，2003)，并对全球及部分区域对流层臭氧的时空分布及变化做了初步研究。

国内外已有很多科学家利用臭氧的卫星资料对全球及中国地区臭氧分布进行研究，Bramstedt et al.(2003)对由GOME和TOMS观测的臭氧总量与Dobson观测网的结果进行了对比，得出卫星观测资料与传统地面Dobson观测资料存在2%的偏差。Vanicek(2006)对捷克共和国地区由地面Dobson和Brewer观测以及卫星仪器TOMS和GOME观测的臭氧总量作了比较，发现地面Dobson观测与TOMS观测比较一致，而地面Brewer观测与GOME观测比较吻合。徐晓斌等(2006)利用TOR的资料分析长江三角洲地区对流层臭氧的变化趋势，得到1978—2000年之间长江三角洲地区对流层臭氧柱含量的增长趋势为0.8 DU/(10 a)。潘亮和牛生杰(2006)利用2003—2005年的AIRS(atmospheric infrared sounder)、TOVS(the TIROS operational vertical sounder)和TOMS卫星资料反演的大气臭氧柱总量分析了全球范围内大气臭氧的分布和变化特征，发现北半球大气臭氧柱总量有明显的季节变化，几种反演结果对比分析表明，AIRS的全球平均臭氧柱总量的值比TOVS和TOMS的值高大约3～5 DU。李辉(2003)利用TOMS和MODIS资料对臭氧总量进行研究，指出TOMS和MODIS反演的臭氧总量存在很好的相关性，但两者的偏差存在季节和地域性的差异。

本文利用近30 a TOMS和OMI的臭氧卫星资料分析中国地区臭氧的空间分布特征和季节变化特征，并对典型地区对流层臭氧和臭氧总量的月平均序列进行了突变、趋势和周期的分析。

1 资料和方法

1.1 仪器介绍与资料来源

1.1.1 仪器介绍

TOMS是成功长期观测全球臭氧的系列仪器。它首期被装载在1978年发射的Nimbus-7卫星上，并连续获取了15 a的大气臭氧数据(1979—1993年)。1996—2006年TOMS被装载在Earth Probe卫星上，EP/TOMS在6个不同的波段测量紫外后向散射，能够测量臭氧总量、气溶胶指数及SO2等。在两极的冬季极夜期间，TOMS不能获取数据。

臭氧监测仪(OMI)是美国国家航空和宇宙航行局(NASA)于2004年7月15日所发射的EOS-Aura卫星上携带的4个传感器之一，OMI是由荷兰和芬兰与NASA合作制造，空间分辨率为13 km×24 km，OMI是用于监测臭氧层以及地面紫外线的B波段，同时监测影响全球空气质量的痕量气体(如O3，NO2，SO2，HCHO，BrO，OClO)以及量化对流层臭氧和气溶胶对气候改变的影响。OMI有3个通道，波长覆盖范围为270～500 nm，光谱分辨率为0.5 nm，用星下点测量法监测紫外后向辐射，提供日均观测数据(Richard and Ronald，2007)。

1.1.2 资料来源

文中对流层臭氧的资料分为两部分，其中1979—2000年的月平均资料是TOMS/NIMBUS-7和TOMS/Earth Probe的资料(http://toms.gsfc.nasa.gov)，分辨率为1.0°×1.25°(纬度×经度)，其中1994—1996年的资料缺测;月均臭氧总量资料由3部分组成，1979—1993年之间的数据由TOMS/NIMBUS-7提供，1996—2005年的数据由TOMS/Earth Probe提供(http://toms.gsfc.nasa.gov)，2006年和2007年的数据是由OMI/Aura提供(http://disc.gsfc.nasa.gov/Aura/OMI)，其分辨率皆为1.0°×1.25°。

1.2 统计方法

采用Mann-Kendall突变检验法、二项式加权平均法以及小波分析法(黄嘉佑，2004)，分析广州地区对流层臭氧和臭氧总量的突变、趋势和周期特征。

2 中国臭氧气候场的特征分析

2.1 中国地区TO的气候特征分析

图1为臭氧总量的年平均分布，臭氧总量随着纬度增加而增加，总体呈现西南低、东北高的倾斜纬向型分布特点，全国臭氧总量的平均值为298.61 DU，在中国地区的南北梯度很明显，青藏高原上空都为明显的低值区，为一显著的臭氧低值中心，主要是由于青藏高原地区平均海拔4 000 m，太阳辐射强烈，因此导致了地面光化学反应速率远远高于内地平原地区。热力和动力作用是导致青藏高原上空出现臭氧低谷的主要原因。夏季是青藏高原地面对大气加热最强的季节，18 km以下大气中垂直向下的物质输送作用很强，从而将臭氧含量较少的低层空气带向高空，冲淡高空的臭氧含量。研究表明，全球范围的山地都会由于其特殊的热力和动力作用导致其上空的臭氧出现亏损(Han，1996)，高纬地区总臭氧最高值可达370 DU以上，而低纬地区最低值则达到270 DU以下。

从臭氧总量季节变化(图2)可以看出，臭氧总量在春季出现最大值，春季全国平均值高达319.52 DU，高纬地区高值可达400 DU以上;秋季出现最小值，全国平均值为278.94 DU，比春季低大约40 DU;冬季大于夏季，冬季中国地区臭氧总量的平均值为303.12 DU，而夏季为292.84 DU(表1)。臭氧总量最大值的出现比对流层臭氧要早1～2月，夏季和秋季臭氧总量的南北梯度不及春季和冬季明显，夏季除了东北地区微弱的高值梯度以外，其他地区基本没有很明显的梯度;秋季是全年臭氧总量最低值季节，秋季相比夏季梯度明显的地区缩小，整体臭氧总量的值也下降10 DU左右;同一个季节中，臭氧总量随纬度增加而增加，臭氧总量在经圈上的这种梯度在春季和冬季最为明显。低纬臭氧总量的季节波动比中高纬度要大;实际观测到的臭氧总量的季节变化和空间分布不能用经典的光化学反应来解释，只能用大气运动的影响来解释，低纬度区平流层光化学过程产生的臭氧被大气环流输送到高纬度，低中纬度平流层下部的这种极向环流在冬春季尤其强烈，冬春季强盛的极向环流将在热带平流层低层的光化学过程产生的高浓度臭氧向北方输送，形成了高纬度地区冬春季平流层低层的臭氧高浓度层，这一高浓度层是高纬度地区臭氧总含量高的原因，而在夏秋季这种环流较弱，臭氧含量的经向梯度也就较小(王明星，1999)。

图1 中国地区臭氧总量年均分布(单位:DU)Fig.1 Annual mean of total ozone in China(units:DU)

图2 中国地区臭氧总量的季节分布(单位:DU)a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.2 Seasonal mean of total ozone in China(units:DU)a.Spring;b.Summer;c.Autumn;d.Winter

表1 中国年、季TO、TOR气候值Table 1Annual and seasonal mean of TO/TOR in China DU

青藏高原地区在各季节始终为低值中心，在冬春季低值中心较弱，在夏秋季较强，周秀骥和罗超(1995)利用TOMS(1979—1991)的资料分析表明在6月份青藏高原上空出现了明显的臭氧总量低值，这个中心一直维持到9月份。Han(1996)利用卫星资料，求出了1979—1991年12 a平均的各季节全球臭氧总量各网格点纬向偏差的气候平均，同样证实夏季不仅青藏高原上空存在明显的低值中心(与同纬度相比，偏差30 DU以上)，且在落基山脉上空也有明显的低值中心。周秀骥和李维亮(2004)等通过数值模拟试验以及诊断分析，指出动力和化学作用对夏季青藏高原臭氧低值中心形成所起的作用:动力输送过程起着最主要的作用，化学过程部分补偿了动力输送过程所引起的臭氧减少。在动力输送过程中，水平输送在5月是造成臭氧减少的主要原因，而在6、7月垂直输送的作用不断增强，成为臭氧减少的主要因素。

2.2 TOR的气候特征分析

图3为对流层臭氧柱含量年平均分布，可以看出中国地区的对流层臭氧分布呈现东部高西部低的特征，整个中国的平均值为35.89 DU(表1)，最高值出现在四川东部，高达44 DU以上。同时河北和辽宁一带存在带状的次高值区，在42～44 DU之间。对流层臭氧含量的分布与整层臭氧含量的分布很大的不同，这主要与臭氧的来源有关，对流层臭氧主要来源于前体物的光化学反应，而平流层臭氧主要源于氧分子吸收紫外线所产生的，因此在中国的东部以及四川地区前体物比较高的地区对流层臭氧含量较高。但是在青藏高原地区对流层臭氧同样存在低值区，最低值低于30 DU，这种分布突显出对流层臭氧与地形之间的关系(王明星，1999)。在中国的东中部地区对流层臭氧的含量较高，这是受到人类活动的影响，排放大量了臭氧前体物，在青藏高原的北部边缘的新疆沙漠地区及向东的延伸，虽然人活动稀少，但对流层臭氧柱总量的浓度都相对较高，从印度西北部、中亚地区以及欧洲地区的西来气流中的对流层臭氧，对于该区域的对流层臭氧高值可能有贡献(李莹和赵春生，2007)。

图3 中国地区对流层臭氧年均分布(单位:DU)Fig.3 Annual mean of tropospheric ozone in China(units:DU)

图4 中国地区对流层臭氧季节分布(单位:DU)a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.4 Seasonal mean of tropospheric ozone in China(units:DU)a.Spring;b.Summer;c.Autumn;d.Winter

对流层臭氧的季节变化(图4)可以看出，夏季对流层臭氧浓度最高，中国地区夏季的平均值高达45.47 DU，这是因为夏季对流层臭氧由光化学反应产生的要比平流层注入的大得多(王明星，1999)，而夏季太阳辐射比较强，因此光化学反应产生大量臭氧，夏季在四川东部最高值可高于52 DU;冬季最低，平均值仅为26.42 DU，冬季对流层臭氧由光化学反应产生的与平流层注入的量相当或略大一点，冬季某些低值区甚至低于20 DU;而春季高于秋季，中国地区春季平均值为38.93 DU，秋季的平均值为32.72 DU(表1);四季臭氧的高值区都在四川的东部，而山东、河南、湖北等地区为次高值区，青藏高原地区始终为最低值区。

3 南方典型地区臭氧异常特征分析

3.1 臭氧总量趋势、突变及周期分析

图5 广州地区臭氧总量的趋势(单位:DU)Fig.5 Trend of total ozone in Guangzhou(units:DU)

图5为广州地区臭氧总量趋势分析结果，从图5上可以看出臭氧总量在1979—2007年期间存在着下降趋势，变化率为－2.1 DU/(10 a)，臭氧总含量的变化与人类活动有密切的关系，本文中可以看出对流层臭氧含量是增加的，而臭氧总含量却减少，表明平流层臭氧含量的减少幅度要远远大于对流层臭氧含量的增加，平流层臭氧含量的减少主要是大量制冷剂的使用排放出的氟氯烃以及工业生产排放的氮氧化物，从而使得臭氧总量的不断下降。广州地区臭氧总量存在显著的下降趋势，这与Stolarski et al.(1991)以及任福民和王梅华(1998)的研究结果相同。

图6为广州地区臭氧总量的突变检验结果，从图6中可以看出广州地区臭氧总量在1993年发生突变，在1993年之前虽然有很多交点，但并非突变点，因为突变点的存在必须维持一个长期的变化趋势，如图中的UF线表示臭氧总量的长期变化趋势，在1993年之后有明显的下降趋势，而1993年之前则是波动，在1993年之前的臭氧总量为正距平，而在1993年之后为负距平，表明臭氧总量在1993年之后降低比较明显，20世纪90年代初中国经济发展比较速度，人类生活水平有了大幅度的提高，冰箱的大量使用，释放大量的制冷剂，导致臭氧总量的大量损耗。任福民和王梅华(1998)研究表明20世纪80年代中后期则呈现出逐步上升的趋势。而进入90年代以来，全球臭氧总量变化表现出几乎一致的下降趋势并持续负距平(任福民和王梅华，1998)，本文的研究结果与其具有一致性。

图7为广州地区臭氧总量的小波分析结果，广州地区臭氧总量在1980—1988年以及1996—2002年存在显著的2 a周期。郭世昌和常有礼(2007)利用TOMS资料同样发现了臭氧总含量两年的振荡周期，Tung and Yang(1994)研究发现准两年振荡在赤道附近和南、北半球中纬度地区臭氧变化中都显著地存在。这主要与大气的准两年振荡周期有关，平流层臭氧的准两年振荡(QBO)早在20世纪60年代初就被发现了，与大气环流有密切的关系。

3.2 对流层臭氧突变、趋势及周期分析

广州地区对流层臭氧的趋势变化(图8)可以看出，从1979—2007年广州地区的对流层臭氧存在着明显的上升趋势，增长趋势为0.38 DU/(10 a)。广州地区作为珠江三角洲具有代表性的城市，经济发展迅速，且人口比较密集，大量使用燃煤，同时汽车的数量大幅度增加，排放出大量大气污染物，其中有重要的臭氧前体物(尤其是NOX、VOC和CO)，使得该地区对流层臭氧不断增加。同时在中国的其他经济发展比较迅速的城市也存在同样的特征，徐晓斌等(2006)发现长江三角洲地区对流层臭氧含量有明显的下降。

图6 广州地区臭氧总量的突变检验结果Fig.6 Abrupt change of total ozone in Guangzhou

图7 广州地区臭氧总量小波功率谱(a)和周期(b)分析Fig.7 (a)Wavelet and(b)period analysis of total ozone in Guangzhou

图8 广州地区对流层臭氧的趋势分析(单位:DU)Fig.8 Trend of tropospheric ozone in Guangzhou(units:DU)

图9为广州地区对流层臭氧突变检验分析结果，图9中标出的交点为突变点，从图9上可以看出广州地区的对流层臭氧在1997年发生突变。在1997年之前对流层臭氧的距平序列大多为负距平，而1997年之后大多为正距平，对流层臭氧的变化与工业发展密切相关，工业生产排放出臭氧的大量前体物，使得对流层臭氧浓度增加，而臭氧总含量的减少主要是平流层臭氧含量的大量减少，平流层臭氧的减少主要与人类生活水平相关，在1990年后广州地区的经济发展迅速，尤其的在20世纪90年代末，使得对流层臭氧有所增加。

广州地区对流层臭氧小波分析结果(图10)可以看出，广州地区对流层臭氧存在1 a及2 a的周期，其中从1985—1994以及2000—2007年之间1 a的周期比较显著，1982—1986年之间2 a的周期比较显著。这种1 a的周期可能与太阳辐射强度的周期相关，这与对流层臭氧含量的来源有关，对流层臭氧主要来源于前体物的光化学反应，因此太阳辐射的年周期变化对其影响很大。而2 a的周期可能是受大气准两年振荡周期的影响，因为对流层臭氧与平流层臭氧存在交换，而平流层臭氧受大尺度大气运动的制约。

4 结论

图9 广州地区对流层臭氧的突变检验Fig.9 Abrupt change of tropospheric ozone in Guangzhou

图1 0 广州地区对流层臭氧小波功率谱(a)和周期(b)分析Fig.1 0(a)Wavelet and(b)period analysis of tropospheric ozone in Guangzhou

应用1979—2000年对流层臭氧柱总量的月平均数据和1979—2007年臭氧总量月平均资料，分析了中国地区对流层臭氧的空间分布和季节变化特征，同时分析了地区南方典型地区广州对流层臭氧和臭氧总量的趋势、突变以及周期的变化特征，得到以下几点主要结论:

1)中国地区的对流层臭氧呈现东部高西部低的分布，四川东部为极高值区，而青藏高原为极低值区，四川东部年平均极高值可达44 DU以上，青藏高原上年平均最低值低于30 DU;夏季值最高，而冬季最低，春季高于秋季。

2)臭氧总量是随着纬度的增加而增加，而青藏高原地区为最低值区，年平均最低值为达270 DU;臭氧总量在春季出现在最高值，而秋季值最低，冬季高于夏季。

3)广州地区的对流层臭氧在1979—2007年之间存在明显的上升趋势，时间变率为0.38 DU/(10 a)，在1997年发生突变，同时存在显著的1 a及2 a的周期;臭氧总量在1979—2007年之间存在明显的下降趋势，变化率为－2.1 DU/(10 a);在1993年发生突变;存在显著的2 a周期。

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