青藏高原臭氧低值中心特征及成因分析

王秀英，田孟坤，陈 艳，郭世昌*

（1.普洱市气象局，云南普洱 665000；2.云南大学 大气科学系，昆明 650091；3.云南省气象局，昆明 650034）

臭氧是大气中的重要微量成分之一，能吸收有害的太阳短波辐射，起到保护地球生物圈的作用。其浓度及垂直分布的变化会改变大气垂直辐射平衡，对平流层、对流层的气候变化、热力过程以及环境效应等均有重要的影响[1]。自20世纪80年代中期南极上空发现臭氧空洞以来，臭氧含量的变化引起了人们的广泛关注。邹捍等[2]利用Nimbus-7卫星上搭载的臭氧观测光谱仪（TOMS）测得的资料，发现大尺度山地（青藏高原、落基山脉和安第斯山脉）上空均存在明显的臭氧低值扰动。Wei等[3]通过分析1960年中国登珠峰团队在5 120 m高营地（27°59′N,86°55′E）4月及5月的臭氧观测资料，发现该营地臭氧总量值较相近纬度的地区低。周秀骥等[4]和付超等[5]用资料进一步证实了青藏高原地区夏季存在大气臭氧低值中心。

最近，国内外学者对青藏高原臭氧总量的变化进行了大量的研究[6-16]。其中，文献[6-9]认为，青藏高原地区夏季受动力—热力因素影响，不但存在大气臭氧低值中心，而且该低值中心是一个强大的臭氧递减中心。邹捍等[2]、季崇萍等[10]通过研究大气环流对臭氧的输送，发现青藏高原臭氧总量的变化与厄尔尼诺和南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）的强弱有关；青藏高原臭氧总量的准两年周期振荡（the Quasi-Biennial Oscillation，QBO）变化位相与热带平流层纬向风场的QBO变化相反。在南亚高压与青藏高原臭氧变化的研究中，周任君等[8]发现，当夏季南亚高压中心偏伊朗高原时，伊朗高原上空臭氧总量比多年平均值低。Reiter等[6]的研究结果表明,在4月中下旬，南亚高压移向高原并在高原维持时，高原上空的臭氧总量出现相应的低值。仇永炎等[11]对全球各处高于491 m的22个高山站的臭氧观测资料进行研究，提出高山静力亏损是青藏高原臭氧低中心及落基山臭氧低槽形成的基本成因。

关于青藏高原臭氧低值成因的分析，目前已对大气环流输送与青藏高原臭氧浓度的变化开展了很多研究。然而在臭氧浓度输送及高山地形作用方面的研究还不够深入，而这个问题又具有重要的研究价值。鉴于此，本研究使用1984—2013年臭氧总量资料，分析青藏高原臭氧低值区的特征。采用HYSPLIT后向轨迹模型，模拟追踪青藏高原区域气流的源地，从对流层大气环流对臭氧的输送作用及高山地形的影响角度，分析青藏高原臭氧低值的成因。为更为精细地分析不同层次上的臭氧低值，我们对2004—2013年青藏高原对流层不同层次气流的来源分别做模拟实验。

1 资料与方法

众多研究[17-21]表明大气环流的输送对臭氧的分布会起重要的作用。例如郭世昌等[17]曾指出Hadley环流的强弱对臭氧浓度的变化有明显的影响，陈文等[22]发现中层大气行星波对臭氧有输送作用。在大气环流对大气污染物的输送研究方面，文献[23-27]指出HYSPLIT后向轨迹模型可以较好地用于 O3，NOx，SO2，CO2和 PM2.5等污染物浓度的分析。因此，笔者采用后向轨迹模型方法分析青藏高原区域气流的来源，进而讨论大气环流对臭氧的输送与青藏高原臭氧低值的关系。

1.1 资料

文中采用1984—2013年的ECMWF再分析风场及臭氧月平均资料。臭氧资料包括臭氧柱总量及臭氧总量混合比两部分。研究区域为青藏高原地区（5°～40°N，75°～105°E）。

1.2 后向轨迹模型

后向轨迹为气流在某个时间点前气流的轨迹。文中使用ARL（NOAA-Air Resources Laboratory）的HYSPLIT 4.9版本，通过分析气流受何种因素影响，来分析气流的流向。其传输模式分为前向和后向，前向即为气流在未来时间内可能的流向，也就是所谓的轨迹预报，后向为追溯在此时间点以前气流来向的轨迹，关于模式的详细介绍参见文献[27-28]。

用HYSPLIT 4.9三维轨迹模式计算了2004年1月1日到2013年12月31日逐日72 h后向轨迹，使用点（29°N，90°E）表示青藏高原区域，计算得到1984年1月至2013年12月青藏高原地区不同层次间臭氧总量混合比的相关系数，550 hPa与450 hPa层间相关系数为0.99，550 hPa与350 hPa层间相关系数为0.85，450 hPa与350 hPa层间相关系数为0.91，350 hPa与250 hPa层间相关系数为0.24，250 hPa与150 hPa层间相关系数为0.76。其中相邻各层次间的相关系数均通过了置信度为95%的相关系数显著性检验。550 hPa，450 hPa，350 hPa各层间臭氧总量混合比的相关系数均在0.80以上，相关性较好，将其视为一层；而350 hPa，250 hPa，150 hPa各层臭氧总量混合比的相关性则较差，因此需分别对250 hPa，150 hPa进行分析。在模式中使用离地面高度2.5 km，7.0 km，10.0 km以接近对应的450 hPa，250 hPa，150 hPa的高度来分析青藏高原区域气流的来源，进而分析青藏高原区域臭氧低值区的成因。

1.3 簇分析方法

采用簇分析[29-30]的方法将HYSPLIT模式输出的结果做聚类分析，得出青藏高原区域气流主要源地。簇分析为一种多元统计技术，多数用来研究空气污染，这一方法使用空间方差和（TSV）尽可能将接近的轨迹进行合并。具体方法为：将所需要分析的n条轨迹两两组合，选择TSV最小值的组合，将其合并。重复以上操作，开始几步TSV迅速增加，然后TSV缓慢增加，分到一定数量后，TSV又迅速增加。此时表明需要合并的轨迹已经很不相似，结束以上操作。簇分析主要有以下公式：

式中：TSV1为空间方差和，lon为经度值，lat为纬度值，k为时间，i，j为轨迹数，lon′为合并后轨迹的经度值，lat′为合并后轨迹的纬度值。

2 青藏高原臭氧场特征

2.1 青藏高原臭氧低值

图1（a）给出青藏高原及其周边区域臭氧总量年平均分布。为讨论青藏高原对流层气流源地，将青藏高原及其周边地区分为9个区域，其中TP为青藏高原，图1（a）中阴影部分为青藏高原海拔高度超过3 km地形。可以看出，青藏高原及其周边区域臭氧总量随纬度的增加而增加，高原北部臭氧等值线较高原南部密集，青藏高原及周边区域南北向上臭氧总量梯度变化显著，臭氧场总体呈西南低东北高的分布特征。青藏高原臭氧总量平均值为5.948 g/m2，青藏高原海拔超过3 km区域常年存在臭氧低值中心，75°E昆仑山西端存在臭氧低槽，可以看出臭氧场与地形高度呈负相关关系。

图1 臭氧总量年平均分布（a，单位：g/m2）及臭氧年平均垂直廓线（b，单位：10-6）Fig.1 Annual mean distribution of total ozone(a,unit:g/m2;b,unit:10-6）

从臭氧总量多年季节平均分布图（图2）上分析，青藏高原地区臭氧总量春季出现最大值为6.342 g/m2，秋季出现最小值为5.968 g/m2，青藏高原臭氧总量空间及季节分布特征与中国近30年气候特征[31]分布相似。季节变化上，青藏高原臭氧总量春季、冬季南北向分布梯度大，臭氧总量等值线存在低值，位于75°E昆仑山西端为臭氧低槽。夏季、秋季青藏高原臭氧南北向空间分布梯度小，臭氧总量出现显著低值区，此低值区跨过喜马拉雅上空，与副热带低浓度臭氧气团合并。从多年月平均资料图（图略）分析臭氧低值中心的强度及位置变化可见，臭氧低值中心最浅为1月，位于藏南（30°N，95°E）至青藏高原北部，5月、11月青藏高原臭氧低值中心明显，青藏高原东部以南地区的副热带形成另一臭氧低值区。其中，6—10月青藏高原臭氧低值区向东南方向延伸，与副热带低值区合并，12月、1—4月青藏高原仍有浅薄的臭氧低谷存在。

青藏高原臭氧场低值区常年存在，冬春为浅薄的臭氧低槽，夏秋形成显著低值区。使用3 km地形叠加，可明显看出青藏高原臭氧总量场从喜马拉雅山脉、冈底斯山脉附近至青藏高原北部为一常年存在的臭氧低值区，75°E昆仑山西端为一臭氧低槽，臭氧总量与地形高度成负相关关系。青藏高原以西伊朗高原为一双峰型臭氧低槽。其一与伊朗高原西部的扎格罗斯山位置相对应，低槽与山脉走向相一致，也为西北—东南向，另一低槽与伊朗高原东部兴都库什山相对应为东北西南向，与昆仑山臭氧低槽相接。

图2 臭氧总量季节平均分布[春季（a），夏季（b），秋季（c），冬季（d）；单位：g/m2]Fig.2 Seasonal mean distribution of total ozone[spring(a),summer(b),autumn(c),winter(d);unit:g/m2]

2.2 臭氧垂直廓线分布特征

青藏高原及其周边地区多年（1984—2013年）平均臭氧质量混合比垂直廓线图[图1（b）]显示，青藏高原及其周边地区臭氧浓度与垂直高度、纬度成正比，同纬度地区臭氧浓度垂直变化差异小,350 hPa以上随高度、纬度的增加臭氧浓度变化显著。相同层次上青藏高原北部[图1（a）所示2、3、4区域]臭氧浓度大，青藏高原南部臭氧浓度小。同纬度上青藏高原以东地区臭氧浓度略高于其他区域,青藏高原区域臭氧含量较低，这与周任君等[8]的研究结果一致，可能与青藏高原、伊朗高原地形有关。根据季节平均臭氧质量混合比垂直廓线图得出（图略），春冬季臭氧浓度垂直变化大于夏秋两季。图1（b）所示，350 hPa及其以下青藏高原与青藏高原周边地区臭氧浓度相近，即350 hPa以下水平方向上青藏高原区域大气对臭氧的输送对青藏高原臭氧浓度无显著影响。水平方向上350 hPa以上臭氧浓度随纬度变化显著，青藏高原对流层臭氧的垂直分布差异显著。

3 模拟结果分析

采用HYSPLIT-4.9模式模拟2004—2013年青藏高原450 hPa，250 hPa，150 hPa层次向前72 h气流运动轨迹，讨论青藏高原臭氧低值区的成因。使用簇分析方法[29-30]对模拟结果进行分析，将气流主要源地分为图3所示区域，将青藏高原气流主要源地按同纬度臭氧浓度相近特征，纬向分为3个区域，以此来分析青藏高原对流层气流的主要源地。

图3给出青藏高原上空450 hPa，250 hPa，150 hPa上气流后向轨迹模拟结果，分析得出：水平方向上450 hPa青藏高原区域气流主要源地为青藏高原西侧同纬度地区的占55.1%，青藏高原南侧的占26.1%，青藏高原北侧的占18.8%。250 hPa青藏高原区域气流主要源地为青藏高原西侧同纬度地区的占41.2%，青藏高原南侧的占45.0%，青藏高原北侧的占13.8%。150 hPa青藏高原区域气流主要源地为青藏高原西侧同纬度地区的占29.8%，青藏高原南侧的占64.4%，青藏高原北侧的占5.8%。垂直向上450 hPa青藏高原区域气流源地均低于450 hPa，其中低于500 hPa的占53.6%。250 hPa气流主要源地均低于250 hPa，其中低于300 hPa占66.8%。150 hPa气流主要源地低于150 hPa占98.5%，其中低于200 hPa占9.8%。

450 hPa上青藏高原气流水平方向上主要来源于高原西侧、南侧，垂直方向上来源于低层，450 hPa大气的输送对臭氧浓度无显著影响。250 hPa、150 hPa水平方向上受偏南气流及垂直方向上受青藏高原地形及动力—热力作用形成低层气流的抬升，低层低臭氧浓度大气被输送至青藏高原，是青藏高原臭氧低值形成的主要成因。模拟结果还表明，青藏高原受到气流推挤或是强迫抬升，这一过程不是瞬间完成的，而是长期存在，即仇永炎等[11]所提出的高山静力亏损。静力亏损使青藏高原臭氧柱缩短，而常年的上升气流使低浓度臭氧向高原输送。

图3 青藏高原水平、垂直方向上后向轨迹Fig.3 Backward trajectories of Tibetan Plateau in horizontal and vertical directions

4 不同类别臭氧低值模拟

青藏高原臭氧低值中心随季节出现南北摆动，低值中心1月最弱，5—11月臭氧低值中心显著。因此可分为两类，第一类出现在5—11月；第二类出现在12月至次年4月。低值中心与青藏高原海拔高度超过3 km地形相吻合。分别以2010年8月、12月为例，分析青藏高原两种不同强度的臭氧低值的分布特征、环流特征及气流的源地，讨论大气环流对臭氧浓度的输送作用。

图4为2010年8月、12月青藏高原臭氧总量分布、流场及青藏高原区域（27.5°N～40°N）平均径向垂直速度剖面图。2010年8月青藏高原区域低层为热低压，高层为暖高压控制。青藏高原臭氧总量出现明显低值中心,低值中心为5.8 g/m2。青藏高原平均径向垂直速度剖面图上显示，2010年8月受南亚高压低层辐合、南亚高压与太平洋副热带高压两高辐合的影响，70°E～125°E为上升气流控制，分别于青藏高原及两高辐合区出现两个气流强上升中心。HYSPLIT 4.9模式模拟结果显示，水平方向上8月青藏高原对流层气流主要源于同纬度地区，水平方向上大气对臭氧浓度的输送不显著。垂直方向，受青藏高原低层辐合上升气流影响，青藏高原对流层气流来源于较低层，存在低层低臭氧浓度大气向高层输送，为8月青藏高原区域产生臭氧低值的主要原因。

图4 2010年8月和12月青藏高原臭氧总量分布（a），200 hPa流场（b）和平均纬向垂直速度剖面图（c）（臭氧总量单位：g/m2）Fig.4 Ozone distribution(a),flow field at 200 hPa(b),and mean zonal-vertical circulations(c)in August and December of 2010(total ozone unit:g/m2)

2010年12月臭氧总量分布梯度较8月大，呈东高西低的分布特征，低值中心强度为5.2 g/m2。东亚地区受东亚大槽的影响，为西北气流控制，青藏高原区域及东亚地区盛行偏西或西南气流。冬季南亚高压南退，对流层上层的暖高压中心位于菲律宾东南沿海附近。径向平均垂直速度剖面图上，75°E～85°E上为弱上升气流控制，其他为下沉气流。模式模拟结果（图5）显示，水平方向上，450 hPa青藏高原12月气流来源于高原西侧，250 hPa及其以上气流来源于高原南侧，与200 hPa上流场相对应。250 hPa及其以上存在南部低臭氧浓度的大气向青藏高原输送。垂直方向上上升气流与平均径向垂直速度剖面图相对应，与南亚高压的移动相关，不同层次上均较8月偏弱。偏南气流推挤或强迫抬升使得低浓度臭氧气流向高原输送，造成臭氧总量较同纬度地区偏少。

5 结论

为了研究大气环流对青藏高原臭氧的输送及高山地形对大气的推挤和强迫抬升，笔者采用后向轨迹法对青藏高原3个层次进行模拟，结果表明：

图5 2010年8月、12月青藏高原后向轨迹Fig.5 Backward trajectories of Tibetan Plateau in August and December of 2010

（1）青藏高原臭氧低值中心随季节出现南北摆动，可分为两类：第一类出现在5—11月，青藏高原臭氧低值中心显著；第二类出现在12月至次年4月，为浅薄的臭氧低槽。

（2）从喜马拉雅山脉、冈底斯山脉附近至青藏高原北部为一常年存在的臭氧低值区，75°E昆仑山西端为一臭氧低槽。臭氧低值区与青藏高原海拔3 km以上地形相吻合。

（3）450 hPa水平方向臭氧质量混合比较小，高原南北差异相对偏小，垂直方向上气流来源于低层，气流的输送对青藏高原臭氧浓度无显著影响。高层（250 hPa，150 hPa）青藏高原区域气流主要来源于低纬低臭氧浓度地区，是青藏高原存在臭氧低值区的成因之一。垂直方向上青藏高原区域气流主要来源于低层，低层低臭氧浓度的气流向青藏高原输送，是青藏高原存在臭氧低值区的又一成因。

（4）青藏高原区域常年存在高山地形对气流推挤或强迫抬升，低层低臭氧浓度气流向高层输送。

（5）出现第一类显著臭氧低值中心的主要成因为高原区域为南亚高压控制，高原上为强盛的上升气流。出现第二类臭氧低值区（臭氧低谷）的主要成因为高山地区对气流推挤或强迫抬升。

（6）在青藏高原臭氧的高山静力亏损过程中，其一为高原长期对气流推挤或强迫抬升，臭氧柱缩短，臭氧总量减少；其二为长期的低层低浓度臭氧向高原输送，二者共同造成青藏高原臭氧亏损。

致谢：感谢欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的臭氧与风场资料，感谢美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的后向轨迹模式。