我国南北两地臭氧观测数据处理及时序变化特征

余 珂，王颢樾，徐 非，周 可，番聪聪

(1.云南气象象信息中心，云南 昆明 650034；2.云南大学，云南 昆明 650091)

1 引言

臭氧的气体明显呈蓝色，液态呈暗蓝色，固态呈蓝黑色。臭氧只分布在10～50 km高度的平流层大气中，极大值在20～30 km高度之间，当大气层中的氧气发生光化作用时，便产生了臭氧。虽然臭氧是大气中的微量成分之一，但它对太阳紫外辐射(0.2～0.29 μm)有强烈的吸收作用：①臭氧层阻拦了强紫外线到达地面，保护了地球上的生命；而强紫外辐射有足够的能量使包括DNA在内的重要生物分子分解，增高患皮肤癌、白内障和免疫缺损症的发生率，并能危害农作物和水生生态系统，故没有大气臭氧层的保护，整个生物世界就难以存在。②臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层大气增温，对平流层温度场和大气环流起着决定性作用；如果平流层臭氧浓度下降，将引起平流层上部温度下降，平流层下部和对流层温度上升。因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射平衡起重要作用[2]。

由于臭氧问题涉及到生态环境、气候变化等关系到人类生存和发展的重大问题，因此，大气臭氧研究已经成为当前各国科学家和政府官员共同关心的国际研究课题。我国大陆地区分别从1979，1980 年利用Dobson 光谱仪正式在北京市香河(39.98oN,118.37oE)、云南省昆明(25.03oN，102.213oE)开展了臭氧总量观测[3]；20 世纪90 年代我国又在青海瓦里关、黑龙江龙凤山、浙江临安和南极中山站利用Brewer 光谱仪[4]开展了臭氧总量及垂直分布的反演观测[5,6]，同时也在拉萨进行了短期地基臭氧总量观测以验证青藏高原的“臭氧低谷”分布[7]；2011年至今利用Brewer光谱仪在昆明地区进行了臭氧总量的观测。香河、龙凤山处在东北亚高值臭氧区，瓦里关和昆明则处在西部及中低纬度地区的臭氧相对低值区。我国有很多的科学工作者都对臭氧有深度研究，魏鼎文等[3]使用北京和昆明两地Dobson 臭氧观测资料分析表明,两地的臭氧总量在不断减少,尤其是1991 年以后,臭氧总量显著降低。王卫国[8]等对对流层、平流层臭氧进行过深度研究，探究臭氧在对流层和平流层的分布及其对气候的影响。周秀骥[9]等对青藏高原臭氧低谷进行研究。曲绍厚[10]对臭氧的时空分布做了研究，突出臭氧的时空特征。

本文利用2012～2013年昆明地区Brewer实测臭氧数据与Dobson数据、欧洲中心卫星反演臭氧数据进行比较分析，用来检验Brewer光谱仪测量结果的准确性。除此之外，选用昆明、香河南北两个站的Dobson臭氧数据和欧洲中心卫星反演臭氧数据，进一步分析1980～2009年臭氧总量月季和年际变化趋势。

2 资料说明及研究方法

2.1 资料说明

本文所采用的是1979～2013年网格距为0.25°× 0.25°的欧洲中心卫星反演月平均总气柱臭氧场资料。昆明地区还用2012～2013年Brewer实测的臭氧日资料和1980～2009年Dobson臭氧月均值资料，香河地区用1980～2009年Dobson臭氧月均值资料。

2.2 研究方法

从欧洲中心卫星反演月均值总气柱臭氧场资料提取两地臭氧总量月均值的方案，是选用与昆明、香河最近网格处的臭氧值。因为欧洲中心卫星反演月均值总气柱臭氧场对应的臭氧数据单位为kg/m2，而Brewer臭氧数据和Dobson臭氧数据的臭氧单位为DU(在标准大气的温度、气压下所测得的10-5m厚度纯臭氧的臭氧总量),所以这两组数据之间要进行转换，将欧洲中心卫星反演臭氧数据转化为以DU为单位的臭氧数据，转换公式为：

臭氧总量(DU)=tco3×345/0.739

(1)

式(1)中tco3为欧洲中心臭氧数据。

本文中A数据与B的绝对偏差定义为(A-B)，A数据与B数据的相对偏差定义为(A-B)/a×100%。

相关系数[11]是反应两个气象要素异常关系的平均状况，首先要对变量进行标准化，以消除单位，然后可以计算得到相关系数。对任意两个要素变，xk，xl其相关系数计算公式为:

(2)

利用昆明地区2012～2013年Brewer实测大气臭氧数据、Dobson大气臭氧总量月值数据、欧洲中心卫星反演大气臭氧总量月均值数据来分析各数据之间大气臭氧总量的线性相关性，并算出相关系数和相对偏差，用来研究Brewer光谱仪的实测数据准确性。利用1980～2009年昆明、香河两地Dobson数据和欧洲中心卫星反演数据来研究臭氧的季节变化和年际变化。

3 三种臭氧资料序列的相关性和偏差分析

由图1可以看出，2012～2013年昆明站Brewer臭氧总量数据与Dobson臭氧总量数据、欧洲中心卫星反演臭氧数据相关性很好,其相关系数分别为0.997(信度为0.01 时,相应的临界相关系数为0.512)和0.968(信度为0.001 时,相应的临界相关系数为0.584)。

图1 昆明站Brewer臭氧数据分别与欧洲中心卫星反演数据、Dobson臭氧数据线性相关性

从图2可以看到，昆明站Brewer臭氧总量月均值与欧洲中心卫星反演臭氧总量月均值绝对偏差变化范围为2.397～5.687 DU，绝对偏差幅度变化相对较小，且恒大于0，说明Brewer臭氧总量月均值大于欧洲中心卫星反演臭氧总量月均值，这可能是由欧洲中心的卫星反演资料系统性偏低造成。Brewer臭氧总量月均值与Dobson臭氧总量月均值绝对偏差变化范围为-17.2～5.539DU，绝对偏差变化幅度相对较大。Brewer臭氧总量月均值与欧洲中心卫星反演臭氧总量月均值相对偏差变化范围为1.027%～1.962%，相对对偏差幅度变化相对较小。Brewer臭氧总量月均值与Dobson臭氧总量月均值相对偏差变化范围为-6.125%～2.370%，相对偏差变化幅度相对较大绝对偏差与相对偏差变化趋势基本一致。

图2 昆明站Brewer大气臭氧总量与Dobson、欧洲卫星反演数据相对偏差的逐月变化

由图3可见，2012～2013年昆明站Brewer大气臭氧总量月均值与Dobson大气臭氧总量月均值相对偏差绝对值在臭氧总量低值区和高值区都比较大，说明Brewer大气臭氧总量月均值与Dobson大气臭氧总量月均值偏差在臭氧总量大值区和小值区均较大。2012年至2013年昆明地区Brewer大气臭氧总量月均值与欧洲中心卫星反演大气臭氧总量月均值相对偏差随臭氧总量变化不大，说明Brewer大气臭氧总量月均值与欧洲中心大气臭氧总量月均值偏差基本不随臭氧总量变化。总体说来相对偏差随臭氧总量的变化均不大。

图3 昆明站Brewer臭氧总量与Dobson、欧洲卫星反演臭氧总量的相对偏差随臭氧总量变化趋势

图4是昆明地区三组数据变化趋势其变化基本一致，Dobson数据在高值区略显偏大，其它地方变化基本一致。Brewer数据与欧洲中心卫星反演数据变化趋势更为接近。

图4 2012～2013年昆明站大气臭氧总量三种资料逐月变化

3.1 两地Dobson臭氧总量与欧洲中心卫星反演臭氧臭氧总量相关性和相对偏差

昆明、香河两地Dobson臭氧总量月均值数据和欧洲中心卫星反演臭氧臭氧总量月均值数据相关性检验及相对偏差变化、相对偏差随臭氧总量的变化研究。图5可见，昆明、香河两地Dobson臭氧总量月均值和欧洲中心卫星反演臭氧总量月均值相关性很好。昆明地区两组数据相关系数为0.927(信度为0.01时，相应的临界相关系数为0.142)。香河地区两组数据相关系数为0.942(信度为0.01时，相应的临界相关系数为0.138)。

图5 昆明、香河两站Dobson臭氧总量与欧洲卫星反演臭氧总量相关性

由图6可见，昆明地区臭氧总量月均值相对偏差在-8%～9%，且1990年、1995年、1998年、2003年相对差值出现了明显的跳跃。香河地区臭氧总量月均值相对偏差变化幅度为-5%～12%，且1991年、1996年、2008年前后相对差值出现了明显的跳跃性。

图6 昆明、香河两地Dobson臭氧数据与欧洲卫星反演臭氧数据相对偏差的逐年变化

3.2 相对偏差随臭氧总量的变化研究

从图7中980～2009年昆明、香河大气臭氧相对偏差的变化可以看出：大气臭氧相对偏差均随大气臭氧总量增大而变大，其中昆明地区上升幅度约为2%，香河地区上升幅度约为1.5%。总体而言Dobson大气臭氧总量月均值大于欧洲中心卫星反演大气臭氧总量月均值，这个结果在图6上有一定反映。

图7 昆明、香河Dobson臭氧总量和欧洲中心卫星反演臭氧总量相对偏差随臭氧总量的变化线性拟合曲线

3.3 臭氧总量观测月值相对偏差的频数分布

图8的柱形图说明了1980～2009年昆明地区Dobson数据和欧洲中心卫星数据相对偏差基本满足正态分布，表现比较合理。香河地区两组数据的相对偏差总体统计趋势表现不太好，且在高值区表现的有些奇异，具体由什么引起有待进一步研究。

图8 昆明、香河两地Dobson臭氧总量和欧洲中心卫星反演臭氧总量相对偏差频数统计

4 昆明、香河站臭氧季节变化对比

图9为香河地区的臭氧总量的变化趋势其变化明显大于昆明地区，昆明地区和香河地区臭氧总量都存在明显的季节变化，昆明春夏两季臭氧值相对较高，秋冬两季相对较低，最高值出现在5月份，最高值为280DU,12月份为最低,最低值为240DU,一年内的振幅为40DU。香河冬春两季臭氧值相对较高，夏秋两季相对较低，最高值出现在3月份，最高值为382DU,10月份为最低，最低值为303DU,一年内的振幅为79DU。昆明地区相对于香河地区其极值滞后约为2个月。

图9 昆明和香河站历年平均臭氧总量逐月变化对比

5 大气臭氧总量历年波动和变化趋势

从图10可以看出昆明站和香河站均有年际变化特征，变化周期为一年。昆明地区30年大气臭氧总量总体有一个细微的上升，香河地区30年来大气臭氧总量总体有一个细微的下降，但是上升与下降的幅度均不大。

图11是大气臭氧总量年均值变化从图中可以看出昆明地区在1980～1994 年之间臭氧总量年均值有大幅下降，1993 年达到最低值，之后臭氧总量升高，在1995～2009 年臭氧总量年均值大于1980～1994 年的均值，最终昆明站点在整个过程中臭氧总量呈现出略微上升的趋势，这个结论与图8所得到的结论相同。香河地区自1980～1990年臭氧总量下降幅度较大，但在1990～1991年之间臭氧总量有一个明显的回升过程，1991年至1995年臭氧总量又开始下降，到了1992～1995年臭氧总量达到最低值，1995年后臭氧总量开始回升，最终香河地区在整个过程中臭氧总量呈现出略微下降的趋势[12]，这个结论与图10所得到的结论相一致。

图10 昆明、香河大气臭氧总量历年逐月变化

图11 昆明地区与香河地区大气臭氧总量年均值变化曲线

6 结论

(1)昆明地区Brewer分光分度计的观测数据与Dobson观测数据、欧洲中心卫星数据相关性都非常好,相关系数均达到0.95以上，并且均通过99%的信度检验，与此同时昆明地区Brewer实测大气臭氧总量月均值与欧洲中心卫星反演臭氧总量月均值、Dobson大气臭氧总量月均值相对偏差均较小，其相对偏差变化合理，这些说明的昆明地区Brewer实测臭氧总量是可靠的。

(2)1980～2009年香河、昆明两地Dobson臭氧数据与欧洲中心卫星反演臭氧数据一致性与相关性比较好，相关系数均达到0.9以上，相对偏差变化在合理范围之内，所以所选的Dobson数据和欧洲中心卫星反演数据是合理可用的。

(3)1980～2009年昆明、香河2站大气臭氧存在明显的季节变化和年际变化，香河大气臭氧总量存在下降的趋势，这与北半球中纬度地区观测到的大气臭氧总量减少的趋势相吻合，昆明地区大气臭氧总量月均值有细微的上升趋势。