沈凡卉，王體健，沈毅，張欣

(南京大學大氣科學學院，江蘇南京210093)

0 引言

大氣臭氧(O3)是大氣中重要的微量氣體，對紫外線有強烈的吸收作用。同時，O3也是大氣中的強氧化劑，是大氣“清潔劑”O(jiān)H自由基的前體物。臭氧層分為平流層和對流層。平流層臭氧主要由氧分子吸收紫外輻射經光解反應生成，平流層中存在的氮氧化物(NOX)和鹵素化合物等對平流層中的O3層起破壞作用。對流層臭氧主要來源于平流層的輸送，或前體物的光化學轉化生成。自工業(yè)革命以來，由于人類活動排放的O3前體物和平流層O3破壞物的增加，全球對流層臭氧濃度有著顯著的增加，而平流層臭氧卻不斷損耗(柳燕，1998)。

大氣臭氧層對人類和生物的影響非常重要，因此臭氧的探測和研究受到越來越廣泛的關注。自從臭氧層發(fā)現(xiàn)以來，人們利用各種儀器，如飛機、氣球、火箭和衛(wèi)星對大氣臭氧進行觀測研究。其中衛(wèi)星探測顯得尤為重要，可以觀測到空間中大氣微量成分的時空變化特征，大氣臭氧衛(wèi)星遙感，使用的主要方法是掩日法、紫外后向散射法、臨邊探測法、氣暉測量法和紅外法等，其中紫外后向散射方法觀測臭氧總量的精度達到了傳統(tǒng)地面Dobson方法的水平，世界氣象組織認為它是目前唯一能獲得具有實用價值大氣臭氧資料的衛(wèi)星探測方法(張仲謀等，2001)。

從衛(wèi)星觀測的大氣臭氧總量數據得到對流層臭氧總量的方法有很多種，其中Fishman提出的TOR方法得到廣泛的使用，是通過臭氧總量測繪光譜計(TOMS)獲取的大氣臭氧柱含量數據和太陽紫外后向散射法(solar backscatter ultraviolet，SBUV)提供的平流層臭氧廓線數據來得到對流層臭氧柱含量(Fishman et al.，1996，1997，2003)，并對全球及部分區(qū)域對流層臭氧的時空分布及變化做了初步研究。

國內外已有很多科學家利用臭氧的衛(wèi)星資料對全球及中國地區(qū)臭氧分布進行研究，Bramstedt et al.(2003)對由GOME和TOMS觀測的臭氧總量與Dobson觀測網的結果進行了對比，得出衛(wèi)星觀測資料與傳統(tǒng)地面Dobson觀測資料存在2%的偏差。Vanicek(2006)對捷克共和國地區(qū)由地面Dobson和Brewer觀測以及衛(wèi)星儀器TOMS和GOME觀測的臭氧總量作了比較，發(fā)現(xiàn)地面Dobson觀測與TOMS觀測比較一致，而地面Brewer觀測與GOME觀測比較吻合。徐曉斌等(2006)利用TOR的資料分析長江三角洲地區(qū)對流層臭氧的變化趨勢，得到1978—2000年之間長江三角洲地區(qū)對流層臭氧柱含量的增長趨勢為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衛(wèi)星資料反演的大氣臭氧柱總量分析了全球范圍內大氣臭氧的分布和變化特征，發(fā)現(xiàn)北半球大氣臭氧柱總量有明顯的季節(jié)變化，幾種反演結果對比分析表明，AIRS的全球平均臭氧柱總量的值比TOVS和TOMS的值高大約3～5 DU。李輝(2003)利用TOMS和MODIS資料對臭氧總量進行研究，指出TOMS和MODIS反演的臭氧總量存在很好的相關性，但兩者的偏差存在季節(jié)和地域性的差異。

本文利用近30 a TOMS和OMI的臭氧衛(wèi)星資料分析中國地區(qū)臭氧的空間分布特征和季節(jié)變化特征，并對典型地區(qū)對流層臭氧和臭氧總量的月平均序列進行了突變、趨勢和周期的分析。

1 資料和方法

1.1 儀器介紹與資料來源

1.1.1 儀器介紹

TOMS是成功長期觀測全球臭氧的系列儀器。它首期被裝載在1978年發(fā)射的Nimbus-7衛(wèi)星上，并連續(xù)獲取了15 a的大氣臭氧數據(1979—1993年)。1996—2006年TOMS被裝載在Earth Probe衛(wèi)星上，EP/TOMS在6個不同的波段測量紫外后向散射，能夠測量臭氧總量、氣溶膠指數及SO2等。在兩極的冬季極夜期間，TOMS不能獲取數據。

臭氧監(jiān)測儀(OMI)是美國國家航空和宇宙航行局(NASA)于2004年7月15日所發(fā)射的EOS-Aura衛(wèi)星上攜帶的4個傳感器之一，OMI是由荷蘭和芬蘭與NASA合作制造，空間分辨率為13 km×24 km，OMI是用于監(jiān)測臭氧層以及地面紫外線的B波段，同時監(jiān)測影響全球空氣質量的痕量氣體(如O3，NO2，SO2，HCHO，BrO，OClO)以及量化對流層臭氧和氣溶膠對氣候改變的影響。OMI有3個通道，波長覆蓋范圍為270～500 nm，光譜分辨率為0.5 nm，用星下點測量法監(jiān)測紫外后向輻射，提供日均觀測數據(Richard and Ronald，2007)。

1.1.2 資料來源

文中對流層臭氧的資料分為兩部分，其中1979—2000年的月平均資料是TOMS/NIMBUS-7和TOMS/Earth Probe的資料(http://toms.gsfc.nasa.gov)，分辨率為1.0°×1.25°(緯度×經度)，其中1994—1996年的資料缺測;月均臭氧總量資料由3部分組成，1979—1993年之間的數據由TOMS/NIMBUS-7提供，1996—2005年的數據由TOMS/Earth Probe提供(http://toms.gsfc.nasa.gov)，2006年和2007年的數據是由OMI/Aura提供(http://disc.gsfc.nasa.gov/Aura/OMI)，其分辨率皆為1.0°×1.25°。

1.2 統(tǒng)計方法

采用Mann-Kendall突變檢驗法、二項式加權平均法以及小波分析法(黃嘉佑，2004)，分析廣州地區(qū)對流層臭氧和臭氧總量的突變、趨勢和周期特征。

2 中國臭氧氣候場的特征分析

2.1 中國地區(qū)TO的氣候特征分析

圖1為臭氧總量的年平均分布，臭氧總量隨著緯度增加而增加，總體呈現(xiàn)西南低、東北高的傾斜緯向型分布特點，全國臭氧總量的平均值為298.61 DU，在中國地區(qū)的南北梯度很明顯，青藏高原上空都為明顯的低值區(qū)，為一顯著的臭氧低值中心，主要是由于青藏高原地區(qū)平均海拔4 000 m，太陽輻射強烈，因此導致了地面光化學反應速率遠遠高于內地平原地區(qū)。熱力和動力作用是導致青藏高原上空出現(xiàn)臭氧低谷的主要原因。夏季是青藏高原地面對大氣加熱最強的季節(jié)，18 km以下大氣中垂直向下的物質輸送作用很強，從而將臭氧含量較少的低層空氣帶向高空，沖淡高空的臭氧含量。研究表明，全球范圍的山地都會由于其特殊的熱力和動力作用導致其上空的臭氧出現(xiàn)虧損(Han，1996)，高緯地區(qū)總臭氧最高值可達370 DU以上，而低緯地區(qū)最低值則達到270 DU以下。

從臭氧總量季節(jié)變化(圖2)可以看出，臭氧總量在春季出現(xiàn)最大值，春季全國平均值高達319.52 DU，高緯地區(qū)高值可達400 DU以上;秋季出現(xiàn)最小值，全國平均值為278.94 DU，比春季低大約40 DU;冬季大于夏季，冬季中國地區(qū)臭氧總量的平均值為303.12 DU，而夏季為292.84 DU(表1)。臭氧總量最大值的出現(xiàn)比對流層臭氧要早1～2月，夏季和秋季臭氧總量的南北梯度不及春季和冬季明顯，夏季除了東北地區(qū)微弱的高值梯度以外，其他地區(qū)基本沒有很明顯的梯度;秋季是全年臭氧總量最低值季節(jié)，秋季相比夏季梯度明顯的地區(qū)縮小，整體臭氧總量的值也下降10 DU左右;同一個季節(jié)中，臭氧總量隨緯度增加而增加，臭氧總量在經圈上的這種梯度在春季和冬季最為明顯。低緯臭氧總量的季節(jié)波動比中高緯度要大;實際觀測到的臭氧總量的季節(jié)變化和空間分布不能用經典的光化學反應來解釋，只能用大氣運動的影響來解釋，低緯度區(qū)平流層光化學過程產生的臭氧被大氣環(huán)流輸送到高緯度，低中緯度平流層下部的這種極向環(huán)流在冬春季尤其強烈，冬春季強盛的極向環(huán)流將在熱帶平流層低層的光化學過程產生的高濃度臭氧向北方輸送，形成了高緯度地區(qū)冬春季平流層低層的臭氧高濃度層，這一高濃度層是高緯度地區(qū)臭氧總含量高的原因，而在夏秋季這種環(huán)流較弱，臭氧含量的經向梯度也就較小(王明星，1999)。

圖1 中國地區(qū)臭氧總量年均分布(單位:DU)Fig.1 Annual mean of total ozone in China(units:DU)

圖2 中國地區(qū)臭氧總量的季節(jié)分布(單位: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 中國年、季TO、TOR氣候值Table 1Annual and seasonal mean of TO/TOR in China DU

青藏高原地區(qū)在各季節(jié)始終為低值中心，在冬春季低值中心較弱，在夏秋季較強，周秀驥和羅超(1995)利用TOMS(1979—1991)的資料分析表明在6月份青藏高原上空出現(xiàn)了明顯的臭氧總量低值，這個中心一直維持到9月份。Han(1996)利用衛(wèi)星資料，求出了1979—1991年12 a平均的各季節(jié)全球臭氧總量各網格點緯向偏差的氣候平均，同樣證實夏季不僅青藏高原上空存在明顯的低值中心(與同緯度相比，偏差30 DU以上)，且在落基山脈上空也有明顯的低值中心。周秀驥和李維亮(2004)等通過數值模擬試驗以及診斷分析，指出動力和化學作用對夏季青藏高原臭氧低值中心形成所起的作用:動力輸送過程起著最主要的作用，化學過程部分補償了動力輸送過程所引起的臭氧減少。在動力輸送過程中，水平輸送在5月是造成臭氧減少的主要原因，而在6、7月垂直輸送的作用不斷增強，成為臭氧減少的主要因素。

2.2 TOR的氣候特征分析

圖3為對流層臭氧柱含量年平均分布，可以看出中國地區(qū)的對流層臭氧分布呈現(xiàn)東部高西部低的特征，整個中國的平均值為35.89 DU(表1)，最高值出現(xiàn)在四川東部，高達44 DU以上。同時河北和遼寧一帶存在帶狀的次高值區(qū)，在42～44 DU之間。對流層臭氧含量的分布與整層臭氧含量的分布很大的不同，這主要與臭氧的來源有關，對流層臭氧主要來源于前體物的光化學反應，而平流層臭氧主要源于氧分子吸收紫外線所產生的，因此在中國的東部以及四川地區(qū)前體物比較高的地區(qū)對流層臭氧含量較高。但是在青藏高原地區(qū)對流層臭氧同樣存在低值區(qū)，最低值低于30 DU，這種分布突顯出對流層臭氧與地形之間的關系(王明星，1999)。在中國的東中部地區(qū)對流層臭氧的含量較高，這是受到人類活動的影響，排放大量了臭氧前體物，在青藏高原的北部邊緣的新疆沙漠地區(qū)及向東的延伸，雖然人活動稀少，但對流層臭氧柱總量的濃度都相對較高，從印度西北部、中亞地區(qū)以及歐洲地區(qū)的西來氣流中的對流層臭氧，對于該區(qū)域的對流層臭氧高值可能有貢獻(李瑩和趙春生，2007)。

圖3 中國地區(qū)對流層臭氧年均分布(單位:DU)Fig.3 Annual mean of tropospheric ozone in China(units:DU)

圖4 中國地區(qū)對流層臭氧季節(jié)分布(單位: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

對流層臭氧的季節(jié)變化(圖4)可以看出，夏季對流層臭氧濃度最高，中國地區(qū)夏季的平均值高達45.47 DU，這是因為夏季對流層臭氧由光化學反應產生的要比平流層注入的大得多(王明星，1999)，而夏季太陽輻射比較強，因此光化學反應產生大量臭氧，夏季在四川東部最高值可高于52 DU;冬季最低，平均值僅為26.42 DU，冬季對流層臭氧由光化學反應產生的與平流層注入的量相當或略大一點，冬季某些低值區(qū)甚至低于20 DU;而春季高于秋季，中國地區(qū)春季平均值為38.93 DU，秋季的平均值為32.72 DU(表1);四季臭氧的高值區(qū)都在四川的東部，而山東、河南、湖北等地區(qū)為次高值區(qū)，青藏高原地區(qū)始終為最低值區(qū)。

3 南方典型地區(qū)臭氧異常特征分析

3.1 臭氧總量趨勢、突變及周期分析

圖5 廣州地區(qū)臭氧總量的趨勢(單位:DU)Fig.5 Trend of total ozone in Guangzhou(units:DU)

圖5為廣州地區(qū)臭氧總量趨勢分析結果，從圖5上可以看出臭氧總量在1979—2007年期間存在著下降趨勢，變化率為－2.1 DU/(10 a)，臭氧總含量的變化與人類活動有密切的關系，本文中可以看出對流層臭氧含量是增加的，而臭氧總含量卻減少，表明平流層臭氧含量的減少幅度要遠遠大于對流層臭氧含量的增加，平流層臭氧含量的減少主要是大量制冷劑的使用排放出的氟氯烴以及工業(yè)生產排放的氮氧化物，從而使得臭氧總量的不斷下降。廣州地區(qū)臭氧總量存在顯著的下降趨勢，這與Stolarski et al.(1991)以及任福民和王梅華(1998)的研究結果相同。

圖6為廣州地區(qū)臭氧總量的突變檢驗結果，從圖6中可以看出廣州地區(qū)臭氧總量在1993年發(fā)生突變，在1993年之前雖然有很多交點，但并非突變點，因為突變點的存在必須維持一個長期的變化趨勢，如圖中的UF線表示臭氧總量的長期變化趨勢，在1993年之后有明顯的下降趨勢，而1993年之前則是波動，在1993年之前的臭氧總量為正距平，而在1993年之后為負距平，表明臭氧總量在1993年之后降低比較明顯，20世紀90年代初中國經濟發(fā)展比較速度，人類生活水平有了大幅度的提高，冰箱的大量使用，釋放大量的制冷劑，導致臭氧總量的大量損耗。任福民和王梅華(1998)研究表明20世紀80年代中后期則呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。而進入90年代以來，全球臭氧總量變化表現(xiàn)出幾乎一致的下降趨勢并持續(xù)負距平(任福民和王梅華，1998)，本文的研究結果與其具有一致性。

圖7為廣州地區(qū)臭氧總量的小波分析結果，廣州地區(qū)臭氧總量在1980—1988年以及1996—2002年存在顯著的2 a周期。郭世昌和常有禮(2007)利用TOMS資料同樣發(fā)現(xiàn)了臭氧總含量兩年的振蕩周期，Tung and Yang(1994)研究發(fā)現(xiàn)準兩年振蕩在赤道附近和南、北半球中緯度地區(qū)臭氧變化中都顯著地存在。這主要與大氣的準兩年振蕩周期有關，平流層臭氧的準兩年振蕩(QBO)早在20世紀60年代初就被發(fā)現(xiàn)了，與大氣環(huán)流有密切的關系。

3.2 對流層臭氧突變、趨勢及周期分析

廣州地區(qū)對流層臭氧的趨勢變化(圖8)可以看出，從1979—2007年廣州地區(qū)的對流層臭氧存在著明顯的上升趨勢，增長趨勢為0.38 DU/(10 a)。廣州地區(qū)作為珠江三角洲具有代表性的城市，經濟發(fā)展迅速，且人口比較密集，大量使用燃煤，同時汽車的數量大幅度增加，排放出大量大氣污染物，其中有重要的臭氧前體物(尤其是NOX、VOC和CO)，使得該地區(qū)對流層臭氧不斷增加。同時在中國的其他經濟發(fā)展比較迅速的城市也存在同樣的特征，徐曉斌等(2006)發(fā)現(xiàn)長江三角洲地區(qū)對流層臭氧含量有明顯的下降。

圖6 廣州地區(qū)臭氧總量的突變檢驗結果Fig.6 Abrupt change of total ozone in Guangzhou

圖7 廣州地區(qū)臭氧總量小波功率譜(a)和周期(b)分析Fig.7 (a)Wavelet and(b)period analysis of total ozone in Guangzhou

圖8 廣州地區(qū)對流層臭氧的趨勢分析(單位:DU)Fig.8 Trend of tropospheric ozone in Guangzhou(units:DU)

圖9為廣州地區(qū)對流層臭氧突變檢驗分析結果，圖9中標出的交點為突變點，從圖9上可以看出廣州地區(qū)的對流層臭氧在1997年發(fā)生突變。在1997年之前對流層臭氧的距平序列大多為負距平，而1997年之后大多為正距平，對流層臭氧的變化與工業(yè)發(fā)展密切相關，工業(yè)生產排放出臭氧的大量前體物，使得對流層臭氧濃度增加，而臭氧總含量的減少主要是平流層臭氧含量的大量減少，平流層臭氧的減少主要與人類生活水平相關，在1990年后廣州地區(qū)的經濟發(fā)展迅速，尤其的在20世紀90年代末，使得對流層臭氧有所增加。

廣州地區(qū)對流層臭氧小波分析結果(圖10)可以看出，廣州地區(qū)對流層臭氧存在1 a及2 a的周期，其中從1985—1994以及2000—2007年之間1 a的周期比較顯著，1982—1986年之間2 a的周期比較顯著。這種1 a的周期可能與太陽輻射強度的周期相關，這與對流層臭氧含量的來源有關，對流層臭氧主要來源于前體物的光化學反應，因此太陽輻射的年周期變化對其影響很大。而2 a的周期可能是受大氣準兩年振蕩周期的影響，因為對流層臭氧與平流層臭氧存在交換，而平流層臭氧受大尺度大氣運動的制約。

4 結論

圖9 廣州地區(qū)對流層臭氧的突變檢驗Fig.9 Abrupt change of tropospheric ozone in Guangzhou

圖1 0 廣州地區(qū)對流層臭氧小波功率譜(a)和周期(b)分析Fig.1 0(a)Wavelet and(b)period analysis of tropospheric ozone in Guangzhou

應用1979—2000年對流層臭氧柱總量的月平均數據和1979—2007年臭氧總量月平均資料，分析了中國地區(qū)對流層臭氧的空間分布和季節(jié)變化特征，同時分析了地區(qū)南方典型地區(qū)廣州對流層臭氧和臭氧總量的趨勢、突變以及周期的變化特征，得到以下幾點主要結論:

1)中國地區(qū)的對流層臭氧呈現(xiàn)東部高西部低的分布，四川東部為極高值區(qū)，而青藏高原為極低值區(qū)，四川東部年平均極高值可達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)臭氧總量是隨著緯度的增加而增加，而青藏高原地區(qū)為最低值區(qū)，年平均最低值為達270 DU;臭氧總量在春季出現(xiàn)在最高值，而秋季值最低，冬季高于夏季。

3)廣州地區(qū)的對流層臭氧在1979—2007年之間存在明顯的上升趨勢，時間變率為0.38 DU/(10 a)，在1997年發(fā)生突變，同時存在顯著的1 a及2 a的周期;臭氧總量在1979—2007年之間存在明顯的下降趨勢，變化率為－2.1 DU/(10 a);在1993年發(fā)生突變;存在顯著的2 a周期。

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