陳雪萍，咸 龍，巨天珍，張江峪，王培玉，劉宏慶，裴 潔

(西北師范大學(xué)研究生院地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院環(huán)境系，甘肅 蘭州 730070)

臭氧是大氣中重要的微量氣體之一，是大氣的重要組成部分[1]，約90%的臭氧主要分布在高度為10～50 km的平流層，其余10%分布在對流層[2]。臭氧對波長為0.2～0.29 μm的太陽紫外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用，從而能夠阻擋過強(qiáng)的紫外輻射到達(dá)地面；另外，大氣中的臭氧也能夠影響碳、氮、氫等物質(zhì)循環(huán)[3]。但在近地面臭氧是一種有害的污染氣體，會對人類和動物的呼吸系統(tǒng)以及植物產(chǎn)生一定損害。隨著工業(yè)發(fā)展和人類活動加劇，大氣臭氧層遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致地面太陽紫外線輻射和溫室效應(yīng)加強(qiáng)。所以臭氧作為重要的大氣污染物和促進(jìn)氣候變化的重要因子，其總量和時(shí)空分布變化直接影響人類生存環(huán)境，其引發(fā)的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)已經(jīng)引起全球高度關(guān)注[4]。

隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星遙感為全球及不同區(qū)域尺度的臭氧監(jiān)測提供了技術(shù)手段，并且星載紫外臭氧探測技術(shù)已經(jīng)逐漸成為臭氧探測的主要方式。目前，用來監(jiān)測臭氧的軌道衛(wèi)星傳感器設(shè)備主要包括OMI、GOME-2、TOU以及OMPS[5]。這些傳感器可以監(jiān)測全球尺度范圍內(nèi)的臭氧變化,為臭氧研究提供更加豐富、精確的數(shù)據(jù)源。通過解譯的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，國內(nèi)外研究者對臭氧進(jìn)行了一系列研究。HONG等[6]對東亞大城市首次用OMI-DOAS監(jiān)測儀測得的臭氧柱總量與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，表明TOCs-OMI(指臭氧監(jiān)測儀監(jiān)測到的臭氧總量數(shù)據(jù))低值主要出現(xiàn)在夏季；KAR等[7]研究了OMI對城市地區(qū)臭氧污染的敏感性，認(rèn)為由于受地表反射率的影響，越接近地表，監(jiān)測儀能夠監(jiān)測到的臭氧敏感度越低。國內(nèi)對臭氧監(jiān)測研究以地面為主，近年來利用衛(wèi)星遙感的研究有所增加，大、中、小區(qū)域尺度均有涉及。白開旭[8]利用DHR模型模擬了全球大氣臭氧總量的變化趨勢，分析了其對區(qū)域氣候的影響機(jī)制;張艷等[9]利用3種遙感臭氧監(jiān)測儀器的臭氧總量數(shù)據(jù)研究了1979—2014年全球及關(guān)鍵地區(qū)的臭氧總量及變化情況，得出臭氧總量分布在中高緯地區(qū)具有很強(qiáng)的不均勻性，青藏高原的臭氧形成機(jī)制原因很復(fù)雜等結(jié)論；杜君平等[10]也利用OMI數(shù)據(jù)分析了中國對流層臭氧的時(shí)空分布以及季節(jié)變化規(guī)律，總結(jié)出中國臭氧總量的變化特征為北高南低、東高西低；程麟鈞等[11]分析了京津冀地區(qū)近2 a的臭氧時(shí)空分布及污染趨勢變化?？傮w來看，國內(nèi)臭氧研究主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和環(huán)境本底區(qū)，對大尺度區(qū)域使用遙感技術(shù)手段的研究較少，尤其對于寧夏地區(qū)大區(qū)域長時(shí)間段的臭氧時(shí)空分布以及臭氧來源的特殊性研究鮮見報(bào)道。為了解寧夏地區(qū)近10 a大氣臭氧變化情況，基于OMI數(shù)據(jù)產(chǎn)品提取2006—2016年寧夏地區(qū)的臭氧柱濃度，對其時(shí)空分布特征以及影響寧夏地區(qū)臭氧分布的因素進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)概況

寧夏地處中國西北地區(qū),地理位置為35°14′～39°23′ N，104°17′～107°39′ E。區(qū)域輪廓呈“十”字型，東西相距250 km,南北相距456 km，區(qū)域總面積為6.64萬km2。寧夏東鄰陜西省，西部、北部與內(nèi)蒙古相接，南部與甘肅省相嵌。寧夏下轄5個(gè)地級市，分別是銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛(wèi)市和固原市。

寧夏地處東部季風(fēng)區(qū)與西北干旱區(qū)的交匯地帶，大陸性氣候特征顯著，主要特點(diǎn)是日照充足、太陽輻射強(qiáng)；干旱少雨；年、日溫差較大。年均氣溫在5.1～9.6 ℃之間，呈北高南低分布趨勢，年均降水量在179～800 mm之間，北少南多。降水季節(jié)分配很不均勻，主要集中在夏季。整個(gè)區(qū)域水熱條件差異很大，呈南寒北暖、南濕北干分布特點(diǎn)。該地區(qū)地表形態(tài)復(fù)雜多樣，地勢南高北低,自北向南依次為賀蘭山地、寧夏平原、鄂爾多斯高原、黃土高原以及六盤山地。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

臭氧數(shù)據(jù)和NO2數(shù)據(jù)均來源于搭載在EOS-Aura衛(wèi)星上的OMI傳感器測得數(shù)據(jù)。Aura是由多個(gè)國家的航空航天局共同研制的近極地、太陽同步軌道科學(xué)探測衛(wèi)星，軌道高度為705 km,搭載包括OMI在內(nèi)的4個(gè)對地觀測儀。臭氧層監(jiān)測儀(ozone monitoring instrument,OMI)由荷蘭和芬蘭共同研制。OMI傳感器工作原理是通過觀測地球大氣和地球表面的后向散射輻射來獲取信息[12]，其可通過的波長范圍在270～500 nm之間，波譜分辨率為0.5 nm，軌道掃描寬度為2 600 km，空間分辨率為13 km×24 km，全球掃描僅需1 d[6];數(shù)據(jù)包括Level-0、Level-1、Level-2、Level-3 共4個(gè)處理等級,可以測量臭氧、HCHO、NO2、SO2柱濃度和廓線以及氣溶膠、云、表面紫外輻射等多種數(shù)據(jù)[13]。可利用臭氧在331.2和317.5 nm波段處的強(qiáng)吸收特性來進(jìn)行臭氧反演[14]。

大氣NO2柱濃度數(shù)據(jù)來自O(shè)MI二級產(chǎn)品OMNO2。大氣臭氧柱濃度數(shù)據(jù)為2006—2016年的L2_V003數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品名稱為OMTO3.003，是由比利時(shí)太空高層大氣研究所(BIRA-IASB)反演并發(fā)布在NASA官網(wǎng)上的GES DISC，數(shù)據(jù)的平均精度優(yōu)于1%，與其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)對太陽天頂角度和緯度的依賴性不明顯[15]。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

選取2006—2016年每日OMI臭氧數(shù)據(jù)產(chǎn)品和2014年NO2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以研究區(qū)時(shí)間、經(jīng)緯度和云量為條件，提取出每日臭氧垂直柱濃度值。由于像元質(zhì)量的主要影響因素是云量，云量的存在會降低云層下柱量值的準(zhǔn)確性，所以對研究區(qū)采用閾值為0.2的云層參數(shù)進(jìn)行像元過濾[16]?？紤]到研究區(qū)邊界插值精度，提取時(shí)將邊界經(jīng)緯度分別擴(kuò)大0.5°，這些過程均通過VISAN軟件完成。將提取到的數(shù)據(jù)運(yùn)用HDFView軟件轉(zhuǎn)換為更具空間分析價(jià)值的shapfile格式,再運(yùn)用ArcGIS軟件對每日點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值、裁剪以及月、季、年度平均值計(jì)算。根據(jù)最終結(jié)果繪制年均、季均和月均柱濃度圖，分析研究區(qū)臭氧柱濃度值的時(shí)間和空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 臭氧柱濃度月變化

為了研究臭氧柱時(shí)間變化特征，繪制寧夏地區(qū)2006—2016年共計(jì)132個(gè)月的臭氧柱濃度月均值變化趨勢圖。如圖1所示，11 a間寧夏地區(qū)臭氧柱濃度月均值呈現(xiàn)周期性變化，每年最高值均出現(xiàn)在3—5月，最低值基本出現(xiàn)在8—10月，季節(jié)性變化特征為最高值出現(xiàn)在春季，最低值出現(xiàn)在夏末秋初。11 a中最大值出現(xiàn)在2010年3月，柱濃度值為375.02 DU；最小值出現(xiàn)在2016年12月，柱濃度值為230.21 DU。總體來看，2010年以前臭氧柱濃度月均值呈緩慢上升趨勢，2010年以后臭氧柱濃度月均值逐年降低。

圖1 2006—2016年寧夏臭氧垂直柱濃度月均值變化趨勢

為便于比較和研究，將臭氧月均垂直柱分為6個(gè)等級，<230、230～260、>260～290、>290～320、>320～350、>350～380 DU分別為1～6級。由于各年內(nèi)月均臭氧柱濃度值具有一定的相似性，以2015年月均臭氧柱濃度分布情況為代表進(jìn)行分析(圖2)。由圖2可見，月均臭氧柱濃度最高值主要分布在固原市，與其相鄰的中衛(wèi)市及吳忠市東部地區(qū)部分月份臭氧柱濃度值也較高。2015年，1—5月整個(gè)研究區(qū)濃度值最高，大部分區(qū)域濃度值都在3級以上；6—8月整個(gè)研究區(qū)濃度值相對較低，低值區(qū)主要分布在銀川市及吳忠市西部地區(qū),高值區(qū)主要分布在石嘴山市和吳忠市東部地區(qū)；9—10月臭氧柱濃度又有所升高，高濃度區(qū)域主要分布在固原市、中衛(wèi)市南部地區(qū)及吳忠市東部地區(qū)；11—12月整個(gè)區(qū)域臭氧柱濃度又較低，其中11月為2015年月均臭氧柱濃度值最小月份。

圖2 2015年寧夏臭氧月均垂直柱濃度分布

3.2 臭氧柱濃度季節(jié)變化

2006—2016年寧夏地區(qū)臭氧垂直柱濃度季節(jié)變化特征見圖3。從圖3可見，11 a來四季(3—5月春季，6—8月夏季，9—11月秋季，12—次年2月冬季)臭氧柱濃度值表現(xiàn)為春季(325.61 DU)>冬季(290.92 DU)>夏季(268.19 DU)>秋季(265.61 DU)。陳希[17]研究表明，中、高緯度地區(qū)的北半球3—4月和南半球9—10月臭氧濃度最高；張瑩等[18]研究表明，冬春季中國臭氧總量高于夏秋季，中國臭氧總量在春季最高，秋季最低，筆者的研究結(jié)論與之相符。四季臭氧柱濃度變化趨勢基本同步，四季臭氧柱濃度最大值均出現(xiàn)在2010年，春、夏、秋、冬季分別為368.23、345.35、323.2和338.76 DU。2010年之前四季臭氧柱濃度值一直呈波動上升趨勢，2010年之后四季臭氧柱濃度值呈同步下降趨勢，其中春季下降相對緩慢。

圖3 2006—2016年寧夏臭氧垂直柱濃度季節(jié)變化特征

圖4為2006—2016年寧夏地區(qū)臭氧柱濃度季均值分布情況，共分為5級(1級218～248 DU、2級>248～278 DU、3級>278～308 DU、4級>308～338 DU、5級>338～368 DU)。

圖4 2015年寧夏臭氧季均垂直柱濃度分布

由圖4可見，春季時(shí)臭氧柱濃度值最高，石嘴山市區(qū)域處于1級，固原市、中衛(wèi)市絕大部分區(qū)域處于5級，其余區(qū)域臭氧柱濃度為2～3級；夏季全境臭氧柱濃度值處于次高，固原市為5級，中衛(wèi)市和吳忠市部分區(qū)域?yàn)?級，其他區(qū)域?yàn)?～2級；秋季時(shí)臭氧柱濃度稍有降低，相比于春季，1～2級臭氧濃度值區(qū)域擴(kuò)大，4～5級臭氧濃度值區(qū)域減?。欢境粞醯椭祬^(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,1～2級臭氧濃度值區(qū)域明顯擴(kuò)大，且南部臭氧濃度值明顯小于北部,5級區(qū)域范圍縮小至中衛(wèi)市西部小部分區(qū)域。整個(gè)區(qū)域的東、西地區(qū)濃度相對較高。一般來說，臭氧濃度易受高溫、日照等氣候條件影響，所以臭氧高值應(yīng)出現(xiàn)在夏季。然而，春季北半球中緯度地區(qū)大氣臭氧濃度值出現(xiàn)高峰這一現(xiàn)象很普遍，對于春季出現(xiàn)高峰的原因各地原因不盡相同且尚有爭議，但基本觀點(diǎn)是由大氣輸送以及NOx、VOCs等前體物在春季的光化學(xué)反應(yīng)造成的[19]。

3.3 臭氧柱濃度年際變化

由圖5可見，2006—2016年臭氧柱濃度變化較緩。11 a間臭氧柱濃度呈先上升后下降的變化趨勢，臭氧柱濃度最高值出現(xiàn)在2010年，為343.87 DU。杜君平等[10]研究也表明，中國年均臭氧總量極大值出現(xiàn)在2010年，全國臭氧總量為310 DU。

圖5 2006—2016年寧夏臭氧垂直柱濃度年均值變化趨勢

究其原因，ZIEMKE等[20]分析認(rèn)為，2010年俄羅斯西部衛(wèi)星出現(xiàn)長波輻射(OLR)異常增高、對流層變暖的現(xiàn)象，表明2010年俄羅斯西部野火事件與2010年異常升溫、該地區(qū)持續(xù)的沉降和反氣旋循環(huán)活動有關(guān)。而氣象變化異常是對流層臭氧增加的主要驅(qū)動力，所以這也應(yīng)該是全國及該研究區(qū)2010年臭氧柱濃度明顯高于其他年份的原因之一。研究區(qū)臭氧柱濃度最低值出現(xiàn)在2016年，為287.57 DU。2010年之前，臭氧柱濃度增長緩慢，年均增長率為2.95%；2010年之后，臭氧柱濃度緩慢降低，年均減少率為3.2%。

圖6為 2006—2016年寧夏地區(qū)臭氧垂直柱濃度年均值時(shí)空分布變化情況，共分為5個(gè)濃度等級(260～280、>280～300、>300～320、>320～340、>340～360 DU分別為1～5級)。從圖6可以看出，11 a間，研究區(qū)臭氧柱濃度空間分布變化特征為由北多南少向南多北少變化，由東多西少向西多東少變化?？梢钥闯?，2011年之前臭氧柱濃度高值區(qū)一直分布在北部，即石嘴山、銀川及吳忠市的北部地區(qū)；2011—2012年臭氧柱濃度高值區(qū)向研究區(qū)南部和西部地區(qū)遷移；2012年以后，臭氧柱濃度高值區(qū)分布在西部和南部地區(qū)，即中衛(wèi)市西部和固原市等地。

圖6 2006—2016年寧夏臭氧年均垂直柱濃度分布

4 臭氧柱濃度的影響因素

平流層的臭氧一般是由光化學(xué)反應(yīng)生成或?qū)α鲗映粞鮿恿斔偷玫?，來源比較簡單。對流層的臭氧來源一般分為人為源和自然源，比較復(fù)雜。目前認(rèn)為自然源最主要的來源有由平流層輸入和光化學(xué)反應(yīng)生成以及由植物直接排放，不過這部分的來源很少。而人為源的來源主要有汽車尾氣、石油化工類的工業(yè)污染排放、燃煤電廠的煙羽、生物質(zhì)燃燒等。近年來，研究者認(rèn)為導(dǎo)致臭氧柱濃度上升的原因中人為因素占主導(dǎo)地位。如崔繼菊[21]和李霄陽等[22]認(rèn)為近地層的臭氧主要由大量人為源和少量天然源排放的前體物污染物NOx、CO和多種揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。而該研究中的大氣臭氧柱總量變化主要受大氣動力影響所致，人為源的作用相對較小。

4.1 氣象條件對臭氧柱濃度的影響

4.1.1風(fēng)向?qū)Τ粞踔鶟舛扔绊?/p>

風(fēng)力和風(fēng)向會直接影響污染物濃度的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散方向。由圖7可知，寧夏各市全年主導(dǎo)風(fēng)向均為北風(fēng)。銀川市、固原市次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、東南風(fēng)；石嘴山市次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、西風(fēng)；吳忠市次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、東北風(fēng)；中衛(wèi)市次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、東風(fēng)。根據(jù)寧夏風(fēng)向頻率圖，受大氣輸送影響，污染物由北向南輸送轉(zhuǎn)移。加之南部地區(qū)多山地、高原阻擋，山地地形不利于氣流交換，容易累積污染物[23]。這也是導(dǎo)致固原、中衛(wèi)附近臭氧柱濃度相對較高的原因。

4.1.2降水對臭氧濃度的影響

從理論上說一般在高溫、強(qiáng)日照條件下易發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，降水主要集中在夏季，對臭氧及其前體物有較強(qiáng)的清理作用。同時(shí)雨天時(shí)云層較厚，太陽輻射較弱，不利于光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行[24]。對銀川11 a間月均臭氧柱濃度與月均降水量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.543，說明降水不利于光化學(xué)反應(yīng)，這也是研究區(qū)夏季臭氧濃度較低的原因之一。

4.2 人為因素對臭氧柱濃度的影響

對研究區(qū)2006—2016年臭氧柱濃度值與人口、工業(yè)總產(chǎn)值、煤炭消耗總量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明相關(guān)系數(shù)均不高，分別為0.074、-0.01、0.015，可見這幾項(xiàng)人為因素對寧夏臭氧濃度影響很小。

除此以外，機(jī)動車尾氣排放是NOx的來源之一，而機(jī)動車保有量是影響尾氣排放量的重要因素。在城市地區(qū)，汽車尾氣產(chǎn)生的NO、NO2及 VOCs 氣體環(huán)境濃度都能夠影響環(huán)境中的臭氧濃度[25]。汽車尾氣直接排入大氣，尾氣產(chǎn)生的大量NOx經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)消耗轉(zhuǎn)化為臭氧。所以機(jī)動車保有量對臭氧柱濃度有直接影響。

圖中數(shù)據(jù)表示某一風(fēng)向的頻率。

以2014年寧夏大氣臭氧柱濃度月均值與大氣NO2柱濃度月均值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.683。這與劉芷君等[26]分析得出的長三角地區(qū) NO2與臭氧年均濃度呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相符。

綜上所述，研究區(qū)大氣臭氧柱濃度值與人口數(shù)、工業(yè)總產(chǎn)值、煤炭消耗量相關(guān)性不大，說明臭氧柱來源受這幾項(xiàng)人為因素影響較小。再者，該研究是通過遙感手段對整個(gè)大氣臭氧柱開展研究，不涉及近地面臭氧監(jiān)測，這也是受人為因素影響較小的一個(gè)重要原因。而研究區(qū)大氣臭氧柱濃度值與大氣NO2柱濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明臭氧柱來源受NOx等前體物的光化學(xué)反應(yīng)作用影響較大。在氣象要素方面，臭氧柱濃度和降水量呈負(fù)相關(guān)，而研究區(qū)屬于大陸性氣候區(qū)，降水集中在夏季，導(dǎo)致夏季臭氧柱濃度較低。該研究結(jié)果的特殊性在于研究區(qū)臭氧柱濃度受大氣傳輸作用影響顯著，寧夏常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，因此，主導(dǎo)風(fēng)向北風(fēng)的大氣傳輸作用加上南部地形不利于氣體交換，導(dǎo)致南部地區(qū)臭氧柱濃度相對較高。

5 結(jié)論

(1)時(shí)間尺度上，2006—2016年寧夏地區(qū)臭氧濃度總量年際變化呈單峰型，其值先增大后減小，在2010達(dá)最大值。季節(jié)變化特征為每年最高值出現(xiàn)在3—5月，11 a中臭氧柱濃度最大值出現(xiàn)在2010年3月，每年最低值出現(xiàn)在8—10月，11 a中臭氧柱濃度最小值出現(xiàn)在2016年12月。四季臭氧柱濃度值大小表現(xiàn)為春季最高，冬季次之，秋季最低，且四季的年際變化趨勢基本保持一致。

(2)空間尺度上，2006—2016年寧夏地區(qū)臭氧柱濃度呈現(xiàn)北多南少向南多北少變化以及東多西少向西多東少變化的趨勢。以2011—2012年為過渡，2011年之前臭氧柱濃度值高值區(qū)一直分布在北部，且臭氧濃度分級增加，2012年起臭氧柱濃度高值區(qū)向南部和西部地區(qū)遷移。

(3)寧夏地區(qū)大氣臭氧總量的時(shí)空分布特點(diǎn)與其自然因素(包括地理位置、氣象等)有關(guān)，也與研究區(qū)的人為活動如機(jī)動車、工業(yè)布局調(diào)整等變化有密切關(guān)聯(lián)。