全球近地層臭氧時(shí)空分布特征及其來源解析

費(fèi)冬冬 ,侯雪偉,魏 蕾 (.中冶華天工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 2009；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 20044；.北京市人工影響天氣辦公室,北京 00089)

對(duì)流層 O3濃度水平主要受與平流層-對(duì)流層交換作用有關(guān)的平流層流入作用、對(duì)流層內(nèi)的光化學(xué)產(chǎn)生及損耗作用以及地表沉降等過程控制[1].對(duì)流層光化學(xué)產(chǎn)生及損耗O3的能力主要受太陽(yáng)輻射、H2O、NOx以及VOCs的影響,并且這種影響是非線性的,在時(shí)間和空間上也存在較大的變化,進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)流層O3時(shí)空分布的非均勻性[2].

歐洲、北美、澳大利亞、中國(guó)和日本的觀測(cè)表明,近地面O3和氧化物(Ox = O3+ NO2)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化[3-11].沒有污染的Cape Grim (41°S)地區(qū)O3年內(nèi)變化呈現(xiàn)夏季最低冬季最大值[12].這種夏低冬高的季節(jié)變化特征在北半球和南半球其他偏遠(yuǎn)地區(qū)均被觀測(cè)到[4-5,12-15].與偏遠(yuǎn)站點(diǎn)不同,大部分北半球中緯度清潔背景地區(qū)近地面 O3濃度季節(jié)變化特征為春季最大夏季最低;而在城市等人為活動(dòng)較頻繁的地區(qū)表現(xiàn)為夏季最大,冬季最低.O3的這種季節(jié)變化由多個(gè)因子控制,如 O3前體物源區(qū)、地理位置和氣象條件[13].平流層向?qū)α鲗拥妮斔驮欢缺徽J(rèn)為是對(duì)流層 O3的主要源[16-19].冬末春初,平流層 O3向?qū)α鲗拥妮斔妥饔米顝?qiáng)[17];而同時(shí),對(duì)流層O3也達(dá)到了峰值,如在未受污染的北極地區(qū)[20-21]、熱帶大西洋地區(qū)[22-23]和太平洋地區(qū)[24]等,這一結(jié)果不僅說明了平流層 O3向?qū)α鲗拥妮斔土烤哂屑竟?jié)性變化特征,而且也進(jìn)一步支持了平流層 O3源學(xué)說.另外,一些化學(xué)模式的模擬結(jié)果也說明了平流層 O3源所起的重要作用[19,25-26].由此,許多大型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬圍繞不同尺度下化學(xué)和輸送作用對(duì)對(duì)流層 O3的貢獻(xiàn)展開研究.大氣觀測(cè)和全球大氣化學(xué)三維模式[27-32]普遍認(rèn)同對(duì)流層 O3的收支主要由對(duì)流層內(nèi)光化學(xué)產(chǎn)生和損失來控制.有研究表明,光化學(xué)產(chǎn)生的 O3量為 3000～5000TgO3/a,而平流層的輸入量為300～700TgO3/a[33-38],但光化學(xué)損失量也較大[1,39],因此凈的光化學(xué)產(chǎn)生量在量級(jí)上與平流層的輸入量相當(dāng),平流層的貢獻(xiàn)依然是不可忽略的重要貢獻(xiàn).在偏遠(yuǎn)地區(qū),如南半球海洋邊界層,O3是由光化學(xué)反應(yīng)控制的[40].在如此低濃度的 NOx地區(qū),盛行的光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致O3凈的損耗.許多地面觀測(cè)站O3表現(xiàn)出春-夏季達(dá)最大值.而該夏季高值的出現(xiàn)往往與 O3的光化學(xué)產(chǎn)生作用有關(guān)[13,41-42].這些站點(diǎn)一般是大陸性的,并受污染的影響[43-44].

早期對(duì)對(duì)流層 O3的研究以局地觀測(cè)為主,大多數(shù)研究都是針對(duì)局地地面 O3較短期變化特征的分析,而對(duì)于洲際各區(qū)域之間,洋面和內(nèi)陸、海岸的地面 O3分布特征認(rèn)識(shí)有限.本文采用中國(guó)部分站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)、全球溫室氣體數(shù)據(jù)中心(WDCGG)和東亞酸沉降網(wǎng)(EANET)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù),針對(duì)全球范圍內(nèi)不同地區(qū)對(duì)流層O3季節(jié)及年際變化特征進(jìn)行分析,并通過 MOZART-4(Model for Ozone and Related chemical Tracers, version 4)模式進(jìn)行O3收支以及來源分析,旨在得到全球范圍內(nèi) O3的變化規(guī)律以及影響O3變化的原因.

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 全球大氣化學(xué)模式MOZART-4

采用MOZART-4模式對(duì)全球O3及相關(guān)微量成分進(jìn)行模擬,是適用于對(duì)流層研究的離線全球化學(xué)模式,該模式以 MATCH (Model of Atmospheric Transport and Chemistry)[45]框架為基礎(chǔ),包括物種平流和對(duì)流輸送、垂直擴(kuò)散以及干濕沉降過程的參數(shù)化計(jì)算.對(duì)流質(zhì)量通量的計(jì)算采用Hack等[46]的淺對(duì)流和中對(duì)流方案以及 Zhang等[47]的深對(duì)流方案;垂直擴(kuò)散采用 Holtslag等[48]的參數(shù)方案;平流輸送采用Lin等[49]帶有壓力修正通量形式的半拉格朗日平流方案.MOZART-4包含多種化學(xué)反應(yīng),標(biāo)準(zhǔn)的MOZART-4機(jī)制包括85種氣相物種、12種氣溶膠物種、39種光解反應(yīng)和 157個(gè)氣相化學(xué)反應(yīng)[50].MOZART使用的化學(xué)預(yù)處理方式可以容易地修改化學(xué)機(jī)制,這有利于更好地更新反應(yīng)進(jìn)程、添加反應(yīng)物種和簡(jiǎn)化化學(xué)機(jī)制[50].

MOZART-4模擬采用的排放清單中,主要的人為排放來自對(duì)流層O3前體物及其影響網(wǎng)站(POET) 2000年的數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)包含基于 EDGAR-3(化石燃料和生物燃燒)的人為排放清單.人為排放的黑碳和有機(jī)碳為1996年的數(shù)值,人為排放的SO2和NH3分別源于EDGAR-FT2000和EDGAR-2數(shù)據(jù)庫(kù).對(duì)于亞洲地區(qū),模擬中使用的各年的排放清單被亞洲區(qū)域排放清單(REAS)取代.1997～2007年逐年月平均生物質(zhì)燃燒排放數(shù)據(jù)來自全球火點(diǎn)排放資料庫(kù)(GFED-V2),生物排放的異戊二烯和單萜以及閃電排放的 NO均采用MEGAN 在線計(jì)算方式,二甲基硫(DMS)的排放來自海洋生物地球化學(xué)模式HAMOCC5的月平均值,火山噴發(fā)釋放的SO2來自GEIA-v1清單.

本研究中 MOZART-4模式由分辨率為 6h的NCEP氣象場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),垂直層數(shù)為28層,模式頂高為 2hPa,采用 σ-P混合坐標(biāo),水平分辨率約為 2.8°×2.8°,模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為 900s.模擬時(shí)段為 2000年 1月～2007年12月,其中2000年為spin-up,主要分析2001～2007年的模擬結(jié)果.

1.2 源追蹤方法

在 MOZART-4中引入在線 O3源追蹤方法,與標(biāo)準(zhǔn)模擬同時(shí)進(jìn)行[2,51-52].該方法是將某區(qū)域內(nèi)的各物種視為單獨(dú)的物種存在,分別計(jì)算其輸送、化學(xué)損失和地表沉降,其公式表述為:

式中:Qi為標(biāo)記區(qū)域i內(nèi)的污染物濃度,對(duì)于O3來說就是 O3的體積混合比;β為化學(xué)損失率常數(shù)(s-1);Pi為標(biāo)記區(qū)域i內(nèi)某污染物(本研究中為O3)的化學(xué)產(chǎn)生量,計(jì)算方法見公式(2),其中P為O3的化學(xué)產(chǎn)生量.本研究中北美、歐非、亞洲中國(guó)及周邊區(qū)域?yàn)楸卑肭蛑攸c(diǎn)研究區(qū)域,因此標(biāo)記的區(qū)域?yàn)楸泵?NAM)、歐非(EUA)、印度(IND)、中國(guó)(CHN)以及日韓(JAK).垂直方向劃分 3層:近地層至大氣邊界層頂,大氣邊界層頂至對(duì)流層頂,平流層;其中平流層不做水平分區(qū).由此將全球近地層至平流層大氣劃分為13個(gè)區(qū)域,具體標(biāo)記區(qū)域見表1和圖1.

表1 源追蹤實(shí)驗(yàn)設(shè)置(2001～2007)Table 1 The set of tagged experiment(2001～2007)

圖1 全球多年平均近地面NO排放量Fig.1 Multi-years average yearly emission rate at the surface in the globe used in the model simulations (shaded)

1.3 觀測(cè)資料介紹

表 2中,O3的月平均體積分?jǐn)?shù)資料來源于東亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)(EANET)和世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心(WDCGG).選取測(cè)站覆蓋全球,由于南半球觀測(cè)較少,所取站點(diǎn)廣泛分布在北半球各大地區(qū).部分站點(diǎn)的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)資料[53-58].其余站點(diǎn)來自 WDCGG.大部分測(cè)站選取的時(shí)間范圍為 10a以上,少量測(cè)站缺少觀測(cè)資料使得選取的時(shí)間范圍少于10a.

表2 各測(cè)站的經(jīng)緯度、海拔高度、時(shí)間區(qū)間以及O3資料來源Table 2 Elevation, location, and period of observation for surface ozone measurement stations

續(xù)表2

1.4 對(duì)流層O3收支總量評(píng)估

對(duì)流層內(nèi)控制O3水平的因子包括平流層O3的輸入、凈的光化學(xué)產(chǎn)生以及沉降作用.而對(duì)于邊界層內(nèi)(本研究中為地表至2km內(nèi))或近地面層,O3變化率可表示為:

式中:Chem表示凈的O3化學(xué)產(chǎn)生作用;Adv、Con以及Dif分別為平流、對(duì)流以及擴(kuò)散作用的O3輸送通量;Dep為O3干沉降率.

與以往的研究相對(duì)比, MOZART-4結(jié)果中對(duì)流層O3的收支與其他模式的結(jié)果是相吻合的(表3).

表3 化學(xué)傳輸模式中全球O3收支對(duì)比(Tg/a)Table 3 The comparison of global O3 budget in chemical transport model (CTM) (Tg/a)

2 結(jié)果與討論

2.1 東亞地區(qū)近地層O3季節(jié)變化特征及區(qū)域來源

結(jié)合 Hou等[62]的評(píng)估結(jié)果以及區(qū)域劃分,各區(qū)域 O3特征(圖 2)如下:海洋季風(fēng)區(qū)(I,18°N～28°N,122°E～135°E)受人為活動(dòng)影響較小,受季風(fēng)影響較大,近地層 O3濃度冬末春初達(dá)最大、夏季達(dá)最低,該區(qū)域O3的光化學(xué)作用是損失O3,O3季節(jié)變化主要受平流輸送作用的影響;沿海季風(fēng)區(qū)(II,28°N～46°N, 122°E～144°E),受人為活動(dòng)的影響,靠近西北太平洋,受季風(fēng)的顯著影響,近地層 O3春季達(dá)最大、夏季達(dá)最低,秋季有一次峰(約43.7×10-9);大陸污染季風(fēng)區(qū)(III,中國(guó)北方,33°N～43°N, 112°E～122°E),近地層 O3夏季達(dá)最大、冬季最低;大陸污染季風(fēng)區(qū)(IV,中國(guó)南方,22°N～33°N,112°E～ 122°E)近地層 O3呈現(xiàn)明顯的雙峰型分布,即春季最大、夏季最低,秋季有一峰值,略低于春季峰值.區(qū)域II、III、IV近地層 O3季節(jié)變化主要是由凈的光化學(xué)產(chǎn)生作用導(dǎo)致.

圖2 各區(qū)域分別對(duì)東亞4個(gè)區(qū)域邊界層O3的貢獻(xiàn)量Fig.2 Multi-years average of monthly O3 contribution in the boundary layer over four regions of East Asia from the tagged regions

如圖2所示,4個(gè)區(qū)域中平流層輸入作用對(duì)邊界層O3的貢獻(xiàn)(Strato)均在冬末春初達(dá)最大值,這與Danielsen等[17]及Langford等[63]的結(jié)果相吻合;但除區(qū)域I,冬春季不是邊界層O3最大值時(shí)期.在區(qū)域I中平流層貢獻(xiàn)最大占30%,平流層輸入作用與邊界層O3季節(jié)變化具有一定的相似性,這說明西太平洋地區(qū)平流層貢獻(xiàn)對(duì)O3季節(jié)變化具有重要貢獻(xiàn),但可能不是唯一.區(qū)域I中對(duì)流層內(nèi)各區(qū)域總的貢獻(xiàn)也可導(dǎo)致O3呈現(xiàn)冬至春末達(dá)最大的特征,這與平流層貢獻(xiàn)是區(qū)域 I O3季節(jié)變化的原因之一相吻合.但就年平均O3水平來看,對(duì)流層總量的貢獻(xiàn)是占主要地位的,其余地區(qū)也存在這種特征.區(qū)域 I中全球各區(qū)域的貢獻(xiàn)量都比較小,日本及韓國(guó)邊界層的貢獻(xiàn)稍微強(qiáng)一些,冬春季約6.8×10-9,主要是因?yàn)樵搮^(qū)域位于日本韓國(guó)(JAK)的區(qū)域中,區(qū)域內(nèi)短距離的流入流出作用使得該區(qū)域的貢獻(xiàn)略強(qiáng)一些;其次為自由對(duì)流層的Rest區(qū)域,盡管它的貢獻(xiàn)量沒辦法和南半球的相比,但也可以看出背景值對(duì)相對(duì)清潔地區(qū)O3的貢獻(xiàn).區(qū)域II為日本及韓國(guó)陸地區(qū)域,日本及韓國(guó)邊界層的貢獻(xiàn)最大,特別是春夏季,達(dá)13.9×10-9,這與該區(qū)域O3收支分析中局地的O3光化學(xué)產(chǎn)生作用是相吻合的,另外,中國(guó)邊界層的貢獻(xiàn)也比較強(qiáng),春夏季達(dá)最大,為 8.7×10-9,這是因?yàn)榇合募臼⑿衅黠L(fēng),中國(guó)位于日本韓國(guó)的上風(fēng)向區(qū),春夏季有利于中國(guó)邊界層O3向日本韓國(guó)一帶的流出.區(qū)域 III和 IV,主要以中國(guó)邊界層的貢獻(xiàn)為主,進(jìn)一步證明了局地光化學(xué)作用在該地區(qū)的支配地位.

2.2 北美及周邊地區(qū)近地層O3季節(jié)變化特征及區(qū)域來源

該區(qū)域選取的測(cè)站主要包括丹麥的Summit、加拿大的 Esther、Bratt’s Lake、Chapais、Experimental Lakes Area (ExpLA)、Saturna、Algoma、Chalk River、Longwoods、北美的Trinidad Head、Niwot Ridge、Moody站、北愛爾蘭的 Tudor Hill以及巴巴多斯Ragged Point.北愛爾蘭的Tudor Hill雖屬于歐洲,但在地理位置上靠近北美;丹麥的 Summit位于北緯72.58°,緯度較高,周圍測(cè)站較少,將這 2個(gè)測(cè)站歸為北美地區(qū)一起討論.

由圖 3可以看出,該地區(qū)季節(jié)變化特征可以分為4類:第1類是位于北極圈的Summit,其地理位置特殊,將其作為一類單獨(dú)分析;第2類是O3季節(jié)變化幅度較大的內(nèi)陸站 Esther和西北大西洋的 Tudor Hill,雖然所處的地理位置不同,但其相似的季節(jié)變化可以歸為一類,并以Tudor Hill為代表;第3類為具有北美典型O3春季高值特征的站點(diǎn),以Saturna為代表;第4類為O3冬季最高的Ragged Point站.

圖3 北美地區(qū)各測(cè)站近地面O3多年月平均觀測(cè)值Fig.3 The multi-years monthly average of surface observation ozone in the North American region

Summit站位于北緯70°以北,人為活動(dòng)較少,污染物濃度相對(duì)較低.相對(duì)于其他站,如圖 4(a),Summit站O3各項(xiàng)收支季節(jié)變化幅度較小,擴(kuò)散作用為 O3主要的源,且冬春季最大,夏季最弱;另外一個(gè)源為平流輸送,該作用夏季最高,冬季最低;凈的化學(xué)損耗主要在夏季.結(jié)合圖5(a),冬春季O3主要來自平流層O3的向下傳輸,最大達(dá) 20.7×10-9,傳輸方式主要是擴(kuò)散,夏季主要來自北美洲邊界層內(nèi)的輸送,傳輸方式為平流.Saturna近地面 O3各項(xiàng)收支的絕對(duì)值較大,達(dá)±40×10-9/d,是Summit站的20倍.冬季,主要的源為平流輸送,對(duì)流傳輸也是 O3冬季的一個(gè)源,但相比平流量較弱;擴(kuò)散為損耗 O3,可達(dá) 13.4×10-9/d.由圖 5(b)可以看出,除平流層及北美的貢獻(xiàn),其余各地區(qū)貢獻(xiàn)相對(duì)較弱,且季節(jié)變化不明顯,因此確定該地區(qū)主要的源區(qū)為平流層和北美.該地區(qū) O3春季最大的主要原因是凈的化學(xué)作用導(dǎo)致的迅速增加的北美邊界層的貢獻(xiàn),平流層的貢獻(xiàn)相對(duì)弱一些.位于西北大西洋的 Tudor Hill及周邊地區(qū)NO濃度很低(圖1),背景及局地均相對(duì)比較清潔,Summit及Ragged Point也具有這類環(huán)境,分析這 3類測(cè)站 O3的收支的量均比較小,均為-2×10-9～2×10-9/d,且凈的化學(xué)作用大多處于損耗 O3的狀態(tài),這很可能是清潔站的一個(gè)共性,但這并不表明它們的源和匯也具有共性,源、匯還與它們所處地理位置、太陽(yáng)輻射、O3壽命以及大氣環(huán)流特征等有關(guān).Tudor Hill站,平流輸送由冬季O3的流出作用轉(zhuǎn)變?yōu)榱魅?凈的化學(xué)作用冬季為弱的源,但夏季為 O3強(qiáng)的匯;對(duì)流始終為O3的源,但其貢獻(xiàn)量較弱,夏季達(dá)最大;擴(kuò)散作用春季及夏初為O3的匯,其余季節(jié)為O3的源.由圖 5(c)可見,該地區(qū) O3的主要源區(qū)是北美邊界層,其次為平流層,北美自由對(duì)流層的貢獻(xiàn)季節(jié)變化較小,年平均約 6.4×10-9,位居第 3.Ragged Point位于大西洋東部沿岸地區(qū),緯度較低.從收支分析可以看出,邊界層內(nèi) O3的源為擴(kuò)散及平流,匯為凈的化學(xué)損耗及干沉降.其中,擴(kuò)散作用為主要的源,夏季達(dá)最大,化學(xué)作用為主要的匯,且冬/春季較大,夏季最小.圖5(d)中,自由對(duì)流層的貢獻(xiàn)較大,其中歐洲自由對(duì)流層的貢獻(xiàn)最大,其次是北美自由對(duì)流層,這些區(qū)域的貢獻(xiàn)方式主要是通過擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)的,但該地區(qū) O3季節(jié)變化受平流層的影響略強(qiáng).

圖4 丹麥Summit、加拿大Saturna、北愛爾蘭Tudor Hill及巴巴多斯Regged Point近地面O3多年月平均濃度及收支量Fig.4 Multi-years average of monthly O3 budget at surface over Summit(a), Saturna(b), Tudor Hill(c) and Regged Point(d)

圖5 各追蹤區(qū)域?qū)Φ淪ummit(a)、加拿大Saturna(b)、北愛爾蘭Tudor Hill(c)及巴巴多斯Regged Point(d)站近地面O3的貢獻(xiàn)量Fig.5 Multi-years average of monthly O3 contribution at surface over Summit(a), Saturna(b), Tudor Hill(c) and Regged Point(d)from the tagged regions

2.3 歐洲地區(qū)近地層O3季節(jié)變化特征及區(qū)域來源

選取的歐洲測(cè)站包括芬蘭的 Pallas-Sammaltunturi、Ahtari、冰島的 Heimaey、英國(guó)的Eskdalemuir、愛爾蘭的 Mace Head、德國(guó)的Brotjacklriegel、Hohenpeissenberg、Schauinsland、瑞士的Payerne和Rigi、南斯拉夫的Zavodnje、西班牙的Mahon、San Pablo de los Montes、Izana、葡萄牙的Lisboa、佛得角Cape Verde Observatory以及尼泊爾Everest-Pyramid.

由圖6(a)和(b)所示,歐洲Mace Head以北的高緯測(cè)站以及低緯的Cape Verde Observatory站,O3呈現(xiàn)春季最大值,冬/夏季呈現(xiàn)最低值;大部分中緯度測(cè)站呈現(xiàn)夏季最大值,冬季最低值,這與以往的觀測(cè)[5]是相吻合的.其中,值得關(guān)注的是Izana站,該地區(qū) O3雖在春季達(dá)最大,但夏季 O3濃度也較高,根據(jù)其地理位置來看,它處于夏季高值區(qū)向低緯春季高值區(qū)轉(zhuǎn)變的區(qū)域,這種特殊的地理位置使該地區(qū) O3既存在低緯春季高值的特征,又存在中緯夏季O3略高的特征,該位置對(duì)O3變化比較敏感,本研究網(wǎng)格較粗,很難模擬出它的這種變化特征,因此不能將其選為代表站點(diǎn),但可以通過低緯及中緯站點(diǎn)中選取具有典型 O3季節(jié)變化的站點(diǎn)來分析,最終選取具有 O3典型春季高值的 Cape Verde Observatory及具有夏季高值的Rigi站來研究O3的收支及源匯.

由圖 6(c)和(d)可以看出,模式能夠體現(xiàn) Cape Verde Observatory和Rigi站近地面O3的季節(jié)變化特征,能夠用于研究該地區(qū)O3季節(jié)變化的原因.Cape Verde Observatory站位于大西洋東部洋面,人為活動(dòng)相對(duì)較少,背景比較清潔,該地區(qū)凈的光化學(xué)(凈化學(xué))作用是損耗O3,這也是清潔地區(qū)O3收支項(xiàng)的一個(gè)特點(diǎn).其主要的源為輸送作用,以平流輸送作用為主,并呈現(xiàn)春季高冬季低的季節(jié)變化特征.從各區(qū)域的貢獻(xiàn)來看(圖6e),就年平均O3水平來說,對(duì)流層內(nèi)各區(qū)域的貢獻(xiàn)比平流層的貢獻(xiàn)強(qiáng),其中歐洲邊界層的貢獻(xiàn)占主要地位;對(duì)于O3季節(jié)變化,平流層的貢獻(xiàn)多一些,對(duì)流層的貢獻(xiàn)相對(duì)低一些.Rigi站凈的光化學(xué)作用為主要源(圖6d),夏季,擴(kuò)散作用也是O3的源,但相對(duì)于化學(xué)作用較小,平流及對(duì)流輸送為 O3夏季主要的匯,結(jié)合圖6f可以看出,不管是從年平均O3水平還是季節(jié)變化的角度來看,都是局地的貢獻(xiàn),即歐洲邊界層的貢獻(xiàn).

圖6 歐洲地區(qū)各測(cè)站近地面O3多年月平均值Fig.6 The multi-years monthly average of surface ozone in the Europe

2.4 南半球近地層O3季節(jié)變化特征及區(qū)域來源

選取的南半球測(cè)站包括美國(guó)的Tutuila及South Pole、阿根廷的La Quiaca Observatorio及Ushuaia、巴拉圭的San Lorenzo、南非的Cape Point、澳大利亞的 Cape Grim、新西蘭的 Baring Head、日本的Syowa Station以及德國(guó)的Neumayer.

由圖7(a)可以看出40°S以北陸地地區(qū)O3濃度為春季最高(北半球秋季);La Quiaca Observatorio和San Lorenzo位于南美洲中部地區(qū),秋季達(dá)最低(北半球春季),Cape Point和Cape Grim位于南非和南美洲南部沿海地區(qū),呈現(xiàn)冬季-春季(北半球夏季-秋季)寬范圍的高值,最低值出現(xiàn)在夏季(北半球冬季).Tutuila位于洋面上,背景相對(duì)比較清潔,為冬季最高.40°S以南地區(qū),基本都是海面,近地面O3均呈現(xiàn)冬季最大值(圖7b),最大為South Pole站,夏季最低,除South Pole,其余測(cè)站夏季均在16.5×10-9以下.根據(jù)各地區(qū)O3不同的季節(jié)變化特征,我們選取Tutuila、Cape Point、Cape Grim以及Neumayer為代表站進(jìn)行收支及追蹤分析.

圖7 南半球各測(cè)站近地面O3多年月平均觀測(cè)值Fig.7 The multi-years monthly average of surface observation ozone in the south hemisphere

模擬結(jié)果能夠再現(xiàn)各代表測(cè)站O3季節(jié)變化特征(圖 8).Tutuila站邊界層內(nèi) O3的各項(xiàng)收支量為-3×10-9～3×10-9/d(圖8a),源為平流及擴(kuò)散輸送,平流在冬季達(dá)最大,夏季最小,擴(kuò)散在冬季最小,春季最大(北半球 9月);化學(xué)作用為主要的匯.通過各區(qū)域的貢獻(xiàn)可以看出(圖 9a),區(qū)域貢獻(xiàn)最大的是自由對(duì)流層的Rest地區(qū),可以說是偏遠(yuǎn)的地區(qū),也可以說是背景.Rest自由對(duì)流層的貢獻(xiàn)在冬季最大(北半球夏季),約 9.1×10-9,夏季(北半球冬季)最低,約 5.6×10-9;平流層對(duì)該地區(qū)O3季節(jié)變化起著重要作用.

非洲南部的 Cape Point站,O3各項(xiàng)收支在-6×10-9～6×10-9/d(圖 8b),相對(duì)南半球其他測(cè)站,各收支項(xiàng)的量大一些;凈的化學(xué)作用和對(duì)流作用為 O3的源,化學(xué)作用占主要地位;平流作用為 O3主要的匯.從各區(qū)域貢獻(xiàn)來看,冬季,平流層的貢獻(xiàn)最大,達(dá) 8.0×10-9;其次是自由對(duì)流層Rest的貢獻(xiàn),約7.0×10-9;該地區(qū)化學(xué)作用并不是 O3冬/春季最高夏季最低的原因,對(duì)流輸送扮演著相對(duì)重要的角色,其來源主要是平流層及自由對(duì)流層背景值的輸送,局地的貢獻(xiàn)對(duì) O3年平均水平具有一定貢獻(xiàn).Cape Grim位于澳大利亞南部沿海,情況與Cape Point相似(圖8c和9c),但歐非的貢獻(xiàn)較弱,邊界層背景值的貢獻(xiàn)較強(qiáng).Neumayer位于70.65°S,由圖1可以看出,一次污染物NO的濃度非常低,另外其所處的緯度較高,太陽(yáng)輻射較弱,溫度較低,O3各收支項(xiàng)較弱,絕對(duì)值在1×10-9/d以下(圖8d),在如此弱的收支變化下,O3壽命應(yīng)該也相對(duì)比較長(zhǎng),存在O3的累積.如圖9(d),夏季至冬季(北半球1月至7月),各區(qū)域的貢獻(xiàn)都是呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),但圖 9(d)中 O3的源(如平流輸送)并沒有增強(qiáng),反而減弱了,這應(yīng)該可以理解為O3累積是O3冬季最高的原因之一.南極局地的貢獻(xiàn)很弱,但夏季(北半球冬季)略高于冬季(北半球夏季),這應(yīng)該與O3局地的流入流出作用有關(guān).

圖8 南半球Tutuila(a)、Cape Point(b)、Cape Grim(c)以及Neumayer(d)近地面O3多年月平均濃度及收支量Fig.8 Multi-years average of monthly O3and their budget at surface over Tutuila(a), Cape Point(b), Cape Grim(c) and Neumayer(d)

圖9 各區(qū)域?qū)δ习肭騎utuila(a)、Cape Point(b)、Cape Grim(c)以及Neumayer(d)近地面O3的貢獻(xiàn)量Fig.9 Multi-years average of monthly O3contribution at surface over Tutuila(a), Cape Point(b), Cape Grim(c) and Neumayer(d)from the tagged regions

圖10為模擬計(jì)算的全球O3出現(xiàn)最大值的季節(jié),北半球中高緯地區(qū)春季 O3最大,南半球也存在春季高值;北美東南部、歐洲大部分地區(qū)以及中國(guó)北部地區(qū)等 O3夏季最高,該模擬結(jié)果與實(shí)際略有偏差,比如歐洲北部、俄羅斯大部分地區(qū)夏季高O3影響范圍偏大,這很可能是因?yàn)槿蚰Ｊ椒直媛时容^低,網(wǎng)格平均后的結(jié)果有偏差.南半球大部分地區(qū)為冬季最高(北半球的夏季),南美洲中部、非洲南部以及澳大利亞大部分地區(qū)為春季最大(北半球的秋季).從收支分析來看,清潔背景地區(qū)(海洋站居多)近地面或邊界層O3各項(xiàng)收支量較小,且凈的化學(xué)作用大多處于損耗O3的狀態(tài);大多數(shù)陸地測(cè)站凈的光化學(xué)作用為產(chǎn)生O3.從各區(qū)域的貢獻(xiàn)來看,近地面 O3的源區(qū)主要來自對(duì)流層內(nèi)部,平流層的貢獻(xiàn)較小,平流層輸入的 O3雖小于對(duì)流層內(nèi)部的 O3,但它的變化很可能是近地面O3季節(jié)變化的原因;對(duì)于極地、海洋及清潔背景地區(qū),平流層的貢獻(xiàn)是O3季節(jié)變化的一個(gè)重要原因.

圖10 全球O3最大值出現(xiàn)的季節(jié)Fig.10 The season occurred ozone maximum in whole year

西北太平洋海洋季風(fēng)區(qū)近地面 O3濃度冬末春初達(dá)最大值,夏季最低,季節(jié)變化受平流及垂直輸送作用的影響較大;沿海季風(fēng)區(qū)近地面O3春季最大,夏季最低,在秋季有一次峰,其春季高值是由強(qiáng)的凈的光化學(xué)產(chǎn)生作用導(dǎo)致的.中國(guó)東部南北區(qū)邊界層 O3的季節(jié)變化特征不同,中國(guó)東北部 O3呈現(xiàn)單峰型分布,且夏季最高,東南部區(qū)呈現(xiàn)雙峰分布,春季達(dá)最大值,夏季最低,秋季有一個(gè)次峰,這均是光化學(xué)作用導(dǎo)致,區(qū)別是夏季,南方 O3前體物略低,陰雨天較多,導(dǎo)致夏季光化學(xué)作用較弱.西北太平洋地區(qū)春季 O3高值存在緯向梯度,35°N 地區(qū)(日本地區(qū))O3春季高值最大,這主要是日本局地光化學(xué)作用產(chǎn)生導(dǎo)致;平流作用減弱該梯度.

3 結(jié)論

3.1 北半球中高緯地區(qū)廣泛存在O3春季最大的現(xiàn)象,南半球也存在春季高值;北美東南部、歐洲大部分地區(qū)以及中國(guó)北部地區(qū)等O3夏季最高.

3.2 該模擬結(jié)果可能與實(shí)際略有偏差,比如歐洲北部、俄羅斯大部分地區(qū)夏季高 O3影響范圍偏大,這很可能是因?yàn)槿蚰Ｊ椒直媛时容^低,網(wǎng)格平均后的結(jié)果很可能有偏差.南半球大部分地區(qū)為冬季最高(北半球的夏季),南美洲中部、非洲南部以及澳大利亞大部分地區(qū)為春季最大(北半球的秋季).

3.3 從收支分析來看,清潔背景地區(qū)(海洋站居多)近地面或邊界層 O3各項(xiàng)收支量較小,且凈的化學(xué)作用大多處于損耗 O3的狀態(tài);大多數(shù)陸地測(cè)站凈的光化學(xué)作用為產(chǎn)生O3.

3.4 從各區(qū)域的貢獻(xiàn)來看,平流層的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)冬季高夏季低的特征,近地面 O3的源區(qū)主要來自對(duì)流層內(nèi)部,平流層的貢獻(xiàn)較小,但對(duì)流層內(nèi)部的變化不一定就是O3季節(jié)變化的原因,平流層輸入的O3雖小于對(duì)流層內(nèi)部的O3,但它的變化很可能是近地面O3季節(jié)變化的原因;對(duì)于極地、海洋及清潔背景地區(qū),平流層的貢獻(xiàn)恰恰就是O3季節(jié)變化的一個(gè)重要原因.

致謝：本論文的數(shù)值計(jì)算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心的計(jì)算支持和幫助.感謝EANET、WDCRG提供的O3數(shù)據(jù).在此表示感謝.