青藏高原上空臭氧夏季低值中心特征分析

魯 亓

（濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)氣象局，山東 濟(jì)南 251400）

青藏高原區(qū)域面積為250×104hm2，在亞洲居于中部位置，以“世界屋脊”著稱(chēng)。我國(guó)、亞洲甚至是全球的氣候變化和大氣環(huán)流的形成發(fā)展與青藏高原地域地形、熱力、動(dòng)力作用有著直接的關(guān)聯(lián)性。在地球大氣層中，臭氧是屬于較為活躍的氣體，是極為重要的微量氣體，但是含量比較少，同時(shí)，還對(duì)太陽(yáng)紫外線輻射進(jìn)行有效吸收，是極為重要的輻射活性成分，在地球生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中發(fā)揮著重要的作用。此外，臭氧也是重要的溫室氣體，它的存在影響大氣動(dòng)力和平流層和對(duì)流層物理化學(xué)過(guò)程，在現(xiàn)代環(huán)境與氣候中扮演著十分重要的角色，對(duì)地球氣候、環(huán)境和生物圈有著非常重要的作用。其中約有中10%的臭氧分布在對(duì)流層，其余90%的臭氧分布在10～50 km高度的平流層大氣中。

1 臭氧低值中心研究現(xiàn)狀及產(chǎn)出的原因

科學(xué)家1983年在南極發(fā)現(xiàn)“臭氧洞”，并進(jìn)行了持續(xù)性的臭氧觀測(cè)研究，研究資料數(shù)據(jù)顯示，臭氧在全球的平流層呈現(xiàn)持續(xù)降低，在對(duì)流層呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)，由此表明，臭氧層遭到了破壞，并且嚴(yán)重威脅到了自然環(huán)境與人類(lèi)生命健康等，給世界敲響了警鐘，已引起了全球的廣泛關(guān)注。

根據(jù)TOMS衛(wèi)星資料，周秀驥[1]、鄒捍[2]等對(duì)青藏高原的臭氧總量變化特征進(jìn)行了分析。其中，周秀驥[1]等對(duì)我國(guó)自南向北13個(gè)區(qū)域的平均臭氧總量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，主要結(jié)合了TOMS資料開(kāi)展的計(jì)算，獲取了臭氧總量月平均值分布與臭氧總量的線性變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)13個(gè)地區(qū)平均臭氧總量月平均值的分析，指出青藏高原臭氧的損耗比相同維度的中國(guó)東部較損耗率更大。此外，青藏高原臭氧損耗在夏季有增強(qiáng)的物理和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，稱(chēng)之為青藏高原臭氧低值中心。鄒捍[2]等利用上述同一份資料，計(jì)算了1979年—1991年平均各個(gè)季節(jié)全球臭氧總量各網(wǎng)格點(diǎn)緯向偏差的氣候平均和青藏高原不同月份臭氧總量的變化趨勢(shì)。通過(guò)分析12年間平均的各個(gè)季節(jié)全球臭氧總量各網(wǎng)格點(diǎn)緯向偏差的氣候平均，證實(shí)夏季青藏高原上空存在明顯的低值中心（與同緯度相比，偏低30DU）。劉煜等[3]在1979年—1992年進(jìn)行中國(guó)地區(qū)臭總量變化趨勢(shì)中，也是運(yùn)用了TOMS獲取數(shù)據(jù)分析得出，臭氧在青藏高原地區(qū)出現(xiàn)了消耗逐年減少趨勢(shì)，是一個(gè)強(qiáng)遞減中心。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)夏季青藏高原臭氧低谷加深的趨勢(shì)。

卞建春等[4]在對(duì)青藏高原和鄰近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化，采用（1980年—1989年）歐洲中心七層分析月平均資料和1995年青藏高原東南部探孔資料進(jìn)行深入探究結(jié)果顯示，青藏高原在7月—8月高原中低層形成一個(gè)非常強(qiáng)的輻合區(qū)，在青藏高原的整個(gè)對(duì)流層，夏季氣流都處于上升狀態(tài)，同時(shí)，還銜接了南側(cè)孟家拉灣強(qiáng)上升區(qū)，形成了季風(fēng)環(huán)流上升支，盛夏時(shí)節(jié)（七八月份）高原四周的爬升氣流達(dá)到最強(qiáng)，以上是基于夏季的青藏高原是一個(gè)強(qiáng)大的熱源的原因。付超等[5]在進(jìn)行青藏高原氣候研究中，運(yùn)用二維全球動(dòng)力、輻射、光化學(xué)耦合模式，模擬形成了1月和7月青藏高原上空垂直環(huán)流圖，對(duì)上述的理論研究進(jìn)行了有效的證實(shí)。

對(duì)于這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，主要有以下方面的研究。首先是動(dòng)力方面的原因，夏季青藏高原為熱源，上空被熱力作用的南亞高壓所控制，其高度范圍為500～100 hPa，高壓控制促使其氣流對(duì)流，據(jù)相關(guān)綜合試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，青藏高原夏季為輻合區(qū)，同時(shí)，局部環(huán)流的青藏高原氣候特點(diǎn)，也充分表明了青藏高原夏季是對(duì)流層與平流層物質(zhì)輸送的重要渠道。數(shù)百千米范圍內(nèi)的低空污染物質(zhì)，在夏季中，統(tǒng)統(tǒng)向青藏高原輻合，并在實(shí)現(xiàn)低空物質(zhì)向平流層下部輸送，最后再向四周輻散。

另外，還有化學(xué)方面的原因，劉煜等[6]發(fā)現(xiàn)大的火山噴發(fā)對(duì)青藏高原的平流層氣溶膠具有重要影響，且時(shí)間較長(zhǎng)。青藏高原非均相反應(yīng)的增加，與高原溫度的降低、平流層和低層氣溶膠的增加用著直接的關(guān)聯(lián)性。非均相化學(xué)反應(yīng)[7]主要是臭氧分子受到Cl0-ClO兩聚化及BrO-ClO的催化反應(yīng)后，轉(zhuǎn)化為氧分子，臭氧的消耗主要是由形成的Cl和ClO實(shí)現(xiàn)的。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

本次論文擬通過(guò)分析在2005—2013年微波臨邊探測(cè)器（MLS）和臭氧檢測(cè)儀（OMI）。所測(cè)出來(lái)的青藏高原的臭氧濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)青藏高原臭氧總量的月平均數(shù)據(jù)的檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，然后依據(jù)資料數(shù)據(jù)，對(duì)青藏高原各個(gè)季節(jié)的臭氧總量變化特征進(jìn)行細(xì)致化分析。通過(guò)對(duì)引起青藏高原上空臭氧濃度變化的熱力和化學(xué)原因進(jìn)行分析，對(duì)青藏高原上空臭氧低值中心形成的物理機(jī)制進(jìn)行初步探討。

OMI是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于2004年7月15日發(fā)射的Aura地球觀測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星上攜帶的4個(gè)傳感器之一。OMI由荷蘭和芬蘭與NASA合作制造，是GOME和SCIAMACHY的繼承儀器,軌道掃描幅為2 600 km，額定空間分辨率是13 km×24 km，一天覆蓋全球一次。OMI有3個(gè)通道，波長(zhǎng)覆蓋范圍為270～500 nm，平均光譜分辨率為0.5 m。該傳感器主要監(jiān)測(cè)大氣中的臭氧柱濃度和廓線、氣溶膠、云、表面紫外轄射，還有其它的痕量氣體，如NO2、SO2、HCHO、BrO、OC1O等。OMI有產(chǎn)品等級(jí)分為：Level 1B、Level 2、Level 2G、Level 3。OMI使用高光譜成像，以推掃方式觀測(cè)可見(jiàn)光和紫外波段太陽(yáng)后向散射輻射，可以提供覆蓋全球的觀測(cè)。OMI的高光譜性能可以提高其探測(cè)的準(zhǔn)確性以及臭氧總量的測(cè)量精度，還可以長(zhǎng)期進(jìn)行準(zhǔn)確的輻射和波長(zhǎng)自定標(biāo)。OMI數(shù)據(jù)可以在NASA官網(wǎng)下載，數(shù)據(jù)產(chǎn)品實(shí)時(shí)更新，OMI數(shù)據(jù)格式為HDF5，可以利用ENVI5.1直接打開(kāi)也可以利用IDL讀取。

微波臨邊探測(cè)器MLS，同時(shí)也是EOSAura衛(wèi)星的重要探測(cè)器之一，主要用于測(cè)量地球大氣臨邊的微波熱輻射，通過(guò)臨邊掃描來(lái)觀測(cè)從平流層到對(duì)流層頂?shù)?18、190、240、640GHz和2.5THz光譜范圍的微波散射。MLS資料既可用于反 演O3、H2O、BrO、ClO、HCl、HOCl、OH、HO2、HCN、CO、HNO3、N2O和SO2混合比的垂直廓線，也可用于反演冰的相對(duì)濕度、云含水量、云含冰量、重力勢(shì)高度和溫度。MLS觀測(cè)資料的垂直分辨率是3 km，空間范圍基本為全球（南北緯82°之間）。每條廓線沿衛(wèi)星軌跡的空間間隔為1.5°（約165 km），時(shí)間間隔為24.7 s。MLS進(jìn)行日間和夜間全球觀測(cè)。MLS探測(cè)的內(nèi)容有大氣成分、溫度、濕度和云冰，用于開(kāi)展以下研究工作：①跟蹤監(jiān)測(cè)平流層臭氧層的穩(wěn)定性；②幫助改進(jìn)氣候變化預(yù)測(cè)水平；③幫助提高對(duì)全球空氣質(zhì)量的認(rèn)識(shí)。MLS探測(cè)的是Aura衛(wèi)星飛行方向前端地球“臨邊”（即邊緣大氣的邊緣）發(fā)射的微波熱量，每25 s完成一次從地表到約90 km高度的掃描。MLS觀測(cè)資料的垂直分辨率是3 km，空間范圍基本為全球（南北緯82°之間）。每條廓線沿衛(wèi)星軌跡的空間間隔為1.5°（約165 km），時(shí)間間隔為24.7 s。MLS數(shù)據(jù)可以在中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上進(jìn)行下載，數(shù)據(jù)產(chǎn)品實(shí)時(shí)更新。

3 青藏高原臭氧總量季節(jié)變化的特征

青藏高原（25°～40°N，75°～105°E）在春季，臭氧的濃度大概是270-330 DU，其中大部分介于270～310 DU，260～300 DU是夏季青藏高原臭氧濃度，與我國(guó)同緯度的其他區(qū)域相比較，濃度含量較低；240～280 DU是秋季青藏高原的臭氧濃度含量，較同緯度我國(guó)其他地區(qū)偏低；冬季的青藏高原臭氧濃度介于250～320 DU，濃度低，但與同緯度其他地區(qū)持平。

圖2 夏季青藏高原臭氧總量分布特征Fig.2 The distribution characteristicsof total ozone in summer

圖3 秋季青藏高原臭氧總量分布特征Fig.3 The distribution characteristicsof total ozone in autumn

圖4 冬季青藏高原臭氧總量分布特征Fig.4 Thedistribution characteristics of total ozonein Qinghai Tibet Plateau in winter

4 結(jié)論

青藏高原上空的臭氧總量，在2005年—2013年變化情況為，春季最多，夏季減少，秋季卻處在最低點(diǎn)，冬季又回升明顯。對(duì)比同緯度我國(guó)東部地區(qū)臭氧含量，青藏高原地區(qū)臭氧總量偏低，但是在夏季有一個(gè)更為明顯的低谷出現(xiàn)。對(duì)于這個(gè)低值中心產(chǎn)生的原因，主要有動(dòng)力輸送和化學(xué)反應(yīng)。