湘潭臭氧時空變化特征及其與降水的關系

劉二影 黃玲霞 葉梓杰

摘 要：臭氧的研究一直是大氣科學重點研究領域，其含量及其分布與氣候變化息息相關，降水作為氣候研究的重要元素，與臭氧之間有著一定的關系。本文通過歐洲中心的臭氧再分析資料和湘潭地區國家站降水資料，研究了該地近10a臭氧的時空變化特征及其與降水的相關性，為本地降水研究提供了一定的依據。研究發現該地近10a臭氧總量在時間變化上為波動增長的態勢、在空間分布上表現為“北多南少”的特征；在不同季節含量表現為“夏>春>秋>冬”，年際變化上冬季最大、夏季最小，其中冬春季分布特征相似、空間差異大，夏秋季分布特征相似、空間差異小；臭氧月均值年際變化不盡相同，表現為在1—2月逐年增長顯著；該地區降水與臭氧總量有著顯著的正相關關系，相關性在湘潭東南部比西北部明顯，自西北向東南遞增。

關鍵詞：湘潭；臭氧；降水

中圖分類號：S161 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515054

基金項目：湖南省氣象局2018年短平快課題“湘潭市臭氧變化特征分析及其與降水的關系研究”（項目編號：XQKJ18B036）

*為本文通訊作者引言

大氣臭氧是一種重要的痕量氣體，由于它的輻射和光化學性質的特殊性，以及由此產生的氣候、環境效應，使得其一直是大氣科學重點研究領域。臭氧在一定周期內穩定存在于大氣中，并隨著大氣運動而運動，因而它可以作為一種失蹤劑來研究大氣環流。大氣環流的變化會引起氣候和環境的變化，降水作為氣候研究必不可少的要素，它的變化表征某地氣候變化，因此降水與臭氧總量之間應有一定的關系。

目前對臭氧總量變化與氣象要素間關系的研究越來越多，我國也有許多專家針對臭氧分布特征及其影響要素展開了一系列研究，但是目前該領域研究多集中于如“北上廣”、天津、無錫等發達及大型城市，而對像湘潭這樣的中小型城市，特別是局地臭氧總量變化與降水的關系研究甚少。本文通過分析湘潭地區臭氧近10a的時空變化特征，進而對臭氧與降水間的關系進行了計算，得到了一些有價值的結論。

1 資料說明

本文選用湘潭地區（E111.9°～113.2°，N27.3°～28.1°）2007年1月1日—2016年12月31日歐洲中心提供的ERA-Interim臭氧總量逐日再分析數據進行分析，單位為kg/m2，水平分辨率為1°×1°。臭氧總量相當于在標準溫壓條件下，單位面積上厚度約為0.3cm的臭氧氣體層，通常用0.01mm的臭氧作為單位，即Dobson單位（DU）[1]，為了方便描述文中將其單位由kg/m2轉化為DU。文中所使用的降水量數據為湘潭地區2007年1月1日—2016年12月31日3個國家一般氣象站日降雨量。

2 結果分析

2.1 臭氧總量的時間變化特征

2.1.1 年變化

2016年湘潭地區的臭氧總量年際變化圖，從圖中可看出近10a湘潭市上空臭氧總量線性趨勢擬合公式為：y=0.55x+271.59，變化趨勢通過了95%的顯著性檢驗，由此可見，該地區臭氧總量整體是呈上升的趨勢。這與郭世昌等[2]人2014年研究結果相符，他們指出最近19a來，北半球臭氧有回升趨勢，特別是東亞地區回升趨勢最大，可能與近十多年來導致臭氧耗損的化學物質或平流層等價有效氯含量的下降有關。在進行多項式擬合發現，湘潭地區臭氧總量表現為波動增長的態勢，其中2015年臭氧總量含量最高為280.5DU，其次為2010年（279.0DU）；此外，年均值在2008年、2012年和2016年出現了較上年明顯減少的態勢，臭氧總量在2008年含量最低為267.9DU，次低值為270.3DU出現在2012年。

2.1.2 月變化

2007—2016年湘潭市平均臭氧總量為274.6DU，從圖2全市臭氧總量各月10a平均值分布圖中可以看出，3—9月的平均臭氧總量較平均值相比偏高，其中4—8月偏多4.4%～6.7%，6月平均臭氧總量含量最高，為293.0DU（偏多6.7%）。1—2月、10—12月的平均臭氧總量偏低，其中12月平均臭氧總量含量最低，為251.4DU（偏少8.4%）。圖3為全市各月臭氧總量的年際變化圖，從線性變化趨勢上來看，除了6月表現為逐年減少的趨勢外，其他各月均為增多的趨勢，其中月均臭氧總量在1—3月年際增長變化最為明顯，其中3月變化最為顯著，變化系數為1.52，通過了95%的顯著性檢驗。與年均值的年際變化相似，月均值在2008年、2012年和2016年也出現了較上年明顯減少的態勢。

綜上所述，湘潭市2006—2017年臭氧總量月均值在1—2月含量偏低，但年際變化顯著，變化系數分別為1.29和1.31；3月臭氧平均含量與近10a平均值相差不大（偏少0.55%），但年際增長趨勢最明顯；4—9月臭氧平均含量與近10a相比偏多，其中6月偏多6.7%為最高值，但是表現為逐年減少的趨勢，變化系數為-0.26，其余各月均表現為逐年增加的趨勢，年際變化系數小，較為穩定；10—12月平均臭氧總量偏低，其中12月偏少8.4%為最低值，但是年際變化不大。

2.1.3 季節變化

從近10a不同季節平均臭氧總量的一元線性擬合結果（表1）來看，湘潭市夏季平均臭氧總量含量最高為290.2DU，但逐年線性變化趨勢不明顯；其次是春季，平均臭氧總量為286.1DU，表現為逐年增加的態勢。從圖4中可以看出，雖然平均臭氧總量在冬季含量最低，但是年際變化最明顯，回歸系數為2.39，通過了99%的顯著性檢驗。前人研究指出，太陽輻射是臭氧生成的關鍵因素，一定程度上可以通過環境溫度的高低來反映其強弱，而溫度也對臭氧前驅物的光化學反應速度有影響[3-4]，多人研究表明環境溫度與臭氧濃度有著明顯的正相關關系[5-7]。湘潭市歷年夏季平均氣溫為27.5℃、日照時數為592.6h，歷年冬季平均氣溫為6.4℃、日照時數為229.0h，可能是平均臭氧含量夏季最高、冬季最低的可能原因。

2.2 臭氧總量的空間分布特征

圖5（a）是2007—2016年湘潭地區臭氧總量的空間分布圖，從圖中可看出近10a湘潭市上空臭氧總量表現為“北多南少”的特征。郭世昌等人[8]研究發現受太陽輻射影響，臭氧總量隨著緯度的增加而增加。而從距平圖百分比圖（b）可以看出，湘潭地區臭氧偏少15%左右，空間分布上表現為“西北-東南”走向的偏少態勢。

對于近10a湘潭地區臭氧總量在不同季節的空間分布特征，從圖6中可看出，與表1一致，臭氧總量在夏季分布最多、冬季最少。具體來看，在春季（a）和冬季（d）臭氧總量的空間分布特征相似，表現為帶狀分布和“北多南少”的特征；而夏季（b）和秋季（c）則表現為“北多南少、西低東高”的特征，且空間差異較春冬季節小。

2.3 湘潭地區臭氧總量與降水的相關分析

臭氧作為一種重要的溫室氣體，能通過吸收紅外輻射來影響地氣系統的輻射收支平衡，因此它的變化是引起氣候環境變化的因子之一，氣候環境的異常能對降水量產生直接影響。徐國強等人[9]指出中國降水、溫度的變化受到冬季青藏高原臭氧變化的影響，兩者呈現出較好的相關性。楊明珠等人[10]通過研究昆明月平均臭氧總量距平與云南地區月平均降水量距平場的關系，也發現臭氧總量的長期變化趨勢與氣候變化之間有較好的對應關系。

2007—2016年湘潭地區平均年降水量為1378.7（韶山）～1417.8（湘鄉）mm，其中湘潭站、湘鄉站分別較歷年偏多28.0mm和30.4mm，韶山站偏少25.4mm。圖7（a）是湘潭地區近10a降水量的年平均分布圖，可以看出降水分布總體呈“北少南多”的態勢。近10a湘潭地區降水與臭氧總量有著顯著的正相關關系，相關系數為0.061，通過了90%的顯著性檢驗。從相關性的空間分布上圖7（b）可以看出，相關性在湘潭東南部比西北部明顯，自西北向東南遞增。黎海鳳[11]研究指出，東亞冬季平流層臭氧對中國冬季降水有一定的影響，結果表明臭氧與湖南地區的降水為顯著正相關，可能原因是大氣臭氧主要分布在平流層，其引起的大氣環流變化對降水造成了一定的影響。對于造成湘潭地區正相關分布的原因，很有可能也是因為臭氧造成的大氣環流異常所致，這將是今后更深入研究的方向。

3 結論

本文通過研究湘潭市近10a臭氧總量的時空變化，得到了本地臭氧分布的一般特征，并且結合降水的變化進行了相關分析，為湘潭地區降水的特征分析提供了一定的參考依據。主要有以下4個結論：近10a臭氧總量的時間變化表現為波動增長的態勢，與北半球臭氧總量回升趨勢一致；近10a臭氧總量在不同季節含量表現為“夏>春>秋>冬”，但是年際變化上冬季最大、夏季最小，其中月均值年際變化不盡相同，表現為在1—2月逐年增長顯著；近10a臭氧總量在空間分布上表現為“北多南少”的特征，其中冬季和春季分布特征相似、空間差異大，夏季和秋季分布特征相似、空間差異小； 近10a湘潭地區降水與臭氧總量有著顯著的正相關關系，相關性在湘潭東南部比西北部明顯，自西北向東南遞增。

參考文獻

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