基于衛星觀測的南京臭氧時空分布及變化特征

李菁，戴竹君，李正金，沈澄，姜有山

南京市氣象局，江蘇 南京 211100

臭氧是自然大氣中的重要組成部分，是氧的同素異形體，與人類的生存環境息息相關（劉新春等，2014）。自然界中的臭氧多分布在平流層，它能吸收99%以上對人類有害的太陽紫外線，保護地球上的生命免遭短波紫外線的傷害。而在近地面，臭氧卻是光化學煙霧的主要成分，屬于污染物。近年來隨著人類消耗能源結構的轉變、城市規模的不斷擴大及汽車持有量的迅猛增加，導致全球臭氧柱濃度出現逐年增加的趨勢（王宏等，2011）。隨著遙感空間技術的發展，衛星遙感為獲取全球或區域尺度的臭氧監測數據提供了可能（劉小正等，2016）。國內外學者利用衛星資料觀測區域及全球臭氧已取得了許多成果（Ziemke et al.，1998；Bracher et al.，2005；單源源等，2016；徐曉斌等，2010；盧乃錳等，2017）。肖鐘湧等（2010）利用遙感監測青藏高原上空臭氧總量30 a的變化，發現青藏高原上空的臭氧總量還在持續下降，而且下降速度高于全球和北半球平均水平；鄭向東等（2010）對不同時期、不同衛星反演的產品差別特點進行比較，發現TOMS（OMI-Total Ozone Mapping Spectrometer）算法反演的衛星臭氧總量與地基差別總體上優于與DOAS（OMI-Differential Optical Absorption Spectroscopy）算法反演的同期產品。王晴等（2019）利用衛星臭氧遙感資料，考察 2008年以來青藏高原臭氧總量變化特征，發現臭氧總量從冬末至春季各月均有顯著增加趨勢，其變化特征與青藏高原春季大氣溫度變化趨勢緊密相關。以上研究表明，衛星能較好地監測臭氧總量的時空分布，但現有文獻中對城市尺度的臭氧遙感反演較少，并且多集中于對臭氧總量的研究。

南京市地處江蘇省西南部，地理坐標為31°14′—32°36′N，118°22′—119°14′E，具有典型的北亞熱帶濕潤氣候特征。作為中國東部地區重要的中心城市之一，伴隨著社會經濟的發展，南京的大氣環境污染問題也日趨明顯，分析 2013—2017年來南京近地面臭氧柱濃度及 PM2.5濃度變化，發現臭氧柱濃度呈逐年上升趨勢，由2013年的85.5 μg·m-3升至 2017 年的 110.1 μg·m-3，以 5.62 μg·m-3·a-1的速率增長。Li et al.（2019）去除氣象變率對臭氧變化的影響后發現，過去5年中國東部城市群的臭氧增加趨勢為每年 1—3 ppbv（1 ppbv≈0.5 μg·m-3）。而根據研究，自2014年以來，南京市臭氧污染也一直呈上升趨勢，每年二級超標天數在60 d左右，是影響空氣質量達標率的主要污染物，臭氧污染控制是南京市大氣污染控制的重點。因此，對于南京上空臭氧時空分布特征進行研究很有必要。臭氧形成不僅與前體物的排放、光化學反應有關，同時也受到輸送的影響，自由對流層甚至平流層的臭氧也會輸送至地面，從而影響地面的臭氧濃度（彭麗等，2011）。本研究以南京市作為研究區域，利用OMI反演臭氧總量，利用Ziemke數據集反演對流層臭氧柱濃度，分析近10年南京上空臭氧的時空分布特征，以期為當地臭氧污染治理及防控措施提供參考。

1 資料與方法

研究使用的是2008年1月—2017年12月的衛星數據，衛星數據都采用多步森單位（Dobson，unit：DU，1 DU=2.69×1016cm-1）。

臭氧監測儀 OMI（Ozone Monitoring Instrument）是搭載在Aura衛星上的傳感器，它通過觀測地球大氣和表面的后向散射輻射來獲取信息。OMI可以觀測臭氧垂直柱濃度、臭氧垂直廓線、氣溶膠、云及其他痕量氣體濃度。臭氧垂直柱濃度即為臭氧總量。本研究數據采用Level 3條帶數據，名稱為 OMTO3e（詳細信息參考https://disc.gsfc.nasa.gov/）。它采用TOMS V8算法對臭氧總量進行反演。OMTO3e數據格式為HDF-EOS5，空間尺度為全球范圍，分辨率為0.25°×0.25°。（彭曉琳等，2017）。肖鐘湧等（2011）結合地面觀測的臭氧總量數據對 OMI反演的臭氧總量進行了回歸分析驗證（斜率和截距分別為0.98和4.25，相關系數為0.98），發現OMI反演的臭氧總量和地面觀測值具有一致的變化趨勢，能較好地反演臭氧總量的變化。本研究使用IDL編寫代碼，批量處理 2008—2017年臭氧總量日數據，然后通過求均值，得到臭氧總量月均值數據，運用ArcGIS軟件對月均值數據進行雙線性插值、裁剪以及季、年度平均值計算；其中，季節的劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年 2月）。然后，根據最終結果分析研究區臭氧總量的時間和空間分布特征。

衛星觀測對流層臭氧柱濃度來自 Ziemke et al.（1998）計算的對流層臭氧柱濃度數據集（詳細信息參考https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/cloud_slice/new_data.html）；該數據集以臭氧監測儀OMI提供的臭氧總量，以及微波臨邊探測器 MLS（Microwave Limb Sounder）探測的平流層臭氧柱濃度為基礎，通過計算二者之差得到對流層臭氧柱濃度。該數據集當前提供2004年10月—2017年12月的逐月對流層臭氧柱濃度數據，水平分辨率為1°×1.25°。Ziemke數據集已通過多方面驗證，可靠性高（Martin et al.，2007；Nassar et al.，2008；Schoeberl et al.，2007；張倩倩等，2019）。研究對于Ziemke發布的逐月數據主要利用IDL軟件進行讀取，并對其進行月、季、年的均值計算（季節劃分同上）。

2 結果與分析

2.1 臭氧總量不同時間尺度變化分析

2.1.1 臭氧總量的年際變化特征

圖1所示為2008—2017年南京市上空臭氧總量年均值變化趨勢圖。2008—2017年南京臭氧總量具有明顯的波動。臭氧總量的最低值出現在2008年，為284.46 DU；最高值出現在2010年，為297.27 DU。對于南京市的 5個區而言，臭氧總量最高的區為六合，年均值為291.4 DU，該區臭氧總量最高值出現在2010年（300.7 DU）；其次為浦口和南京站，分別為289.8 DU和289.2 DU；溧水的臭氧總量年均值為287.9 DU；高淳年平均臭氧總量最低，為286.4 DU，該區臭氧總量最低值出現在2008年，281.9 DU。

2.1.2 臭氧總量的季節變化特征

計算2008—2017年臭氧總量的10年累計季節變化均值發現，南京市臭氧總量在春季達最大值，為307.73 DU，夏季次之，為292.8 DU；秋季最小，為272.9 DU；其中，除夏季臭氧總量最大值出現在2010年，為305.4 DU，春、秋、冬季的臭氧總量最大值均出現在 2015年，分別為 319.1、279.6、323.2、294.0 DU。2008—2017年，春季和冬季臭氧總量值呈波動上升趨勢，而夏、秋兩季則呈緩慢下降趨勢。由圖2可知，春季臭氧總量值最為突出，南京全市臭氧總量在303.5 DU到312.6 DU；冬季臭氧總量在 277.1—287.8 DU；秋季的臭氧總量為四季最低，最低值為 271.05 DU，最高值為 275.2 DU。夏、秋兩季全市臭氧總量變化范圍小于冬、春兩季，在5 DU范圍內。

2.1.3 臭氧總量的月變化特征

圖 3所示為南京地區 2008—2017年共計 120個月的臭氧總量的月均值變化趨勢圖。研究發現，10年間南京地區臭氧總量的月均值呈現周期性變化，每年最高值基本出現在 3—6月，最低值則基本在10月至次年1月。10年來，臭氧總量的月均值變化總體呈緩慢上升趨勢。10年中臭氧總量最大值出現在2010年6月，為327.22 DU；最小值出現在2016年10月，臭氧總量值為255.84 DU。通過最小二乘線性擬合結果發現，10年間臭氧總量以0.0083 DU·a-1的速度緩慢增長。而計算南京地區臭氧總量2008—2017年累計10年的月均值發現，4月和 10月臭氧總量分別出現峰值和谷值，平均值分別為311.76 DU和266.24 DU，差值可達45.5 DU。

圖1 2008—2017年南京市臭氧總量年均值時空分布Fig. 1 Variation of annual average of total ozone of Nanjing from 2008 to 2017

2.2 臭氧總量空間變化

圖4 所示為2008—2017年南京市臭氧累計10年均值空間分布圖?？梢钥闯?，南京臭氧總量累計年均值范圍在285.82—292.688 DU，明顯高于臭氧層空洞標準數值 220 DU，高值與低值差異 6.686 DU；10年間南京臭氧總量的空間分布呈現明顯的北高南低的緯度分布特征，北部地區的六合（291.38 DU）明顯高于南部高淳（286.41 DU）。

2.3 對流層臭氧柱濃度的不同尺度時間變化分析

2.3.1 對流層臭氧柱濃度的年際變化特征

圖2 2008—2017年南京臭氧總量季節變化Fig. 2 Variation of seasonal total ozone of Nanjing from 2008 to 2017

圖5 所示為南京地區對流層臭氧柱濃度年均值的變化。其中，2008—2011年，對流層臭氧柱濃度明顯下降，由2008年的42.3 DU降至2011年的40.4 DU，2011年的對流層臭氧柱濃度為10年來最低；其后，2012—2013年，對流層臭氧柱濃度又迅速增加，2013年的42.9 DU為10年以來最大值；而2014年下降到41.3 DU，其后對流層臭氧柱濃度又逐漸回升至42.89 DU；對流層臭氧柱濃度在2008—2017年總體呈上升趨勢。

2.3.2 對流層臭氧柱濃度的季節變化特征

圖 6所示為對流層臭氧柱濃度的季節變化均值，可以看出，對流層臭氧柱濃度的季節均值最大出現在夏季，為48.8 DU；其次為春季，43.5 DU，秋季接近于春季，對流層臭氧柱濃度為41.1 DU；冬季最小為34.1 DU。10年中，春季最大值出現在2008年，為47.0 DU，最小值出現在2014年，為39.3 DU；夏季最大值出現2016年，為51.8 DU，最小值出現在2011年，為42.1 DU；秋季最大值為2015年的43.9 DU，最小值為2008年的39.1 DU；冬季近10年的對流層臭氧柱濃度分布在29.9—36.8 DU。10年中，除春季對流層臭氧柱濃度呈下降趨勢，其余均呈上升趨勢。

2.3.3 對流層臭氧柱濃度的月變化特征

圖3 2008—2017年臭氧總量月均值變化Fig. 3 Variations of monthly total ozone from 2008 to 2017

圖4 近10年南京市臭氧總量平均值分布圖Fig. 4 Distributive map of average total ozone of Nanjing for 10 years

由圖7可知，2008—2017年對流層臭氧柱月均濃度呈周期性變化，研究發現，每年對流層臭氧柱濃度最高值基本出現在5—6月，尤其6月，近10年的對流層臭氧柱濃度基本都在50 DU以上，最大值達到59.5 DU，出現在2016年6月；對流層臭氧柱濃度最低值則基本在 1—2月，其中，最小值出現在2010年，為23.2 DU。而根據最小二乘擬合的結果，10年間，南京市對流層臭氧柱濃度也以0.016 DU·a-1的速度增長。而計算2008—2017年10年累計對流層臭氧柱濃度月均值發現，對流層臭氧柱濃度6月最高，為54.9 DU，最低值出現在1月，為32.1 DU，最大月濃度和最小月濃度的比值為1.7。對流層臭氧柱最大值的出現比臭氧總量推遲 2—3個月。

圖5 2008—2017年對流層臭氧柱濃度年均值變化Fig. 5 Variation of average tropospheric ozone of Nanjing from 2008 to 2017

圖6 2008—2017年對流層臭氧柱濃度四季均值變化及線性變化趨勢Fig. 6 Seasonal average tropospheric ozone and its linearity change trend from 2008 to 2017

圖7 2008—2017年對流層臭氧柱濃度月均值變化Fig. 7 Variations of monthly tropospheric ozone from 2008 to 2017

3 討論

2008—2017年南京臭氧總量具有明顯的波動，其中 2010臭氧總量最高。研究發現，臭氧總量周期性變化原因主要在于其對于太陽活動長期變化的響應（吳統文等，1994），以及臭氧層的恢復（樊雯璇等，2012）。2010年俄羅斯西部衛星出現長波輻射（OLR）異常增高、對流層變暖的現象，而氣象變化異常是臭氧增加的主要驅動力，這也是導致2010年臭氧柱濃度明顯高于其他年份的原因之一（陳雪萍等，2019）。

臭氧總量的季節分布呈現春季＞夏季＞冬季＞秋季。研究表明，臭氧總量的季節性差異產生的原因主要在于太陽輻射的差異、大氣環流的差異及平流層臭氧的輸入的影響（張艷等，2015b）。春季大氣臭氧總量出現高峰的原因尚有爭議，但基本觀點是由大氣輸送以及NOx、VOCs等前體物在春季的光化學反應造成的（陳雪萍等，2019）。夏、秋兩季全市臭氧總量變化范圍小于冬、春兩季，在 5 DU范圍內，原因在于冬春季極向環流強盛，而夏秋季這種環流較弱，因此，夏秋季的變化梯度小于冬春季（沈凡卉等，2011）。

10年間南京臭氧總量的空間分布呈現明顯的北高南低的緯度分布特征，分析原因，一方面，由于大氣環流輸送影響，低緯度地區平流層化學過程中產生的臭氧被大氣環流輸送到中高緯度，造成中高緯度地區臭氧總量值較高。（張瑩等，2014；郭世昌等，2012）；另一方面，就大氣環境中的污染物排放主要來自全市的石油、化工、鋼鐵等高耗能企業，主要集中于城區以北地區（丁長春等，2018）。因此，前體物排放狀況也是導致臭氧總量在南京呈北高南低的可能原因。

對流層臭氧的濃度和人類生活息息相關：一方面城市的發展，人類活動排放，使近年來臭氧柱濃度增加明顯；另一方面，對流層臭氧柱濃度的增加對人類的健康、植物生長等各方面也帶來很多不良的影響（趙輝等，2018）；而關于臭氧時間序列變化的研究中，大多研究采用的是臭氧總量探測資料，而對其他類型臭氧探測資料的研究較少，因此，研究對流層臭氧柱濃度的時空變化趨勢具有一定的科學意義。

對流層臭氧柱濃度在 2008—2017年總體呈上升趨勢；選取 2008—2017年南京國家基準氣候站的氣象資料與對流層臭氧年平均濃度進行相關分析發現：對流層臭氧年平均濃度與年平均氣溫及年日照總時數呈明顯正相關，相關系數分別為0.447、0.443。2008—2017年南京市的年平均氣溫和年日照時數分別以0.08 ℃·a-1及6.7 h·a-1的速度增長；因此，近 10年來南京地區氣候變暖，也是導致對流層臭氧柱濃度增加的原因之一。而對流層臭氧柱濃度的季節均值最大出現在夏季，為48.8 DU，這是因為夏季對流層臭氧受日照輻射、高溫等氣象條件的影響，光化學反應強烈，所以對流層臭氧柱濃度最高，對流層臭氧柱濃度的季節變化與太陽輻射的季節分布較為一致，與臭氧總量的季節變化相比有所不同。

每年對流層臭氧柱濃度最高值基本出現在 5—6月。根據以往的研究，受季風影響，中國中東部地區5月起太陽輻射和氣溫逐漸上升，有利于大氣光化學反應的進行；由于 7、8月大氣擴散條件普遍優于 5—6月，源自工業過程、機動車排放與化石燃燒釋放的氮氧化物和揮發性有機物較易擴散，在大氣中滯留的時間相對較短，因此，7、8月相比5、6月的臭氧柱濃度反演值偏低（劉小正等，2016b）。對流層臭氧柱最大值的出現比臭氧總量推遲 2—3月，原因可能在于相較臭氧總量，對流層臭氧柱濃度受大氣環流、氣溫、日照等氣象要素及臭氧前體物的排放的影響更為顯著。

通過以上研究發現，基于 OMI數據的臭氧的動態、大范圍的遙感監測，彌補了地面監測站點不足的缺陷，對臭氧的預防和治理提供了科學依據。

4 結論

（1）2008—2017年臭氧總量具有明顯的波動，最低值出現在2008年，最高值出現在2010年。從臭氧總量的季節變化來看，春季＞夏季＞冬季＞秋季；春季和冬季臭氧總量值均呈波動上升趨勢，而夏、秋兩季則呈緩慢下降趨勢。南京地區臭氧總量月均值呈現周期性變化，月均值在4月和10月分別出現峰值和谷值。南京臭氧總量的空間分布呈現明顯的北高南低的緯度分布特征。

（2）對流層臭氧柱濃度在近 10年總體呈上升趨勢。對流層臭氧柱濃度的季節均值最大出現在夏季，10年中，除春季對流層臭氧柱濃度呈下降趨勢，其余季節均呈上升趨勢。對流層臭氧柱濃度的月平均變化呈現單峰分布，6月的對流層臭氧柱濃度最高，為54.9 DU，最低值出現在1月。對流層臭氧柱濃度較臭氧總量的月變化分布推遲2—3個月。