青藏高原上空臭氧夏季低值中心特征分析

魯 亓

（濟南市濟陽區氣象局，山東 濟南 251400）

青藏高原區域面積為250×104hm2，在亞洲居于中部位置，以“世界屋脊”著稱。我國、亞洲甚至是全球的氣候變化和大氣環流的形成發展與青藏高原地域地形、熱力、動力作用有著直接的關聯性。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，還對太陽紫外線輻射進行有效吸收，是極為重要的輻射活性成分，在地球生態系統保護中發揮著重要的作用。此外，臭氧也是重要的溫室氣體，它的存在影響大氣動力和平流層和對流層物理化學過程，在現代環境與氣候中扮演著十分重要的角色，對地球氣候、環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狀及產出的原因

科學家1983年在南極發現“臭氧洞”，并進行了持續性的臭氧觀測研究，研究資料數據顯示，臭氧在全球的平流層呈現持續降低，在對流層呈現持續增加趨勢，由此表明，臭氧層遭到了破壞，并且嚴重威脅到了自然環境與人類生命健康等，給世界敲響了警鐘，已引起了全球的廣泛關注。

根據TOMS衛星資料，周秀驥[1]、鄒捍[2]等對青藏高原的臭氧總量變化特征進行了分析。其中，周秀驥[1]等對我國自南向北13個區域的平均臭氧總量進行了統計分析，主要結合了TOMS資料開展的計算，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。通過對13個地區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東部較損耗率更大。此外，青藏高原臭氧損耗在夏季有增強的物理和化學反應機制，稱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，計算了1979年—1991年平均各個季節全球臭氧總量各網格點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。通過分析12年間平均的各個季節全球臭氧總量各網格點緯向偏差的氣候平均，證實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年進行中國地區臭總量變化趨勢中，也是運用了TOMS獲取數據分析得出，臭氧在青藏高原地區出現了消耗逐年減少趨勢，是一個強遞減中心。同時，他們發現夏季青藏高原臭氧低谷加深的趨勢。

卞建春等[4]在對青藏高原和鄰近流場結構的季節性變化，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行深入探究結果顯示，青藏高原在7月—8月高原中低層形成一個非常強的輻合區，在青藏高原的整個對流層，夏季氣流都處于上升狀態，同時，還銜接了南側孟家拉灣強上升區，形成了季風環流上升支，盛夏時節（七八月份）高原四周的爬升氣流達到最強，以上是基于夏季的青藏高原是一個強大的熱源的原因。付超等[5]在進行青藏高原氣候研究中，運用二維全球動力、輻射、光化學耦合模式，模擬形成了1月和7月青藏高原上空垂直環流圖，對上述的理論研究進行了有效的證實。

對于這種現象產生的原因，主要有以下方面的研究。首先是動力方面的原因，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流，據相關綜合試驗研究結果顯示，青藏高原夏季為輻合區，同時，局部環流的青藏高原氣候特點，也充分表明了青藏高原夏季是對流層與平流層物質輸送的重要渠道。數百千米范圍內的低空污染物質，在夏季中，統統向青藏高原輻合，并在實現低空物質向平流層下部輸送，最后再向四周輻散。

另外，還有化學方面的原因，劉煜等[6]發現大的火山噴發對青藏高原的平流層氣溶膠具有重要影響，且時間較長。青藏高原非均相反應的增加，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聯性。非均相化學反應[7]主要是臭氧分子受到Cl0-ClO兩聚化及BrO-ClO的催化反應后，轉化為氧分子，臭氧的消耗主要是由形成的Cl和ClO實現的。

2 研究數據及方法

本次論文擬通過分析在2005—2013年微波臨邊探測器（MLS）和臭氧檢測儀（OMI）。所測出來的青藏高原的臭氧濃度，實現對青藏高原臭氧總量的月平均數據的檢測和統計，然后依據資料數據，對青藏高原各個季節的臭氧總量變化特征進行細致化分析。通過對引起青藏高原上空臭氧濃度變化的熱力和化學原因進行分析，對青藏高原上空臭氧低值中心形成的物理機制進行初步探討。

OMI是美國國家航空航天局（NASA）于2004年7月15日發射的Aura地球觀測系統衛星上攜帶的4個傳感器之一。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個通道，波長覆蓋范圍為270～500 nm，平均光譜分辨率為0.5 m。該傳感器主要監測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有產品等級分為：Level 1B、Level 2、Level 2G、Level 3。OMI使用高光譜成像，以推掃方式觀測可見光和紫外波段太陽后向散射輻射，可以提供覆蓋全球的觀測。OMI的高光譜性能可以提高其探測的準確性以及臭氧總量的測量精度，還可以長期進行準確的輻射和波長自定標。OMI數據可以在NASA官網下載，數據產品實時更新，OMI數據格式為HDF5，可以利用ENVI5.1直接打開也可以利用IDL讀取。

微波臨邊探測器MLS，同時也是EOSAura衛星的重要探測器之一，主要用于測量地球大氣臨邊的微波熱輻射，通過臨邊掃描來觀測從平流層到對流層頂的118、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濕度、云含水量、云含冰量、重力勢高度和溫度。MLS觀測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）。每條廓線沿衛星軌跡的空間間隔為1.5°（約165 km），時間間隔為24.7 s。MLS進行日間和夜間全球觀測。MLS探測的內容有大氣成分、溫度、濕度和云冰，用于開展以下研究工作：①跟蹤監測平流層臭氧層的穩定性；②幫助改進氣候變化預測水平；③幫助提高對全球空氣質量的認識。MLS探測的是Aura衛星飛行方向前端地球“臨邊”（即邊緣大氣的邊緣）發射的微波熱量，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）。每條廓線沿衛星軌跡的空間間隔為1.5°（約165 km），時間間隔為24.7 s。MLS數據可以在中國氣象科學數據共享服務網上進行下載，數據產品實時更新。

3 青藏高原臭氧總量季節變化的特征

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，與我國同緯度的其他區域相比較，濃度含量較低；240～280 DU是秋季青藏高原的臭氧濃度含量，較同緯度我國其他地區偏低；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，冬季又回升明顯。對比同緯度我國東部地區臭氧含量，青藏高原地區臭氧總量偏低，但是在夏季有一個更為明顯的低谷出現。對于這個低值中心產生的原因，主要有動力輸送和化學反應。