邵武首次臭氧探空觀測垂直廓線特征分析與臭氧總量估算*

鄭東齊 鄭玉蘭 王春輝 鄧慧穎 王 宏

(1.邵武市氣象局,福建 南平 354000；2.福建省災害天氣重點實驗室,福建 福州 350007；3.武夷山國家氣候觀象臺,福建 南平 354300；4.福建省氣象信息中心,福建 福州 350007；5.南平國家農業氣象試驗站,福建 南平 354200；6.福建省氣象科學研究所,福建 福州 350007)

0 引言

臭氧探空觀測是利用氣象氣球攜帶臭氧探空儀升空，獲取地面至35km(上平流層)高度范圍內的大氣臭氧垂直廓線數據，揭示大氣臭氧垂直分布特征和變化規律的氣象科學活動。該項工作對于研究地氣系統輻射強迫、氣候與環境變化以及遙感大氣訂正等具有重要的科學意義和實用價值。世界氣象組織(WMO)規定，大氣臭氧的3個基本特征分別是地面臭氧、臭氧總量和臭氧垂直廓線。雖然臭氧是大氣中的一種微量氣體，含量很少，但它對于人類和整個生物系統至關重要，既是對流層和平流層大氣化學過程的核心，也是一種重要的溫室氣體。通過吸收太陽輻射的紫外光和可見光部分來改變平流層溫度結構，是關系到全球氣候和生態環境變化的重要課題[1-2]，其氣候效應不僅依賴于它的總量而且強烈地依賴于它在大氣中的垂直分布[3-4]。

臭氧探空觀測在加拿大、美國、日本等國家已列入氣象環境探測業務工作，全球大氣本底站和專門的臭氧探空網已有60多年歷史，進行臭氧探空業務觀測的站點已達50多個，其中有接近30個站點堅持每天釋放一次探空氣球。我國臭氧探空觀測尚處于起步階段，主要以短期觀測試驗為主，并未實現業務化。我國臭氧探空觀測及研究始于20世紀80年代。1984年8月23日，石廣玉等人與日本名古屋大學空電研究所合作進行了我國第一次球載探空試驗，探測了0～33km大氣臭氧和氣溶膠垂直分布特征。此后，我國科學家在北京、拉薩、昆明、西寧、香港、臨安、上海等地先后進行臭氧探空觀測，得到各地不同時間、不同高度臭氧的垂直分布特征及變化規律，并利用這些探空數據對大氣臭氧進行深入研究和綜合對比分析，取得了許多科研成果。石廣玉等[5-6]利用1984年8月在河北香河、1998年8月和10月在西藏拉薩獲取的臭氧高空氣球探測數據，分析單次臭氧探空觀測得到的對流層/平流層臭氧分壓、溫度、濕度廓線的變化趨勢，以及臭氧體積混合比的極大值(極小值)及高度等特征，以及臭氧垂直分布廓線，推算出大氣柱臭氧總含量。鄭向東等[7]對北京1998年8月2日臭氧次峰進行分析，發現非地轉平流輸送和對流層頂折疊是對流層臭氧次峰現象形成的重要原因。鄭永光等[8]利用臨安、昆明、香港臭氧探測個例結合分析，發現不管是高緯度還是低緯度，與副熱帶高空急流相聯系的平流層空氣的侵入都會導致對流層上層臭氧濃度升高。崔宏等[9]根據2001年春季在臨安進行的臭氧垂直探測，結合地面及高空氣象要素演變和高空位勢渦度的變化發現，副熱帶急流、極鋒急流移動造成的輻合下沉運動對臭氧垂直廓線分布有著顯著影響。通過對臭氧廓線的長期研究發現，固定地區大氣柱臭氧總含量基本無變化，但是臭氧垂直分布不穩定，即使處于同一緯度，在相同天氣系統的條件下，臭氧含量也會有所不同[10]。臭氧垂直分布分為兩種類型，一種是只在平流層中有一主極大值層，另一種是除主極大值層外，同時在對流層中還存在次極大值層。主極大值層的臭氧濃度變化相對較穩定，次極大值層主要受大氣環流影響很不穩定，且受季節變化與位勢高度、垂直速度等要素影響存在著明顯差異。臭氧垂直分布具有非均勻結構和多層次特征[11]，季節變化明顯，且與濕球位溫、風場、動力輸送甚至光化學方面都有著密切關系[12-15]。

邵武探空站是福建省3個國家級探空站之一，依托武夷山國家氣候觀象臺臭氧立體觀測組網的建設，在此開展臭氧探空觀測試驗，對于探明我國東南沿海地區大氣臭氧垂直分布規律具有重要的科學意義。該項試驗與中國氣象局5個臭氧探空觀測試點城市(北京、南京、廣州、重慶、杭州)同步進行，這也是我國首次在超大城市和清潔區域大氣背景點(武夷山)開展臭氧探空協同觀測試驗，將為我國的臭氧探空觀測業務化工作奠定基礎。

2021年11月24日，邵武首次臭氧探空觀測試驗取得成功。本文詳細闡述臭氧探空觀測的業務系統、技術參數、工作流程，并繪制了大氣臭氧和溫濕垂直廓線圖，計算了臭氧總量并加以對比分析，以期為該項重要的科學試驗走向業務化，并開展更深入的科學研究提供技術支撐。

1 儀器與工作流程

1.1 儀器

臭氧探空系統主要由國產CTY-1型臭氧探空傳感器、CYDT-1型臭氧探空傳感器檢測儀、HYDF-MCRS1型衛星導航探空接收機、衛星導航探空儀、TD2A型電子探空儀基測箱等5個部分組成。

1.2 工作流程

邵武探空站(站號：58725，27.32°N，117.49°E，海拔高度218.9m)原則上每周三14時開展一次臭氧探空觀測試驗，如有特殊的科學任務需求，可開展加密觀測。如周三遇雨天，順延至周四進行觀測，如周三、周四都下雨，則取消當周臭氧觀測。

流程1∶周一進行臭氧探空傳感器施放前的準備工作，包括臭氧探空傳感器外觀檢查、氣泵單元檢查、加注反應液、檢測傳感器、測試背景電流、電池按要求充滿電，耗時約3.5小時。

流程2∶周三進行臭氧探空觀測，主要工作包括：氣球施放前1～2小時，應再次進行臭氧探空傳感器檢查和第二次地面檢測；放球前半小時，開始衛星導航儀地面基測、氣球充氣，將衛星導航探空儀與臭氧傳感器裝配完畢并與探空氣球連接，準備就緒后放球人員將設備拿到氣球施放地點充分感應周邊環境，在規定的時間內將氣球施放，爾后開始地面數據接收、上傳，全程耗時約4小時。

數據處理后獲得的測量要素為：飛行高度、氣球升速、氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速和臭氧分壓值等。探空儀采用模塊化結構，溫度和濕度等常規氣象要素和臭氧測量要素分別由2個獨立單元組成，既便于操作，也易于消除各單元之間的干擾。

2 結果與分析

2.1 首次臭氧探空觀測概況

邵武首次臭氧探空觀測科學試驗使用的是1600g株洲球，凈舉力2200g，13時43分氣球平緩升空，平均升速為400m/min，背景電流0.083μA，抽氣泵流量3.39mL/s，15時18分球炸，飛行歷時95min，探測高度33575.6m。

臭氧含量分別以臭氧分壓(mPa)和臭氧體積混合比(ppb)兩種單位表示。臭氧分壓是指臭氧氣體占據氣體混合物相同體積時此部分所形成的壓力。臭氧體積混合比是指106單位體積中含氣體污染物的體積數。

臭氧分壓PO3的計算公式為：

式中,R為通用氣體常數，T為大氣溫度，MO3和ρO3分別為臭氧的分子量和質量密度。借助臭氧分壓PO3和空氣壓力P可將臭氧體積混合比r′表示為：

2.2 臭氧分壓與溫度廓線

圖1～圖3給出此次邵武臭氧探空觀測試驗獲取到的臭氧分壓與溫度廓線、對流層臭氧體積混合比廓線以及整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線。

由圖1紅色廓線分析可見，觀測當日14時邵武地面氣溫為16.6℃，對流層頂大約在15.6km，溫度-74.2℃，對流層內溫度隨高度遞減，溫度直減率為5.9℃/km；在16～18km處的對流層頂、平流層底溫度降到了此次觀測的最低值-75.0℃。在這厚度約2km的大氣中，溫度廓線在-72℃附近有較大抖動，18km以上，溫度隨高度迅速增加。

圖1 2021年11月24日邵武臭氧分壓與溫度廓線

由圖1藍色廓線分析可見，從近地面～16km左右，整個對流層臭氧的分壓較小，在1～4mPa之間變化，且總的趨勢是由地面向對流層頂遞減，與溫度廓線一致。到達16km以后，平流層臭氧分壓開始明顯增大，增加到25km附近達極大值，約14mPa，而后隨高度增加再次減少，直到觀測結束。此次觀測氣球爆破高度約33.6km，觀測到的臭氧分壓為3mPa。

2.3 對流層臭氧體積混合比廓線

由圖2藍色廓線分析可得，對流層臭氧體積混合比由地面向對流層頂波動式遞增，但在5～6km出現明顯減小，對應當天5～7km左右相對濕度接近100%(見圖3綠色廓線)，水汽與臭氧的反應是對流層臭氧一個重要的匯，二者呈現反相分布特點，較高的水汽是造成臭氧濃度值偏低或下降的主要原因。因此，此處觀測的臭氧體積混合比1km內下降了15ppb，接著開始上升，在9km處達到階段最大值67ppb，且相對濕度非常低，不足10%。而后，臭氧含量又減小，相對濕度明顯增大，由此判斷觀測當日9km處出現了一個對流層臭氧次峰現象，就是臭氧含量出現了一個高值區。高濃度的臭氧來自于干氣團，代表著存在有特殊的天氣系統，使得平流層富含臭氧的空氣侵入對流層，導致對流層中上層臭氧含量升高(課題組將另文開展對流層臭氧次峰現象的天氣學診斷分析)。整個對流層臭氧體積混合比值均小于75ppb，遠低于平流層的臭氧體積混合比。

圖2 2021年11月24日邵武對流層臭氧體積混合比廓線

2.4 整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線

圖3是此次觀測的整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線。由圖3藍色廓線分析可見，臭氧體積混合比由地面向對流層頂遞增，特別是從16km開始，臭氧體積混合比明顯增大，其極大值出現在32km附近，達到9000ppb，比臭氧分壓極大值高度大約高7km。這是由于到了臭氧分壓含量的極值層(約25km)后，氣壓減少仍然很快，而臭氧的含量減少較慢，所以體積混合比在臭氧分壓下降時繼續上升，其極值高度也隨之上升。

圖3 2021年11月24日邵武整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線

2.5 臭氧總量分析

通過已知各個高度的臭氧體積混合比和大氣壓可計算整層大氣柱內的臭氧總量X?？紤]到氣球飛行的有限高度Z2和Z2高度以上臭氧的變化特征，假定整層大氣柱內的臭氧總含量X由Z1至Z2高度范圍內的臭氧量X1和Z2高度以上的臭氧量X2兩部分組成[16]，即：

X=X1+X2

X2=0.7890×r×P2

計算得出，此次觀測邊界層(0～1.5km)臭氧總量為5.4DU，占2.0%；對流層(0～15.6km)臭氧總量為34.3DU，占12.8%；平流層(15.6～33.6km)臭氧總量為233.8DU，占87.2%。

3 結論與討論

①臭氧探空觀測具有重要的科學意義和實用價值，此次中國氣象局臭氧探空5個試點城市和邵武開展的協同觀測試驗采用的是我國自行研制的CTY-1型臭氧探空傳感器和地面接收設備。實施這項工作流程較為復雜，需要4名專業技術人員、3天時間協作完成，其中提前2天為準備時間，準備工作耗時約3.5小時，放飛當天耗時約4小時。

②2021年11月24日，邵武開展首次臭氧探空觀測科學試驗，13時43分氣球平緩升空，平均升速為400m/min，背景電流0.083μA，抽氣泵流量3.39mL/s，15時18分球炸，飛行歷時95min，探測高度33575.6m。

③觀測當日14時邵武地面氣溫為16.6℃，對流層頂大約在15.6km，溫度-74.2℃，對流層內溫度隨高度遞減，溫度直減率為5.9℃/km；從近地面～16km左右，整個對流層臭氧的分壓較小，總的趨勢是由地面向對流層頂遞減，到達16km以后臭氧分壓開始明顯增大，增加到25km附近達極大值，此后隨高度增加而減少，直到觀測結束。

④對流層臭氧體積混合比由地面向對流層頂波動式遞增，但在5～6km出現明顯減小，此處觀測的臭氧體積混合比1km內下降了15ppb，原因是5～7km左右有一整層水汽，相對濕度接近100%，導致臭氧含量迅速下降。在對流層中上層9km處觀測到臭氧次峰現象。

⑤臭氧體積混合比由地面向對流層頂遞增，特別是從16km左右開始，臭氧體積混合比明顯增大，其極大值出現在32km附近，比臭氧分壓極大值高度大約高出7km。

隨著臭氧探空觀測持續開展，以下幾部分的科學研究工作也將陸續進行，比如不同季節大氣臭氧垂直廓線特征分析與綜合對比，基于臭氧探空觀測的對流層臭氧次峰現象的天氣學診斷分析，對流層/平流層臭氧總量及占比統計，以及開展基于OMI衛星遙感數據的對流層臭氧總量地基校驗和臭氧激光雷達觀測數據校驗等。