青藏高原上空臭氧夏季低值中心特征分析

鲁 亓

（济南市济阳区气象局，山东 济南 251400）

青藏高原区域面积为250×104hm2，在亚洲居于中部位置，以“世界屋脊”著称。我国、亚洲甚至是全球的气候变化和大气环流的形成发展与青藏高原地域地形、热力、动力作用有着直接的关联性。在地球大气层中，臭氧是属于较为活跃的气体，是极为重要的微量气体，但是含量比较少，同时，还对太阳紫外线辐射进行有效吸收，是极为重要的辐射活性成分，在地球生态系统保护中发挥着重要的作用。此外，臭氧也是重要的温室气体，它的存在影响大气动力和平流层和对流层物理化学过程，在现代环境与气候中扮演着十分重要的角色，对地球气候、环境和生物圈有着非常重要的作用。其中约有中10%的臭氧分布在对流层，其余90%的臭氧分布在10～50 km高度的平流层大气中。

1 臭氧低值中心研究现状及产出的原因

科学家1983年在南极发现“臭氧洞”，并进行了持续性的臭氧观测研究，研究资料数据显示，臭氧在全球的平流层呈现持续降低，在对流层呈现持续增加趋势，由此表明，臭氧层遭到了破坏，并且严重威胁到了自然环境与人类生命健康等，给世界敲响了警钟，已引起了全球的广泛关注。

根据TOMS卫星资料，周秀骥[1]、邹捍[2]等对青藏高原的臭氧总量变化特征进行了分析。其中，周秀骥[1]等对我国自南向北13个区域的平均臭氧总量进行了统计分析，主要结合了TOMS资料开展的计算，获取了臭氧总量月平均值分布与臭氧总量的线性变化趋势。通过对13个地区平均臭氧总量月平均值的分析，指出青藏高原臭氧的损耗比相同维度的中国东部较损耗率更大。此外，青藏高原臭氧损耗在夏季有增强的物理和化学反应机制，称之为青藏高原臭氧低值中心。邹捍[2]等利用上述同一份资料，计算了1979年—1991年平均各个季节全球臭氧总量各网格点纬向偏差的气候平均和青藏高原不同月份臭氧总量的变化趋势。通过分析12年间平均的各个季节全球臭氧总量各网格点纬向偏差的气候平均，证实夏季青藏高原上空存在明显的低值中心（与同纬度相比，偏低30DU）。刘煜等[3]在1979年—1992年进行中国地区臭总量变化趋势中，也是运用了TOMS获取数据分析得出，臭氧在青藏高原地区出现了消耗逐年减少趋势，是一个强递减中心。同时，他们发现夏季青藏高原臭氧低谷加深的趋势。

卞建春等[4]在对青藏高原和邻近流场结构的季节性变化，采用（1980年—1989年）欧洲中心七层分析月平均资料和1995年青藏高原东南部探孔资料进行深入探究结果显示，青藏高原在7月—8月高原中低层形成一个非常强的辐合区，在青藏高原的整个对流层，夏季气流都处于上升状态，同时，还衔接了南侧孟家拉湾强上升区，形成了季风环流上升支，盛夏时节（七八月份）高原四周的爬升气流达到最强，以上是基于夏季的青藏高原是一个强大的热源的原因。付超等[5]在进行青藏高原气候研究中，运用二维全球动力、辐射、光化学耦合模式，模拟形成了1月和7月青藏高原上空垂直环流图，对上述的理论研究进行了有效的证实。

对于这种现象产生的原因，主要有以下方面的研究。首先是动力方面的原因，夏季青藏高原为热源，上空被热力作用的南亚高压所控制，其高度范围为500～100 hPa，高压控制促使其气流对流，据相关综合试验研究结果显示，青藏高原夏季为辐合区，同时，局部环流的青藏高原气候特点，也充分表明了青藏高原夏季是对流层与平流层物质输送的重要渠道。数百千米范围内的低空污染物质，在夏季中，统统向青藏高原辐合，并在实现低空物质向平流层下部输送，最后再向四周辐散。

另外，还有化学方面的原因，刘煜等[6]发现大的火山喷发对青藏高原的平流层气溶胶具有重要影响，且时间较长。青藏高原非均相反应的增加，与高原温度的降低、平流层和低层气溶胶的增加用着直接的关联性。非均相化学反应[7]主要是臭氧分子受到Cl0-ClO两聚化及BrO-ClO的催化反应后，转化为氧分子，臭氧的消耗主要是由形成的Cl和ClO实现的。

2 研究数据及方法

本次论文拟通过分析在2005—2013年微波临边探测器（MLS）和臭氧检测仪（OMI）。所测出来的青藏高原的臭氧浓度，实现对青藏高原臭氧总量的月平均数据的检测和统计，然后依据资料数据，对青藏高原各个季节的臭氧总量变化特征进行细致化分析。通过对引起青藏高原上空臭氧浓度变化的热力和化学原因进行分析，对青藏高原上空臭氧低值中心形成的物理机制进行初步探讨。

OMI是美国国家航空航天局（NASA）于2004年7月15日发射的Aura地球观测系统卫星上携带的4个传感器之一。OMI由荷兰和芬兰与NASA合作制造，是GOME和SCIAMACHY的继承仪器,轨道扫描幅为2 600 km，额定空间分辨率是13 km×24 km，一天覆盖全球一次。OMI有3个通道，波长覆盖范围为270～500 nm，平均光谱分辨率为0.5 m。该传感器主要监测大气中的臭氧柱浓度和廓线、气溶胶、云、表面紫外辖射，还有其它的痕量气体，如NO2、SO2、HCHO、BrO、OC1O等。OMI有产品等级分为：Level 1B、Level 2、Level 2G、Level 3。OMI使用高光谱成像，以推扫方式观测可见光和紫外波段太阳后向散射辐射，可以提供覆盖全球的观测。OMI的高光谱性能可以提高其探测的准确性以及臭氧总量的测量精度，还可以长期进行准确的辐射和波长自定标。OMI数据可以在NASA官网下载，数据产品实时更新，OMI数据格式为HDF5，可以利用ENVI5.1直接打开也可以利用IDL读取。

微波临边探测器MLS，同时也是EOSAura卫星的重要探测器之一，主要用于测量地球大气临边的微波热辐射，通过临边扫描来观测从平流层到对流层顶的118、190、240、640GHz和2.5THz光谱范围的微波散射。MLS资料既可用于反 演O3、H2O、BrO、ClO、HCl、HOCl、OH、HO2、HCN、CO、HNO3、N2O和SO2混合比的垂直廓线，也可用于反演冰的相对湿度、云含水量、云含冰量、重力势高度和温度。MLS观测资料的垂直分辨率是3 km，空间范围基本为全球（南北纬82°之间）。每条廓线沿卫星轨迹的空间间隔为1.5°（约165 km），时间间隔为24.7 s。MLS进行日间和夜间全球观测。MLS探测的内容有大气成分、温度、湿度和云冰，用于开展以下研究工作：①跟踪监测平流层臭氧层的稳定性；②帮助改进气候变化预测水平；③帮助提高对全球空气质量的认识。MLS探测的是Aura卫星飞行方向前端地球“临边”（即边缘大气的边缘）发射的微波热量，每25 s完成一次从地表到约90 km高度的扫描。MLS观测资料的垂直分辨率是3 km，空间范围基本为全球（南北纬82°之间）。每条廓线沿卫星轨迹的空间间隔为1.5°（约165 km），时间间隔为24.7 s。MLS数据可以在中国气象科学数据共享服务网上进行下载，数据产品实时更新。

3 青藏高原臭氧总量季节变化的特征

青藏高原（25°～40°N，75°～105°E）在春季，臭氧的浓度大概是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浓度，与我国同纬度的其他区域相比较，浓度含量较低；240～280 DU是秋季青藏高原的臭氧浓度含量，较同纬度我国其他地区偏低；冬季的青藏高原臭氧浓度介于250～320 DU，浓度低，但与同纬度其他地区持平。

图2 夏季青藏高原臭氧总量分布特征Fig.2 The distribution characteristicsof total ozone in summer

图3 秋季青藏高原臭氧总量分布特征Fig.3 The distribution characteristicsof total ozone in autumn

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

4 结论

青藏高原上空的臭氧总量，在2005年—2013年变化情况为，春季最多，夏季减少，秋季却处在最低点，冬季又回升明显。对比同纬度我国东部地区臭氧含量，青藏高原地区臭氧总量偏低，但是在夏季有一个更为明显的低谷出现。对于这个低值中心产生的原因，主要有动力输送和化学反应。