中国气象学会主办。
文章信息
- 冶磊, 卞林根, 汤洁, 丁明虎, 郑向东, 高志球. 2017.
- YE Lei, BIAN Lingen, TANG Jie, DING Minghu, ZHENG Xiangdong, GAO Zhiqiu. 2017.
- 南极大陆沿岸地面臭氧损耗事件的研究
- A study on surface ozone depletion episodes over the Antarctic coast
- 气象学报, 75(3): 506-516.
- Acta Meteorologica Sinica, 75(3): 506-516.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2017.027
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文章历史
- 2016-07-25 收稿
- 2016-12-29 改回
2. 中国气象科学研究院, 北京, 100081
2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
臭氧是重要的大气氧化剂,对温室气体强迫有重要作用,对动植物会产生有害影响。自工业时代以来,对流层臭氧浓度至少升高了一倍,与二氧化碳和甲烷相比,由于臭氧的活性和复杂的大气化学过程,臭氧的增加难以量化(Helmig, et al,2007)。由于极地地区缺乏人为源、汇,对流层臭氧主要由自然过程、气流经向输送和平流层向下输送决定。因此,极地地区的臭氧数据对于评估本底臭氧趋势具有重要价值,也是全球臭氧变化和趋势的指标(王玉婷,2011;赖鑫,2012)。
极地独特的气候特点和大气边界层结构,使得臭氧化学变得更加复杂。最引人关注的是20世纪80年代在北极阿拉斯加Barrow站(Oltmans, et al,1986)和加拿大北部的Alert站(Bottenheim, et al,1986)冬末春初观测到臭氧浓度快速下降过程,并称之为臭氧损耗事件(ODE)。Kreher等(1996)和Wessel等(1998)报导了南极地区出现的臭氧损耗事件。Roscoe等(2006)通过对南极Halley站历史臭氧数据的分析,发现1958年就观测到类似于臭氧损耗事件的臭氧变化过程。
Barrie等(1988)首次提出臭氧损耗事件与大气中溴浓度有关。Kreher等(1997)首次报导了在南极边界层观测到臭氧损耗事件的同时也检测到了活性溴(BrO)浓度的变化。卫星观测资料表明,边界层中BrO主要分布在大陆边缘海冰区和新生海冰区,这两种海冰区容易产生反复的冻融过程,释放出浓度较高的BrO,损耗边界层中的臭氧(Gilman, et al,2010;Koo, et al,2012;Schönhardt, et al,2012)。极地臭氧损耗事件是由卤素(尤其是溴基)化学所驱动,活性溴是臭氧损耗化学的标志,损耗臭氧的关键反应为Br+O3→BrO+O2(Bottenheim, et al,2009;Neuman, et al,2010;Jones, et al,2013)。活性溴是海冰冻结过程中排斥的海水盐分通过光化学作用和非均相反应而释放,称为“溴爆炸”机制(Simpson, et al,2007a;Jones, et al,2010;Buys, et al,2012)。最近的研究分别讨论了不同过程对臭氧损耗事件的影响,包括边界层条件(Cao, et al,2016)和溴化学(Thompson, et al,2016)。而Mastromonaco等(2016)利用南极海冰区的航线资料在冬季检测到大气汞和臭氧的损耗,这比以往的发现都要重要。
本研究利用南极中山站2008—2013年的地面臭氧资料,并结合天气背景、气象条件、海冰资料、活性溴卫星数据等相关资料对东南极大陆沿岸观测的臭氧损耗事件进行分析。文中研究的是在未受到人为条件影响的自然状态下发生的臭氧损耗事件,这与中高纬度地区光化学反应导致臭氧损耗有所不同。
2 观测点概况和数据中山站位于东南极大陆的拉斯曼丘陵地区,地处普里兹湾东南沿岸,其西南距艾默里冰架约2 km。中山站大气成分监测点设在站区的西北端,位于站区西北边缘最高山丘——天鹅岭顶部西侧的平坦裸岩上(69°22′12″S,76°21′49″E,18.5 m),其西侧和北侧为海洋,东侧及南侧为广大的冰盖区(图 1)。图 1给出了南极中山站和大气成分监测点地面臭氧监测所在的位置,图中五星代表中山站所在位置,圆点代表大气成分监测点。中山站极昼期为54 d,极夜期为58 d;全年盛行东北风,平均风速为7.5 m/s,8级以上大风天数达174 d,极大风速为43.6 m/s;降水天数162 d,年平均气温和相对湿度分别为-10℃和54%,最低和最高气温分别为-44℃和10℃。
观测站北面为开阔的海洋。由于冰架边缘春季海冰的冻融过程明显,满足“溴爆炸”发生在新冰区的条件,具备了产生臭氧损耗事件的条件。
地面臭氧观测采用ECOtech公司生产的EC9810A臭氧分析仪和EC 9811臭氧校准仪。分析仪自备信息存储系统,采集频率为3 min一次,用臭氧校准仪每3个月对臭氧分析仪进行校准,每次采用5个标准的臭氧标气进行标校,同时记录EC9811和EC9810A的测量数据。根据值班记录,删去因机器故障和仪器维护等时段的数据,根据方差检验剔除峰值和奇异值记录。判据为|xi-x|>3σ,其中xi为测量值,x是时间序列平均,σ是标准差。在计算小时平均值中,当小于2组数据,不计算小时平均值,作为缺测。
利用的中山站常规气象观测数据,包括气温、相对湿度、风向、风速、气压等。时间间隔为10 min,经处理得到小时平均数据。利用的其他南极站点(Syowa、Neumayer、Halley、Arrival Heights、South Pole)的地面臭氧资料来自全球温室气体数据中心(WDCGG)(http://ds.data.jma.go.jp/gmd/wdcgg/cgi-bin/wdcgg/catalogue.cgi),卫星监测的大气BrO资料来自德国不莱梅大学环境物理研究所(IUP)(http://www.iup.uni-bremen.de/doas/bro_from_scia.htm),南极海冰密集度资料来自美国雪冰数据中心(NSIDC)(http://nsidc.org/data/G02202)。
3 臭氧损耗事件南极地面臭氧本底浓度有明显的季节变化,其显著特征是冬季高、夏季低,峰值出现在7—8月,谷值在12月—次年1月,中山站与南极其他站测量的地面臭氧年变化特征基本相似(Ghude, et al,2006;Helmig, et al,2007)。从南极各站(包括中山站在内)2008—2013年逐时地面臭氧浓度的时间序列(图 2)可见,南极大陆沿岸区春季地面臭氧浓度急剧降低的突变过程经常出现,如中山站、Syowa、Neumayer、Halley、Arrival Heights,而南极内陆的极点站很少出现突变过程,这主要与大气环流的背景有关。
为了分析典型的臭氧损耗事件与气象要素和BrO的关系,从中山站2008—2013年观测的逐时臭氧资料中选取出典型的臭氧损耗事件(表 1),此处选择的地面臭氧损耗事件为发生在冬春季节,地面臭氧浓度快速下降,降幅超过15×10-9,并维持一段时间后恢复到正常水平。在臭氧损耗事件过程(图 3)中,臭氧浓度一般下降幅度为15×10-9—28×10-9,持续时间有所不同。以2008年8月29—31日臭氧损耗事件持续时间最长,臭氧浓度降低了28×10-9,2011年9月12日臭氧损耗事件持续时间仅有7—8 h,臭氧浓度降低了14×10-9。
持续时间(UTC) | 损耗前本底值(×10-9) | 损耗最低值(×10-9) |
2008年8月29日02时—8月31日20时 | 32.46 | 4.24 |
2008年9月18日02时—9月20日05时 | 31.82 | 11.32 |
2009年7月4日05时—7月5日04时 | 33.35 | 15.79 |
2009年8月25日02时—8月26日14时 | 32.81 | 8.79 |
2010年8月11日01时—8月11日16时 | 34.56 | 12.94 |
2010年8月20日10时—8月21日10时 | 31.31 | 9.27 |
2011年9月12日14时—9月12日22时 | 33.71 | 19.41 |
2011年9月25日02时—9月26日15时 | 35.10 | 15.99 |
2012年7月27日19时—7月28日14时 | 34.35 | 16.15 |
2012年8月22日09时—8月23日03时 | 33.40 | 17.59 |
2013年9月11日15时—9月13日21时 | 32.38 | 18.18 |
2013年10月22日03时—10月24日03时 | 26.88 | 7.55 |
中山站位于东南极大陆普里兹湾的东部,主要受南极大陆冷气团控制。天气变化主要受南大洋绕极气旋和南极大陆高压的综合影响。表 1显示,臭氧损耗事件主要发生在每年的8—10月,天气背景相对比较复杂。为了探讨中山站臭氧损耗事件与气象要素的关系,选择表 1中2008年9月、2009年8月、2010年8月、2011年9月、2012年8月和2013年10月各1次臭氧损耗事件,分析其发生期间的气温(T)、风速(WS)、风向(WD)、气压(p)、水汽(Ep)的变化过程。从图 4可以看出,在臭氧损耗事件发生前后的2—3 d,气象要素均有明显的变化过程。主要特点是,在地面臭氧浓度最低值出现时段,气压出现上升过程的同时,气温和水汽压都下降到最低,风向有明显的转变,偏北风出现次数增多,风速减弱并维持在2—3 m/s。由此表明,来自中山站北部海冰区的弱气流伴随高浓度的溴化物影响中山站并与臭氧产生化学反应,形成臭氧损耗事件。在地面臭氧浓度回复到正常值后,气温和水汽压、风速快速升高,不利于溴化物的积累。表明臭氧损耗的发生与接触海冰的气团和稳定边界层结构有关,通常发生在低风速和晴空条件下。稳定的边界层条件能够维持循环反应过程,而气象条件的快速变化则会影响臭氧损耗事件的开始和结束时间(Morin, et al,2005;Jones, et al,2009)。
为认识臭氧损耗事件发生的天气背景,利用NCEP再分析资料,分析了6次臭氧损耗事件发生期间南极地区1000和850 hPa高度场和温度场天气形势。由图 5和6看出,在臭氧损耗事件发生期间,普里兹湾主要受东南极大陆高压中心的北部边缘和南大洋低压系统的影响。冷空气爆发形成的冷舌(-30℃—-20℃)延伸到中山站(图中黑点)北部的南大洋,使得中山站出现了明显的气压升高和降温过程,这样的天气形势有利于偏北气流引导海冰区较高浓度的BrO向南极大陆沿岸输送,为臭氧损耗事件发生提供了重要条件。
5 臭氧损耗事件期间BrO与海冰密集度的分布利用美国雪冰中心的海冰密集度资料分析了2008—2013年臭氧损耗事件期间中山站北部海冰密集度的分布(图 7)。在6次臭氧损耗事件发生期间,普里兹湾分布着海冰密集度为0.5—0.7的海冰区,表明存在冰间水道和冰间湖或新生薄冰区。卫星观测表明,高浓度BrO主要在新生海冰区,而不是多年海冰区(Wagner, et al,2001)。新冰区的盐度较高(Simpson, et al,2007b),因此,冰间水道或冰间湖可以作为海盐气溶胶的直接来源(Domine, et al,2004)。薄冰形成中,霜花的含盐晶体快速生长(Kaleschke, et al,2004),并为溴激活过程提供了有利条件,晶体表面的盐度和溴离子浓度是多年海水的3倍以上。Kaleschke等(2004)认为,霜花形成阶段,与BrO浓度升高或“溴爆炸”事件是一致的。
由于海冰表面具有高反照率,使得近地面的微量气体有高灵敏度。卫星数据能检测到BrO浓度的变化,并具较高的时、空分辨率,海冰边界层中高浓度BrO的空间范围可达几百千米,持续时间从几小时到1 d以上。在中山站出现的6次臭氧损耗事件期间,从卫星监测的南极海冰区大气BrO垂直总量分布(图 8)可知,在南极大陆周围海冰区有BrO高浓度中心,与同日地面气温场的低温区域基本重合,表明低温是“溴爆炸”的条件之一,能够加速BrO的释放。靠近中山站北部海区的BrO高值区,导致了臭氧损耗事件的发生。由此可见,BrO与臭氧损耗有直接关系。BrO浓度不同,臭氧量损耗也不同。在臭氧损耗的同时,伴随着BrO浓度的升高,主要是由气相的自催化反应循环来损耗臭氧。
Br和BrO等活性溴族的主要来源是从海盐中的溴离子通过一系列光化学和非均相的自催化反应循环释放出的溴,使气相溴自由基以指数增加,即所谓的“溴爆炸”机制。此外,还有其他涉及到Cl-和BrCl的过程。次溴酸气体可以与海盐溴化物在凝聚相反应中生成Br2,然后释放到大气中。随后,Br2光解生成溴基可以与臭氧发生反应并破坏臭氧。由此形成的BrO可以与HO2反应形成次溴酸。该过程即为“溴爆炸”(Frieβ, et al,2004;Piot, et al,2008)。在中纬度地区海洋的对流层BrO只有0.5×1013 mol/cm2,而在春季极地地区的对流层BrO会超过4×1013 mol/cm2(Roscoe, et al,2006)。
6 结论通过分析中山站2008—2013年发生的臭氧损耗事件及其与气象条件、高浓度BrO分布的关系,对南极大陆沿岸出现的对流层臭氧损耗过程有了深入的认识。臭氧损耗事件是在极区春季海冰区发生冻融过程中,释放出浓度较高的BrO,在适宜的气象条件下扩散到南极大陆沿岸,与臭氧发生化学反应。这是极地地区在未受到人为影响的自然现象,与中高纬度地区臭氧减少过程有所不同。经对6次臭氧损耗事件过程的研究, 得出以下几点新认识:
(1) 海冰区释放的高浓度BrO消耗臭氧,南极大陆沿岸海冰区的冰间水道和冰间湖是新生海冰及海盐溴活化和释放的主要源区,为南极大陆沿岸观测到臭氧损耗事件的发生提供了必要条件。
(2) 在臭氧损耗事件发生前期,伴随地面臭氧浓度下降,中山站气象要素有明显的突变过程,温度明显下降,风向由偏东风转变为偏北风,风速大幅度下降。在臭氧损耗事件发生期间,气温相对较低,偏北方向的风速很小,有利于伴随高浓度BrO的气流在站区积累,导致臭氧浓度快速下降。因此,气象要素与臭氧浓度有明显的关系。天气条件为观测到臭氧损耗事件的发生提供了充分条件。
(3) 南极大陆沿岸对流层臭氧观测资料表明,春季臭氧损耗事件发生较为频繁,但持续时间和臭氧下降幅度不同。臭氧损耗事件出现在南极春季臭氧洞期间,臭氧损耗事件是否与臭氧洞共同作用对气候变化产生影响尚需进行深入研究,臭氧损耗事件和“溴爆炸”与南极温室气体是否有化学反应过程也需要深入调查和分析。
致谢: 2010—2013南极中山站考察队全体队员在资料获取中做出了很大的贡献,在此表示感谢。赖鑫. 2012. 南北极大气成分本底特征的分析[D]. 北京: 中国气象科学研究院. Lai X. 2012. Analysis of the background characteristics of atmosphereic composition in polar regions[D]. Beijing:Chinese Academy of Meteorological Sciences (in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-85101-1012410121.htm |
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