大气臭氧层对地气系统的辐射收支起着关键作用。许多研究表明, 大气臭氧的辐射气候效应不仅依赖于臭氧总量, 也依赖于臭氧的垂直分布^[1-2]。大气臭氧总量和垂直分布研究越来越引起人们广泛重视^[3-7]。通常大气臭氧总量分布状况是经向梯度较明显, 纬向分布比较均匀。但由于地形和大气环流因素的影响, 臭氧在大气中的纬向分布也存在不均匀性, 特别是在中高纬度冬、春季节。臭氧分布的纬向不均匀是由行星波扰动引起的^[8-11]。冬季, 在对流层形成的行星波上传到平流层, 对30 km以下平流层大气运动产生影响。从全球臭氧总量时空分布图可以清楚地看到^[12]:在北半球中高纬度地区冬、春季, 臭氧总量在东亚、北美和西欧存在3个高值中心, 位置与冬季平流层底部大气超长波的3个大槽位置大致相符。我国地处欧亚大陆东部, 东西跨度大, 受东亚臭氧高值中心的影响, 我国北方东部臭氧分布状况与同纬度西部地区相比, 有明显差异。为此本文对我国北方东、西部大气臭氧总量和垂直分布特征进行对比和研究。

本文运用SAGE Ⅱ(Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Ⅱ) 和HALOE (Halogen Occultation Experiment) 臭氧垂直分布资料和TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) 臭氧总量资料进行分析和研究。装载于ERBS卫星的SAGE Ⅱ仪器和装载于UARS卫星的HALOE仪器应用太阳掩星探测技术进行探测, 得到的臭氧垂直分布探测结果具有较高的精度和垂直分辨率^[13-15], 但是在一定区域范围内每月得到的探测资料十分有限。由于SAGE Ⅱ和HALOE探测结果具有较好的一致性和可比性^[16-19], 因此本文综合运用SAGE Ⅱ和HALOE臭氧垂直分布资料, 结合TOMS臭氧总量资料, 研究我国北方东、西部大气臭氧总量和垂直分布特征和差异。

本文使用的数据资料是由NASA提供的SAGE Ⅱ(版本6.2) 和HALOE (版本19) 臭氧垂直分布资料以及TOMS (版本8) 臭氧总量资料。

本文将我国北方分为45°~55°N, 35°~45°N两个纬度范围, 经度范围为75°~135°E, 并沿105°E经线将其分为东、西两部分。这样形成了4个区域:45°~55°N, 75°~105°E; 45°~55°N, 105°~135°E; 35°~45°N, 75°~105°E; 35°~45°N, 105°~135°E。包括了我国北方大部和一些周边国家。

数据处理方法:使用1997年3月-2002年2月SAGE Ⅱ和HALOE臭氧垂直分布资料, 结合对应的TOMS臭氧总量资料, 计算出每个区域春季(3, 4, 5月)、夏季(6, 7, 8月)、秋季(9, 10, 11月) 和冬季(12月, 次年1, 2月)5年平均臭氧垂直分布和臭氧总量、16~30 km以及16 km以下臭氧柱总量。考虑到SAGE Ⅱ和HALOE臭氧垂直分布探测数据在16 km以下误差较大, 所以在数据分析过程中, 对16 km以上臭氧柱总量进行积分计算, 16 km以下臭氧柱总量近似用臭氧总量减去16~60 km臭氧柱总量计算出来。在运用臭氧垂直分布资料计算一定高度范围内臭氧积分柱总量时, 首先将臭氧的单位换算成柱密度, 然后对高度积分计算出臭氧柱总量。

图 1~2给出了45°~55°N和35°~45°N范围内, 东部和西部1997-2001年各个季节平均臭氧垂直分布。

图 1

图 1. 45°~55°N范围东部(105°~135°E) 和西部(75°~105°E) 各个季节平均臭氧垂直分布比较 Fig 1. Comparison of seasonal averaged ozone vertical distributions between the east (105°-135°E) and the west (75°-105°E) of 45°-55°N latitude band

图 2

图 2. 35°~45°N范围东部(105°~135°E) 和西部(75°~105°E) 各季节平均臭氧垂直分布比较 Fig 2. Comparison of seasonal averaged ozone vertical distributions between the east (105°-135°E) and the west (75°-105°E) of 35°-45°N latitude band

表 1和表 2分别对应45°~55°N和35°~45°N范围, 东、西部季节平均臭氧总量、16~30 km臭氧柱总量、1倍标准偏差、16 km以下臭氧柱总量以及相应的东、西部差值。

表 1

表 1 45°~55°N范围, 我国北方东、西部季节平均臭氧分布差异(单位:DU) Table 1 East-west differences of seasonally averaged ozone distribution for the latitude band of 45°-55° N (unit:DU)

表 1 45°~55°N范围, 我国北方东、西部季节平均臭氧分布差异(单位:DU) Table 1 East-west differences of seasonally averaged ozone distribution for the latitude band of 45°-55° N (unit:DU)

表 2

表 2 35°~45°N范围, 其他同表 1 Table 2 Same as in Table 1, but for the latitude band of 35°-45° N

表 2 35°~45°N范围, 其他同表 1 Table 2 Same as in Table 1, but for the latitude band of 35°-45° N

从图 1可以看出:在45°~55°N范围内, 我国东部平流层低层臭氧含量在冬季、春季和秋季明显大于西部; 冬季和春季平流层臭氧垂直分布差异主要表现在臭氧极大值附近及其以下高度; 在秋季, 东、西部臭氧垂直分布的差异范围持续到30 km。根据表 1的计算结果, 臭氧总量东、西部差近似等于16~30 km范围臭氧柱总量东、西部差和16 km以下臭氧柱总量东、西部差之和, 这说明30 km以上东、西部臭氧含量几乎是一致的; 从图 1和表 1中还可以看出, 在夏季, 东、西部臭氧总量和垂直分布差异不明显。

从图 2可以看出:在35°~45°N范围内, 我国东、西部臭氧垂直分布在冬季、春季和秋季仍有较明显差异, 其中冬季和秋季臭氧垂直分布东、西部差异表现在臭氧极大值附近及其以下高度, 春季东、西部臭氧垂直分布差异范围达到28 km。从表 2的计算结果同样可以看出, 臭氧垂直分布的东、西部差异主要存在于30 km以下高度。对比45°~55°N范围的计算结果可以看出, 随着纬度的降低, 冬季和秋季臭氧总量东、西部差异减小, 但春季臭氧总量东、西部差异没有明显改变。在夏季, 35°~45°N范围臭氧分布状况出现了新的特征:东、西部臭氧总量存在明显差异, 达到20.6 DU, 并且此时东、西部臭氧分布差异主要存在于16 km以下平流层底层和对流层, 达到12.8 DU。

为分析臭氧总量和16~30 km臭氧柱总量东、西部差异的显著性, 使用t统计量进行检验。首先根据45°~55°N和35°~45°N范围各个季节东、西部臭氧数据计算出t统计量。取显著性水平α=0.05, 查t分布表得到置信限t _0.05=2.31, 若取显著性水平α=0.10, 得到置信限t_0.10=1.86。在45°~55°N范围, 计算得到冬季、春季和秋季臭氧总量的t统计量分别为4.90, 2.57和7.73; 16~30 km臭氧柱总量的t统计量分别为4.03, 2.35和3.74。这些t统计量均大于t_0.05, 说明在45°~55°N范围, 冬季、春季和秋季臭氧总量和16~30 km臭氧柱总量东、西部差异是显著的。夏季, 45°~55°N范围臭氧总量和16~30 km臭氧柱总量的t统计量分别为1.05和0.52, 均小于t_0.10, 说明在夏季这个纬度范围东、西部臭氧含量没有明显差异。在35°~45°N范围, 计算得到冬季、春季、夏季和秋季臭氧总量的t统计量分别为3.28, 4.21, 6.11和5.63, 均大于t_0.05; 16~30 km臭氧柱总量的t统计量分别为2.25, 2.10, 3.52和1.98, 其中夏季的t值大于t _0.05, 冬季、春季和秋季的t值虽然小于t_0.05, 但均大于t_0.10。说明在35°~45°N范围, 一年四季臭氧总量东、西部差异都是显著的; 16~30 km臭氧柱总量东、西部差异也是显著的, 尤其在夏季, 但是在冬季、春季和秋季, 东、西部差异没有45°~55°N范围显著。

造成我国平流层低层东、西部臭氧分布差异的直接原因是每年冬、春季在东亚有一个臭氧高值区。图 3是根据TOMS月平均臭氧总量资料绘制出的1998年1, 4, 7, 10月全球臭氧总量分布图。图 3中采用1, 4, 7, 10月月平均臭氧总量分布分别代表冬季、春季、夏季和秋季臭氧总量全球分布的典型状况。从图 3可以看出臭氧高值区从产生、发展到消失阶段臭氧总量分布情况。根据TOMS臭氧总量探测结果, 臭氧高值中心约在50°~70°N, 120°~150°E范围。它在每年秋末开始产生, 在冬季和初春季节发展到最强, 到春末夏初逐渐消失。许多研究表明, 臭氧高值区的产生是平流层准定长行星波作用的结果^[8-11]。冬、春季节, 在平流层低层100 hPa等压面高度上, 欧亚大陆东部边缘130°E附近通常处在行星波波槽的位置^[8]。槽后的下沉运动将高层富含臭氧的空气带到平流层低层, 同时槽后的西北气流带来了北部和西北部臭氧含量丰富的空气, 在平流层低层形成了臭氧高值区, 并且也扩展到对流层。在夏季, 行星波不能上传到平流层, 很难对平流层臭氧分布造成影响, 这时臭氧分布是纬向比较均匀的。从图 1~2可以看出, 臭氧高值区主要集中在臭氧极大值附近及其以下高度, 最高不超过30 km。在30 km以上, 东、西部臭氧分布几乎是一致的。大气环流的动力影响范围主要在平流层30 km高度以下和对流层^[20], 30 km以上臭氧浓度主要受光化学作用的影响, 纬向分布均匀。

图 3

图 3. 1998年1, 4, 7, 10月全球月平均臭氧总量分布图 Fig 3. Monthly-mean maps of total ozone in January, April, July and October of 1998

秋季, 在臭氧高值区逐渐形成时, 便开始造成我国东、西部臭氧分布差异。在45°~55°N范围内, 从秋季开始, 东、西部臭氧垂直分布就存在较明显差异; 在冬季, 臭氧高值中心发展到最强, 东、西部臭氧总量分布差异达到最大, 为45.9 DU; 在春季, 臭氧高值中心强度逐渐减弱, 此时东、西部臭氧总量分布差异减少到34.2 DU; 在夏季, 随着臭氧高值区的消失, 我国东、西部臭氧分布差异不明显。在35°~45°N范围内, 由于离臭氧高值中心距离较远, 所以在冬季和秋季, 东、西部臭氧总量差异较45°~55°N范围要小。但在春季, 随着臭氧高值中心强度逐渐减弱, 高值区臭氧总量分布趋于均匀, 此时东、西部臭氧总量分布差异比冬季有所增大, 达到34.6 DU, 同45°~55°N范围的东、西部臭氧总量分布差异相比, 没有明显差别。夏季, 35°~45°N范围内臭氧总量东、西部差异较明显, 达到20.6 DU; 从图 2夏季可以看出, 平流层臭氧垂直分布的东、西部差异主要存在于25 km以下高度; 根据表 2的计算结果, 此时16~30 km臭氧柱总量东、西部差异为7.4 DU, 而16 km以下臭氧柱总量东、西部差异可达12.8 DU。说明夏季, 35°~45°N范围臭氧分布的东、西部差异主要存在于平流层底层和对流层。虽然平流层底层和对流层臭氧含量同大地形的影响、行星波的作用、以及天气变化密切相关, 但也应该考虑大气污染造成的影响。以上问题值得关注和进一步研究。

本文研究了我国北方东、西部大气臭氧总量和垂直分布特征和差异, 得到以下结论:

1) 在冬季、春季和秋季我国北方东、西部大气臭氧总量和垂直分布存在明显差异, 表现在30 km以下, 特别是臭氧极大值附近及其以下高度臭氧含量东部比西部明显偏大。

2) 随着纬度的降低, 冬季和秋季臭氧总量东、西部差异减小, 但是在春季, 臭氧总量东、西部差异不随纬度的降低有明显改变。

3) 夏季, 在45°~55°N范围内, 东、西部臭氧总量差异较小, 垂直分布差异不明显; 但在35°~45°N范围内, 臭氧总量东、西部差异达到20.6 DU, 16 km以下臭氧柱总量东、西部差异达到12.8 DU。这说明此时35°~45°N范围臭氧分布的东、西部差异主要存在于平流层底层和对流层。