近30 a北极平流层臭氧的季节和年际变化特征

刘姝媛，朱彬，2，苏继峰，朱晓欣，得力格尔

(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044;2.中国气象局成都高原气象研究所，四川成都610072;3.中国大气本底基准观象台，青海西宁810001)

0 引言

尽管北极O3浓度减少没有南极那样严重，但北极平流层臭氧低值区已经非常明显(方芳等，2005)。就1995—1996年北极臭氧层低值而言，Stolarski(1997)认为这是由这几年北极冬季恶劣的天气造成的。Waugh et al.(1997)的研究结果表明，极涡的存在与消亡是北极春季O3损耗和恢复的主要诱因。Rande and Wu(1999)指出，南极极涡稳定于极圈内，而北极极涡会从极圈内移出并受到太阳辐射影响，使得极涡内的O3在1月也可以发生化学反应。Kerr(1998)和Roscoe et al.(1997)把北极O3低值的形成与温室效应联系起来，温室效应使对流层温度升高、平流层温度下降。Shindell et al.(1999)认为，11 a周期的太阳光辐射会影响大气温度的变化，从而影响平流层中O3浓度。美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)资助的“SAGEⅢOzone Loss and Validation Experiment(SOLVE)”项目以及欧洲EORCU(The European O-zone Research Coordinating Unit)资助的“Third European Stratospheric Experiment on Ozone，THESEO 2000”项目，同时通过氢气球、飞机和卫星对北极臭氧层进行探测，研究(EORCU，2000;Rex et al.，2004)表明，1999—2000年冬季北极上空O3含量急剧减少，在平流层下1 km的范围内O3浓度降低了70%，减少量比此前20 a都严重。在3月的前两周，北极上空O3的平均含量比20世纪80年代的监测结果低了16%。Hebestreit et al.(1999)认为，极地平流层云以硝酸和水的结晶颗粒为主要组成部分。平流层原本惰性的氯化物在PSCs表面被激活，将大气中的氮氧化物转化为硝酸，该化学过程将导致O3损耗。施春华等(2009)利用模式研究了平流层臭氧有机氯排放的多耦合响应。Rex et al.(2004)首次报道了北极平流层O3损耗与平流层气候的关系，即平流层底部温度每降低1 K，O3损耗约15 DU(臭氧柱浓度单位，1 DU=2.688×1016cm－2)。

上述分析表明，北极的气候条件对极地平流层云的生消影响重大，从而对北极平流层O3起着至关重要的作用(张明和余志豪，1999)。本文采用最新数据，对南、北极平流层O3的变化规律进行对比分析，重点分析近年来北极O3的年际变化和季节变化，从自然原因、大气环流影响和温度变化等方面重点研究北极O3的产生和损耗机制。特别拟对2010/2011年冬末春初北极臭氧异常低值现象进行细致讨论。由于对北极O3的研究多是基于对南极O3研究的经验和结论，因此本文有较多篇幅对比研究南、北极O3分布和变化的差异。

1 数据来源

由于卫星观测不受时间和地域的限制，可以在时空上连续获取覆盖全球O3的观测数据，所以大气O3的卫星观测资料成为准确分析全球O3时空变化的主要资料。本文使用的O3格点资料是美国国家宇航局整理并发表的网格点O3总量数据TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer，整层大气O3总量的分光辐射探测器)version-8的逐日资料(http://toms.gsfc.nasa.gov/index_v8.html)。它是通过测量太阳后向散射紫外辐射来获得全球大气O3总量的。本文使用的TOMS臭氧总量资料由两部分构成，1978年11月到1993年4月由Nimbus-7卫星搭载的O3观测光谱仪观测获得，1996年7月至2003年6月由Earth Probe卫星搭载的O3观测光谱仪观测获得，分辨率为1°(纬度)×1.25°(经度)，覆盖全球(89.5°S～89.5°N，179.375°W～179.375°E，极夜区除外)，单位是DU。2004年10月至2011年4月的O3总量格点逐日资料是由搭载在AURA卫星上的OMI(Ozone Monitoring Instrument)仪器获得，其分辨率为1°(纬度)×1°(经度)，覆盖全球(89.5°S～89.5°N，179.5°W～179.5°E，极夜区除外)，单位是DU(http://ozoneaq.gsfc.nasa.gov/OMIOzone.md)。OMI的OMTO3数据产品的测量计算方法与TOMS类似，但OMI在反演云区中及云区下方O3总量数据时产生的OMTO3数据要比TOMS资料更精确。臭氧含量随高度分布的廓线资料来自AURA卫星上MLS(Microwave Limb Sounder)探测器version 2.2数据集。风场和温度场使用美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的风场(u、v)和温度场月平均再分析资料(时间段:1978—2011年;分辨率:2.5°(经度)×2.5°(纬度))。

2 南北极臭氧总量的对比

2.1 南北极臭氧分布特征的差异

随着整个春夏两季，在夏末秋初达到最低值。

利用TOMS和OMI臭氧总量数据，研究了1978—2011年南、北极O3总量季节分布情况(月平均值)，通过对比发现，每年的月平均变化趋势都十分类似。因此，选取南极2008年9月—2009年4月、北极2008年3—10月的O3总量月平均值进行分析(其他年份图略)。如图1(南北纬60°～90°投影，下同)所示，南极春季(9—11月)在O3总量下降的过程中，极点附近会形成一个大范围的闭合低值中心，其范围超过南极洲的面积，且等值线分布十分密集，梯度变化非常大，是一个O3总量迅速递减的强中心。9、10月O3总量迅速下降到最低值140 DU，11月开始逐渐缓慢恢复，直到来年1月，大的低值中心有所好转，但仍然可见一个低值中心环绕在极点附近。1—3月南极极点附近的O3总量也有少量减少，减少量为10～20 DU。由此可见，南极地区一年四季都保持一个臭氧的低值中心。

北极上空O3的分布和变化与南极大不一样。如图2所示，从3月开始，北极上空的O3开始逐渐减少，但极点附近的O3总量相比周围地区仍然较高，有时极点附近还能保持一个小高值中心，直到7、8月，在极点附近才会逐渐形成一个低值中心，9月最低值是260 DU，低值中心范围不大，且等值线分布较稀疏，梯度变化较小。从南北极比较可以看出，北极O3的最低值没有南极那么低;南极臭氧洞是冬末春初O3总量急速下降而很快形成的，于10月达到最低值;而北极O3总量低值的形成则是伴

2.2 南北极臭氧总量季节变化的对比

图1 南极2008年9月—2009年4月O3总量月平均值(单位:DU)Fig.1 The monthly average total ozone over Antarctic from September 2008 to April 2009(units:DU)

图2 北极2008年3—10月O3总量月平均值(单位:DU)Fig.2 The monthly average total ozone over Arctic from March to October 2008(units:DU)

为了研究南北极O3总量季节变化的差异，图3给出了1978—2010年平均的南、北极圈内O3总量的年变化。由于在两极的极夜期间，TOMS不能获取O3总量数据(而OMI与TOMS测量O3总量的原理类似，因此OMI也缺测极地处于极夜条件下的O3总量数据)，因此南极地区缺少6、7月的数据，北极地区缺少12、1月的数据。除了初始量外，O3含量是由其产生量、消耗量和输送量共同决定的。从图3中可以看出，南极地区8月O3总量开始迅速下降，并在9、10月达到最低值，之后开始迅速恢复，12月O3总量达到最高值，之后开始小幅度下降。即:南极地区冬末春初O3大量损耗，春末迅速恢复，夏季有少量降低，秋季变化不大。这主要是因为，南极的冬季温度极低，极地涡流围绕南极，经向输送很弱。图4a给出了南极地区45～90°S 7月(代表冬季)100 hPa流场，可见，中高纬度区域之间的流线几乎与纬圈平行，因此高纬度大气与低纬度大气交换作用很弱。南极冬季平流层O3得不到来自低纬度大气的补充，且冬季南极处于极夜状态，几乎不生成O3，从多年平均看，南极冬季(6、7月)O3总量降低了30 DU。而当初春(9月)的阳光照射到平流层时，南极平流层仍然维持极低的温度，导致O3损耗的非均相反应在极地平流层云上迅速发生，大量消耗O3，因此在南极的春季O3总量极低，形成南极臭氧洞(O3总量低于220 DU的区域)。之后由于阳光辐射增温，极地平流层云消失，缺少损耗O3的非均相反应发生的条件;同时南极极涡破裂消散，极圈外高浓度臭氧得以补充，臭氧层快速恢复。图4b给出了南极地区45～90°S 1月(代表夏季)100 hPa流场，可见，南极夏季流场虽然没有冬季闭合完整，但大气经向交换仍然不强。图3和图4亦说明，在任何季节，北极地区臭氧总量大于南极地区是由于北半球极地和中纬度经向输送明显强于南半球这一自然原因所致。

图3 1978—2010年平均的南北极O3总量的年变化Fig.3 The annual change of total ozone over Antarctic and Arctic from 1978 to 2010

图4 极地地区(45～90°N)100 hPa流场a.南极7月;b.南极1月;c.北极1月;d.北极7月Fig.4 Streamline fields at 100 hPa in polar regions(45—90°N)a.Antarctic in July;b.Antarctic in January;c.Arctic in January;d.Arctic in July

在北极地区，4—10月O3总量下降，10月至次年4月O3总量上升。即秋冬季O3恢复，春夏季O3减少。这与Solomon et al.(2007)的研究结果一致。在北极地区，这一变化主要是由于自然原因造成的。直接影响北极臭氧层变化的大气环流是高纬度环流圈，极地低空高压冷空气向较低纬度流动，较低纬度高层空气向极地作逆向流动，促成平流层大气(包括O3)向极地的流动。因此北极的冬季虽然没有阳光的照射，不产生O3，但是极地与较低纬度的大气流动，促使O3在极地与较低纬度间出现交换，大量弥补了冬季极地O3的下降。从多年平均看，11月到次年2月，北极冬季O3总量上升了100 DU，与南极相反。图4c给出了北极地区45～90°N 1月(代表冬季)100 hPa流场，可见，中高纬度区域之间的流线与纬圈交叉，很多地方近乎垂直，因此高纬度大气与低纬度大气有很强的交换作用，北极冬季平流层O3不断得到来自低纬度大气的补充。图4d表明，北极夏季与较低纬度间的交换作用仍然较强，而北半球中低纬度地区臭氧是下降的，因此极地臭氧层来自较低纬度的O3输送量减少，这与对流层增厚所导致的O3消耗等相结合，使北极春夏季节臭氧总量减少。

2.3 近30 a南北极臭氧总量的变化趋势

利用TOMS和OMI臭氧总量数据，图5a给出了两极地区年平均O3总量随时间的变化。南极地区O3总量从1979年开始持续性下降，在1998年达到最低值(234 DU)，之后基本维持在240～260 DU。北极地区O3总量自1979年开始降低，其下降幅度小于南极，在1997年达到最低值(311 DU)，之后基本维持在340 DU左右。从近几年的整体情况来看，南极O3总量波动较小，北极O3总量较为稳定，且有一定的回升趋势。

受各方面因素的影响，学生在校期间反馈的问题和建议不一定十分中肯，但如果在他们毕业之后通过问卷调查、网络调查等方式再对教学效果、课程设计等问题进行调查，得到的信息更具有实际意义。因此，应定期对毕业生进行回访。

图5b、c、d分别给出了两极地区春、夏、冬季O3总量的逐年变化情况。南极春季O3总量自1979年开始持续性地下降，1984年之后每年波动较大，直到1998年达到最低值(187 DU)，之后每年仍有较大的波动，但下降趋势不明显。由图5b可以看出，1985年以后，虽然已经严格控制氟氯烃类化合物的排放，但是近年来南极春季的O3总量并没有明显好转，并会在春季形成南极臭氧洞，这主要是因为Cl、Br等在非均相反应中催化损耗，并在平流层中有很长的停留时间。北极春季O3总量自1979年开始降低，其下降幅度小于南极，在1997年达到最低值(355 DU)，之后基本维持在400 DU左右，且有一定的下降趋势。2011年春季北极O3总量也很低，其值为361 DU。南极夏季O3总量在1979—1999年呈现下降趋势，下降幅度很小，在1999年达到最低值(268 DU)，之后下降趋势不明显，每年夏季臭氧总量的变化不大。北极夏季O3总量下降趋势也不明显，基本维持在320 DU左右。南极秋季O3总量与北极秋季O3总量相差不大，除了1979—1985年南极秋季臭氧总量是下降的外，从年变化上看两极地区的下降趋势都不明显。

图5 两极地区O3总量的时间序列(单位:DU)a.年平均;b.春季;c.夏季;d.冬季Fig.5 The time series of total ozone content in polar regions(units:DU)a.annual average;b.spring;c.summer;d.winter

图6给出了1997年3月和2011年3月北极臭氧的分布情况。3月北极还有部分地区处于极夜情况，故靠近极点位置的数据缺测，但仍然可以看出1997年3月和2011年3月北极附近为O3总量的低值中心，而其他年份未见。由2.1节的分析也可知，北极的春季O3总量相比周围地区较高，常常极点附近还能保持一个小高值中心。可以得知，1997年3月和2011年3月北极O3出现异常损耗，本文将在后面对此进行详细讨论。1990、1993和2000年春季北极O3总量值也偏低，比较这3 a春季臭氧O3总量的月平均值(图略)发现，在北极附近存在弱的低值区，其强度和范围次于1997和2011年。

图6 1997年3月(a)和2011年3月(b)北极O3的分布Fig.6 Distributions of total ozone over Arctic in(a)March 1997 and(b)March 2011

由上述分析可知，从年平均上看，北极O3总量比南极大约80 DU，两极地区春季(南极:9—11月;北极:3—5月)O3相差很大，最多超过了200 DU，夏季(南极:12月—次年2月;北极:6—8月)和秋季(南极:3—5月;北极:9—11月)北极地区O3总量高于南极，但相差不大。近些年来，两极地区O3总量较稳定，且有一定的回升趋势。值得关注的是近10 a来O3总量的回升趋势，因为时段较短，所以目前还无法根据这10 a的变化趋势得出平流层O3已经开始恢复的确定性结论。但这一回升趋势(或者说至少没有继续下降)却是与近10 a来观测到的可导致O3损耗的化学物质(ozone-depleting substances，ODS)或平流层等价有效氯含量(equivalent effective chlorine，包括Cl和Br)的下降趋势一致(Weatherhead and Andersen，2006;Clerbauxand Cunnold，2007)。

3 北极臭氧分析

3.1 2011年北极臭氧低值中心现象

2011年3月26日，NASA公布北极出现臭氧空洞，中国风云卫星也同时检测到了这一罕见现象(http://www.weather.com.cn/news/1296036.shtml)。为了更精确地研究这一罕见现象，本文分析了2011年春季北极O3的日变化，发现北极O3的损耗不像南极那样具有广泛性、持久性和深厚性，因此对北极O3的研究有必要关注其逐日变化。

图7给出了2011年春季北极O3部分代表日的情况。3月15日就能明显看到北极极点附近是一个臭氧低值中心，其总量小于260 DU。应该说在3月15日之前，北极O3就已经出现了异常损耗的情况，但卫星缺测了极夜地区的O3总量(作图显示O3缺省过多)，所以本文没有给出3月15日之前的O3分布。3月18日，极点附近北地群岛区域上空可见一个240 DU的臭氧低值中心(简称A中心)，3月21日该中心向南发展，北极极点附近O3总量有好转趋势，在格陵兰岛上空出现一个260 DU的低值中心(简称B中心)。3月25日，B中心破裂，而A中心移至北极极点，中心总量小于260 DU，俄罗斯北部上空O3恢复。3月28日，臭氧低值中心又移至新地岛北部上空，极点附近O3总量迅速恢复到420 DU。4月4日低值中心覆盖到极点附近，中心总量再次小于260 DU。4月5—13日低值中心一直维持在北极圈俄罗斯西部附近，极点地区上空O3总量逐渐恢复。直到4月16日，该中心消失，此次臭氧低值过程持续了1个多月。

通过分析2011年3月北极O3的低值发现，北极臭氧低值中心的发生发展极不稳定，变化较大，其强度和范围远远小于南极臭氧洞。北极O3低值在某区域的维持时间不长，往往只有几天时间，但会出现反复的现象。虽然此次北极臭氧低值中心出现的时间短暂，但北半球人口密度高，其影响值得更大的关注。

图7 2011年春季北极臭氧低值中心的变化情况(单位:DU)Fig.7 The change of total ozone low center over Arctic in spring 2011(units:DU)

3.2 2011年北极平流层臭氧—温度廓线分析

由前述可知，南极冬春平流层的极低温是南极臭氧洞的重要成因，关于两极地区臭氧浓度与温度场、极地环流等的关系已有不少研究。本节分析2011年冬春北极平流层臭氧含量与温度垂直分布的关系及其演化特征。为了更清楚地分析北极春季O3的变化情况，将北极地区分为67～74°N、75～82°N(83～90°N无数据)来讨论。本文分析了2004—2010年每年平流层O3浓度的垂直分布情况，发现每年O3廓线都大体一致。图8给出了2009年10月至2010年9月(正常年)北极平流层O3的垂直分布情况。可见，O3数浓度的极大值出现在70～50 hPa(18～20 km高空)，这正是臭氧层中O3浓度最大值所在的位置。从垂直剖面可以看出，臭氧层浓度从2009年10月开始增大，到2010年2月底3月初达到最大值，随后O3浓度开始减少，臭氧层变薄。臭氧层的厚薄变化与北极(也可以说北半球)O3的季节变化一致。

2011年初春北极出现了臭氧低值中心，平流层也出现了极低的温度，图9给出了2011年2月1日至3月26日北极平流层O3数浓度距平的分布(等值线表示O3数浓度与2004—2010年平均O3数浓度的差值)。2月开始平流层中部出现低于－80℃的低温，其中部分时段的温度为－70～－80℃，由于该温度是对整个北极地区的平均，因此可以推断在这些日子北极部分地区也出现了低于－80℃的低温。O3数浓度距平基本都小于0，且更高纬度地区O3偏低更多。可见，2011年冬末春初整个北极平流层出现了持续的大范围高浓度的O3损耗，损耗范围几乎遍及整个臭氧层，损耗最大的位置出现在70～50 hPa，刚好与最大O3浓度的高度对应，损耗最大的时段出现在3月中旬，损耗的平均最大值约为3.4×1012cm－3。2月开始阳光逐渐照射北极，可以认为冬末初春季节(2月下旬至3月)北极平流层O3可能出现了以极地平流层云为载体非均相化学损耗。

4 结论

本文综合利用1978—2011年TOMS和OMI臭氧总量资料、AURA/MLS臭氧廓线资料以及NCEP/NCAR再分析气象场资料，通过对比分析近30 a南、北极臭氧总量的年际变化和季节变化差异，重点研究了2011年冬末春初北极臭氧出现异常损耗现象，阐明了该年冬春季臭氧含量垂直分布与温度场的关系，得到以下结论:

1)南极地区一年四季都保持一个臭氧低值中心，冬末春初(9—10月)发生非均相反应大量损耗臭氧形成南极臭氧洞，春末夏初(11—12月)迅速恢复，秋冬两季(4—8月)少量减少;北极臭氧总量的减少则是伴随着整个春夏两季(4—8月)，在秋季(9—10月)达到最低值，冬季(12月—次年2月)北极臭氧快速恢复。这主要是由于北极地区经向环流明显强于南半球并且北极地区温度明显高于南半球所致。

2)从南北两极年均O3总量变化趋势可见，南极地区O3总量从1979年开始持续性下降，在1998年达到最低值(234 DU)，之后基本维持在240～260 DU。北极地区O3总量自1979年开始下降，其降幅小于南极，在1997年达到最低值(311 DU)，之后基本维持在340 DU左右。两极地区春季O3总量年际变化最大的季节是春季，南极1998年春(9—10月)达到最低值(187 DU)，北极在1997和2011年春(3—4月)分别达到极低值(355和361 DU)，但近年来两极臭氧年际变化趋势不明显。

3)北极地区在2011年春出现较严重春季臭氧低值现象，从3月中旬至4月中旬持续了近1个月。该年冬春季平流层低温和臭氧低值对应关系很好，可能与极地平流层云的形成及在其表面发生的非均相反应有关。北极臭氧低值中心的发生、发展极不稳定，变化较大。

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