基于OMI数据的中国臭氧总量时空分布特征

杜君平，朱玉霞，刘　锐,，谢　涛，姚　新

1.中科宇图(北京)资源环境科学研究院，北京 100101

2.中科宇图天下科技有限公司，北京 100101

臭氧是大气中重要的微量成分之一，约有90％的臭氧分布在10～50 km高度的平流层大气中，其余10％分布在对流层[1]。臭氧对太阳紫外辐射(波长为0.2～0.29 μm)有强烈的吸收作用：一方面可以阻挡强紫外线到达地面，保护地球上的生命；另一方面可以使平流层增温，对流层降温，对大气的温度场和大气环流具有重要的作用。此外，臭氧在红外波段9.6μm附近有一个很强的吸收带，大量吸收地球红外辐射，使低层大气增温，是一种重要的温室气体。在近地表，臭氧本身还是一种污染气体，高浓度的臭氧可以对人和动物的呼吸系统造成伤害，并损害植被的健康。由于臭氧总量及其时空变化对气候环境、生态环境以及人类生存环境都会产生重要的影响，全球臭氧监测日益成为人们关注和研究的热点之一。

世界气象组织(WMO)于20世纪70年代启动了“全球臭氧观测系统”(GO3OS)，并于1989年开始组建全球大气监测网(GAW)，建立了包括温室气体、臭氧等的资料中心[2]。这些地基观测数据有力地促进了人们对臭氧的研究和认识，为臭氧的模型反演提供了重要的地面验证数据，但其局限于单点观测，无法获得臭氧的空间分布。

随着遥感空间技术的发展，卫星遥感为获取全球或区域尺度的臭氧监测数据提供了可能。自1978年美国Nimbus-7卫星发射以来，臭氧总量绘图谱仪(TOMS)和太阳后向散射紫外光谱仪(SBUV)在逐日臭氧分布监测，尤其是极地臭氧变化监测中发挥了巨大作用[3]：美国NOAA系列卫星(NOAA-9、NOAA-11、NOAA-14等)自1985年开始搭载SUBV/2，进行可操作性的臭氧监测；1996年7月美国发射的Earth Probe卫星搭载了TOMS，用以接替1993年5月失效的TOMS/Nimbus-7继续臭氧总量的监测；随着2006年11月TOMS-EP的失效，2007年5月长达30 a的TOMS观测计划宣布结束。1995年4月21日，欧洲ERS-2卫星发射升空，星上搭载的全球臭氧监测试验仪(GOME-1)可以对臭氧、SO2等痕量气体进行全球监测[4]，该仪器于2011年7月停止运行。扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMCHY)是欧洲空间局(ESA)2002年3月1日发射的大型环境卫星ENVISAT-1上搭载的十大载荷之一，较GOME-1在光谱范围和空间分辨率上都有较大提高，在全球痕量气体监测方面发挥了重要作用[5]，但其在2012年4月失效。

目前用于臭氧总量监测的在轨卫星传感器主要有：美国EOS-AURA卫星搭载的臭氧监测仪(OMI)，2007年4月运行[6]；欧洲 MetOP系列卫星搭载的GOME-2，其中MetOP-A和MetOP-B分别于2006年10月和2012年9月成功发射；中国FY-3系列卫星搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)，其中FY-3 A和 FY-3 B分别于2008年5月和2011年11月成功发射；美国Suomi NPP卫星搭载的臭氧绘图仪和廓线仪套件(OMPS)，包括下视天底绘图仪、天底廓线仪和临边廓线仪，于2011年10月发射升空。这些传感器可以监测全球臭氧变化，为臭氧研究提供更加丰富精确的数据源。

为了深入了解最近几年中国上空臭氧总量的变化，该研究基于OMI臭氧格网资料，提取了2005—2011年中国上空的臭氧总量，并对其空间分布特征、时间变化规律及纬向差异进行了分析和研究。

1　数据源和方法

臭氧总量数据来源于搭载在EOS-Aura卫星上的OMI传感器。Aura卫星于2004年7月15日在美国成功发射，是一颗由多国共同研制的近极地、太阳同步科学探测卫星，轨道高度705 km，约在当地时间13:45过境。OMI是继GOME和SCIAMACHY之后的新一代大气成分探测传感器，由荷兰航空局和芬兰气象所提供，波长范围270～500 nm，平均波谱分辨率0.5 nm，星下点空间分辨率13 km×2 km，扫描幅宽2 600 km，覆盖全球只需1 d。

该研究使用的是OMI Level 3全球臭氧总量格网产品OMITO3e(单位DU)，空间分辨率达到0.25°(纬度)×0.25°(经度)，存储格式为HDF-EOS 5。它采用的是OMI-TOMS(TOMS V8)算法反演臭氧总量，该算法仅使用2个波长(317.5、331.2 nm，在太阳天顶角度较高时使用331.2、360 nm)，较长的波长用于提取地表反射率，较短的波长由于可以被臭氧强烈吸收而用于提取臭氧柱的总量，数据平均精度优于1％，并且相对其他数据产品对太阳天顶角度和纬度无明显的依赖性[7]。

由于OMITO3e仅是从2004年10月开始工作，因此研究只对2005—2011年臭氧总量进行分析。基于ENVI/IDL批量读取HDF原始数据，转换成通用的TIFF格式(0.25°×0.25°)，提取2005年1月1日—2011年12月31日中国上空的臭氧总量信息，在逐日数据的基础上合成得到逐月和逐年的臭氧总量，并计算其纬向偏差，进而分析中国臭氧总量的时空变化。某个网格(lat_i，lon_j)的臭氧总量纬向偏差Dlat_i，lon_j，通过式(1)计算得到。

(1)

2　中国臭氧总量时空分布特征

2.1臭氧总量空间分布特征

通过计算发现，2005—2011年，中国各年年均臭氧总量空间分布、纬向差异分布类似，最终选取多年平均状况进行分析，并以2011年为代表分析臭氧总量的逐月空间分布特征，详见图1、图2和图3。

图1　中国2005—2011年平均臭氧总量空间分布

图2　中国2005—2011年平均臭氧总量纬向偏差分布

图3　中国2011年1—12月臭氧总量逐月空间分布

从图1可以看出，2005—2011年中国年均臭氧总量从西南到东北随着纬度的增加而增加，呈现出明显的纬度地带性；峰值出现在中国东北地区，最大值约为372DU；青藏高原(78°E～103°E，28°N～38°E)、中国东南部大气臭氧含量较低，最小值出现在青藏高原南部、海南岛和台湾岛局部，约256DU。

从图2可见，随着纬度的增加，臭氧总量从西南到东北纬向偏差不断增加；低纬地区纬向偏差为负，即该区域臭氧总量小于纬圈的平均值；中纬地区纬向偏差大致以105°E经线为界，东部为正、西部为负，间接说明该区域中国东部臭氧总量大于中国西部臭氧总量，这与之前的一些研究结果一致[8-9]。研究表明，不同纬度带臭氧总量的差异，主要与太阳辐射的纬度差异有关；而同一纬度臭氧总量分布不均匀，主要是由于行星波扰动对臭氧的动力输送作用[10-11]导致的，该扰动作用随着纬度的增加而增强，且在冬季较强、夏季较弱。由平流层行星波作用形成的东亚臭氧高值中心(约在120°E～150°E, 50°N～70°N范围)影响了中国中纬度地区臭氧总量的空间分布格局，是中国东北部臭氧高值区出现的直接原因[10,12]。

在青藏高原(78° E～103°E，28°N～38°N)、天山山脉地区出现明显的纬向偏差低值区，尤其在青藏高原纬向偏差最低可至-25 DU(图 2)。

进一步分析2011年逐月臭氧总量变化(图3)，从1—4月，中低纬度月均臭氧总量空间分布基本与纬圈平行；而从5月开始青藏高原臭氧低谷开始出现，并不断发展，到10月之后逐渐消退。周秀骥等认为，动力和热力过程是形成青藏高原夏季臭氧低值中心的主要作用，而化学过程作用较小：5月，南亚高压从低纬地区经中印半岛向西北方向移动，带来低纬地区低浓度的臭氧，在青藏高原开始形成臭氧低值中心；夏季，青藏高原上空盛行上升气流运动，对流层低浓度臭氧向平流层输送及低空污染物在平流层引起的物理化学作用，维持并加强了青藏高原的臭氧低值中心[13-14]。邹捍等在研究了大尺度山地(青藏高原、落基山脉和安第斯山脉)上空臭氧总量的分布和季节变化规律后指出，由于大尺度山地对大气的动力和热力作用，相比于同纬度无山地区，山地上空臭氧总量在各个季节存在着明显亏损[15]。而从图 2可知，该山地效应在天山山脉和台湾山脉也有明显的体现。

从图 1和图 2可以看出，与在高原和山地出现的臭氧低值中心现象相反，中国四川盆地(103°E～108°E，28°N～33°N)多年平均臭氧总量高于周围地区，存在一个小的臭氧高峰。进一步分析2011年臭氧总量的逐月分布发现，四川盆地臭氧峰值常年存在，但在春季尤为明显，随着时间的推移逐渐减弱(图3)。这可能是由于西风气流在青藏高原周围产生绕流和爬坡，于东部边缘较低地形处汇合和下沉，带来了高纬度地区的高浓度臭氧，而盆地地形的下沉和汇合作用更加明显[9]；同时，盆地地形不利于气流的交换，容易累积污染物，而且四川盆地湿度较大，有利于对流层中发生光化学反应，产生臭氧[16]，两者综合作用导致四川盆地上空的臭氧总量常年高于周围地区。由此可见，地形对臭氧的空间分布具有较大的影响。

由图 3可知，2011年1—12月，中国东北部常年为臭氧总量高值区，而西南部常年为臭氧总量低值区。臭氧总量在春冬季节空间变异程度较大，其中1月的月均臭氧总量标准差最高，约为56DU；臭氧总量在夏秋季节空间变异程度较低，其中8月月均臭氧总量标准差最低，仅11DU。结合图4可知，臭氧总量在其他年份也有类似的空间变异特征：总体而言，2005—2011年臭氧总量在2月空间离散程度最大，8月空间离散程度最小。

2.2臭氧总量时间变化特征

图 4为2005—2011年中国月均臭氧总量在空间上的均值、最大值、最小值、标准差的逐月变化。从图4可以看出，2005—2011年，中国上空月均臭氧总量(对应图中均值)大致在273～346DU之间呈正弦曲线变化，具有明显的季节特征，其中最大值多出现在3月，而最小值多出现在9、10月。

图4　2005—2011年中国月均臭氧总量空间统计特征

为了进一步分析中国上空臭氧总量的季节变化，计算了2005—2011年平均的中国月均臭氧总量(图 5)。

图 5　2005—2011年平均的中国逐月臭氧总量变化

从图5可以看出，就2005—2011年中国地区平均状况而言，中国上空臭氧总量在3月达到峰值(平均约330DU)，之后开始下降，并在10月达到最低值(平均约277DU)，之后臭氧总量开始上升，即：从春末到秋初，中国上空臭氧总量逐渐消耗；从秋末到春初，中国上空臭氧总量逐渐恢复，且在春初达到峰值。臭氧总量的季节变化主要与太阳辐射、大气环流的季节性变化有关。

沈凡卉等利用TOMS和OMI数据分析了1979—2007年中国臭氧总量变化，指出近30 a中国臭氧总量年均值为298.61DU，广州地区臭氧总量呈现明显下降趋势[17]。郑向东和韦小丽将香河、昆明、瓦里关山、龙凤山地基观测与卫星臭氧总量长期观测进行比较，分析得出：1979—2007年期间，4个站点地区的臭氧总量在1993年显著降低，后于1995—1996年逐渐回升，其中瓦里关站在2001年回升[18]。

图6为2005—2011年中国年均臭氧总量变化统计结果。

图6　2005—2011年中国年均臭氧总量变化

由图6可以看出：2005—2011年，中国7 a平均臭氧总量为300.75DU，较30 a均值线高出2DU左右，与上述4个基站类似，中国臭氧总量近期有回升趋势；年均臭氧总量极大值出现在2010年，为310DU；极小值出现在2008年，为296DU；其他年份臭氧总量在298～302DU范围内变化，平均值为299.22DU，略高于30 a均值线。此外，2010年臭氧总量明显高于其他年份，具体原因有待进一步深入研究。

3　结论

该研究基于OMI数据，提取和分析了2005—2011年中国上空臭氧总量，并对其时空分布特征进行了分析：

1)中国上空臭氧总量总体上呈现北高南低、东高西低的特征。在动力和化学过程作用下，青藏高原常年存在臭氧低值中心，且在夏季尤为明显；由于地形影响，四川盆地较周围地区常年存在一个较小的臭氧高峰；中国东北部常年为臭氧高值区。此外，臭氧总量空间分布在春冬季节变异程度较大，夏秋季节离散程度较低。

2)受太阳辐射、大气环流季节性变化等因素的影响，中国臭氧总量的时间变化呈现明显的季节特征。从春末到秋初为臭氧消耗过程，反之为臭氧恢复过程，最大值多出现在3月，最小值多出现在9、10月。

3)2005—2011年，中国多年平均臭氧总量为301DU，但在2010年存在一个明显的高峰，具体原因仍需进一步深入研究。

致谢：该研究使用的OMI数据产品来自美国戈达德地球科学数据和信息服务中心(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Centre)，在此表示感谢。

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