西南地区不同类型风场与对流层臭氧分布变化的关系

易香妤，郭世昌，刘二影，田孟坤，窦 艳

（云南大学 大气科学系，昆明 650091）

西南地区不同类型风场与对流层臭氧分布变化的关系

易香妤，郭世昌*，刘二影，田孟坤，窦 艳

（云南大学 大气科学系，昆明 650091）

本文利用欧洲中期天气预报中心 （ECMWF）1996-2015年间月平均风场、臭氧质量混合比分层资料，通过分类合成方法将中国西南地区夏、冬半年的风场分成三种不同类型，并研究了不同类型风场与对流层臭氧分布变化的关系。研究表明： （1）1996-2015年，我国西南地区700 hPa夏半年风场可分为S1西南风型与S2东南风型，冬半年主要为W强西风型；（2）从700 hPa臭氧质量混合比的分布来看，三种风型均在青藏高原东南侧的四川省西部出现臭氧低值区，S1型和S2型大致都是围绕该低值中心自西北向东南方向增加，但由于东南风的平流作用，S2型更偏向于经向分布，而W型则几乎是呈北低南高的纬向分布；（3）500 hPa上S1型和S2型同样能在四川省西部发现臭氧质量混合比低值区，而W型低值区却消失，呈现出十分平直的南高北低的纬向分布；（4）300 hPa臭氧质量混合比普遍高于中低层，三种风型的臭氧质量混合比几乎都是呈纬向分布，但分布情况变成了北高南低型；此外还发现，中低层冬半年的风型的臭氧混合比都低于夏半年。（5）本文为了更真实探究气块的运动路径，选取三种不同代表月份，运用HYSPLIT后向轨迹模式观察了重庆、昆明、贵阳三地上空700 hPa的气块运动路径并对其进行分析。

中国西南地区；对流层臭氧；臭氧质量混合比；HYSPLIT后向轨迹模型

众所周知，臭氧是一种十分重要的痕量气体。大气中大部分臭氧集中在10～50 km的平流层，对流层臭氧只占臭氧总量的大约10%[1]。在对流层中，臭氧既是温室气体，也是一种污染气体，并且对流层中的臭氧有着几天到几个星期的生命周期，伴随着大尺度的环流系统，例如季风，臭氧及其前体污染物可以长距离输送[2-3]，而近地面臭氧对生物圈具有重要的环境学意义，也是光化学烟雾的标志物之一。大气在对流层的平流输送对对流层臭氧的分布及其变化有一定的影响，近年来，关于季风与臭氧的分布及变化关系，已经有一些学者对此展开研究。例如，X.A.X等[4]研究了从亚洲大陆流向南方的印度尼西亚—澳大利亚冬季风对大气臭氧的影响。朱彬[5]指出，东亚太平洋沿岸近地面臭氧的季节变化主要受东亚冬、夏季风环流的季节变化控制，东亚太平洋地区夏季风爆发的时间和强度以及季风环流型的年际差异是导致该地区春、夏季臭氧年际变化的主要原因。周德荣[6]研究了东亚季风对于华南沿海地区对流层臭氧的季节和年际变化的作用规律，结果显示，在研究区域对流层低层臭氧浓度季节变化明显受到东亚季风控制，且季风引起的人为源污染物输送以及生物质燃烧污染物的输送导致了自由对流层的较高臭氧浓度。以上学者对环流与臭氧分布的关系等问题的研究，得到了许多重要结论，但上述研究大多是针对东亚地区、低纬地区，又或者研究的是单个季节的季风与臭氧的变化关系，没有太突出区域性，对于小型局部区域不同的风型与对流层臭氧的分布关系研究还比较少。

Souri等[7]基于再分析数据使用聚类分析方法将美国休斯敦地区近15年 （2000-2014）夏季近地面900 hPa的风向分为七种风型 （C1-C7），找出对休斯敦地表面臭氧具有独特影响的聚类风模式，并估计了聚类风模式主要通过的周围地区因人为排放而产生的臭氧变化趋势，进而研究了不同风型对休斯敦地区近地面臭氧分布与变化的影响。

受此研究启发，我国西南地区具有显著的季风特征，冬夏季风场转换剧烈，是否也可以对该区域展开类似的分析研究呢？因此，本文拟采用格点资料，对我国西南地区冬、夏特征不同的风场分型，并对不同类型风场与对流层臭氧分布变化的关系开展研究。

1 研究资料及方法

1.1 使用资料

近年来，ERA-Interim资料在很多方向都得到广泛应用，其资料具有时间序列长、垂直层次高的特点[8]，因此，本次研究使用欧洲中期天气预报中心 （European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的1996-2015年ERA-Interim月平均风场、臭氧质量混合比分层资料，水平分辨率为0.75×0.75，经向和纬向各有19个格点。为了方便比较和说明，臭氧质量混合比资料经处理后的单位化为mg·kg-1。

考虑到我国西藏地区受大地形影响，风场变换规律复杂，研究困难，因此，本文所讨论的区域并非常识中的西南地区，而是除了西藏地区以外的区域，具体位置为：97°E～110°E，21°N～34°N。此外，在研究过程中，为了进一步更好地分析风场与臭氧场的联系以及对臭氧的来源的讨论，本研究又再将区域扩大至 50°E～130°E， 10°N～40°N 进行相关讨论。

1.2 研究方法

考虑到西南地区属于典型的季风区域，冬季与夏季的风向风速都会有所差别，会对臭氧的分布造成不同的影响，此外，还考虑到四川省西部属于青藏高原的一部分，且云贵高原海拔也较高，为使研究比较有意义，故选取对流层中低层700 hPa的风场作为分型的依据。因此，本文利用ECMWF提供的风场分层月平均资料，提取1996-2015年期间夏半年 （5、6、7、8、9月）共100个月，冬半年 （11、12、1、2、3月）共100个月700 hPa上的U、V分量，通过对选取的每个月的平均风场的分析，主观地将平均风场相似的月份进行聚类，再提取出对应的各类的U、V分量，对各个类别的风场进行平均化合成，将西南地区 （除西藏地区）夏半年与冬半年的风场分为了三种不同类型，再提取出相应风型对应月份的对流层臭氧质量混合比分层资料 （以700 hPa，500 hPa，300 hPa为代表），画出每一种风型对应的臭氧质量混合比分布图，并对此展开分析、研究和讨论。

HYSPLIT-4是一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型，现已被广泛地应用。HYSPLIT轨迹模型用到的气象数据资料来源于NCEP的FNL全球分析资料，并经过ARL（NOAA-Air Resource Laboratory）的预处理模块转化成模式所需要的格式。FNL分析资料源自NCEP的全球资料同化系统GDAS（Global Data Assimilation System）。该系统使用MRF谱模式进行预测和资料同化，每日执行4次，即世界时 （UTC）00，06，12和18时。GDAS的资料后处理模块将Sigma坐标谱系数的气象场转化为全球1°×1°（361×181个格点）压力坐标的分析资料，ARL与处理模块则将北半球的部分转化为129×129个格点的极地投影坐标系。其水平分辨率为190.5 km，资料的垂直网格为14层[9]。因此，本文利用该气象资料运行hysolit4.7模式，从所研究的年份中选取三种风型对应的典型月份，取重庆、昆明和贵阳为目标地点，以目标日期为起点进行5天的后向轨迹分析，从而更科学和真实地探究臭氧分布变化的原因，以及三类风型中臭氧可能的路径来源。

2 计算结果与分析

2.1 1996-2015年夏、冬半年700 hPa风场分型结果及其特点

根据ECMWF提供的700 hpa的U、V分量月平均资料，画图观察分析，并剔除风场凌乱的特殊月份后，将1996-2015年夏、冬半年的风场统计分型为S1，S2，W三种不同特征的风型，其具体分型依据及其特征如下表1所示。

表1 700 hPa夏半年与冬半年风场分型结果及其特征Table 1 The results and characteristics of classification for summer and winter wind fields at 700 hPa

据表1的分型结果重新提取各个风型对应月份700 hPa的U、V资料，将风型的风场合成后的风场矢量图如图1所示。总的来说，在夏半年，研究区域700 hPa的等压面上偏南风为主，S1风型主要是西南风比较强盛，且被分为S1风型的月份大多集中在5，6，7月，而S2风型主要是东南风比较强盛，S2风型的月份几乎都集中在8，9月，这很可能是来自孟加拉湾等地的西南气流与来自西北太平洋的东南气流的力量对比在西南地区风场上的体现。并且从风场图上看出，S1型中的西南风风速大于S2型中的东南风风速，此外，在两种风型的西北方向都发现有一个小型的辐合区域；在冬半年，W风型主要盛行西风，并且冬半年的西风风速比夏半年的风速均要大，纬度偏低西风强盛、风速更大，纬度偏高则呈现出西南风，风速较小，尤其在四川省中部风速达到最小。

季风是指近地面冬夏盛行风向接近相反且气候特征明显不同的现象。700 hPa等压面属于对流层中低层，根据哈雷季风原理，愈接近地面季风应该愈明显。王安宇等[10]曾提出，对流层低层的风可以近似地看作两部分的线性组合，一部分是非季风的行星风，这部分代表大气对海陆地形的动力强迫响应；另一部分则季风，这部分是大气对海陆地形的热力强迫响应。实际风中除了季风，还包括非季风的行星风，而非季风的行星风常常会掩盖季风。本研究中使用冬季的700 hPa风场，季风能被强大的行星风西风所掩盖，因而冬季才体现出强大而稳定的西风，而在夏季，从孟加拉湾等地来的西南气流和强大的副高外围的东南气流常常比较强大，还能在700 hPa风场上有所体现。

图1 1996-2015年700 hPa夏半年和冬半年风场分型 （矢量，单位：m·s-1）Fig.1 Summer and winter wind fields classification at 700 hPa during 1996 to 2015 （Vector， Unit： m·s-1）

2.2 不同风型所对应的700 hPa臭氧质量混合比分布情况及讨论

通过对以上夏、冬半年的风场进行分型，再根据ECMWF提供的对流层700 hPa等压面上的臭氧质量混合比月平均资料，提取出不同风型所对应月份的臭氧分层数据，画出三种风型所对应的700 hPa臭氧质量混合比的分布图，如图2所示。区域扩大后对三种风型对应的700 hPa臭氧质量混合比的分布进行了分析，如图3所示。

图2 1996-2015年不同风型700 hPa臭氧质量混合比分布 （单位：mg·kg-1）Fig.2 The distribution of ozone mass mixing ratio in different wind types at 700 hPa during 1996 to 2015 （Unit： mg·kg-1)

从图3所示的三种不同风型所对应的700 hPa臭氧质量混合比分布情况可看出，夏半年S1型和S2型均在四川省西部地区出现了臭氧质量混合比低值中心，且可能是由于夏季盛行偏南的季风，研究区域的臭氧分布情况都大致是围绕该低值中心自西北往东南方向逐渐增加；但不同的是，S1型的西南角也存在着较高数值，因此S1型略微偏向于纬向分布，而S2型在研究区域东部的臭氧质量混合比几乎是呈东高西低的经向分布，并且重庆、贵州、四川东部、云南大部分地区的数值都普遍高于S1型，由于本研究是基于不同的风型得出的臭氧分布图，而S2风型的特点是东南风比较强盛，结合图3可看出，总体上，臭氧的分布在偏低纬的地区更高，而S2型与S1型相比确实高值区域在往北倾斜，使研究区域东部近似于经向分布，因而推测这极有可能是S2型盛行的东南风带来了低纬地的臭氧含量较高的空气团，使S2型在研究区域东部臭氧含量更高，即风的平流作用对S1和S2型的臭氧分布带来了不同影响；冬半年的W风型所对应的臭氧质量混合比分布情况则与夏半年的分布有一定差别，在冬季，四川省中西部仍然有一臭氧质量混合比低值区域，但结合图3（c），从整个区域来看，除了青藏高原低值区，臭氧质量混合比整体数值要低于夏季，几乎是呈较为平直的纬向分布，自低纬度向高纬逐渐减少，这可能是由于在冬季700 hPa西风带风速比较大，使得臭氧几乎沿纬向平均分布。

与此同时，对于臭氧的分布，风的平流作用只算是其中的一个影响因素，辐射和前体物等也会对其产生一定影响，尤其在对流层，臭氧前体物也是特别重要的一个因素。研究发现，西南和东北地区为中国森林挥发性有机化合物 （Volatile Organic Compounds，VOC）主要排放区域，云南、四川、黑龙江、吉林、陕西5省排放最多，分别占全国总量的15.09%、12.58%、10.35%、7.49%和7.37%，并且森林VOC排放存在非常强的季节性变化，夏季排放量最大，占全年的56.66%[11]。云南省、四川省都在本文研究区域范围内，这同时也能对前述分析夏半年S1，S2型比冬半年W型700 hPa臭氧混合比更高做出一定解释。但对于本文研究区域前体物的排放与臭氧分布的定量关系，目前了解还比较浅，今后还可进行更深入的研究。

图3 不同风型对应的700 hPa臭氧质量混合比分布 （扩大区域后）（单位：mg·kg-1）Fig.3 The distribution of ozone mass mixing ratio for different wind types at 700 hPa （Larger area） （Unit:mg·kg-1)

对于在四川省西部出现的臭氧低值区，分析所示四川省西部已经属于青藏高原地形的一部分，而对于青藏高原臭氧低值中心，早已有学者对此展开研究。在1995年，周秀骥等[12]就曾经提出，“青藏高原夏季 （6-9月）形成了大气臭氧总量低值中心”，“青藏高原夏季存在显著的臭氧损耗增强的物理与化学过程，其损耗虽不如南极 ‘臭氧洞’，但在北半球是非常异常的现象，我们称之为青藏高原臭氧低值中心”。近年来，关于青藏高原夏季臭氧总量低值中心及其发生机制的研究也越来越多。周秀骥等[13]在2004年又比较系统地研究了大气臭氧低值中心的背景环流特征，证实了青藏高原地区确为对流层与平流层物质输送的通道之一，以及它对青藏高原臭氧低值中心形成所起的作用。但他同时也提出：“青藏高原地区大气臭氧的变化是在特殊的背景条件下大气动力、物理、化学作用的综合结果，这里有可能既有自然变化的因素，亦存在人为的作用，这错综复杂的作用要完全弄明白其困难程度较大。”关于青藏高原的低值中心的相关原由及其对天气气候的影响，还值得进行更深入的探究。

根据上述研究，我们可得出，在本文研究区域西北部出现的臭氧低值中心，正好就是其位于青藏高原的原因，而上述研究是针对臭氧总量提出了夏季存在臭氧低值中心，但在本研究中，发现在冬季的700 hPa上也有体现，这同时也包含了四川省西部高海拔的地形对臭氧混合比分布的影响。

2.3 不同风型所对应的500 hPa和300 hPa臭氧质量混合比分布情况及讨论

如前文所述，我国西南地区地形高低起伏，较为复杂，故本文采用了700 hPa的风场作为风型的分型依据，而在700 hPa等压面上，冬季行星风的作用较为突出，夏季来自西南和东南的偏南气流又较为强大，或许能在对流层中上层作为参考依据。因此，为了更加了解对流层中上层不同风型的臭氧质量混合比分布情况，本研究将700 hPa上风型的分型结果应用到了500 hPa和300 hPa上。

同样，利用ECMWF提供的对流层500 hPa，300 hPa等压面上的臭氧质量混合比月平均资料，画出三种风型所对应的500 hPa，300 hPa上臭氧质量混合比的分布图，如图4、图5所示。

图4 1996-2015年不同风型500hPa臭氧质量混合比分布图 （单位：mg·kg-1）Fig.4 The distribution of ozone mass mixing ratio of different wind types at 500 hPa during 1996 to 2015 （Unit:mg·kg-1)

如图4所示，在500 hPa上，夏半年风型S1型和S2型同样也能在四川省西部发现臭氧质量混合比低值区，且S1型比S2型低值中心的数值更低，分布型也大致是围绕低值中心向东南方向递增，S1型在西南方向臭氧混合比较高，S2型东部区域较高，但是冬半年W风型所对应的500 hPa臭氧质量混合比低值区却消失，呈现出十分平直的纬向分布，与700 hPa类似，也是自低纬度向高纬度逐渐减少，还值得注意的是，冬半年W型的混合比数值几乎也全部低于夏半年风型S1和S2。

图5 1996-2015年不同风型300 hPa臭氧质量混合比分布图 （单位：mg·kg-1）Fig.5 The distribution of ozone mass mixing ratio of different wind types at 300 hPa during 1996 to 2015 （Unit:mg·kg-1)

如图5所示，在300 hPa的对流层中上层，整体来说，无论是S1型和S2型，还是W型，臭氧质量混合比几乎都呈纬向分布，且冬半年纬向分布更明显；不同的是，在位于300 hPa的对流层中上层，臭氧质量混合比的分布情况变成了高纬更高、低纬更低，即由低纬向高纬逐渐增加，其原因可能是300 hPa更接近平流层，而平流层的全球臭氧平均分布则是高纬较高，低纬较低[14]。此外，可能是更接近于平流层，臭氧质量混合比的数值几乎都高于500 hPa和700 hPa，并且本研究区域位于东亚大槽的西南部，而东亚大槽所在的位置正是著名的臭氧高值区[15]，因此在研究区域东北部，三种分布型不同程度地反映出东亚大槽臭氧高值区的存在。

2.4 典型个例后向轨迹分析

为了更真实地探究气流的运动路径，本文选取三种不同风型代表月份，运用HYSPLIT三维轨迹模式进行700 hPa气块后向轨迹分析。三种风型的代表年月分别为2005年7月 （S1型），2005年9月 （S2型），2012年2月（W型）。接着选取重庆、昆明、贵阳三个城市为目标地点，利用HYSPLIT模式对上述三个城市700 hPa上的空气块进行5天后向轨迹分析，起始时间分别为对应月份的15日12时，分析结果如图6所示。

从图6（a）可以看出，2005年7月是典型的西南风强盛的S1风型，以7月15日为起始日期进行700 hPa气块的5天后向轨迹分析，从图中可以看出，重庆、昆明、贵阳三地的气团主要都来自西南方向的缅甸、老挝和孟加拉湾等地，并且都来自900 hPa的对流层低层，因此本研究区域的700 hPa臭氧分布可能会受到低纬度大气低层的臭氧含量的影响。

如图6（b）所示，2005年9月是典型的以东南风为主的S2风型，9月15日三个目标位置的气团均来自研究区域东南方向的低纬度地区，比如，贵阳上空的气团来自菲律宾以东的太平洋洋面，并且一直在700 hPa左右运动，而昆明、重庆的气团来自900 hPa左右的低层，从印度尼西亚经菲律宾、南海、广东、越南到达重庆和昆明，因此可合理推测其臭氧含量是不是也会受沿海发达城市近地面臭氧浓度的影响呢？但此结论只是猜想，对于其是否产生影响，还有待继续研究。

从图6（c）可以看出，2012年2月是典型的以强盛西风为主的W风型，以2月15日为起始日期，5天后向轨迹分析的结果显示，重庆、昆明、贵阳三地的气团几乎都随西风自西向东运动，重庆上空的气团在对流层中上层运动，从北非经中东、印度北部、西藏后才到达重庆，另一支气流几乎是在700 hPa附近从印度北部经缅甸到达昆明，还有一支来自800 hPa的中低层，经缅甸到达贵阳。

图6 不同风型对应的700 hPa风场和后向轨迹的个例分析Fig.6 Case study for wind fields and backward trajectory at 700 hPa for different wind types

3 结论

综合以上对1996-2015年夏、冬半年700 hPa风场的分型结果与其对应的各层臭氧质量混合比分布情况的分析，再加上对三种风型的典型个例的后向轨迹分析结果的讨论，本研究可以得到以下几点结论：

（1）由于700 hPa上的季风与行星风的力量对比作用，1996-2015年我国西南地区700 hPa等压面上夏半年风场可分为S1西南风型与S2东南风型，冬半年风场主要为W强西风型。

（2）对于700 hPa臭氧质量混合比的分布，三种风型均在青藏高原东南侧的四川西部发现臭氧低值区，夏半年风型S1型和S2型臭氧质量混合比大致是围绕该低值中心自西北向东南方向逐渐增加，S1型略微偏向于纬向分布，而S2型在研究区域东部几乎是呈东高西低的经向分布，这应该是由于S2型的东南风带来了较低纬度臭氧含量较高的空气团，也极有可能我国东南部沿海发达城市人类活动造成的近地面的高浓度臭氧带来的影响；在冬半年，由于700 hPa上西风风速大，使臭氧质量混合比几乎呈北低南高的较为平直的纬向分布。

（3）在500 hPa上，夏半年风型S1型和S2型同样也能在四川省西部发现臭氧质量混合比低值区，而冬半年W风型所对应的500 hPa臭氧质量混合比低值区却消失，呈现出十分平直的南高北低的纬向分布。300 hPa三种风型的臭氧质量混合比几乎都是呈纬向分布；不同的是，臭氧质量混合比的分布情况变成了高纬更高、低纬更低，并且由于300 hPa更接近于平流层，其数值几乎都高于500 hPa和700 hPa，另外，在研究区域的东北部，300 hPa上三种分布型还都不同程度地反映出了东亚大槽臭氧高值区的存在。

（4）在700 hPa和500 hPa上，冬半年W型的臭氧混合比的数值普遍要低于夏半年S1型和S2型。

致谢：感谢欧洲中期天气预报中心 （ECMWF）提供的ERA-Interim月平均风场资料、臭氧质量混合比分层资料，感谢美国国家海洋和大气管理局 （NOAA）提供的后向轨迹模式。

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The Correlation between the Tropospheric Wind Fields and Ozone Distributions over Southwest China

YI Xiangyu,GUO Shichang*,LIU Erying,TIAN Mengkun,DOU Yan
（Department of Atmospheric Sciences,Yunnan University,Kunming 650091,China）

In this paper,the European Center for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)stratified data of monthly mean wind and ozone mass mixing ratio(MMR)from 1996-2015 were used to characterize the tropospheric wind and ozone fields in summer and winter over southwest China.Three different wind types were obtained by classification synthesis method,and the correlation between the wind types and ozone distributions was also analyzed.The results showed that:(1)The wind fields during 1996 and 2015 at 700 hPa isobaric surface could be divided into southwest(S1)and southeast(S2)types in the summer,and mainly strong west type(W)in the winter.(2)The ozone MMR distributions at 700 hPa were generally around a low-value center in the southeast Qinghai-Tibet Plateau(i.e.the western Sichuan Province)for all three wind types,and increased from the northwest to the southeast for both S1 and S2 types with an apparent east high-west low tendency for S2 type due to advection of the southeasterlies while exhibited a north low-south high pattern for W type.(3)At 500 hPa,the low ozone MMR area in the western Sichuan Province was also found to exist for S1 and S2 types,but disappeared for W type,suggesting a stronger degree of east high-west low zonal distribution at 500 hPa than at 700 hPa.(4)At300 hPa,the ozone MMR values were generally higher than those at 500 hPa and 700 hPa,and displayed almost purely zonal distribution with a north high-south low pattern for all three wind types.Also,the ozone MMR values at 700 hPa and 500 hPa were always lower for winter W wind type than for both summer oness.(6)In order to explore the movement path of air block more truly,three representative of different winds were also selected.the movement of the air block at 700 hPa over Chongqing,Kunming and Guiyang was observed and analysized by HYSPLIT back trajectories model.

the southwest China;tropospheric ozone;ozone mass mixing ratio;HYSPLIT back trajectories model

X515

A

2096-2347（2017）04-0025-09

10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.04.04

2017-05-17

国家自然科学基金 （41275072）

易香妤 （1995-），女，重庆人，本科生，主要从事大气臭氧、紫外辐射及气候变化研究。E-mail：yixiangyu29@163.com

*通信作者：郭世昌 （1958-），男，四川人，教授，主要从事大气臭氧、紫外辐射及气候变化研究。E-mail：shchguo@ynu.edu.cn

学术编辑：余友清