湘潭臭氧时空变化特征及其与降水的关系

刘二影 黄玲霞 叶梓杰

摘 要：臭氧的研究一直是大气科学重点研究领域，其含量及其分布与气候变化息息相关，降水作为气候研究的重要元素，与臭氧之间有着一定的关系。本文通过欧洲中心的臭氧再分析资料和湘潭地区国家站降水资料，研究了该地近10a臭氧的时空变化特征及其与降水的相关性，为本地降水研究提供了一定的依据。研究发现该地近10a臭氧总量在时间变化上为波动增长的态势、在空间分布上表现为“北多南少”的特征；在不同季节含量表现为“夏>春>秋>冬”，年际变化上冬季最大、夏季最小，其中冬春季分布特征相似、空间差异大，夏秋季分布特征相似、空间差异小；臭氧月均值年际变化不尽相同，表现为在1—2月逐年增长显著；该地区降水与臭氧总量有着显著的正相关关系，相关性在湘潭东南部比西北部明显，自西北向东南递增。

关键词：湘潭；臭氧；降水

中图分类号：S161 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515054

基金项目：湖南省气象局2018年短平快课题“湘潭市臭氧變化特征分析及其与降水的关系研究”（项目编号：XQKJ18B036）

*为本文通讯作者引言

大气臭氧是一种重要的痕量气体，由于它的辐射和光化学性质的特殊性，以及由此产生的气候、环境效应，使得其一直是大气科学重点研究领域。臭氧在一定周期内稳定存在于大气中，并随着大气运动而运动，因而它可以作为一种失踪剂来研究大气环流。大气环流的变化会引起气候和环境的变化，降水作为气候研究必不可少的要素，它的变化表征某地气候变化，因此降水与臭氧总量之间应有一定的关系。

目前对臭氧总量变化与气象要素间关系的研究越来越多，我国也有许多专家针对臭氧分布特征及其影响要素展开了一系列研究，但是目前该领域研究多集中于如“北上广”、天津、无锡等发达及大型城市，而对像湘潭这样的中小型城市，特别是局地臭氧总量变化与降水的关系研究甚少。本文通过分析湘潭地区臭氧近10a的时空变化特征，进而对臭氧与降水间的关系进行了计算，得到了一些有价值的结论。

1 资料说明

本文选用湘潭地区（E111.9°～113.2°，N27.3°～28.1°）2007年1月1日—2016年12月31日欧洲中心提供的ERA-Interim臭氧总量逐日再分析数据进行分析，单位为kg/m2，水平分辨率为1°×1°。臭氧总量相当于在标准温压条件下，单位面积上厚度约为0.3cm的臭氧气体层，通常用0.01mm的臭氧作为单位，即Dobson单位（DU）[1]，为了方便描述文中将其单位由kg/m2转化为DU。文中所使用的降水量数据为湘潭地区2007年1月1日—2016年12月31日3个国家一般气象站日降雨量。

2 结果分析

2.1 臭氧总量的时间变化特征

2.1.1 年变化

2016年湘潭地区的臭氧总量年际变化图，从图中可看出近10a湘潭市上空臭氧总量线性趋势拟合公式为：y=0.55x+271.59，变化趋势通过了95%的显著性检验，由此可见，该地区臭氧总量整体是呈上升的趋势。这与郭世昌等[2]人2014年研究结果相符，他们指出最近19a来，北半球臭氧有回升趋势，特别是东亚地区回升趋势最大，可能与近十多年来导致臭氧耗损的化学物质或平流层等价有效氯含量的下降有关。在进行多项式拟合发现，湘潭地区臭氧总量表现为波动增长的态势，其中2015年臭氧总量含量最高为280.5DU，其次为2010年（279.0DU）；此外，年均值在2008年、2012年和2016年出现了较上年明显减少的态势，臭氧总量在2008年含量最低为267.9DU，次低值为270.3DU出现在2012年。

2.1.2 月变化

2007—2016年湘潭市平均臭氧总量为274.6DU，从图2全市臭氧总量各月10a平均值分布图中可以看出，3—9月的平均臭氧总量较平均值相比偏高，其中4—8月偏多4.4%～6.7%，6月平均臭氧总量含量最高，为293.0DU（偏多6.7%）。1—2月、10—12月的平均臭氧总量偏低，其中12月平均臭氧总量含量最低，为251.4DU（偏少8.4%）。图3为全市各月臭氧总量的年际变化图，从线性变化趋势上来看，除了6月表现为逐年减少的趋势外，其他各月均为增多的趋势，其中月均臭氧总量在1—3月年际增长变化最为明显，其中3月变化最为显著，变化系数为1.52，通过了95%的显著性检验。与年均值的年际变化相似，月均值在2008年、2012年和2016年也出现了较上年明显减少的态势。

综上所述，湘潭市2006—2017年臭氧总量月均值在1—2月含量偏低，但年际变化显著，变化系数分别为1.29和1.31；3月臭氧平均含量与近10a平均值相差不大（偏少0.55%），但年际增长趋势最明显；4—9月臭氧平均含量与近10a相比偏多，其中6月偏多6.7%为最高值，但是表现为逐年减少的趋势，变化系数为-0.26，其余各月均表现为逐年增加的趋势，年际变化系数小，较为稳定；10—12月平均臭氧总量偏低，其中12月偏少8.4%为最低值，但是年际变化不大。

2.1.3 季节变化

从近10a不同季节平均臭氧总量的一元线性拟合结果（表1）来看，湘潭市夏季平均臭氧总量含量最高为290.2DU，但逐年线性变化趋势不明显；其次是春季，平均臭氧总量为286.1DU，表现为逐年增加的态势。从图4中可以看出，虽然平均臭氧总量在冬季含量最低，但是年际变化最明显，回归系数为2.39，通过了99%的显著性检验。前人研究指出，太阳辐射是臭氧生成的关键因素，一定程度上可以通过环境温度的高低来反映其强弱，而温度也对臭氧前驱物的光化学反应速度有影响[3-4]，多人研究表明环境温度与臭氧浓度有着明显的正相关关系[5-7]。湘潭市历年夏季平均气温为27.5℃、日照时数为592.6h，历年冬季平均气温为6.4℃、日照时数为229.0h，可能是平均臭氧含量夏季最高、冬季最低的可能原因。

2.2 臭氧总量的空间分布特征

图5（a）是2007—2016年湘潭地区臭氧总量的空间分布图，从图中可看出近10a湘潭市上空臭氧总量表现为“北多南少”的特征。郭世昌等人[8]研究发现受太阳辐射影响，臭氧总量随着纬度的增加而增加。而从距平图百分比图（b）可以看出，湘潭地区臭氧偏少15%左右，空间分布上表现为“西北-东南”走向的偏少态势。

对于近10a湘潭地区臭氧总量在不同季节的空间分布特征，从图6中可看出，与表1一致，臭氧总量在夏季分布最多、冬季最少。具体来看，在春季（a）和冬季（d）臭氧总量的空间分布特征相似，表现为带状分布和“北多南少”的特征；而夏季（b）和秋季（c）则表现为“北多南少、西低东高”的特征，且空间差异较春冬季节小。

2.3 湘潭地区臭氧总量与降水的相关分析

臭氧作为一种重要的温室气体，能通过吸收红外辐射来影响地气系统的辐射收支平衡，因此它的变化是引起气候环境变化的因子之一，气候环境的异常能对降水量产生直接影响。徐国强等人[9]指出中国降水、温度的变化受到冬季青藏高原臭氧变化的影响，两者呈现出较好的相关性。杨明珠等人[10]通过研究昆明月平均臭氧总量距平与云南地区月平均降水量距平场的关系，也发现臭氧总量的长期变化趋势与气候变化之间有较好的对应关系。

2007—2016年湘潭地区平均年降水量为1378.7（韶山）～1417.8（湘乡）mm，其中湘潭站、湘乡站分别较历年偏多28.0mm和30.4mm，韶山站偏少25.4mm。图7（a）是湘潭地区近10a降水量的年平均分布图，可以看出降水分布总体呈“北少南多”的态势。近10a湘潭地区降水与臭氧总量有着显著的正相关关系，相关系数为0.061，通过了90%的显著性检验。从相关性的空间分布上图7（b）可以看出，相关性在湘潭东南部比西北部明显，自西北向东南递增。黎海凤[11]研究指出，东亚冬季平流层臭氧对中国冬季降水有一定的影响，结果表明臭氧与湖南地区的降水为显著正相关，可能原因是大气臭氧主要分布在平流层，其引起的大气环流变化对降水造成了一定的影响。对于造成湘潭地区正相关分布的原因，很有可能也是因为臭氧造成的大气环流异常所致，这将是今后更深入研究的方向。

3 结论

本文通过研究湘潭市近10a臭氧总量的时空变化，得到了本地臭氧分布的一般特征，并且结合降水的变化进行了相关分析，为湘潭地区降水的特征分析提供了一定的参考依据。主要有以下4个结论：近10a臭氧总量的时间变化表现为波动增长的态势，与北半球臭氧总量回升趋势一致；近10a臭氧总量在不同季节含量表现为“夏>春>秋>冬”，但是年际变化上冬季最大、夏季最小，其中月均值年际变化不尽相同，表现为在1—2月逐年增长显著；近10a臭氧总量在空间分布上表现为“北多南少”的特征，其中冬季和春季分布特征相似、空间差异大，夏季和秋季分布特征相似、空间差异小； 近10a湘潭地区降水与臭氧总量有着显著的正相关关系，相关性在湘潭东南部比西北部明显，自西北向东南递增。

参考文献

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