基于OMI的中国区域2005–2020年间臭氧柱总量随经纬度变化特性研究

苏静明,洪炎,唐超礼,严加琪

(1安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001;2中国科学技术大学研究生院科学岛分院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

臭氧是地球大气中重要的痕量气体,其浓度的大小对于地球的环境、生态和气候有着非常重要的影响。大气层中,中间层含有少量臭氧,绝大部分臭氧分布在平流层和对流层,而这部分臭氧约90%主要来自于平流层,10%则存在于对流层。在平流层的臭氧能有效吸收太阳紫外辐射[1],阻隔紫外辐射过量进入对流层乃至地面,从而减少对地球生物的伤害;对流层中的臭氧会形成光化学污染,高浓度臭氧会对地球生物圈产生极大危害。对臭氧气体的观测[2]通常采用飞机监测[3]、卫星遥感遥测[4]和地基监测[5]等方式。飞机监测、地基监测通常受到诸多因素限制,人们大多采用星载遥测的方法对臭氧总量进行监测。美国国家航空航天局在2004年7月发射升空AURA卫星,其上搭载臭氧监测仪(Ozone monitoring instrument,OMI)载荷以及对流层发射光谱仪(Tropospheric emission spectrometer,TES)载荷,能够分别从紫外和红外两个波段对大气臭氧含量反演,由此获得臭氧柱总量等相关参数[6]。

近年来,国际社会对空气环保质量监测要求越来越高。臭氧作为反应空气质量的重要指标,也日益受到人们的广泛关注。李天亦[7]利用OMI、TOMS对中国区域2004–2010年的臭氧时空分布变化进行了分析,重点关注了臭氧柱总量与纬度的相关性以及随季节的变化规律。刘春秀等[1]对2008–2017年中国区域对流层臭氧柱总量的时空分布特性开展了研究,重点分析了臭氧与其前体物NO2的相关性;单源源等[8]对中国中东部地区的臭氧时空分布开展了研究,卢秀娟等[9]对2006–2015年甘肃省内的臭氧分布进行了研究。王鑫龙等[10]利用OMI对中国2015–2017年臭氧时空分布特征进行了分析,重点关注了臭氧与人员活动等的相关性。宋佳颖[11]对中国东南沿海区域臭氧浓度时空分布进行了分析,提出臭氧浓度的变化受到了诸多因素的综合影响,但气温、NOx及VOCs的排放是臭氧浓度变化的主导因素。王曼华等[12]对中国珠三角地区大气中的甲醛、臭氧和一氧化氮进行了监测和分析。lu等[13]分析了利用OMI对中国区域边界层臭氧污染情况的监测能力。这些研究有效监测了不同年份中国各区域臭氧与诸多环境因素的关系情况,对于臭氧与纬度值的关系也开展过相关分析。但近年来中国范围内臭氧柱总量的变化与经、纬度的综合讨论相对匮乏。本研究主要针对中国区域臭氧柱总量数据进行分析,着重关注中国区域臭氧柱总量与经纬度的变化趋势,揭示了中国区域臭氧柱总量随经纬度的变化规律。

1 数据源及数据处理方法

1.1 数据源

中国幅员辽阔,地处亚洲的东部。为获取中国区域臭氧柱总量参数,选取OMI L3级每日臭氧柱总量数据OMDOAO3作为分析对象,时间范围为2005年1月–2020年10月,数据格式为he5压缩格式,数据网格格栅为1440×720个,经纬度分辨率是0.25°×0.25°,起点中心经度为189.87°W和89.87°S,终点中心经度为189.87°E、纬度为 89.87°N。

1.2 数据处理方法

数据清洗:OMI数据存在部分无效数据,需要利用数据清洗来解决无效数据的批量删除。

数据入库:通过Python语言读取2005至2020年的臭氧柱总量he5格式文件,将数据清洗后,按照记录形式为日期、经度、纬度、臭氧柱总量的模式,将解压后的数据记录导入MySQL数据库中,为后期的数据查询统计及挖掘分析做准备。数据源库结构如图1所示。

图1 MySQL下的OMI L3级O3数据库结构Fig.1 OMI Level-3 O3total column density database in MySQL

1.3 数据查询、筛选、分析

利用Python根据不同需求从数据库中查询、筛选、合并、统计处理得到相应数据,并将处理结果保存成相应的csv文件,随利用绘图工具包括ArcGIS和Origin进行绘图。ArcGIS主要负责臭氧柱总量数据空间分布分析,Origin主要解决臭氧柱总量时序变化绘制。

2 中国区域臭氧总量空间分布特性

按照每五年采样一次的方法,利用Python基于MySQL数据库编程,筛选出中国区域在2005、2010、2015、2020年共四个年份的臭氧柱总量年均值,利用ArcGIS的ArcMAP软件,对数据进行显示,插值(克里金法),裁剪处理,得到的四个年份的中国区域臭氧柱总量年均值空间分布如图2(a)-(b)所示。利用SQL查询语句,获取不同年份臭氧柱总量最高和最低区域,2005年最高地区为黑龙江和内蒙北部(373 DU),最低为中国西藏南部(251 DU);2010年最高为东北黑龙江和内蒙北部(389 DU),最低为中国西藏南部(260 DU);2015年最高为东北黑龙江和内蒙北部(376 DU),最低为中国西藏南部(265 DU);2020年最高地区黑龙江和内蒙北部(360 DU),最低为中国西藏南部(261 DU)。总体来看,四个年份的臭氧柱总量最高最低值分布区域基本一致,且呈现北(高纬度地区)高南(低纬度地区)低的特征,这与前人研究结果基本一致[6];另一方面,由西向东(相同纬度下)来看,部分臭氧柱总量呈现不同色彩。可以推测,臭氧柱总量可能与纬度和经度存在关联性。

图2 2005(a)、2010(b)、2015(c)、2020(d)年中国区域臭氧柱总量年均值空间分布Fig.2 Spatial distribution of annual mean total ozone column amount in China in 2005(a),2010(b),2015(c),2020(d)

3 中国区域臭氧总量与纬度的关系

3.1 不同纬度臭氧柱总量变化趋势

为进一步探究臭氧柱总量与纬度的相关性,由北向南分别选取不同纬度的省市进行臭氧柱总量趋势详细对比。分别选取东北(黑龙江,纬度43.41°N～53.55°N);华北(北京,纬度为39.40°N～41.60°N,天津,纬度38.56°N～40.25°N);华中、华东 (安徽,纬度 29.68°N～34.63°N,上海,纬度 30.66°N～31.88°N);华南 (广东,纬度20.21°N～25.51°N)进行2005–2020年的年均臭氧柱总量变化时序分析,结果如图3所示。可以看出,不同城市在2005–2020年年均变化趋势基本一致,基本呈周期震荡态势。高纬度地区如黑龙江臭氧柱总量年均值明显高于低纬度地区,约360 DU,北京纬度略高于天津,其臭氧柱总量也略高于天津,同样,安徽中心区域维度高于上海,臭氧柱总量也略高于上海,最低的是中国南部广东,年均值在260 DU左右。结果表明,中国区域内臭氧柱总量与纬度高低息息相关,臭氧柱总量由北到南呈递减趋势,差异性显著。

图3 2005–2020年间不同纬度城市臭氧柱总量变化趋势Fig.3 Variation trend of total ozone column amount in cities with different latitudes during 2005–2020

3.2 中国区域臭氧柱总量随纬度变化趋势分析

为进一步研究中国区域内臭氧柱总量随纬度的变化趋势,仍选取2005–2020年(每5年采样一次的方式)进行不同经度下臭氧柱总量随纬度变化分析,如图4所示。

图4 不同经度下臭氧柱总量与纬度的相关性Fig.4 Correlation between total ozone column amount and latitude at different longitudes

在经度一定条件下(在选取经度时应尽量满足在该经度下中国纬度区域能够全覆盖,基于该原则,选取80.12°E、100.12°E和120.12°E,每隔20°采样一组数据),臭氧柱总量与纬度关系如图4所示。根据变化趋势的不同,整个臭氧柱总量随纬度变化规律可分成三个分区。第一个分区,约在北纬4°N～31°N条件下,臭氧柱总量随纬度呈缓慢抬升趋势;第二分区,约在北纬31°N～45°N之间,臭氧柱总量呈线性提升趋势,该阶段臭氧柱总量增加幅度较大;第三分区,约在北纬45°N～57°N之间,臭氧柱总量呈现随纬度增大基本保持稳定。

针对臭氧柱总量随纬度的变化趋势进行分析,采用多项式拟合方法对臭氧柱总量随纬度变化规律进行建模分析,结果如图5所示。由图5可见,不同经度下臭氧柱总量随纬度变化趋势均近似满足高斯分布,图5(a)与图5(b)、(c)在变化趋势上略有差别,即在图5(a)实测中的28°N～36°N之间存在凹陷,经分析,这主要是因为当经度为80°E、纬度在28°N～36°N时该区域属于青藏高原区,臭氧总量含量要远低于其他区域。

图5 不同经度下臭氧柱总量随纬度变化拟合曲线。(a)80.12°E;(b)100.12°E;(c)120.12°EFig.5 Fitting curve of total ozone column amount with the variation of latitudes at different longitudes.(a)80.12°E,(b)100.12°E,(c)120.12°E

4 臭氧柱总量与经度的关系

上述分析表明,臭氧柱总量与纬度关系密切。在中国区域内,低纬度地区不同经度条件下的臭氧柱总量近似相等,高纬度地区经度大的区域臭氧柱总量也越大。为进一步分析臭氧柱总量与经度的关系,选取了多组相同纬度下不同经度的城市进行臭氧柱总量随经度变化的相关性分析。

4.1 相近纬度下不同经度城市臭氧柱总量对比

选取四组近似纬度不同经度的城市进行臭氧柱总量年均值变化分析(对于四组纬度的选取,由北纬47.70°N开始,由北向南约每隔8°选取一组,每组里的城市作为经度选择依据,由于城市特殊性,中心纬度略有偏差)。图6(a)中,选取了中心纬度为47.80°N附近、经度为88.13°E的新疆阿勒泰地区和128.89°E的黑龙江伊春进行对比,二者的臭氧柱总量均值分别为360 DU和330 DU左右,显然,两个相同纬度的城市,由于经度差异性较大,臭氧柱总量则存在较大差异,差值约为30 DU;图6(b)中,选取了纬度为39.80°N附近,经度分别为98.28°E、111.23°E、116.40°E的嘉峪关、鄂尔多斯、北京市,可以看出,随着经度的增加,臭氧柱总量均值分别305、315、325 DU,显然,同纬度时经度越大柱总量越高;图6(c)选取了中心纬度为31.20°N附近的四市,分别是西藏昌都、四川德阳、安徽芜湖以及上海市,经度分别为97.17°E、104.39°E、118.37°E、121.47°E,昌都经度最小,臭氧柱总量年均最低,约为265 DU左右,德阳约为278 DU左右,芜湖和上海由于经度距离较近,各年份均值大致相近,但仍然满足经度越大臭氧柱总量越高(上海各年臭氧柱总量均值略大于芜湖);图6(d)选取中心纬度为22.80°N附近的三市,分别是云南普洱、广西南宁、广东广州,经度分别为100.97°E、108.32°E、113.28°E。在该纬度条件下,不同经度的城市间柱总量差异变小,但仍然表现出经度越大臭氧柱总量越高的规律。四组结果表明,臭氧柱总量不仅受纬度位置影响,同样,经度差异也会导致较大的臭氧柱总量差异。

图6 近似纬度下不同经度的城市臭氧柱总量特征分析。(a)47.80°N;(b)39.80°N;(c)31.20°N;(d)22.80°NFig.6 Analysis of total ozone column amount in cities with different longitudes under similar latitudes.(a)47.80°N,(b)39.80°N,(c)31.20°N,(d)22.80°N

4.2 中国区域内臭氧柱总量随经度变化趋势分析

中国区域内,臭氧柱总量在相同纬度条件下随经度的变化趋势如图7所示。由下向上,分别选取了纬度近似范围为 22°N～24°N、25°N～26°N、31°N～36°N、39°N～40°N、47°N～48°N 在 2020年的臭氧柱总量年均值分析。

图7 中国区域臭氧柱总随经度变化趋势Fig.7 Variation of total ozone column amount with longitude in China

根据趋势特征,臭氧柱总量随经度的变化可以分成三个独立区域,约在东经71°E～99°E内(area 1),臭氧柱总量呈缓慢递减趋势,其中,纬度为32°N附近,经度小于99°E内(中国西藏高原中部),臭氧柱总量呈凹陷状(较低值),这可能是因为该地区为青藏高原,臭氧总量在同纬度区域含量较低,由此形成凹陷区;在99°E～123°E之间区域(area 2,中国中部东部主要城市所在区域),臭氧柱总量表现出线性递增趋势,由线性拟合结果可以看出,不同纬度下,此区域线性增幅较为显著;在高于123°E时(area 3,只有东北部分城市在列),柱总量基本趋于稳定。臭氧柱总量形成三级阶梯状趋势,其主要原因可能与中国的地势特征有关。中国区域内,地势由西向东呈现由高到低的特点,总体来讲可分成三个等级,第一级是高海拔地区,如青藏高原,海拔高达4000 m;第二级以2000 m高原和盆地为主,第三级则在500 m以下,也就是我国中东部,中国主要城市群聚集区之一[6]。在这样的地形条件下,最低值应该是青藏高原区域,因此从71°E～99°E是臭氧递减趋势。由于臭氧受人口、气温等诸多环境影响,中东部地区,对流层以下的臭氧柱浓度远高于西部地区,若平流层臭氧柱浓度均匀分布,经度较大(中国中东部地区)的臭氧柱总量则会远高于同纬度经度较小区域(西部地区),这就是area 2区域中臭氧显著抬升的主要原因;在大于123°E时,中国只有小部分城市在列,该区域臭氧柱总量总体表现出平稳趋势。

另一方面,在纬度小于32°N时,臭氧柱总量基本保持稳定,即在低纬度区域,臭氧柱总量并不随经度增大而显著增大,由此可以得出,臭氧柱总量与经度的关系受到纬度值的限制,对于中国区域臭氧柱总量起决定作用的仍是纬度值。

5 结 论

通过数据清洗、数据筛选查询、数据挖掘统计等方法得到了2005–2020年间的臭氧柱总量统计数据,利用该数据集分析了中国区域臭氧柱总量空时分布特性,重点讨论了中国区域臭氧柱总量随经、纬度的变化趋势。研究表明,在中国区域范围内,臭氧柱总量与纬度位置高低息息相关,纬度越高,臭氧柱总量值就越大;当纬度高于32°N时,臭氧柱总量随经度增大而显著变大,低于32°N时,臭氧柱总量基本保持稳定,不受经度影响。研究结果表明,纬度大小是决定中国区域臭氧柱总量大小的主要因素。