邵武首次臭氧探空观测垂直廓线特征分析与臭氧总量估算*

郑东齐 郑玉兰 王春辉 邓慧颖 王 宏

(1.邵武市气象局,福建 南平 354000；2.福建省灾害天气重点实验室,福建 福州 350007；3.武夷山国家气候观象台,福建 南平 354300；4.福建省气象信息中心,福建 福州 350007；5.南平国家农业气象试验站,福建 南平 354200；6.福建省气象科学研究所,福建 福州 350007)

0 引言

臭氧探空观测是利用气象气球携带臭氧探空仪升空，获取地面至35km(上平流层)高度范围内的大气臭氧垂直廓线数据，揭示大气臭氧垂直分布特征和变化规律的气象科学活动。该项工作对于研究地气系统辐射强迫、气候与环境变化以及遥感大气订正等具有重要的科学意义和实用价值。世界气象组织(WMO)规定，大气臭氧的3个基本特征分别是地面臭氧、臭氧总量和臭氧垂直廓线。虽然臭氧是大气中的一种微量气体，含量很少，但它对于人类和整个生物系统至关重要，既是对流层和平流层大气化学过程的核心，也是一种重要的温室气体。通过吸收太阳辐射的紫外光和可见光部分来改变平流层温度结构，是关系到全球气候和生态环境变化的重要课题[1-2]，其气候效应不仅依赖于它的总量而且强烈地依赖于它在大气中的垂直分布[3-4]。

臭氧探空观测在加拿大、美国、日本等国家已列入气象环境探测业务工作，全球大气本底站和专门的臭氧探空网已有60多年历史，进行臭氧探空业务观测的站点已达50多个，其中有接近30个站点坚持每天释放一次探空气球。我国臭氧探空观测尚处于起步阶段，主要以短期观测试验为主，并未实现业务化。我国臭氧探空观测及研究始于20世纪80年代。1984年8月23日，石广玉等人与日本名古屋大学空电研究所合作进行了我国第一次球载探空试验，探测了0～33km大气臭氧和气溶胶垂直分布特征。此后，我国科学家在北京、拉萨、昆明、西宁、香港、临安、上海等地先后进行臭氧探空观测，得到各地不同时间、不同高度臭氧的垂直分布特征及变化规律，并利用这些探空数据对大气臭氧进行深入研究和综合对比分析，取得了许多科研成果。石广玉等[5-6]利用1984年8月在河北香河、1998年8月和10月在西藏拉萨获取的臭氧高空气球探测数据，分析单次臭氧探空观测得到的对流层/平流层臭氧分压、温度、湿度廓线的变化趋势，以及臭氧体积混合比的极大值(极小值)及高度等特征，以及臭氧垂直分布廓线，推算出大气柱臭氧总含量。郑向东等[7]对北京1998年8月2日臭氧次峰进行分析，发现非地转平流输送和对流层顶折叠是对流层臭氧次峰现象形成的重要原因。郑永光等[8]利用临安、昆明、香港臭氧探测个例结合分析，发现不管是高纬度还是低纬度，与副热带高空急流相联系的平流层空气的侵入都会导致对流层上层臭氧浓度升高。崔宏等[9]根据2001年春季在临安进行的臭氧垂直探测，结合地面及高空气象要素演变和高空位势涡度的变化发现，副热带急流、极锋急流移动造成的辐合下沉运动对臭氧垂直廓线分布有着显著影响。通过对臭氧廓线的长期研究发现，固定地区大气柱臭氧总含量基本无变化，但是臭氧垂直分布不稳定，即使处于同一纬度，在相同天气系统的条件下，臭氧含量也会有所不同[10]。臭氧垂直分布分为两种类型，一种是只在平流层中有一主极大值层，另一种是除主极大值层外，同时在对流层中还存在次极大值层。主极大值层的臭氧浓度变化相对较稳定，次极大值层主要受大气环流影响很不稳定，且受季节变化与位势高度、垂直速度等要素影响存在着明显差异。臭氧垂直分布具有非均匀结构和多层次特征[11]，季节变化明显，且与湿球位温、风场、动力输送甚至光化学方面都有着密切关系[12-15]。

邵武探空站是福建省3个国家级探空站之一，依托武夷山国家气候观象台臭氧立体观测组网的建设，在此开展臭氧探空观测试验，对于探明我国东南沿海地区大气臭氧垂直分布规律具有重要的科学意义。该项试验与中国气象局5个臭氧探空观测试点城市(北京、南京、广州、重庆、杭州)同步进行，这也是我国首次在超大城市和清洁区域大气背景点(武夷山)开展臭氧探空协同观测试验，将为我国的臭氧探空观测业务化工作奠定基础。

2021年11月24日，邵武首次臭氧探空观测试验取得成功。本文详细阐述臭氧探空观测的业务系统、技术参数、工作流程，并绘制了大气臭氧和温湿垂直廓线图，计算了臭氧总量并加以对比分析，以期为该项重要的科学试验走向业务化，并开展更深入的科学研究提供技术支撑。

1 仪器与工作流程

1.1 仪器

臭氧探空系统主要由国产CTY-1型臭氧探空传感器、CYDT-1型臭氧探空传感器检测仪、HYDF-MCRS1型卫星导航探空接收机、卫星导航探空仪、TD2A型电子探空仪基测箱等5个部分组成。

1.2 工作流程

邵武探空站(站号：58725，27.32°N，117.49°E，海拔高度218.9m)原则上每周三14时开展一次臭氧探空观测试验，如有特殊的科学任务需求，可开展加密观测。如周三遇雨天，顺延至周四进行观测，如周三、周四都下雨，则取消当周臭氧观测。

流程1∶周一进行臭氧探空传感器施放前的准备工作，包括臭氧探空传感器外观检查、气泵单元检查、加注反应液、检测传感器、测试背景电流、电池按要求充满电，耗时约3.5小时。

流程2∶周三进行臭氧探空观测，主要工作包括：气球施放前1～2小时，应再次进行臭氧探空传感器检查和第二次地面检测；放球前半小时，开始卫星导航仪地面基测、气球充气，将卫星导航探空仪与臭氧传感器装配完毕并与探空气球连接，准备就绪后放球人员将设备拿到气球施放地点充分感应周边环境，在规定的时间内将气球施放，尔后开始地面数据接收、上传，全程耗时约4小时。

数据处理后获得的测量要素为：飞行高度、气球升速、气压、气温、相对湿度、风向、风速和臭氧分压值等。探空仪采用模块化结构，温度和湿度等常规气象要素和臭氧测量要素分别由2个独立单元组成，既便于操作，也易于消除各单元之间的干扰。

2 结果与分析

2.1 首次臭氧探空观测概况

邵武首次臭氧探空观测科学试验使用的是1600g株洲球，净举力2200g，13时43分气球平缓升空，平均升速为400m/min，背景电流0.083μA，抽气泵流量3.39mL/s，15时18分球炸，飞行历时95min，探测高度33575.6m。

臭氧含量分别以臭氧分压(mPa)和臭氧体积混合比(ppb)两种单位表示。臭氧分压是指臭氧气体占据气体混合物相同体积时此部分所形成的压力。臭氧体积混合比是指106单位体积中含气体污染物的体积数。

臭氧分压PO3的计算公式为：

式中,R为通用气体常数，T为大气温度，MO3和ρO3分别为臭氧的分子量和质量密度。借助臭氧分压PO3和空气压力P可将臭氧体积混合比r′表示为：

2.2 臭氧分压与温度廓线

图1～图3给出此次邵武臭氧探空观测试验获取到的臭氧分压与温度廓线、对流层臭氧体积混合比廓线以及整层大气臭氧体积混合比与温度、湿度廓线。

由图1红色廓线分析可见，观测当日14时邵武地面气温为16.6℃，对流层顶大约在15.6km，温度-74.2℃，对流层内温度随高度递减，温度直减率为5.9℃/km；在16～18km处的对流层顶、平流层底温度降到了此次观测的最低值-75.0℃。在这厚度约2km的大气中，温度廓线在-72℃附近有较大抖动，18km以上，温度随高度迅速增加。

图1 2021年11月24日邵武臭氧分压与温度廓线

由图1蓝色廓线分析可见，从近地面～16km左右，整个对流层臭氧的分压较小，在1～4mPa之间变化，且总的趋势是由地面向对流层顶递减，与温度廓线一致。到达16km以后，平流层臭氧分压开始明显增大，增加到25km附近达极大值，约14mPa，而后随高度增加再次减少，直到观测结束。此次观测气球爆破高度约33.6km，观测到的臭氧分压为3mPa。

2.3 对流层臭氧体积混合比廓线

由图2蓝色廓线分析可得，对流层臭氧体积混合比由地面向对流层顶波动式递增，但在5～6km出现明显减小，对应当天5～7km左右相对湿度接近100%(见图3绿色廓线)，水汽与臭氧的反应是对流层臭氧一个重要的汇，二者呈现反相分布特点，较高的水汽是造成臭氧浓度值偏低或下降的主要原因。因此，此处观测的臭氧体积混合比1km内下降了15ppb，接着开始上升，在9km处达到阶段最大值67ppb，且相对湿度非常低，不足10%。而后，臭氧含量又减小，相对湿度明显增大，由此判断观测当日9km处出现了一个对流层臭氧次峰现象，就是臭氧含量出现了一个高值区。高浓度的臭氧来自于干气团，代表着存在有特殊的天气系统，使得平流层富含臭氧的空气侵入对流层，导致对流层中上层臭氧含量升高(课题组将另文开展对流层臭氧次峰现象的天气学诊断分析)。整个对流层臭氧体积混合比值均小于75ppb，远低于平流层的臭氧体积混合比。

图2 2021年11月24日邵武对流层臭氧体积混合比廓线

2.4 整层大气臭氧体积混合比与温度、湿度廓线

图3是此次观测的整层大气臭氧体积混合比与温度、湿度廓线。由图3蓝色廓线分析可见，臭氧体积混合比由地面向对流层顶递增，特别是从16km开始，臭氧体积混合比明显增大，其极大值出现在32km附近，达到9000ppb，比臭氧分压极大值高度大约高7km。这是由于到了臭氧分压含量的极值层(约25km)后，气压减少仍然很快，而臭氧的含量减少较慢，所以体积混合比在臭氧分压下降时继续上升，其极值高度也随之上升。

图3 2021年11月24日邵武整层大气臭氧体积混合比与温度、湿度廓线

2.5 臭氧总量分析

通过已知各个高度的臭氧体积混合比和大气压可计算整层大气柱内的臭氧总量X。考虑到气球飞行的有限高度Z2和Z2高度以上臭氧的变化特征，假定整层大气柱内的臭氧总含量X由Z1至Z2高度范围内的臭氧量X1和Z2高度以上的臭氧量X2两部分组成[16]，即：

X=X1+X2

X2=0.7890×r×P2

计算得出，此次观测边界层(0～1.5km)臭氧总量为5.4DU，占2.0%；对流层(0～15.6km)臭氧总量为34.3DU，占12.8%；平流层(15.6～33.6km)臭氧总量为233.8DU，占87.2%。

3 结论与讨论

①臭氧探空观测具有重要的科学意义和实用价值，此次中国气象局臭氧探空5个试点城市和邵武开展的协同观测试验采用的是我国自行研制的CTY-1型臭氧探空传感器和地面接收设备。实施这项工作流程较为复杂，需要4名专业技术人员、3天时间协作完成，其中提前2天为准备时间，准备工作耗时约3.5小时，放飞当天耗时约4小时。

②2021年11月24日，邵武开展首次臭氧探空观测科学试验，13时43分气球平缓升空，平均升速为400m/min，背景电流0.083μA，抽气泵流量3.39mL/s，15时18分球炸，飞行历时95min，探测高度33575.6m。

③观测当日14时邵武地面气温为16.6℃，对流层顶大约在15.6km，温度-74.2℃，对流层内温度随高度递减，温度直减率为5.9℃/km；从近地面～16km左右，整个对流层臭氧的分压较小，总的趋势是由地面向对流层顶递减，到达16km以后臭氧分压开始明显增大，增加到25km附近达极大值，此后随高度增加而减少，直到观测结束。

④对流层臭氧体积混合比由地面向对流层顶波动式递增，但在5～6km出现明显减小，此处观测的臭氧体积混合比1km内下降了15ppb，原因是5～7km左右有一整层水汽，相对湿度接近100%，导致臭氧含量迅速下降。在对流层中上层9km处观测到臭氧次峰现象。

⑤臭氧体积混合比由地面向对流层顶递增，特别是从16km左右开始，臭氧体积混合比明显增大，其极大值出现在32km附近，比臭氧分压极大值高度大约高出7km。

随着臭氧探空观测持续开展，以下几部分的科学研究工作也将陆续进行，比如不同季节大气臭氧垂直廓线特征分析与综合对比，基于臭氧探空观测的对流层臭氧次峰现象的天气学诊断分析，对流层/平流层臭氧总量及占比统计，以及开展基于OMI卫星遥感数据的对流层臭氧总量地基校验和臭氧激光雷达观测数据校验等。