利用卫星资料分析对流层臭氧柱总量分布特征及其可能的原因

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1、利用卫星资料分析对流层臭氧柱总量分布 特征及其可能的原因李 莹 赵春生 方圆圆 余 环(北京大学物理学院大气科学系,北京100871)摘 要利用卫星资料计算得到的对流层臭氧柱总量数据分析了近20年来全球对流层臭氧柱总量的全球分布特征,并对我国对流层臭氧的季节变化做了研究。利用对流层污染测量仪(MOPITT)的CO和全球臭氧监测仪( GOME)和大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)的NO2数据分析了关于对流层臭氧的分布特征及其原因。得出中高纬度地区对流层臭氧浓度存在规律的年内变化,对流层臭氧高浓度值的分布及变化与人类活动有密切关切。关键词:卫星资料;对流层;臭氧引 言随着人类社会的发

2、展,特别是人类活动的不断 扩张和加剧,不仅大量消耗了平流层臭氧,也使对流 层臭氧的浓度和分布产生了巨大变化。早期对对流 层臭氧的研究以局地观测为主1,然而各地观测资料缺乏时间上的一致性,而且空间覆盖面积小。因 此研究者开始尝试利用卫星观测到的大气臭氧总量 来获得对流层臭氧总量。目前,从卫星观测的大气 臭氧总量数据得到对流层臭氧总量的方法有很多 种。Fishman提出的TOR方法,是通过总臭氧测绘光谱计(Total Ozone Mapping Spectrometer , TOMS) 的大气臭氧柱总量数据和SUVB提供的平流层臭氧 廓线数据来得到对流层臭氧总量数据223。Fish2man ,Cr

3、eilson等运用TOR方法得到的对流层臭氧 柱总量数据对全球及部分区域对流层臭氧的时空分布及变化做了初步研究427;并对对流层臭氧柱总量 的高浓度区域进行了分析,例如:对流层臭氧与厄尔 尼诺、 北大西洋涛动等气候因子的相关分析,以及大 陆间污染物的输送等829。 本文运用19792000年对流层臭氧柱总量的月平均数据及季节平均数据,结合MOPITT卫星的CO和GOME及SCIAMACHY卫星的NO2资料讨论了对流层O3分布的可能原因。1 数 据本研究对流层臭氧柱总量数据是由NASA提供 的19792000年对流层臭氧柱总量的月平均资料 和季节平均资料。采用Fishman的TOR(对流层臭氧剩

4、余)方法。对流层臭氧柱总量数据网格点数据 范围是从50S50N ,纬向分辨率为1,经向分辨 率为1. 25 。所用CO数据是由对流层污染测量仪(Measurement of Pollution in the Troposphere ,MO2PITT)提供的,对流层污染测量仪(MOPITT)由加拿大空间局提供,由COM DEV公司制造, 1999年12月随着美国宇航局(NASA)的TERRA卫星的发射而升空工作的。MOPITT离地高度705 km ,每天经过两极环绕地球16次,大约16 d覆盖整个地球 。CO浓度数据的水平分辨率为22 km ,垂直分辨率为3 km ,精度优于10 %。所用的NO

5、2数据是由1995年发射的全球臭氧监测仪( Global Ozone MonitoringExperiment ,GOME)和由2002年发射的大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCanning Imaging AbsorptionSpectroMeter for Atmospheric CHartographY, SCIA2MACHY )提供的,GOME卫星NO2的分辨率是320 km40 km ,约3 d覆盖全球。SCIAMACHY卫星的分辨第18卷2期 2007年4月应 用 气 象 学 报 JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGICAL SCIENCEVol. 18 , N

6、o. 2April 2007国家自然科学基金项目(40318001和40575060)资助。2005211202收到,2006211220收到再改稿。率是60 km30 km ,约要6 d覆盖全球,精度优于10 %。2 全球对流层臭氧柱总量的分布特征对流层臭氧有两个主要来源:一是平流层臭氧 对对流层的输送(STE) ,一是对流层的光化学过程。STE过程发生在中纬度一些特定天气过程中,从全 球的角度来讲,对流层臭氧主要决定于光化学反应。 图1是全球范围(50S50N)对流层臭氧柱总量四季平均浓度分布图。从图1可以得出全球对流层臭氧柱总量的分布特征:太阳辐射的强弱变化主导了 对流层臭氧的季节变化,

7、北半球对流层臭氧柱总量 夏季最高,春季次之,冬季最低;对流层臭氧柱总量 高浓度区域与人口和城市的分布具有良好的一致 性;从68月及911月图可明显看出,南北半球各存在几个对流层臭氧高浓度区域,分别是:北半球 高值区位于我国东部、 美国东部、 印度北部和东南亚 地区、 欧洲西部高值区;南半球两个高值区分别位于 南美洲中部和非洲南部和中部。在远离陆地的北大 西洋和地中海上对流层臭氧也具有很高的浓度。图1 对流层臭氧柱总量全球四季平均浓度分布图(单位:DU)Fig. 1 Seasonal averaged tropospheric ozone residual(unit :DU)3 全球对流层臭氧高

8、浓度区域的产生原因在对流层的光化学反应中,CO ,NO2是对臭氧生成起主要贡献作用的气体。图2是NO2的四季分布图(根据GOME卫星19962002年和SCIA2MACHY卫星20032004年的数据结果,发现不同年份NO2高浓度区域分布的变化较小,所以在此以2004年的情况为代表)。图2中NO2有较明显的季节变化,以中国东部为例,夏季最低,冬季最高。这与前人工作研究结果相符合10。从图2可以看出NO2高浓度区域主要集中在北半球几个特定的地区,包括我国东部及沿海地区、 欧洲西部、 美国东部,此外在南半球还有3个强度范围相对比北半球较小的高值区。图2所示的NO2的分布与城市和人类活动的密集程度有

9、相当好的一致性,这是因为汽车尾气是NO2的主要来源,大约为33 Tg/ a ,约占全球年对流层NOx总量的64 %11。比较图1和图2可发现在NO2的高值区域对流层臭氧柱总量一定为高浓度值,可以看到在北半球美国东部、 我国东部、和欧洲西部,高浓度的NO2对对流层臭氧的高值有很重要贡献。图3是20002004年的CO年平均全球四季分布图。比较图1和图3可以看出,南半球春季有两个对流层臭氧柱总量高值区,南美中部亚马孙河流域和南部非洲,与CO的分布非常吻合。当地的281应 用 气 象 学 报 18卷 森林覆盖面积非常大,在春季经常会发生一些火灾。 此外,生物体燃烧也是CO源重要的组成10 ,1221

10、3, 大约为700 Tg/ a11。南半球的春季,尤其是在南美 中部亚马孙河流域以及南部非洲以农业为主的区域,在农耕季节大面积生物体燃烧会产生大量CO , 而CO正是对流层臭氧产生的重要前体物之一。因 此,南半球春季生物体的燃烧可能是此区域对流层 臭氧高值产生的主要原因。图2 NO2全球分布图(单位:1015moleccm- 2)Fig. 2 Global NO2column distribution(unit :1015moleccm- 2)图3 不同季节CO全球分布图(单位:1018moleccm- 2)Fig. 3 Global CO column distribution of fou

11、r seasons(unit : 1018moleccm- 2)3812期 李 莹等:利用卫星资料分析对流层臭氧柱总量分布特征及其可能的原因 CO和NOx是在对流层臭氧化学产生过程中起 着重要作用的物质。在南半球南美中部和非洲南 部,生物体燃烧产生的CO可能是对流层臭氧高值 的主要原因;在美国东部NOx排放对对流层臭氧高 值起主要贡献作用;在我国东部和在印度北部高浓度的对流层臭氧可能来自于CO和NOx的共同贡 献。总之,人类活动所造成的生物体燃烧、 工业活动 以及汽车尾气的共同影响是对流层臭氧高值区域分 布的主要原因。 比较图1、 图2和图3可以发现在北半球3个主要的对流层臭氧柱总量高值区,夏

12、季是对流层臭 氧柱总量最高的季节,在这3个高值区域的NO2和CO浓度却是其一年中的最低值。因此从3种气体 浓度的季节变化来讲,并不是CO和NO2越高对流 层臭氧量越高。这是因为夏季化学反应比较活跃,NO2和CO的汇增强,使此时NO2和CO浓度处于四季中最低值。但是在对流层臭氧高浓度区域,NO2和CO与其他区域相比还是高浓度。因此仍有足够的CO和NO2来参与生成臭氧的化学反应。从年变化上讲,北半球对流层臭氧柱总量的大小主 要取决于太阳辐射的强度;从空间分布上讲,对流层 臭氧柱总量的高低值的分布主要取决于NO2和CO 的空间分布。4 我国大陆地区对流层臭氧分布特征图4是我国大陆地区对流层臭氧四季分

13、布图。 从图4可看出我国对流层臭氧具有明显分布特征。季节分布:夏季最高,春季次之,冬季最低;与 太阳辐射强度周期相一致。对流层臭氧的分布 受地形影响: 68月我国出现了一个鱼钩形的高 值地带,其钩部正是四川盆地,东北 西南向的高 值带可明显看出与太行山的走向有极好的一致性,这可能是由于山脉对对流层臭氧西北向输送的阻挡 作用。 在35月和911月分布图也可看出山脉 对对流层臭氧西北向输送的阻碍作用。 四川盆地一 年四季与其他地带相比都处于高值状态,青藏高原 地区四季都处于相对低值状态。 以上对流层臭氧分布的特点说明了地形对对流层臭氧的分布有重要影 响。此外,从68月和911月图都可以明显看 出在

14、沿青藏高原的北部边缘的新疆沙漠地区及向东 的延伸,虽然人活动稀少但对流层臭氧柱总量在各 个季节的浓度都相对较高,从印度西北部、 中亚地区以及欧洲地区的西来气流中的对流层臭氧,对于 该区域的对流层臭氧高值可能有贡献。图4 我国大陆地区近20年对流层臭氧分布图(单位:DU)Fig. 4 Tropospheric ozone residual over East Asia in recent 20 years(unit : DU)481应 用 气 象 学 报 18卷 5 结 论本文运用现有19792000年对流层臭氧柱总 量的月平均数据及季平均数据,分析了全球和我国对流层臭氧的分布,并结合MOPPI

15、T卫星的CO资 料和GOME与SCIAMACHY卫星的NO2资料对 其原因进行了初步分析。对流层臭氧柱总量有规律 的季节变化,在北半球,夏季最高67月达到峰值, 春季次之,冬季最低,12月左右达到低谷;在南半球,春季最高10月达到峰值,夏季次之,秋季最低,5 月达到最低值。这是由于生成臭氧的光化学反应速 率与太阳辐射强弱的一致性。在南半球南美中部和 非洲南部,生物体燃烧产生的CO可能是对流层臭 氧高值的主要原因;在美国东部NO、 我国东部和印度北部高浓度的对流层臭氧来自于CO和NOx的 共同贡献。从年变化上讲,北半球对流层臭氧柱总 量的大小主要取决于太阳辐射强度;从空间分布上 讲,对流层臭氧柱

16、总量高低值的区域分布主要取决 于NO2和CO的空间分布。我国对流层臭氧柱总量夏季最高,春季次之,冬季最低,这与太阳辐射强 度周期相一致。我国的对流层臭氧浓度高值区主要 分布在我国东部沿海人口密集和工业发达的地区。致 谢:感谢asd2www. larc. nasa. gov网站提供的对流层臭氧数据; www. iup. physik. uni2bremen. de/ doas/ gome/ NO2-data. htm网站提供的NO2数据;eosdatainfo. gsfc. nasa. gov/eosdata/ terra/ moppitt/ mopitt-dataprod. html网站提供的CO数据。参 考 文 献1 秦瑜,赵春生.大气化学基础.北京:气象