2006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

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Ξ

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(G OME)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]。Fish2 man,Creilson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1979—2000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GOM E及SCIAMACH Y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1979—2000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(对流层臭氧剩余)方法。对流层臭氧柱总量数据网格点数据范围是从50°S～50°N,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,MO2 PITT)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705km,每天经过两极环绕地球16次,大约16d覆盖整个地球。CO浓度数据的水平分辨率为22km,垂直分辨率为3km,精度优于10%。所用的NO2数据是由1995年发射的全球臭氧监测仪(G lobal Ozone Monitoring Experiment,GOM E)和由2002年发射的大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartograph Y,SCIA2 MACHY)提供的,G OME卫星NO2的分辨率是320km ×40km,约3d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 APPL IED METEOROLO GICAL SCIENCE

Vol.18,No.2

　April2007

Ξ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60km×30km,约要6d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(50°S～50°N)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,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6—8月及9—11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GOM E卫星1996—2002年和SCIA2

MACH Y卫星2003—2004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33Tg/a,约占全球

年对流层NO x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2000—2004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