青藏高原和北美夏季臭氧谷垂直結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制的比較

郭棟 徐建軍 蘇昱丞 施春華 劉煜 李維亮

摘要利用MLS衛(wèi)星資料和ERA-Interim再分析資料，比較了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。結(jié)果如下：青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在兩個(gè)低值中心，一個(gè)中心位于對(duì)流層頂附近，強(qiáng)度約為-15 DU，形成原因主要為水平幅散，另一個(gè)中心位于上平流層，強(qiáng)度約為-1DU，形成原因可能為光化學(xué)反應(yīng)參與的氯自由基的催化損耗。北關(guān)夏季臭氧谷僅存在一個(gè)低值中心，位于對(duì)流層頂附近，該中心強(qiáng)度約為-5DU，其形成的主要原因是水平輻散。

關(guān)鍵詞臭氧谷；青藏高原；北美；垂直結(jié)構(gòu)；形成機(jī)制

臭氧層不僅對(duì)大氣的熱力結(jié)構(gòu)起到重要作用（Andrews et al.，1987），而且也是生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)傘，如果沒有臭氧層，地球上的生物會(huì)暴露在強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外輻射下，無法生存（Fuhrer and Booker，2003）。Molina and Rowland（1974）發(fā)現(xiàn)氯氟烴能夠使臭氧層變薄。而且，氯氟烴可以在大氣中停留上百年。但是，當(dāng)時(shí)他們的工作沒有得到科學(xué)界的重視。直到南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)，臭氧變化才得到了更多的關(guān)注（Farman et al.，1985）。而南極臭氧洞中氯的高含量證實(shí)了Molina and Rowland（1974）的理論，并導(dǎo)致了1987年蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書的簽署。后來，Molina和Rowland因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。接著，Newman et al.（1997）發(fā)現(xiàn)了北極的臭氧損耗，Manney et al.（2011）發(fā)現(xiàn)了北極的臭氧洞現(xiàn)象。使得臭氧損耗研究近年來持續(xù)處于地球科學(xué)界和化學(xué)界的研究前沿和熱點(diǎn)。

事實(shí)上，臭氧損耗并不只出現(xiàn)在高緯度地區(qū)。Zhou and Luo（1994）利用1979-1991年平均的TOMS衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)在夏半年（4-9月）青藏高原上空的臭氧總量比同緯度的中國(guó)東部地區(qū)要低5DU以上，稱其為青藏高原臭氧谷。Zou（1996）確認(rèn)了該臭氧谷的存在。Bian et al.（2006）發(fā)現(xiàn)在冬季有時(shí)也存在青藏高原臭氧低值區(qū)，Liu et al.（2010）研究了冬季青藏高原臭氧低值的形成機(jī)制。

周秀驥等（1995）最早推測(cè)了夏季青藏高原臭氧谷的形成機(jī)制：局地上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的物質(zhì)輸送和其相關(guān)的化學(xué)過程是其形成的原因。大多數(shù)工作認(rèn)為與大尺度環(huán)流有關(guān)的動(dòng)力輸運(yùn)對(duì)上對(duì)流層下平流層區(qū)（UTLS）的青藏高原臭氧谷起到主要作用，而化學(xué)作用較弱（郭世昌和徐裕華，1986；Liu et al.，2003，2009；蘇紹基和王衛(wèi)國(guó)，2004；周任君和陳月娟，2005；Tian et al.，2008；Bian et al.，2011；Guo etal.，2012；楊雙艷等，2012；蘇昱丞等，2016；Guo etal.，2017）。Zou（1996）認(rèn)為地表熱通量與其密切相關(guān)，而熱力過程和動(dòng)力過程是統(tǒng)一的。Tian et al.（2008）和Bian et al.（2011）認(rèn)為高原相對(duì)于同緯度地區(qū)排開了更多的空氣，即高原地表以下臭氧為零，而相同海拔高度上同緯度其他地區(qū)仍存在臭氧，因此也是臭氧谷形成的原因之一。

青藏高原臭氧谷最強(qiáng)的中心位于UTLS區(qū)，以前的工作也基本集中在該區(qū)域。然而，Guo et al.（2012）在利用SAGEH衛(wèi)星資料研究南亞高壓對(duì)UTLS臭氧谷的作用時(shí)，顯示平流層上層也存在一個(gè)次強(qiáng)的低值中心。但是，當(dāng)時(shí)以為是系統(tǒng)誤差。后來，Guo et al.（2015）在衛(wèi)星資料MLS中確認(rèn)了夏季青藏高原臭氧谷的雙心結(jié)構(gòu)，并推測(cè)化學(xué)過程可能起到重要作用。萬凌峰等（2017）模擬了夏季青藏高原臭氧谷的雙心結(jié)構(gòu)。

而落基山對(duì)北美氣候的作用，類似于青藏高原對(duì)亞洲氣候的作用。在夏季對(duì)流層頂附近，二者上空均會(huì)產(chǎn)生高壓反氣旋。這種環(huán)流系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)臭氧分布產(chǎn)生類似的影響。因此，本文比較了北美臭氧谷與青藏高原臭氧谷的垂直特征與形成機(jī)制。

1資料和方法

微波臨邊探測(cè)儀MLS（Microwave Limb Sound-er）搭載于美國(guó)宇航局（NASA）的極軌衛(wèi)星Aural。MLS對(duì)118 GHz、190 GHz、240 GHz、640 GHz和2.5 THz進(jìn)行微波臨邊探測(cè)，通過反演可獲得UTLS區(qū)的大氣成分、溫度、冰的相對(duì)濕度以及卷云冰和位勢(shì)高度等氣候變化相關(guān)的17種大氣參數(shù)的垂直廓線（Waters et al.，2006）。關(guān)于MLS反演的具體說明可參見相關(guān)文獻(xiàn)（Livesey et al.，2006；Pumphreyet al.，2007）。MLS探測(cè)器每隔24.7 s從地表到90km高度范圍在軌道面上星下點(diǎn)掃描一次，掃描寬度約90 km，每天大約有3 494次采樣，可覆蓋全球82°S～82°N的緯度范圍（Waters et al.，2006）。水平格點(diǎn)沿著運(yùn)行軌道每1.5°間隔分布一條廓線，每個(gè)軌道有240條廓線，但各個(gè)緯度間并不是等問距的。取2005-2013年夏季（6-8月）臭氧、一氧化氯、氯化氫和二氧化氮的數(shù)據(jù)，垂直分辨率約2.5 km，水平分辨率大約300～500 km。根據(jù)Livesey et al.（2006）給出的質(zhì)量控制方法，對(duì)逐日軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，剔除了異常值。所有的MLS二級(jí)的數(shù)據(jù)都可以從NASA的戈達(dá)德太空飛行中心的數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心（GSFC-DISC）下載。

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）提供的ERA-interim為新一代歐洲中心再分析資料做準(zhǔn)備的過渡期再分析資料，采用四維變分方法，有更高的水平分辨率，更好的背景誤差約束以及衛(wèi)星輻射資料的變分偏差修正，并改良了快速輻射傳輸算法（Dee et al.，2011）。時(shí)間跨度為1979年開始，至今不斷更新。本文所使用的是2005-2013年夏季（6-8月）的風(fēng)場(chǎng)資料，垂直方向分為37個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓層，高度范圍為1 000～1hPa，水平分辨率為0.75°×0.75°。

因?yàn)楹芏啻髿獬煞譂舛鹊牡戎稻€在中緯度地區(qū)近似平行于緯線，為了便于顯示大氣成分濃度與同緯度其他地區(qū)的差別，本文使用了緯向偏差。大氣成分濃度（量）的緯向偏差等于大氣成分濃度（量）與其緯圈平均的差值。而大氣成分在不同高度上濃度往往差異很大，為了清楚地顯示緯向偏差的垂直特征，引入緯向偏差率。大氣成分濃度（量）的緯向偏差率等于大氣成分濃度（量）的緯向偏差與大氣成分濃度（量）的緯圈平均的比值，單位為“1”。垂直積分的臭氧量使用多布森單位（DU）。

2青藏高原和北美夏季臭氧谷垂直結(jié)構(gòu)的比較

臭氧濃度的緯向偏差率顯示了夏季青藏高原和北美上空臭氧谷的垂直結(jié)構(gòu)（圖1）。青藏高原上空，夏季臭氧谷呈現(xiàn)雙心結(jié)構(gòu)，分別位于上對(duì)流層和下平流層區(qū)（UTLS）以及上平流層區(qū)（圖1a）。而北美上空僅存在一個(gè)中心，位于UTLS區(qū)（圖1b）。北美夏季臭氧谷的中心高度約200 hPa（圖1b）較青藏高原臭氧谷下部中心的高度（約100 hPa，圖1a）低。夏季青藏高原臭氧谷UTLS區(qū)的低值中心強(qiáng)度較強(qiáng)，臭氧緯向偏差率達(dá)到-0.3（圖1a），215.4～26.1hPa垂直積分后臭氧緯向偏差的中心強(qiáng)度為-15DU（圖略），而上平流層中心的強(qiáng)度較弱，臭氧緯向偏差率達(dá)到-0.01（圖1a），26.1～1 hPa垂直積分后臭氧緯向偏差的中心強(qiáng)度為-1 DU（圖略）。而夏-季北美臭氧谷的中心強(qiáng)度為臭氧緯向偏差率-0.18（圖1b），215.4～26.1 hPa垂直積分后臭氧緯向偏差的中心強(qiáng)度為-5 DU（圖略），比夏季青藏高原臭氧谷下部中心強(qiáng)度弱。

3青藏高原和北美夏季臭氧谷形成機(jī)制的比較

青藏高原夏季臭氧谷UTLS區(qū)的中心和北美夏季臭氧谷主要是由局地反氣旋產(chǎn)生的臭氧通量輻散造成的。如圖2所示，夏季青藏高原上空和北美上空，UTLS區(qū)均存在反氣旋。青藏高原上空的反氣旋較北美上空反氣旋的范圍大得多，且青藏高原上空反氣旋對(duì)應(yīng)的臭氧通量輻散明顯較北美上空的臭氧通量輻散強(qiáng)。夏季青藏高原臭氧谷區(qū)100 hPa的臭氧通量散度能達(dá)到1×10kg·kg·S，而北美臭氧谷區(qū)的臭氧通量散度雖然以正值為主，但均小于5×10kg·kg·S，這是夏季青藏高原臭氧谷UTLS區(qū)的低值中心強(qiáng)度較北美夏季臭氧谷中心強(qiáng)度強(qiáng)的原因。綜上，青藏高原夏季臭氧谷UTLS區(qū)的中心和北美夏季臭氧谷的形成機(jī)制是類似的，均以動(dòng)力過程為主。

夏季青藏高原臭氧谷存在上平流層中心，而北美的上平流層并不存在臭氧谷的中心。夏季青藏高原臭氧谷上部中心的形成機(jī)制可能與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。如圖3所示，在10 hPa上，青藏高原區(qū)一氧化氯和氯化氫的濃度較同緯度其他地區(qū)高，而二氧化氮的濃度較同緯度其他地區(qū)低。而北美上空，一氧化氯和氯化氫的濃度較同緯度則較其他地區(qū)低。青藏高原區(qū)一氧化氯和氯化氫的高值中心表明活性氯對(duì)臭氧的催化損耗可能較強(qiáng)，而北美一氧化氯和氯化氫的低值中心則指示了活性氯對(duì)臭氧的催化損耗可能較弱。另外，青藏高原區(qū)二氧化氮濃度較低。而二氧化氮能夠和活性氯反應(yīng)產(chǎn)生較穩(wěn)定的物質(zhì)，導(dǎo)致活性氯的失活。因此，更使得青藏高原區(qū)活性氯對(duì)臭氧的催化損耗較同緯度其他地區(qū)強(qiáng)。綜上，化學(xué)過程可能導(dǎo)致了青藏高原臭氧谷上平流層中心的形成。

4 結(jié)論

利用MLS衛(wèi)星資料和ERA-Interim再分析資料，分析比較了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。結(jié)果表明：

1）青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在雙心結(jié)構(gòu)，而北美夏季臭氧谷只存在一個(gè)中心。

2）青藏高原夏季臭氧谷的下部中心（強(qiáng)度約為-15DU）和北美臭氧谷的中心（強(qiáng)度約為-5DU）位于上對(duì)流層和下平流層區(qū)，其主要是由局地反氣旋的輻散造成的。

3）青藏高原夏季臭氧谷的上部中心位于上平流層，強(qiáng)度約為-1DU，形成原因可能為氯自由基的催化損耗。