2018～2019年全國臭氧時空變化趨勢分析

嚴加琪，洪 炎，張 磊，蔡偉強，徐 濤

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

臭氧作為大氣中重要的組成部分，是大氣中重要的微量氣體。地球上的臭氧約90%的臭氧分布在高度為10～50 km的平流層，其余10%分布在對流層[1]。臭氧作為大氣中不可缺少的氣體，也是重要的大氣污染物，其總量和時空分布變化直接影響人類生存環(huán)境，同時由臭氧引發(fā)的負面環(huán)境效應已經(jīng)引起全球高度關注。

研究表明：衛(wèi)星能較好地監(jiān)測臭氧總量的時空分布，并通過對臭氧總量的研究，分析臭氧，這些研究成果為我國研究臭氧污染時空特征提供了重要的參考。已有的研究多集中于典型特征的城市或經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，針對我國城市總體的O3污染變化趨勢相對較少。

本研究基于OMI觀測數(shù)據(jù)以2018年1月至2020年3月份中國區(qū)域為基礎，分析近兩年我國O3柱濃度的空間分布與時空分布變化特征，并對O3污染防治做出合理的建議。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的是2018年1月份至2019年12月份的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，臭氧數(shù)據(jù)來源于搭載在EOS-Aura 衛(wèi)星上的OMI傳感器測的數(shù)據(jù)。OMI傳感器工作原理是通過觀測地球大氣和地球表面的后向散射輻射來獲取信息，其可通過的波長范圍在270～500 nm之間，波譜分辨率為0.5 nm,軌道掃描寬度為2600 km，空間分辨率為13 km×24 km，全球掃描僅需1 d，數(shù)據(jù)包括Level-0、Level-1、Level-2、Level-3共4個處理級別。本研究采用的臭氧柱濃度數(shù)據(jù)是Level2的數(shù)據(jù)，2G級(L2G)數(shù)據(jù)集包含按地面位置而不是按時間排序的L2級數(shù)據(jù)(通常為14個軌道)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

臭氧柱濃度選取 2018～2019年的OMI日均值數(shù)據(jù)，使用python代碼進行對數(shù)據(jù)的篩選提取并對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理分析，根據(jù)最終結果繪制年均、季均柱濃度趨勢圖，以方便研究中國區(qū)域大氣臭氧柱濃度的時空分布。

3 結果與分析

3.1 臭氧柱濃度年變化

由圖 1看出，近兩年間對流層臭氧柱濃度呈周期性變化的趨勢。每年的11、12月份到次年的1月份臭氧柱濃度出現(xiàn)最低值。其中，2018年12月份的臭氧柱濃度值最低，為265.46DU。近兩年內，每年的1～3月份都呈現(xiàn)上升趨勢，并達到當年的最高值；每年的5～8月份的臭氧柱濃度普遍處于低點。

圖 2為2018年，2019年全國的平均臭氧柱濃度柱狀圖。圖中可以分析出，兩年的臭氧柱濃度都是從高緯到低緯逐漸降低，高值普遍集中在東北及內蒙古區(qū)域。

圖1 2018～2020年全國大氣臭氧柱濃度月均值變化趨勢

3.2 臭氧柱濃度季節(jié)變化

從圖 3、圖 4可以看出，全國范圍內的臭氧柱濃度呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化，第一季度全國臭氧濃度值普遍位于一年中的最高點，而在第三季度，各省臭氧柱濃度達到當年最低水平。

圖2 2018，2019年中國區(qū)域臭氧柱濃度均值

圖3 2018年各省(市、區(qū))4季度臭氧均值柱狀圖

圖4 2019年各省(市、區(qū))4季度臭氧均值柱狀圖

4 影響因素

本文的臭氧柱濃度分布差異發(fā)現(xiàn)，O3空間分布呈現(xiàn)明顯的北高南低的緯度分布特征，分析原因，可能是由于大氣環(huán)流輸送影響，低緯度地區(qū)平流層化學過程中產生的臭氧被大氣環(huán)流輸送到中高緯度，造成中高緯度地區(qū)的臭氧總量較高。

從2018～2019年的臭氧柱濃度來看，當年的3～5月份達到當年的最大值，但是到了夏季，O3濃度并未持續(xù)升高，說明除了氣溫，還存在著其他的影響因素。

大氣中的污染物排放主要來源于人類活動.人類活動產生大量的NOx，VOCs,經(jīng)過一系類光化學反應生成O3。

5 結論

本文針對2018～2019年OMI的臭氧柱濃度數(shù)據(jù)探討了了中國區(qū)域的臭氧柱濃度的時空分布特征，2018～2019年，全國區(qū)域內臭氧柱濃度總體是呈下降趨勢。近兩年全國臭氧柱濃度呈明顯的季節(jié)變化。全國范圍內臭氧柱濃度在春季濃度最高。夏冬次之，秋季濃度最低。臭氧總量的季節(jié)性差異主要可能源于太陽輻射差異，大氣環(huán)流的差異等。春季普遍偏高的原因可能與大氣輸送以及二氧化氮，甲烷等前體物在春季的光化學反應有關。夏季，秋季全國普遍降雨，導致空氣中的前體物隨著降水，其濃度值下降，使得臭氧濃度值降低。