我國南北兩地臭氧觀測數(shù)據(jù)處理及時序變化特征

余 珂，王顥樾，徐 非，周 可，番聰聰

(1.云南氣象象信息中心，云南 昆明 650034；2.云南大學(xué)，云南 昆明 650091)

1 引言

臭氧的氣體明顯呈藍色，液態(tài)呈暗藍色，固態(tài)呈藍黑色。臭氧只分布在10～50 km高度的平流層大氣中，極大值在20～30 km高度之間，當大氣層中的氧氣發(fā)生光化作用時，便產(chǎn)生了臭氧。雖然臭氧是大氣中的微量成分之一，但它對太陽紫外輻射(0.2～0.29 μm)有強烈的吸收作用：①臭氧層阻攔了強紫外線到達地面，保護了地球上的生命；而強紫外輻射有足夠的能量使包括DNA在內(nèi)的重要生物分子分解，增高患皮膚癌、白內(nèi)障和免疫缺損癥的發(fā)生率，并能危害農(nóng)作物和水生生態(tài)系統(tǒng)，故沒有大氣臭氧層的保護，整個生物世界就難以存在。②臭氧層吸收的太陽紫外輻射能量使平流層大氣增溫，對平流層溫度場和大氣環(huán)流起著決定性作用；如果平流層臭氧濃度下降，將引起平流層上部溫度下降，平流層下部和對流層溫度上升。因此，臭氧層對建立大氣的垂直溫度結(jié)構(gòu)和大氣的輻射平衡起重要作用[2]。

由于臭氧問題涉及到生態(tài)環(huán)境、氣候變化等關(guān)系到人類生存和發(fā)展的重大問題，因此，大氣臭氧研究已經(jīng)成為當前各國科學(xué)家和政府官員共同關(guān)心的國際研究課題。我國大陸地區(qū)分別從1979，1980 年利用Dobson 光譜儀正式在北京市香河(39.98oN,118.37oE)、云南省昆明(25.03oN，102.213oE)開展了臭氧總量觀測[3]；20 世紀90 年代我國又在青海瓦里關(guān)、黑龍江龍鳳山、浙江臨安和南極中山站利用Brewer 光譜儀[4]開展了臭氧總量及垂直分布的反演觀測[5,6]，同時也在拉薩進行了短期地基臭氧總量觀測以驗證青藏高原的“臭氧低谷”分布[7]；2011年至今利用Brewer光譜儀在昆明地區(qū)進行了臭氧總量的觀測。香河、龍鳳山處在東北亞高值臭氧區(qū)，瓦里關(guān)和昆明則處在西部及中低緯度地區(qū)的臭氧相對低值區(qū)。我國有很多的科學(xué)工作者都對臭氧有深度研究，魏鼎文等[3]使用北京和昆明兩地Dobson 臭氧觀測資料分析表明,兩地的臭氧總量在不斷減少,尤其是1991 年以后,臭氧總量顯著降低。王衛(wèi)國[8]等對對流層、平流層臭氧進行過深度研究，探究臭氧在對流層和平流層的分布及其對氣候的影響。周秀驥[9]等對青藏高原臭氧低谷進行研究。曲紹厚[10]對臭氧的時空分布做了研究，突出臭氧的時空特征。

本文利用2012～2013年昆明地區(qū)Brewer實測臭氧數(shù)據(jù)與Dobson數(shù)據(jù)、歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧數(shù)據(jù)進行比較分析，用來檢驗Brewer光譜儀測量結(jié)果的準確性。除此之外，選用昆明、香河南北兩個站的Dobson臭氧數(shù)據(jù)和歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧數(shù)據(jù)，進一步分析1980～2009年臭氧總量月季和年際變化趨勢。

2 資料說明及研究方法

2.1 資料說明

本文所采用的是1979～2013年網(wǎng)格距為0.25°× 0.25°的歐洲中心衛(wèi)星反演月平均總氣柱臭氧場資料。昆明地區(qū)還用2012～2013年Brewer實測的臭氧日資料和1980～2009年Dobson臭氧月均值資料，香河地區(qū)用1980～2009年Dobson臭氧月均值資料。

2.2 研究方法

從歐洲中心衛(wèi)星反演月均值總氣柱臭氧場資料提取兩地臭氧總量月均值的方案，是選用與昆明、香河最近網(wǎng)格處的臭氧值。因為歐洲中心衛(wèi)星反演月均值總氣柱臭氧場對應(yīng)的臭氧數(shù)據(jù)單位為kg/m2，而Brewer臭氧數(shù)據(jù)和Dobson臭氧數(shù)據(jù)的臭氧單位為DU(在標準大氣的溫度、氣壓下所測得的10-5m厚度純臭氧的臭氧總量),所以這兩組數(shù)據(jù)之間要進行轉(zhuǎn)換，將歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以DU為單位的臭氧數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換公式為：

臭氧總量(DU)=tco3×345/0.739

(1)

式(1)中tco3為歐洲中心臭氧數(shù)據(jù)。

本文中A數(shù)據(jù)與B的絕對偏差定義為(A-B)，A數(shù)據(jù)與B數(shù)據(jù)的相對偏差定義為(A-B)/a×100%。

相關(guān)系數(shù)[11]是反應(yīng)兩個氣象要素異常關(guān)系的平均狀況，首先要對變量進行標準化，以消除單位，然后可以計算得到相關(guān)系數(shù)。對任意兩個要素變，xk，xl其相關(guān)系數(shù)計算公式為:

(2)

利用昆明地區(qū)2012～2013年Brewer實測大氣臭氧數(shù)據(jù)、Dobson大氣臭氧總量月值數(shù)據(jù)、歐洲中心衛(wèi)星反演大氣臭氧總量月均值數(shù)據(jù)來分析各數(shù)據(jù)之間大氣臭氧總量的線性相關(guān)性，并算出相關(guān)系數(shù)和相對偏差，用來研究Brewer光譜儀的實測數(shù)據(jù)準確性。利用1980～2009年昆明、香河兩地Dobson數(shù)據(jù)和歐洲中心衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)來研究臭氧的季節(jié)變化和年際變化。

3 三種臭氧資料序列的相關(guān)性和偏差分析

由圖1可以看出，2012～2013年昆明站Brewer臭氧總量數(shù)據(jù)與Dobson臭氧總量數(shù)據(jù)、歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧數(shù)據(jù)相關(guān)性很好,其相關(guān)系數(shù)分別為0.997(信度為0.01 時,相應(yīng)的臨界相關(guān)系數(shù)為0.512)和0.968(信度為0.001 時,相應(yīng)的臨界相關(guān)系數(shù)為0.584)。

圖1 昆明站Brewer臭氧數(shù)據(jù)分別與歐洲中心衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)、Dobson臭氧數(shù)據(jù)線性相關(guān)性

從圖2可以看到，昆明站Brewer臭氧總量月均值與歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量月均值絕對偏差變化范圍為2.397～5.687 DU，絕對偏差幅度變化相對較小，且恒大于0，說明Brewer臭氧總量月均值大于歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量月均值，這可能是由歐洲中心的衛(wèi)星反演資料系統(tǒng)性偏低造成。Brewer臭氧總量月均值與Dobson臭氧總量月均值絕對偏差變化范圍為-17.2～5.539DU，絕對偏差變化幅度相對較大。Brewer臭氧總量月均值與歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量月均值相對偏差變化范圍為1.027%～1.962%，相對對偏差幅度變化相對較小。Brewer臭氧總量月均值與Dobson臭氧總量月均值相對偏差變化范圍為-6.125%～2.370%，相對偏差變化幅度相對較大絕對偏差與相對偏差變化趨勢基本一致。

圖2 昆明站Brewer大氣臭氧總量與Dobson、歐洲衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)相對偏差的逐月變化

由圖3可見，2012～2013年昆明站Brewer大氣臭氧總量月均值與Dobson大氣臭氧總量月均值相對偏差絕對值在臭氧總量低值區(qū)和高值區(qū)都比較大，說明Brewer大氣臭氧總量月均值與Dobson大氣臭氧總量月均值偏差在臭氧總量大值區(qū)和小值區(qū)均較大。2012年至2013年昆明地區(qū)Brewer大氣臭氧總量月均值與歐洲中心衛(wèi)星反演大氣臭氧總量月均值相對偏差隨臭氧總量變化不大，說明Brewer大氣臭氧總量月均值與歐洲中心大氣臭氧總量月均值偏差基本不隨臭氧總量變化?？傮w說來相對偏差隨臭氧總量的變化均不大。

圖3 昆明站Brewer臭氧總量與Dobson、歐洲衛(wèi)星反演臭氧總量的相對偏差隨臭氧總量變化趨勢

圖4是昆明地區(qū)三組數(shù)據(jù)變化趨勢其變化基本一致，Dobson數(shù)據(jù)在高值區(qū)略顯偏大，其它地方變化基本一致。Brewer數(shù)據(jù)與歐洲中心衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)變化趨勢更為接近。

圖4 2012～2013年昆明站大氣臭氧總量三種資料逐月變化

3.1 兩地Dobson臭氧總量與歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧臭氧總量相關(guān)性和相對偏差

昆明、香河兩地Dobson臭氧總量月均值數(shù)據(jù)和歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧臭氧總量月均值數(shù)據(jù)相關(guān)性檢驗及相對偏差變化、相對偏差隨臭氧總量的變化研究。圖5可見，昆明、香河兩地Dobson臭氧總量月均值和歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量月均值相關(guān)性很好。昆明地區(qū)兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.927(信度為0.01時，相應(yīng)的臨界相關(guān)系數(shù)為0.142)。香河地區(qū)兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.942(信度為0.01時，相應(yīng)的臨界相關(guān)系數(shù)為0.138)。

圖5 昆明、香河兩站Dobson臭氧總量與歐洲衛(wèi)星反演臭氧總量相關(guān)性

由圖6可見，昆明地區(qū)臭氧總量月均值相對偏差在-8%～9%，且1990年、1995年、1998年、2003年相對差值出現(xiàn)了明顯的跳躍。香河地區(qū)臭氧總量月均值相對偏差變化幅度為-5%～12%，且1991年、1996年、2008年前后相對差值出現(xiàn)了明顯的跳躍性。

圖6 昆明、香河兩地Dobson臭氧數(shù)據(jù)與歐洲衛(wèi)星反演臭氧數(shù)據(jù)相對偏差的逐年變化

3.2 相對偏差隨臭氧總量的變化研究

從圖7中980～2009年昆明、香河大氣臭氧相對偏差的變化可以看出：大氣臭氧相對偏差均隨大氣臭氧總量增大而變大，其中昆明地區(qū)上升幅度約為2%，香河地區(qū)上升幅度約為1.5%?？傮w而言Dobson大氣臭氧總量月均值大于歐洲中心衛(wèi)星反演大氣臭氧總量月均值，這個結(jié)果在圖6上有一定反映。

圖7 昆明、香河Dobson臭氧總量和歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量相對偏差隨臭氧總量的變化線性擬合曲線

3.3 臭氧總量觀測月值相對偏差的頻數(shù)分布

圖8的柱形圖說明了1980～2009年昆明地區(qū)Dobson數(shù)據(jù)和歐洲中心衛(wèi)星數(shù)據(jù)相對偏差基本滿足正態(tài)分布，表現(xiàn)比較合理。香河地區(qū)兩組數(shù)據(jù)的相對偏差總體統(tǒng)計趨勢表現(xiàn)不太好，且在高值區(qū)表現(xiàn)的有些奇異，具體由什么引起有待進一步研究。

圖8 昆明、香河兩地Dobson臭氧總量和歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量相對偏差頻數(shù)統(tǒng)計

4 昆明、香河站臭氧季節(jié)變化對比

圖9為香河地區(qū)的臭氧總量的變化趨勢其變化明顯大于昆明地區(qū)，昆明地區(qū)和香河地區(qū)臭氧總量都存在明顯的季節(jié)變化，昆明春夏兩季臭氧值相對較高，秋冬兩季相對較低，最高值出現(xiàn)在5月份，最高值為280DU,12月份為最低,最低值為240DU,一年內(nèi)的振幅為40DU。香河冬春兩季臭氧值相對較高，夏秋兩季相對較低，最高值出現(xiàn)在3月份，最高值為382DU,10月份為最低，最低值為303DU,一年內(nèi)的振幅為79DU。昆明地區(qū)相對于香河地區(qū)其極值滯后約為2個月。

圖9 昆明和香河站歷年平均臭氧總量逐月變化對比

5 大氣臭氧總量歷年波動和變化趨勢

從圖10可以看出昆明站和香河站均有年際變化特征，變化周期為一年。昆明地區(qū)30年大氣臭氧總量總體有一個細微的上升，香河地區(qū)30年來大氣臭氧總量總體有一個細微的下降，但是上升與下降的幅度均不大。

圖11是大氣臭氧總量年均值變化從圖中可以看出昆明地區(qū)在1980～1994 年之間臭氧總量年均值有大幅下降，1993 年達到最低值，之后臭氧總量升高，在1995～2009 年臭氧總量年均值大于1980～1994 年的均值，最終昆明站點在整個過程中臭氧總量呈現(xiàn)出略微上升的趨勢，這個結(jié)論與圖8所得到的結(jié)論相同。香河地區(qū)自1980～1990年臭氧總量下降幅度較大，但在1990～1991年之間臭氧總量有一個明顯的回升過程，1991年至1995年臭氧總量又開始下降，到了1992～1995年臭氧總量達到最低值，1995年后臭氧總量開始回升，最終香河地區(qū)在整個過程中臭氧總量呈現(xiàn)出略微下降的趨勢[12]，這個結(jié)論與圖10所得到的結(jié)論相一致。

圖10 昆明、香河大氣臭氧總量歷年逐月變化

圖11 昆明地區(qū)與香河地區(qū)大氣臭氧總量年均值變化曲線

6 結(jié)論

(1)昆明地區(qū)Brewer分光分度計的觀測數(shù)據(jù)與Dobson觀測數(shù)據(jù)、歐洲中心衛(wèi)星數(shù)據(jù)相關(guān)性都非常好,相關(guān)系數(shù)均達到0.95以上，并且均通過99%的信度檢驗，與此同時昆明地區(qū)Brewer實測大氣臭氧總量月均值與歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧總量月均值、Dobson大氣臭氧總量月均值相對偏差均較小，其相對偏差變化合理，這些說明的昆明地區(qū)Brewer實測臭氧總量是可靠的。

(2)1980～2009年香河、昆明兩地Dobson臭氧數(shù)據(jù)與歐洲中心衛(wèi)星反演臭氧數(shù)據(jù)一致性與相關(guān)性比較好，相關(guān)系數(shù)均達到0.9以上，相對偏差變化在合理范圍之內(nèi)，所以所選的Dobson數(shù)據(jù)和歐洲中心衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)是合理可用的。

(3)1980～2009年昆明、香河2站大氣臭氧存在明顯的季節(jié)變化和年際變化，香河大氣臭氧總量存在下降的趨勢，這與北半球中緯度地區(qū)觀測到的大氣臭氧總量減少的趨勢相吻合，昆明地區(qū)大氣臭氧總量月均值有細微的上升趨勢。