基于OMI的中國(guó)區(qū)域2005–2020年間臭氧柱總量隨經(jīng)緯度變化特性研究

蘇靜明,洪炎,唐超禮,嚴(yán)加琪

(1安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

臭氧是地球大氣中重要的痕量氣體,其濃度的大小對(duì)于地球的環(huán)境、生態(tài)和氣候有著非常重要的影響。大氣層中,中間層含有少量臭氧,絕大部分臭氧分布在平流層和對(duì)流層,而這部分臭氧約90%主要來(lái)自于平流層,10%則存在于對(duì)流層。在平流層的臭氧能有效吸收太陽(yáng)紫外輻射[1],阻隔紫外輻射過(guò)量進(jìn)入對(duì)流層乃至地面,從而減少對(duì)地球生物的傷害;對(duì)流層中的臭氧會(huì)形成光化學(xué)污染,高濃度臭氧會(huì)對(duì)地球生物圈產(chǎn)生極大危害。對(duì)臭氧氣體的觀測(cè)[2]通常采用飛機(jī)監(jiān)測(cè)[3]、衛(wèi)星遙感遙測(cè)[4]和地基監(jiān)測(cè)[5]等方式。飛機(jī)監(jiān)測(cè)、地基監(jiān)測(cè)通常受到諸多因素限制,人們大多采用星載遙測(cè)的方法對(duì)臭氧總量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。美國(guó)國(guó)家航空航天局在2004年7月發(fā)射升空AURA衛(wèi)星,其上搭載臭氧監(jiān)測(cè)儀(Ozone monitoring instrument,OMI)載荷以及對(duì)流層發(fā)射光譜儀(Tropospheric emission spectrometer,TES)載荷,能夠分別從紫外和紅外兩個(gè)波段對(duì)大氣臭氧含量反演,由此獲得臭氧柱總量等相關(guān)參數(shù)[6]。

近年來(lái),國(guó)際社會(huì)對(duì)空氣環(huán)保質(zhì)量監(jiān)測(cè)要求越來(lái)越高。臭氧作為反應(yīng)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo),也日益受到人們的廣泛關(guān)注。李天亦[7]利用OMI、TOMS對(duì)中國(guó)區(qū)域2004–2010年的臭氧時(shí)空分布變化進(jìn)行了分析,重點(diǎn)關(guān)注了臭氧柱總量與緯度的相關(guān)性以及隨季節(jié)的變化規(guī)律。劉春秀等[1]對(duì)2008–2017年中國(guó)區(qū)域?qū)α鲗映粞踔偭康臅r(shí)空分布特性開(kāi)展了研究,重點(diǎn)分析了臭氧與其前體物NO2的相關(guān)性;單源源等[8]對(duì)中國(guó)中東部地區(qū)的臭氧時(shí)空分布開(kāi)展了研究,盧秀娟等[9]對(duì)2006–2015年甘肅省內(nèi)的臭氧分布進(jìn)行了研究。王鑫龍等[10]利用OMI對(duì)中國(guó)2015–2017年臭氧時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析,重點(diǎn)關(guān)注了臭氧與人員活動(dòng)等的相關(guān)性。宋佳穎[11]對(duì)中國(guó)東南沿海區(qū)域臭氧濃度時(shí)空分布進(jìn)行了分析,提出臭氧濃度的變化受到了諸多因素的綜合影響,但氣溫、NOx及VOCs的排放是臭氧濃度變化的主導(dǎo)因素。王曼華等[12]對(duì)中國(guó)珠三角地區(qū)大氣中的甲醛、臭氧和一氧化氮進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。lu等[13]分析了利用OMI對(duì)中國(guó)區(qū)域邊界層臭氧污染情況的監(jiān)測(cè)能力。這些研究有效監(jiān)測(cè)了不同年份中國(guó)各區(qū)域臭氧與諸多環(huán)境因素的關(guān)系情況,對(duì)于臭氧與緯度值的關(guān)系也開(kāi)展過(guò)相關(guān)分析。但近年來(lái)中國(guó)范圍內(nèi)臭氧柱總量的變化與經(jīng)、緯度的綜合討論相對(duì)匱乏。本研究主要針對(duì)中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,著重關(guān)注中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量與經(jīng)緯度的變化趨勢(shì),揭示了中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量隨經(jīng)緯度的變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

中國(guó)幅員遼闊,地處亞洲的東部。為獲取中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量參數(shù),選取OMI L3級(jí)每日臭氧柱總量數(shù)據(jù)OMDOAO3作為分析對(duì)象,時(shí)間范圍為2005年1月–2020年10月,數(shù)據(jù)格式為he5壓縮格式,數(shù)據(jù)網(wǎng)格格柵為1440×720個(gè),經(jīng)緯度分辨率是0.25°×0.25°,起點(diǎn)中心經(jīng)度為189.87°W和89.87°S,終點(diǎn)中心經(jīng)度為189.87°E、緯度為 89.87°N。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)清洗:OMI數(shù)據(jù)存在部分無(wú)效數(shù)據(jù),需要利用數(shù)據(jù)清洗來(lái)解決無(wú)效數(shù)據(jù)的批量刪除。

數(shù)據(jù)入庫(kù):通過(guò)Python語(yǔ)言讀取2005至2020年的臭氧柱總量he5格式文件,將數(shù)據(jù)清洗后,按照記錄形式為日期、經(jīng)度、緯度、臭氧柱總量的模式,將解壓后的數(shù)據(jù)記錄導(dǎo)入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中,為后期的數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)及挖掘分析做準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)源庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MySQL下的OMI L3級(jí)O3數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.1 OMI Level-3 O3total column density database in MySQL

1.3 數(shù)據(jù)查詢、篩選、分析

利用Python根據(jù)不同需求從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢、篩選、合并、統(tǒng)計(jì)處理得到相應(yīng)數(shù)據(jù),并將處理結(jié)果保存成相應(yīng)的csv文件,隨利用繪圖工具包括ArcGIS和Origin進(jìn)行繪圖。ArcGIS主要負(fù)責(zé)臭氧柱總量數(shù)據(jù)空間分布分析,Origin主要解決臭氧柱總量時(shí)序變化繪制。

2 中國(guó)區(qū)域臭氧總量空間分布特性

按照每五年采樣一次的方法,利用Python基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)編程,篩選出中國(guó)區(qū)域在2005、2010、2015、2020年共四個(gè)年份的臭氧柱總量年均值,利用ArcGIS的ArcMAP軟件,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,插值(克里金法),裁剪處理,得到的四個(gè)年份的中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量年均值空間分布如圖2(a)-(b)所示。利用SQL查詢語(yǔ)句,獲取不同年份臭氧柱總量最高和最低區(qū)域,2005年最高地區(qū)為黑龍江和內(nèi)蒙北部(373 DU),最低為中國(guó)西藏南部(251 DU);2010年最高為東北黑龍江和內(nèi)蒙北部(389 DU),最低為中國(guó)西藏南部(260 DU);2015年最高為東北黑龍江和內(nèi)蒙北部(376 DU),最低為中國(guó)西藏南部(265 DU);2020年最高地區(qū)黑龍江和內(nèi)蒙北部(360 DU),最低為中國(guó)西藏南部(261 DU)?？傮w來(lái)看,四個(gè)年份的臭氧柱總量最高最低值分布區(qū)域基本一致,且呈現(xiàn)北(高緯度地區(qū))高南(低緯度地區(qū))低的特征,這與前人研究結(jié)果基本一致[6];另一方面,由西向東(相同緯度下)來(lái)看,部分臭氧柱總量呈現(xiàn)不同色彩?？梢酝茰y(cè),臭氧柱總量可能與緯度和經(jīng)度存在關(guān)聯(lián)性。

圖2 2005(a)、2010(b)、2015(c)、2020(d)年中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量年均值空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual mean total ozone column amount in China in 2005(a),2010(b),2015(c),2020(d)

3 中國(guó)區(qū)域臭氧總量與緯度的關(guān)系

3.1 不同緯度臭氧柱總量變化趨勢(shì)

為進(jìn)一步探究臭氧柱總量與緯度的相關(guān)性,由北向南分別選取不同緯度的省市進(jìn)行臭氧柱總量趨勢(shì)詳細(xì)對(duì)比。分別選取東北(黑龍江,緯度43.41°N～53.55°N);華北(北京,緯度為39.40°N～41.60°N,天津,緯度38.56°N～40.25°N);華中、華東 (安徽,緯度 29.68°N～34.63°N,上海,緯度 30.66°N～31.88°N);華南 (廣東,緯度20.21°N～25.51°N)進(jìn)行2005–2020年的年均臭氧柱總量變化時(shí)序分析,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?不同城市在2005–2020年年均變化趨勢(shì)基本一致,基本呈周期震蕩態(tài)勢(shì)。高緯度地區(qū)如黑龍江臭氧柱總量年均值明顯高于低緯度地區(qū),約360 DU,北京緯度略高于天津,其臭氧柱總量也略高于天津,同樣,安徽中心區(qū)域維度高于上海,臭氧柱總量也略高于上海,最低的是中國(guó)南部廣東,年均值在260 DU左右。結(jié)果表明,中國(guó)區(qū)域內(nèi)臭氧柱總量與緯度高低息息相關(guān),臭氧柱總量由北到南呈遞減趨勢(shì),差異性顯著。

圖3 2005–2020年間不同緯度城市臭氧柱總量變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of total ozone column amount in cities with different latitudes during 2005–2020

3.2 中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量隨緯度變化趨勢(shì)分析

為進(jìn)一步研究中國(guó)區(qū)域內(nèi)臭氧柱總量隨緯度的變化趨勢(shì),仍選取2005–2020年(每5年采樣一次的方式)進(jìn)行不同經(jīng)度下臭氧柱總量隨緯度變化分析,如圖4所示。

圖4 不同經(jīng)度下臭氧柱總量與緯度的相關(guān)性Fig.4 Correlation between total ozone column amount and latitude at different longitudes

在經(jīng)度一定條件下(在選取經(jīng)度時(shí)應(yīng)盡量滿足在該經(jīng)度下中國(guó)緯度區(qū)域能夠全覆蓋,基于該原則,選取80.12°E、100.12°E和120.12°E,每隔20°采樣一組數(shù)據(jù)),臭氧柱總量與緯度關(guān)系如圖4所示。根據(jù)變化趨勢(shì)的不同,整個(gè)臭氧柱總量隨緯度變化規(guī)律可分成三個(gè)分區(qū)。第一個(gè)分區(qū),約在北緯4°N～31°N條件下,臭氧柱總量隨緯度呈緩慢抬升趨勢(shì);第二分區(qū),約在北緯31°N～45°N之間,臭氧柱總量呈線性提升趨勢(shì),該階段臭氧柱總量增加幅度較大;第三分區(qū),約在北緯45°N～57°N之間,臭氧柱總量呈現(xiàn)隨緯度增大基本保持穩(wěn)定。

針對(duì)臭氧柱總量隨緯度的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,采用多項(xiàng)式擬合方法對(duì)臭氧柱總量隨緯度變化規(guī)律進(jìn)行建模分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn),不同經(jīng)度下臭氧柱總量隨緯度變化趨勢(shì)均近似滿足高斯分布,圖5(a)與圖5(b)、(c)在變化趨勢(shì)上略有差別,即在圖5(a)實(shí)測(cè)中的28°N～36°N之間存在凹陷,經(jīng)分析,這主要是因?yàn)楫?dāng)經(jīng)度為80°E、緯度在28°N～36°N時(shí)該區(qū)域?qū)儆谇嗖馗咴瓍^(qū),臭氧總量含量要遠(yuǎn)低于其他區(qū)域。

圖5 不同經(jīng)度下臭氧柱總量隨緯度變化擬合曲線。(a)80.12°E;(b)100.12°E;(c)120.12°EFig.5 Fitting curve of total ozone column amount with the variation of latitudes at different longitudes.(a)80.12°E,(b)100.12°E,(c)120.12°E

4 臭氧柱總量與經(jīng)度的關(guān)系

上述分析表明,臭氧柱總量與緯度關(guān)系密切。在中國(guó)區(qū)域內(nèi),低緯度地區(qū)不同經(jīng)度條件下的臭氧柱總量近似相等,高緯度地區(qū)經(jīng)度大的區(qū)域臭氧柱總量也越大。為進(jìn)一步分析臭氧柱總量與經(jīng)度的關(guān)系,選取了多組相同緯度下不同經(jīng)度的城市進(jìn)行臭氧柱總量隨經(jīng)度變化的相關(guān)性分析。

4.1 相近緯度下不同經(jīng)度城市臭氧柱總量對(duì)比

選取四組近似緯度不同經(jīng)度的城市進(jìn)行臭氧柱總量年均值變化分析(對(duì)于四組緯度的選取,由北緯47.70°N開(kāi)始,由北向南約每隔8°選取一組,每組里的城市作為經(jīng)度選擇依據(jù),由于城市特殊性,中心緯度略有偏差)。圖6(a)中,選取了中心緯度為47.80°N附近、經(jīng)度為88.13°E的新疆阿勒泰地區(qū)和128.89°E的黑龍江伊春進(jìn)行對(duì)比,二者的臭氧柱總量均值分別為360 DU和330 DU左右,顯然,兩個(gè)相同緯度的城市,由于經(jīng)度差異性較大,臭氧柱總量則存在較大差異,差值約為30 DU;圖6(b)中,選取了緯度為39.80°N附近,經(jīng)度分別為98.28°E、111.23°E、116.40°E的嘉峪關(guān)、鄂爾多斯、北京市,可以看出,隨著經(jīng)度的增加,臭氧柱總量均值分別305、315、325 DU,顯然,同緯度時(shí)經(jīng)度越大柱總量越高;圖6(c)選取了中心緯度為31.20°N附近的四市,分別是西藏昌都、四川德陽(yáng)、安徽蕪湖以及上海市,經(jīng)度分別為97.17°E、104.39°E、118.37°E、121.47°E,昌都經(jīng)度最小,臭氧柱總量年均最低,約為265 DU左右,德陽(yáng)約為278 DU左右,蕪湖和上海由于經(jīng)度距離較近,各年份均值大致相近,但仍然滿足經(jīng)度越大臭氧柱總量越高(上海各年臭氧柱總量均值略大于蕪湖);圖6(d)選取中心緯度為22.80°N附近的三市,分別是云南普洱、廣西南寧、廣東廣州,經(jīng)度分別為100.97°E、108.32°E、113.28°E。在該緯度條件下,不同經(jīng)度的城市間柱總量差異變小,但仍然表現(xiàn)出經(jīng)度越大臭氧柱總量越高的規(guī)律。四組結(jié)果表明,臭氧柱總量不僅受緯度位置影響,同樣,經(jīng)度差異也會(huì)導(dǎo)致較大的臭氧柱總量差異。

圖6 近似緯度下不同經(jīng)度的城市臭氧柱總量特征分析。(a)47.80°N;(b)39.80°N;(c)31.20°N;(d)22.80°NFig.6 Analysis of total ozone column amount in cities with different longitudes under similar latitudes.(a)47.80°N,(b)39.80°N,(c)31.20°N,(d)22.80°N

4.2 中國(guó)區(qū)域內(nèi)臭氧柱總量隨經(jīng)度變化趨勢(shì)分析

中國(guó)區(qū)域內(nèi),臭氧柱總量在相同緯度條件下隨經(jīng)度的變化趨勢(shì)如圖7所示。由下向上,分別選取了緯度近似范圍為 22°N～24°N、25°N～26°N、31°N～36°N、39°N～40°N、47°N～48°N 在 2020年的臭氧柱總量年均值分析。

圖7 中國(guó)區(qū)域臭氧柱總隨經(jīng)度變化趨勢(shì)Fig.7 Variation of total ozone column amount with longitude in China

根據(jù)趨勢(shì)特征,臭氧柱總量隨經(jīng)度的變化可以分成三個(gè)獨(dú)立區(qū)域,約在東經(jīng)71°E～99°E內(nèi)(area 1),臭氧柱總量呈緩慢遞減趨勢(shì),其中,緯度為32°N附近,經(jīng)度小于99°E內(nèi)(中國(guó)西藏高原中部),臭氧柱總量呈凹陷狀(較低值),這可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)為青藏高原,臭氧總量在同緯度區(qū)域含量較低,由此形成凹陷區(qū);在99°E～123°E之間區(qū)域(area 2,中國(guó)中部東部主要城市所在區(qū)域),臭氧柱總量表現(xiàn)出線性遞增趨勢(shì),由線性擬合結(jié)果可以看出,不同緯度下,此區(qū)域線性增幅較為顯著;在高于123°E時(shí)(area 3,只有東北部分城市在列),柱總量基本趨于穩(wěn)定。臭氧柱總量形成三級(jí)階梯狀趨勢(shì),其主要原因可能與中國(guó)的地勢(shì)特征有關(guān)。中國(guó)區(qū)域內(nèi),地勢(shì)由西向東呈現(xiàn)由高到低的特點(diǎn),總體來(lái)講可分成三個(gè)等級(jí),第一級(jí)是高海拔地區(qū),如青藏高原,海拔高達(dá)4000 m;第二級(jí)以2000 m高原和盆地為主,第三級(jí)則在500 m以下,也就是我國(guó)中東部,中國(guó)主要城市群聚集區(qū)之一[6]。在這樣的地形條件下,最低值應(yīng)該是青藏高原區(qū)域,因此從71°E～99°E是臭氧遞減趨勢(shì)。由于臭氧受人口、氣溫等諸多環(huán)境影響,中東部地區(qū),對(duì)流層以下的臭氧柱濃度遠(yuǎn)高于西部地區(qū),若平流層臭氧柱濃度均勻分布,經(jīng)度較大(中國(guó)中東部地區(qū))的臭氧柱總量則會(huì)遠(yuǎn)高于同緯度經(jīng)度較小區(qū)域(西部地區(qū)),這就是area 2區(qū)域中臭氧顯著抬升的主要原因;在大于123°E時(shí),中國(guó)只有小部分城市在列,該區(qū)域臭氧柱總量總體表現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢(shì)。

另一方面,在緯度小于32°N時(shí),臭氧柱總量基本保持穩(wěn)定,即在低緯度區(qū)域,臭氧柱總量并不隨經(jīng)度增大而顯著增大,由此可以得出,臭氧柱總量與經(jīng)度的關(guān)系受到緯度值的限制,對(duì)于中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量起決定作用的仍是緯度值。

5 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)篩選查詢、數(shù)據(jù)挖掘統(tǒng)計(jì)等方法得到了2005–2020年間的臭氧柱總量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利用該數(shù)據(jù)集分析了中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量空時(shí)分布特性,重點(diǎn)討論了中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量隨經(jīng)、緯度的變化趨勢(shì)。研究表明,在中國(guó)區(qū)域范圍內(nèi),臭氧柱總量與緯度位置高低息息相關(guān),緯度越高,臭氧柱總量值就越大;當(dāng)緯度高于32°N時(shí),臭氧柱總量隨經(jīng)度增大而顯著變大,低于32°N時(shí),臭氧柱總量基本保持穩(wěn)定,不受經(jīng)度影響。研究結(jié)果表明,緯度大小是決定中國(guó)區(qū)域臭氧柱總量大小的主要因素。