基于OMI數(shù)據(jù)的福建省對(duì)流層臭氧總量時(shí)空分布特征研究*

任賽賽 鄧慧穎 蓋宸德 王 宏

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007；2.莆田市氣象臺(tái)，福建 莆田 351100；3.武夷山國家氣候觀象臺(tái)，福建 南平 354300；4.南平生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，福建 南平 354200；5.福建師范大學(xué)，福建 福州 350007；6.福建省氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350007)

臭氧(O3)是大氣中復(fù)雜光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，是對(duì)流層和平流層大氣化學(xué)過程的核心，影響著大氣化學(xué)的循環(huán)和平衡，是全球環(huán)境變化的焦點(diǎn)。對(duì)流層臭氧既是全球性污染物，又是一種重要的溫室氣體，對(duì)氣候環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及人類生存環(huán)境等產(chǎn)生重要影響，因此，開展對(duì)流層臭氧總量的監(jiān)測(cè)及規(guī)律分析具有重要意義[1-3]。

近年來，對(duì)臭氧時(shí)空特征的研究取得了很多成果，但研究多局限于單點(diǎn)觀測(cè)，無法獲得立體與平面的高分辨率臭氧的空間分布結(jié)構(gòu)。隨著遙感空間技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感為獲取全球或區(qū)域尺度的臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供了可能[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者常利用臭氧監(jiān)測(cè)儀OMI(Ozone Monitoring Instrument)數(shù)據(jù)分析臭氧柱濃度變化特征，并將衛(wèi)星反演結(jié)果和數(shù)值模式、激光雷達(dá)和地面臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行對(duì)比。Wang等[7]的研究表明，OMI反演數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量模型的誤差范圍在10%以下。陳雪萍等[8]利用OMI傳感器衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2006—2016年寧夏地區(qū)對(duì)流層臭氧總量的年際分布呈先升后降的趨勢(shì)，季節(jié)變化規(guī)律為春季>冬季>夏季>秋季；空間分布上，臭氧柱濃度高值區(qū)分布在寧夏的北部及西南部地區(qū)，且隨著年際變化，高值區(qū)表現(xiàn)出由北向南、由東向西移動(dòng)的變化特征。劉小正等[9]基于OMI數(shù)據(jù)，分析了我國中東部城市近地面臭氧時(shí)空分布特征，指出2005—2014年中國中東部地區(qū)近地面濃度明顯增加，京津冀地區(qū)的臭氧柱濃度漲幅超過長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)；結(jié)合臭氧激光雷達(dá)和地面臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星反演結(jié)果進(jìn)行比較，三者顯示了較好的一致性，由此證明使用OMI衛(wèi)星反演的數(shù)據(jù)來研究長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)近地層臭氧變化是一種可行的方法。鑒于此，本文描繪福建省對(duì)流層臭氧總量的時(shí)空分布特征，開展其與近地面受人為活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響較大臭氧時(shí)空分布規(guī)律的對(duì)比分析，探究二者的異同點(diǎn)和影響因素，同時(shí)也為福建邵武臭氧探空觀測(cè)試驗(yàn)獲取的對(duì)流層臭氧總量、校驗(yàn)OMI衛(wèi)星遙感反演的對(duì)流層臭氧總量做好前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。

1 資料來源與處理

對(duì)流層臭氧總量數(shù)據(jù)來源于搭載在EOS-Aura衛(wèi)星上的OMI/MLS探測(cè)器的臭氧格網(wǎng)資料(單位：DU)，空間分辨率為1°×1.25°，通過Python處理原始文件，獲取1000hPa～150 hPa(13 km左右)福建省對(duì)流層臭氧總量，再運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)每日點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值、裁剪及月、季、年度平均值計(jì)算，根據(jù)最終結(jié)果繪制年均、季均和月均臭氧總量分布圖，得到福建省9個(gè)設(shè)區(qū)市的對(duì)流層臭氧柱濃度值，并與近地層臭氧分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。

近地層臭氧觀測(cè)資料來自2015—2020年福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)站國控點(diǎn)(排除清潔對(duì)照點(diǎn))的臭氧質(zhì)量濃度逐時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。依照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)，處理和計(jì)算近地層臭氧濃度年平均、季平均和月平均等資料。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間變化特征

圖1為基于OMI數(shù)據(jù)的2015—2020年福建省及周邊對(duì)流層臭氧總量空間分布圖，由圖1結(jié)合插值得到的福建省9個(gè)設(shè)區(qū)市(位置見圖2)對(duì)流層臭氧柱濃度數(shù)據(jù)，可見2015—2020年福建省對(duì)流層臭氧總量在空間上總體呈現(xiàn)西北部高、東南部低，與陳雪萍等[8]分析的寧夏地區(qū)臭氧總量空間分布規(guī)律類似。沿海地區(qū)人為活動(dòng)頻繁、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市群對(duì)流層臭氧總量在空間上呈現(xiàn)北部沿海地區(qū)高于中南部沿海地區(qū)的態(tài)勢(shì)，這兩類空間分布規(guī)律與近地層因人為活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下臭氧的空間分布規(guī)律有很大差異。王宏等[10]研究表明，受地形地貌、植被分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口密度、汽車保有量等諸多因素影響，福建省近地層臭氧的空間分布規(guī)律是西北部低、東南部高，內(nèi)陸地區(qū)明顯低于沿海地區(qū)，且中南部沿海地區(qū)明顯高于北部沿海地區(qū)，所以分析得到福建省對(duì)流層臭氧總量空間分布狀態(tài)與近地層臭氧分布空間規(guī)律呈現(xiàn)相反狀態(tài)。

(a)2015年

(b)2016年

(c)2017年

(d)2018年

(e)2019年

(f)2020年

對(duì)比福建省9個(gè)設(shè)區(qū)市(位置見圖2)，2015—2020年對(duì)流層臭氧總量平均值(見表1)，從高到低排序?yàn)槟掀绞?寧德市>福州市>莆田市>泉州市>三明市>廈門市>漳州市>龍巖市，南平市對(duì)流層臭氧總量年平均值最高，為452.2 DU，龍巖市臭氧總量年平均值最低，為441.1 DU，自北而南依次降低(均值上標(biāo)是排序序號(hào))，特征明顯。

圖2 福建省城市分布示意圖(藍(lán)色方框內(nèi)區(qū)域?yàn)榻貙映粞鯘舛雀咧祬^(qū))

而近地層這6年的臭氧年平均濃度(臭氧8小時(shí)滑動(dòng)平均最大值的年平均濃度)排序?yàn)槠翁锸?泉州市>漳州市>福州市>寧德市>廈門市>南平市>龍巖市>三明市(見表1)，莆田市近地層臭氧總量年平均值最高，為95.3 μgm-3，三明市年平均值最低，為69.7 μgm-3。該順序與人類活動(dòng)、工業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等導(dǎo)致臭氧前體物的排放量大小密切相關(guān)，由于莆田市和泉州市及其沿海興化灣、湄洲灣、泉港一帶(位于圖2藍(lán)色方框內(nèi))集中分布著江陰化工工業(yè)園、湄洲灣北岸工業(yè)園區(qū)、泉港石化工業(yè)園區(qū)和泉惠石化工業(yè)園區(qū)等，被大型污染源包圍的莆田市和泉州市臭氧前體物高，導(dǎo)致該區(qū)域臭氧濃度全省最高，臭氧污染天數(shù)全省最多[10]。

表1 2015—2020年福建省對(duì)流層臭氧總量和近地層臭氧濃度排序?qū)Ρ?/p>

2.2 時(shí)間分布特征

2.2.1 年際變化

從圖1可以看出，2015—2020年福建省對(duì)流層臭氧年總量變化特征明顯，對(duì)流層臭氧總量變化排序?yàn)?019年>2020年>2018年>2015年>2017年>2016年，總體上臭氧總量變化呈增加的趨勢(shì)，其中2019年最高，達(dá)到4190.7 DU，其次是2020年(4071.8DU)，2016年(3839.1DU)最低，這與近地層臭氧年際變化趨勢(shì)不同，近地層臭氧濃度年際排序?yàn)?018年>2017年>2019年>2020年>2015年>2016年，二者年際排序相關(guān)性較差。由于近地層臭氧濃度的變化受天氣氣候因素影響非常大[10-13]，主要有以下研究結(jié)果：①福建省近地層臭氧濃度的年際變化與ENSO的年際變化存在著一定的關(guān)系，O3 Z指數(shù)與Nio Z海溫距平指數(shù)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在滯后3個(gè)月時(shí)二者相關(guān)(絕對(duì)值)達(dá)到最大，加權(quán)平均后，相關(guān)系數(shù)為-0.5102，通過α=0.01置信度檢驗(yàn)[10]；②福建省近地層臭氧濃度與高溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、太陽總輻射呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與云量、相對(duì)濕度、降水量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，受偏南和偏東風(fēng)影響時(shí)臭氧濃度較高，在SSE(南南東)方位上臭氧小時(shí)濃度超標(biāo)率最高[11-12]；③臭氧超標(biāo)日天氣型主要有變性冷高壓、地面倒槽和鋒前暖區(qū)等強(qiáng)暖性且非常不利于污染物擴(kuò)散的天氣系統(tǒng)，導(dǎo)致臭氧平均濃度值最高的天氣型是臺(tái)風(fēng)(熱帶輻合帶)外圍，最低的是低渦鋒面系統(tǒng)[12-13]。因此，前者的年際排序結(jié)果也間接地說明福建省對(duì)流層臭氧年總量變化受天氣氣候變化的影響不大。

2.2.2 季節(jié)變化

季節(jié)劃分以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季和12月—次年2月為冬季[14]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，對(duì)流層臭氧總量的季節(jié)分布呈現(xiàn)春季>夏季>秋季>冬季的趨勢(shì)(見圖3)，季節(jié)波動(dòng)區(qū)間較小，在31.8～42.9DU之間。

(a)春季

(b)夏季

(c)秋季

(d)冬季

而近地層臭氧濃度季節(jié)波動(dòng)大，近地層濃度最高(秋季)的臭氧平均濃度值是最低(冬季)的1.38倍(見圖4)，近地層臭氧季節(jié)分布規(guī)律呈現(xiàn)春季>秋季>夏季>冬季的趨勢(shì)，與前者不同的是近地層秋季臭氧濃度明顯高于夏季，與春季相當(dāng)。王宏等[15]研究表明，在福建省一年中，春季和秋季是臭氧濃度最高、超標(biāo)天數(shù)最多的季節(jié)，雖然夏季氣溫高、太陽輻射強(qiáng)、日照時(shí)間長(zhǎng)，最有利于臭氧的形成，但由于夏季大氣熱力和動(dòng)力條件較好，即大氣的垂直擴(kuò)散能力較強(qiáng)，所以高濃度臭氧持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，夜里濃度值下降很快，且谷值很低，所以一般夏季只有午后臭氧峰值高，易出現(xiàn)小時(shí)濃度超標(biāo)，但平均臭氧濃度不高，也不易形成超標(biāo)現(xiàn)象。但對(duì)流層臭氧總量夏季是高于秋季和冬季的，說明太陽輻射強(qiáng)、高溫的氣象條件有利于對(duì)流層臭氧生成。

圖4 2015—2020年福建省對(duì)流層臭氧總量與近地層臭氧季節(jié)分布波動(dòng)對(duì)比圖

2.2.3 月變化

分析福建省對(duì)流層臭氧總量的月分布狀況，得出以下結(jié)論：①對(duì)流層臭氧總量月分布呈現(xiàn)單峰型，峰值區(qū)出現(xiàn)在4—6月(見圖5)，最大值出現(xiàn)在5月，其次是4月和6月，3月與8—9月相當(dāng)，最低值出現(xiàn)在1月；②9個(gè)設(shè)區(qū)市對(duì)流層臭氧總量月分布規(guī)律趨勢(shì)非常一致，只是在數(shù)據(jù)量有空間分布的差異，且7月和8月的離散度較大(即不同城市在7—8月對(duì)流層臭氧總量差異是一年中最明顯的)。該分布狀況與近地層臭氧有所不同，王宏等[15]分析得到，福建省近地層臭氧月分布呈現(xiàn)明顯的雙峰型結(jié)構(gòu)，9—10月是臭氧平均濃度最高的月份，其次是4—5月(近6年平均是4—5月最高，9—10月次高)，最低值出現(xiàn)在12月—次年1月，且近地層臭氧濃度在6—8月是次低值，這是對(duì)流層臭氧總量月分布狀態(tài)最大的不同；另外，不同城市、相同月份臭氧濃度值均差異很大，即空間離散度很大，而對(duì)流層臭氧總量除了7月、8月，其他月份不同城市之間差異很小。

圖5 2015—2020年福建省對(duì)流層臭氧總量月分布圖

3 結(jié)論與討論

①福建省對(duì)流層臭氧總量空間分布總體呈現(xiàn)西北部高、東南部低的狀態(tài)，與我國對(duì)流層臭氧總量的分布狀態(tài)和緯向差異一致，與近地層臭氧分布空間規(guī)律呈現(xiàn)相反狀態(tài)，與人為活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的相關(guān)性不大。

②從時(shí)間分布規(guī)律看，2015—2020年福建省對(duì)流層臭氧總量年際變化呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，2019年達(dá)到最高值。四季臭氧總量表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季，且季節(jié)波動(dòng)區(qū)間較小。對(duì)流層臭氧總量月分布呈現(xiàn)單峰型，峰值區(qū)出現(xiàn)在4—6月，最低值出現(xiàn)在1月。近地層臭氧濃度峰值出現(xiàn)在2018年，春季臭氧濃度最大，秋季臭氧濃度明顯高于夏季，冬季最低，且季節(jié)波動(dòng)大。近地層臭氧濃度月分布呈現(xiàn)明顯的雙峰型結(jié)構(gòu)，高值出現(xiàn)在9—10月和4—5月，最低值出現(xiàn)在12月—次年1月。

③對(duì)流層臭氧總量無論是年際分布、季節(jié)分布還是月分布規(guī)律與近地層有一些相同之處，但不同點(diǎn)更多，這表明對(duì)流層臭氧總量受天氣氣候變化、人為活動(dòng)的影響不如近地層明顯。