韓爽爽，黃富祥，陳希，夏學(xué)齊

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 1000832 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

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北太平洋上空臭氧總量長期變化趨勢及其影響因素分析

韓爽爽1,2，黃富祥2*，陳希1,2，夏學(xué)齊1

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 1000832 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

本文基于1979—2014年臭氧總量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用多元線性回歸模型對臭氧總量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行模擬計(jì)算，考察了北太平洋上空臭氧總量長期變化趨勢及其影響因素的作用.結(jié)果表明，北太平洋地區(qū)大氣臭氧總量長期變化呈現(xiàn)減少趨勢，但是減少速率隨季節(jié)和緯度帶表現(xiàn)出差異性，在各緯度帶臭氧峰值季節(jié)臭氧下降趨勢最為顯著.在0°—15°N地區(qū)臭氧高值出現(xiàn)在夏秋季節(jié)并在8月達(dá)到峰值，峰值月份臭氧年均下降率約為0.2DU/a；15°—30°N亞熱帶地區(qū)臭氧高值出現(xiàn)在春夏季并在5月達(dá)到峰值，峰值月份臭氧年均下降速率約為0.22DU/a；而在30°—45°N中緯度地區(qū)臭氧高值出現(xiàn)在冬春季并在2月達(dá)到峰值，峰值月份臭氧年均下降率0.75DU/a.在臭氧分布年平均態(tài)基礎(chǔ)上，影響臭氧總量分布變化的因素主要有臭氧損耗物質(zhì)(EESC)、太陽輻射周期(Solar)、準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)和厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)等.其中，EESC導(dǎo)致臭氧損耗效應(yīng)隨著緯度升高而增大，在從低到高的三個緯度帶損耗最大值分別為11DU、16DU和66DU；Solar增強(qiáng)導(dǎo)致臭氧增加，在三個緯度帶的增加效應(yīng)最大值分別為16DU、17DU和19DU；QBO@10 hPa和QBO@30 hPa對臭氧影響幅度基本在±10DU內(nèi)波動，只有QBO@10 hPa對30°—45°N區(qū)域的影響作用達(dá)到14DU，值得注意的是QBO影響作用隨著緯度變化存在相位差異，在0°—15°N區(qū)域臭氧變化與QBO呈現(xiàn)相同相位，而在15°—30°N和30°—45°N區(qū)域臭氧變化與QBO呈現(xiàn)相反相位；ENSO對各個緯度帶臭氧影響幅度也在±10DU內(nèi)，ENSO影響作用在不同緯度帶也存在相位差異，臭氧總量變化在0°—15°N、15°—30°N區(qū)域與ENSO相位相反，在30°—45°N區(qū)域與ENSO相位一致.

北太平洋；臭氧總量；EESC；Solar；QBO；ENSO

1 引言

長期以來，全球臭氧的分布變化監(jiān)測一直是大氣科學(xué)重點(diǎn)研究領(lǐng)域.大氣臭氧的分布和變化與全球氣候變化緊密相關(guān)，相互影響、相互作用(Ebi and McGregor，2008；Ren et al.，2011；Cooper et al.，2014；Lin et al.，2014).衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的連續(xù)性和一致性，使其在臭氧監(jiān)測中發(fā)揮著不可替代的作用(World Meteorological Organization (WMO),1998,2002,2006,2010,2014).衛(wèi)星臭氧遙感技術(shù)的發(fā)展，始于美國1970年Nimbus-4衛(wèi)星紫外后向散射儀BUV(Backscatter Ultraviolet).此后，在BUV基礎(chǔ)上發(fā)展的臭氧垂直探測儀SBUV(/2)(Solar Backscatter Ultraviolet)、臭氧總量探測儀TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)，新型臭氧遙感器OMI(Ozone Monitoring Instrument)和OMPS(Ozone Mapping and Profiler Suite)，已經(jīng)建立了自1979年以來比較完整、具有較好精度和一致性的全球臭氧遙感數(shù)據(jù)集，成為全球臭氧監(jiān)測的主要依據(jù)(Stolarski et al.，1986；Reinsel et al.，1994；Bojkov and Fioletov，1995；Randel et al.，1999).此外，我國2008年以來在風(fēng)云三號衛(wèi)星上攜載的紫外臭氧垂直探測儀和臭氧總量探測儀，以及歐盟自2001年以來發(fā)展的多種衛(wèi)星臭氧探測器，在各種臭氧變化重大事件監(jiān)測中也發(fā)揮了重要作用(Bernath et al.，2005；Adams et al.，2013；Sofieva et al.，2013；劉年慶等，2011；Huang et al.，2012；王維和等，2010；Wang et al.，2012).

全球臭氧主要在熱帶平流層生成，通過Brewer-Dobson環(huán)流經(jīng)向輸送分布全球(陳權(quán)亮，2006；張宏等，2000；de Artigas and de Campra，2010).影響全球臭氧分布和變化的主要是在臭氧生成、熱力和動力輸送過程中的各種自然和人為因素(WMO，2014；Chehade et al.，2014).研究表明，這些影響因素的作用在不同緯度帶往往存在比較顯著的差異(張宏等，2000；Chehade et al.，2014；鄒捍和郜永祺，1997).與陸地上空相比，海洋上空的臭氧變化受局地人為因素影響作用較小，臭氧在不同緯度帶上的變化更多地是由熱力和動力作用差異造成的.為了更好地考察自然因素作用下的臭氧分布緯度差異性，本文選取北太平洋海洋地區(qū)為研究對象，以便將來進(jìn)一步同陸地上空臭氧分布緯度帶差異性進(jìn)行對比.

本文選取研究區(qū)域范圍0～45°N、145°E～135°W，利用1979—2014年衛(wèi)星臭氧遙感數(shù)據(jù)，綜合采用趨勢分析、多元回歸分析和調(diào)和函數(shù)模擬等多種方法，定量考察從赤道到北半球中緯度海洋上空大氣臭氧分布變化特征及各因素的影響作用.

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 使用數(shù)據(jù)

2.1.1 臭氧總量數(shù)據(jù)

本文使用的臭氧總量數(shù)據(jù)來源有二：一是1979年1月—2005年12月臭氧總量探測儀TOMS月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°N×1.25°E，其中1993年5月—1996年6月由于TOMS觀測失敗而數(shù)據(jù)缺失(Fishman et al.，2003；黃富祥等，2009)；二是2004年10月—2014年12月OMI月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°N×1°E，數(shù)據(jù)量綱為DU.鑒于TOMS和OMI是兩種不同的載荷，數(shù)據(jù)空間分辨率也存在差異，首先對兩種載荷在2004年10月至2005年12月共15個月的交叉觀測期的數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行評估，采用公式(1)計(jì)算其差異百分率：

(1)

其中Y表示差異百分率，X1表示TOMS數(shù)據(jù)，X2表示OMI數(shù)據(jù)，t為月份數(shù)(t=1，2，…，15).計(jì)算分析表明，TOMS和OMI兩種數(shù)據(jù)在本文研究區(qū)域內(nèi)平均差異百分率大多在±2%以內(nèi)，個別月份最大達(dá)到±4%.因此，認(rèn)為兩種數(shù)據(jù)在本研究區(qū)域內(nèi)有較好一致性，共同組成的長時(shí)間序列可用于趨勢分析.

2.1.2 影響臭氧分布變化的因子

本文考察的臭氧分布變化影響因子主要包括：等效平流層氯化物濃度EESC(Equivalent Effective Stratospheric Chlorine)、太陽輻射周期Solar、準(zhǔn)兩年振蕩QBO(Quasi-Biennia Oscillation)和厄爾尼諾-南方濤動ENSO(El Nio-Southern Oscillation)等(Chehade et al.，2014；鄒捍和郜永祺，1997；Krzyscin，2006；Baldwin et al.，2001；Weber et al.，2011).

(1) EESC

人類排放到大氣中的某些物質(zhì)，主要是鹵代烴等，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在大氣中滯留時(shí)間長，通過大氣輸送從地表到達(dá)平流層后積累，被太陽的高能光子分解而產(chǎn)生Cl自由基并參與消耗臭氧的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)的凈結(jié)果是O+O3→2O2，從而導(dǎo)致大氣臭氧損耗(王庚辰，2003).這些破壞大氣臭氧層的物質(zhì)被統(tǒng)稱為“消耗臭氧層物質(zhì)”(ODS：Ozone Depleting Substances)，通常用EESC指數(shù)表示平流層累積的無機(jī)氯和溴含量的等效值，代表ODS對臭氧的損耗能力.EESC指數(shù)在計(jì)算過程中考慮溴原子與氯原子損耗臭氧分子能力差異、鹵代烴中Cl/Br原子個數(shù)、Cl/Br相對于CFC-11的釋放速率以及鹵代烴從對流層到平流層的平均輸送時(shí)間等過程和變量(WMO，1998；Chehade et al.，2014).

本文使用月平均EESC數(shù)據(jù)來自于NASA戈達(dá)德太空飛行中心網(wǎng)站(http:∥acdb-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/automailer/index.html)，數(shù)據(jù)量綱為pptv，參數(shù)設(shè)置平均空氣年齡3年，空氣擴(kuò)散寬度為1.5年，溴系數(shù)α=60(Newman et al.，2006，2007；Sinnhuber et al.，2009).

(2) Solar

太陽活動存在大約11年的周期變化，這種周期變化對平流層臭氧光化學(xué)反應(yīng)速率和氧氣分解速率產(chǎn)生重要影響，相應(yīng)地影響全球臭氧的分布變化(Meehl et al.，2009；Deland and Cebula，2008).本文使用的太陽輻射參數(shù)是經(jīng)過日-地距離訂正后的F10.7 cm月平均數(shù)據(jù)序列，來自美國國家地理數(shù)據(jù)中心(www.ngdc.noaa.gov)，數(shù)據(jù)量綱為太陽輻射單位SFU(Solar Flux Units)，1SFU=10-22W·m-2Hz-1(Deland and Cebula，2008；黃富祥等，2013).

(3) QBO

QBO是指赤道平流層中東風(fēng)或西風(fēng)約為28～29月周期的周期性震蕩(Baldwin et al.，2001).QBO分為西風(fēng)異常和東風(fēng)異常兩個交替出現(xiàn)的相位并向下傳播，這種現(xiàn)象是由赤道地區(qū)上傳的Kelvin 波和混合Rossby重力波與平流層半年周期波相互作用產(chǎn)生的(Weber et al.，2011；田文壽等，2011).QBO引起的經(jīng)向環(huán)流疊加在正常的Brewer-Dobson環(huán)流上，其不同相位會導(dǎo)致Brewer-Dobson環(huán)流的增強(qiáng)或減弱.在經(jīng)向環(huán)流作用下，QBO不僅影響赤道地區(qū)臭氧總量分布變化，還會影響到赤道以外地區(qū)，使赤道外地區(qū)的臭氧分布中也存在QBO特征(張宏等，2000；Baldwin et al.，2001；Bowman，1898；Lait et al.，1989；Chandra and Stolarski，1991).研究表明，赤道臭氧總量變化與赤道緯向風(fēng)場擾動同相位，而赤道外中高緯臭氧總量變化與之相反(張宏等，2000).

本文選取10 hPa和30 hPa兩個高度QBO參數(shù)作為描述變量，數(shù)據(jù)序列來自(http:∥www.geo.fu-berlin.de/en/met/ag/strat/produkte/qbo/index.html)，數(shù)據(jù)量綱為m·s-1，其中正值表示平流層西風(fēng)相位，負(fù)值表示平流層?xùn)|風(fēng)相位(Chehade et al.，2014).

(4) ENSO

ENSO是熱帶太平洋最強(qiáng)的海-氣相互作用年際尺度現(xiàn)象，由厄爾尼諾(El Nio)和南方濤動(Southern Oscillation)通過相互耦合而形成.其中，El Nio事件指在赤道中、東太平洋海洋溫度異常升高的現(xiàn)象；南方濤動指ENSO事件發(fā)生時(shí)，東西熱帶太平洋海平面氣壓發(fā)生濤動的現(xiàn)象.在ENSO循環(huán)周期中，El Nio和La Nia分別對應(yīng)ENSO的正負(fù)相位.ENSO相位變化可以影響全球大氣及海洋環(huán)流，通過控制Rossby波的生成和傳播影響熱帶以外地區(qū)大氣臭氧的分布(田文壽等，2011；汪明圣，2015).

本文使用的ENSO月平均數(shù)據(jù)序列采用Nino3.4指數(shù)，來自美國氣候預(yù)報(bào)中心(http:∥www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/ersst3b.nino.mth.81-10.ascii)，采用溫度量綱K(Chehade et al.，2014).

2.2 研究方法

本文主要采用多元線性回歸與調(diào)和函數(shù)相結(jié)合的研究方法，考察多種因素的影響作用，同時(shí)采用周期分別為4、6、12個月的調(diào)和函數(shù)模擬大氣變量不同月份和季節(jié)的變化特征，采用如下模型(Chehade et al.，2014；Ziemke et al.，1997；Ziemke and Chandra，1999)：

TOZ(t)=A0+α EESC(t)+β ENSO(t)+γ QBO10(t)+φQBO30(t)+δSolar(t)+ε(t),

(2)

3 臭氧分布的年內(nèi)和年際變化

利用(1)式多元回歸模型，對各緯度帶臭氧數(shù)據(jù)序列進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖1所示.

從圖1可見，多元線性回歸分析的擬合效果很好，R2均達(dá)到0.9以上，所考察的各因子均通過0.05的顯著性檢驗(yàn).

利用多元回歸分析，我們得到研究區(qū)域內(nèi)不同緯度帶臭氧總量年周期變化的基本特征如圖2所示.

圖1 北太平洋上空臭氧總量月平均值序列及回歸計(jì)算結(jié)果Fig.1 Monthly mean total ozone time series and regression model calculation over the North Pacific Ocean

圖2 北太平洋上空臭氧總量年周期變化平均態(tài)Fig.2 Annual cycle of total ozone over the North Pacific Ocean

圖3 北太平洋上空各個月份臭氧總量年際變化Fig.3 Interannual variation of the total ozone for every month over the North Pacific Ocean

從圖2可見，各緯度帶臭氧總量年內(nèi)不同月份分布均呈現(xiàn)出周期變化特征，年內(nèi)不同月份的臭氧含量變化幅度隨著緯度的升高逐漸增大.值得注意的是，臭氧高值出現(xiàn)的月份隨著緯度升高而提前.其中0°—15°N熱帶地區(qū)臭氧含量年內(nèi)平均變化幅度為34DU，臭氧高值出現(xiàn)在夏、秋季，并在8月達(dá)到峰值271DU；15°—30°N亞熱帶地區(qū)臭氧含量年內(nèi)平均變化幅度為50DU，臭氧高值出現(xiàn)在春、夏季，并在5月達(dá)到峰值301DU；30°—45°N中緯度地區(qū)臭氧總量年內(nèi)平均變化幅度為88DU，臭氧高值出現(xiàn)在冬、春季并在2月達(dá)到峰值377DU.

圖3給出各月份臭氧總量年際變化趨勢.

從圖3可知，北太平洋上空各緯度帶臭氧分布主要呈現(xiàn)減少趨勢，但是減少的速度隨緯度和月份存在比較顯著的差異.從緯度帶上來看，0°—15°N和15°—30°N兩個緯度帶臭氧減少速度較低，而30°—45°N區(qū)域臭氧減少速度最快，最大達(dá)到-0.85DU/a；從月份來看，0°—15°N區(qū)域臭氧減少主要發(fā)生在7—10月，15°—30°N區(qū)域主要發(fā)生在4—5月份，30°—45°N臭氧減少最顯著的月份是1—6月，均在-0.6DU/a以上.

圖4 臭氧總量峰值月份年際變化Fig.4 The interannual variations of total ozone in the peak months over the North Pacific Ocean

圖4給出三個緯度帶臭氧峰值月份年代際變化趨勢.

從圖中可見，各緯度帶臭氧峰值月份均呈現(xiàn)減少趨勢，其中0°—15°N和15°—30°N區(qū)域減少趨勢分別為-0.20DU/a和-0.22DU/a，30°—45°N區(qū)域減少速度更快達(dá)到-0.75DU/a.

4 影響臭氧分布變化的因素分析

臭氧的分布變化受很多因素影響，基于逐月的多元線性回歸分析可以用來定量評估這些因素的影響作用.各個緯度帶的臭氧總量變化就是在上述平均態(tài)的基礎(chǔ)上疊加下列各個因素的影響作用而決定的.

4.1 EESC影響作用

圖5給出了1979—2014年臭氧損耗物質(zhì)EESC的月平均值時(shí)間序列以及臭氧損耗物質(zhì)對臭氧總量變化的貢獻(xiàn)隨時(shí)間的變化，即多元回歸模型中的αEESC(t)項(xiàng).

分析圖5發(fā)現(xiàn)，在不同的緯度帶，臭氧損耗物質(zhì)EESC對臭氧總量的影響幅度不同，緯度越高，EESC對臭氧總量的影響越大.在赤道附近0°—15°N地區(qū)，EESC對臭氧總量的作用效果有減少也有增加，可能與Solar等其他因素有關(guān)，最大的減少效應(yīng)為-11DU；在15°—30°N和30°—45°N兩個地區(qū)，EESC主要通過化學(xué)催化反應(yīng)消耗臭氧，導(dǎo)致臭氧總量減少，減少的最大值分別為-16DU和-66DU.隨著大氣中EESC含量的逐年增加，EESC對臭氧的總體減少效應(yīng)增大，導(dǎo)致各緯度帶大氣臭氧總量呈現(xiàn)下降趨勢.由此可見，在北太平洋0°—15°N地區(qū)，EESC并不是主要的影響因素，而在15°—30°N和30°—45°N地區(qū)，EESC對臭氧總量的影響較大，尤其是30°—45°N地區(qū).這說明臭氧損耗物質(zhì)主要作用于北太平洋中高緯地區(qū)，而低緯赤道地區(qū)，臭氧的變化主要受其它因素影響.

這個結(jié)果表明，隨著世界各國對蒙特利爾議定書的遵守并切實(shí)采取行動控制ODS，使EESC含量在1997年后出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，從而使其對臭氧的損耗效應(yīng)在逐步減小，乃至呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢(WMO，2014).本文計(jì)算結(jié)果還表明，EESC對臭氧的損耗效應(yīng)隨著緯度增加而增大.

4.2 Solar影響作用

圖6中給出了模型計(jì)算得到的太陽輻射對太平洋上空各個緯度帶臭氧總量的影響以及太陽輻射的月平均時(shí)間序列.

圖5 EESC對北太平洋地區(qū)不同緯度帶臭氧總量的影響Fig.5 Influence of EESC on total ozone over the North Pacific Ocean of different latitudes

圖6 Solar 對北太平洋地區(qū)不同緯度帶臭氧總量的影響Fig.6 Effects of Solar on total ozone over the North Pacific Ocean of different latitudes

太陽輻射強(qiáng)度會影響臭氧的生成，從圖6可見Solar對太平洋上空各個緯度帶臭氧總量的影響作用均表現(xiàn)為正值，即促進(jìn)臭氧生成，從而導(dǎo)致臭氧總量的增加.臭氧的變化存在著同Solar一致的11年周期變化，表明太陽輻射強(qiáng)度越大，生成臭氧的光化學(xué)反應(yīng)越劇烈，臭氧總量增加的幅度也越大；相反，太陽輻射強(qiáng)度減弱，臭氧總量增加的幅度也相應(yīng)的減小.在0°—15°N、15°—30°N和30°—45°N地區(qū)，Solar導(dǎo)致臭氧總量增加效應(yīng)的最大值分別為16DU、17DU和19DU.全球臭氧主要在日照強(qiáng)烈的赤道平流層生成，通過Brewer-Dobson環(huán)流將臭氧從低緯度輸送到中高緯度.太陽輻射增強(qiáng)，導(dǎo)致氧分子光解氧原子并碰并生成臭氧分子的速率加快，從而對臭氧生成產(chǎn)生正效應(yīng)，由于中高緯度地區(qū)并不直接生成臭氧，太陽輻射變化對各緯度帶臭氧含量的影響差異不大.

4.3 QBO影響作用

圖7和圖8分別給出QBO@10 hPa和QBO@30 hPa對各個緯度帶臭氧分布的影響作用.

從圖中可見，QBO@10 hPa對0°—15°N、15°—30°N和30°—45°N三個緯度帶臭氧分布變化的影響幅度分別為-5～2DU、-7～10DU、-9～14DU，隨著緯度升高影響幅度增大；QBO@30 hPa對三個緯度帶的影響幅度分別為-9～4DU、-6～10DU、-4～8DU，隨著緯度升高影響幅度減小.

特別值得注意的是，QBO對不同緯度帶臭氧分布的影響作用存在相位上的差異.在0°—15°N區(qū)域，臭氧變化與QBO相位相同，即QBO為西風(fēng)相位時(shí)導(dǎo)致臭氧增加，東風(fēng)相位時(shí)導(dǎo)致臭氧減少；而在15°—30°N和30°—45°N兩個緯度帶，臭氧變化與QBO相位相反，即QBO為西風(fēng)相位時(shí)導(dǎo)致臭氧減少，東風(fēng)相位時(shí)導(dǎo)致臭氧增加.QBO通過緯向風(fēng)垂直切變影響對流層頂乃至對流層，當(dāng)平流層低層為東風(fēng)切變時(shí)，赤道地區(qū)的對流層上層有異常上升運(yùn)動，臭氧總量減少，而中緯度下沉氣流加強(qiáng)，臭氧總量增加；當(dāng)平流層低層為西風(fēng)切變時(shí)，赤道對流層異常下沉，臭氧總量增加，而中緯度上升氣流加強(qiáng)，臭氧總量減少.因此，QBO不同相位對各緯度帶臭氧變化產(chǎn)生增加或減少的不同效應(yīng)(田文壽等，2011).

4.4 ENSO影響作用

圖9給出ENSO對各緯度帶臭氧分布變化的影響作用.

從圖9可見ENSO對三個緯度帶臭氧的影響作用分別為-7～6DU、-6～5DU和-9～11DU.在0°—15°N和15°—30°N區(qū)域，臭氧總量變化與ENSO指數(shù)變化相位相反，即ENSO指數(shù)為正時(shí)導(dǎo)致臭氧總量減少，ENSO指數(shù)為負(fù)時(shí)導(dǎo)致臭氧總量增加；而在30°—45°N區(qū)域臭氧總量變化與ENSO相位相同.

圖7 QBO@10 hPa 對北太平洋地區(qū)不同緯度帶臭氧總量的影響Fig.7 Effects of QBO@10 hPa on total ozone over the North Pacific Ocean of different latitudes

圖8 QBO@30 hPa 對北太平洋地區(qū)不同緯度帶臭氧總量的影響Fig.8 Effects of QBO@30 hPa on total ozone over the North Pacific Ocean of different latitudes

圖9 ENSO 對北太平洋地區(qū)不同緯度帶臭氧總量的影響Fig.9 Effects of ENSO on total ozone over the North Pacific Ocean of different latitudes

圖10 各因子對各緯度帶典型月份年總影響效應(yīng)對比Fig.10 Comparison of all factors′ effects on total ozone in typical months

在ENSO正相位時(shí)期，熱帶低緯度地區(qū)大氣上升，進(jìn)入到平流層的中下層區(qū)域，并產(chǎn)生向極地向下的運(yùn)動，在中緯度30°N附近下沉回到對流層，即剩余環(huán)流(汪明圣，2015)，這導(dǎo)致30°N以南區(qū)域大氣臭氧減少，而30°N以北地區(qū)臭氧增加；在ENSO負(fù)相位時(shí)期，對剩余環(huán)流的運(yùn)動有抑制作用，導(dǎo)致低緯度臭氧較常年有所增加，而高緯度地區(qū)臭氧較常年有所減少.由于上述原因，不同緯度帶臭氧變化存在著相位差異.

4.5 形成北太平洋上空臭氧年內(nèi)和年際變化特征的可能機(jī)制

從圖2可見，北太平洋這三個緯度帶大氣臭氧總量的年周期平均態(tài)隨著緯度存在明顯的差異，峰值月份隨著緯度增加而提前，0°—15°N區(qū)域臭氧在8月達(dá)到峰值，15°—30°N在5月而30°—45°N在2月，這是由Brewer-Dobson環(huán)流對全球臭氧分布特征決定的.在年平均態(tài)基礎(chǔ)上，上述各種影響因子綜合作用，決定各緯度帶臭氧的年際變化趨勢.圖10給出上述各因子對三個緯度帶典型月份年總影響效應(yīng)對比.

從圖10可見，在EESC、ENSO、QBO等影響因子的共同作用下，0°—15°N區(qū)域10月，15°—30°N區(qū)域4月，30°—45°N區(qū)域3月，臭氧的年減少量顯著高于其它月份.

5 結(jié)論與分析

臭氧主要在熱帶地區(qū)上空生成，通過環(huán)流作用輸送到全球，不同緯度帶臭氧含量因不同的熱力、動力、化學(xué)等因素而存在差異.本文利用1979—2014年臭氧總量衛(wèi)星遙感資料，考察了北太平洋上空大氣臭氧長期變化趨勢及其影響因素，得到如下結(jié)論：

(1) 本文考慮的影響因子主要包括EESC、Solar、QBO和ENSO，回歸結(jié)果分析表明這些因子對太平洋上空臭氧總量的影響都是顯著的，表明本文使用的多元回歸分析和調(diào)和函數(shù)擬合相結(jié)合方法，適用于臭氧長期變化趨勢分析及影響因素定量評估.

(2) 北太平洋各緯度帶臭氧分布呈現(xiàn)顯著的年周期變化特征，而且隨著緯度帶不同有所變化.在各個月份，臭氧含量都隨著緯度升高顯著增加；各緯度帶臭氧變化差異顯著，其中，0°—15°N區(qū)域臭氧峰值出現(xiàn)在8月，高值月份集中在7—9月；15°—30°N區(qū)域臭氧峰值出現(xiàn)在5月，高值月份集中在4—6月；而在30°—45°N區(qū)域，臭氧峰值出現(xiàn)在2月，高值月份集中在2—4月.表明隨著緯度升高，臭氧峰值出現(xiàn)的月份在逐步提前.

(3) 北太平洋地區(qū)各緯度帶臭氧年際變化呈現(xiàn)減少趨勢，減小速度隨著緯度升高而增大，從低到高三個緯度帶臭氧減少速率分別為-0.2DU/a、-0.22DU/a和0.75DU/a.

(4) EESC主要通過化學(xué)催化反應(yīng)消耗臭氧，導(dǎo)致臭氧總量的減少，這種減少效應(yīng)隨著緯度升高而增大，從低到高三個緯度帶的減少效應(yīng)最大分別達(dá)到-11DU、-16DU和-66DU.

(5) 太陽輻射Solar的增強(qiáng)可以加強(qiáng)光化學(xué)反應(yīng)速率，從而促進(jìn)臭氧生成，使臭氧總量增加，在三個緯度帶最大增加效應(yīng)分別為16DU、17DU和19DU，差異不大.

(6) 分析表明QBO@10 hPa和QBO@30 hPa對臭氧分布變化的影響幅度基本都在±10DU內(nèi)波動，QBO影響效應(yīng)隨緯度不同存在相位差異，在0°—15°N區(qū)域影響效應(yīng)與QBO相位相同，而在15°—30°N和30°—45°N區(qū)域與QBO相位相反.產(chǎn)生這種差異的原因是，平流層QBO處于不同相位時(shí)，緯向風(fēng)垂直切變在赤道地區(qū)氣流上升或下沉，導(dǎo)致臭氧減少或增加，而在中緯度地區(qū)大氣垂直切變運(yùn)動方向相反，因此，15°—30°N和30°—45°N區(qū)域臭氧變化與QBO相位相反.

(7) ENSO對三個緯度帶臭氧總量的影響幅度分別為-7～6DU、-6～5DU和-9～11DU.ENSO影響作用在0°—15°N和15°—30°N區(qū)域與ENSO相位相反，而在30°—45°N區(qū)域與ENSO相位一致.ENSO的正、負(fù)相位時(shí)期對剩余環(huán)流分別起到加強(qiáng)和抑制作用，從而導(dǎo)致臭氧變化在30°N南北出現(xiàn)相位差異.

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(本文編輯 劉少華)

Analysis of total ozone trends and their affecting factors over the North Pacific Ocean

HAN Shuang-Shuang1,2,HUANG Fu-Xiang2*,CHEN Xi1,2,XIA Xue-Qi1

1 School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China2 National Satellite Meteorological Center,Beijing 100081,China

Based on satellite remote sensing datasets of total ozone during the period of 1979 to 2014,this paper simulates these data using a multivariate linear regression model to investigate the long-term trends of total ozone over the North Pacific Ocean and to assess the impact of each factor on the distribution of the ozone.The results show that the total ozone in the North Pacific Ocean decreased over the years.However,the rates varied with different seasons and latitudes,and the ozone decreased most significantly during the seasons in which the ozone level was at its maximum.In the range of 0°—15°N,the high ozone value appeared in the summer and autumn,during which the mean decline rate was about 0.2DU/a,then reached its peak in August.In the range of 15°—30°N,the high value appeared in the spring and summer,during which the mean decline rate was about 0.22DU/a,then reached its peak in May.In the range of 30°—45°N,the high ozone value appeared in the winter and spring,during which the mean decline rate was about 0.75DU/a,then reachesd its peak in February.The factors influencing the distribution of ozone considered in this article include the equivalent effective stratospheric chlorine (EESC),solar,quasi-biennial oscillation (QBO) and El Nio-southern oscillation (ENSO).Among these,the ozone depletion caused by EESC increases with the increasing latitude,and the maximum losses are 11DU,16DU and 66DU,respectively.The enhancement of solar will increase the ozone level,and the maximum effects in the three dimensions are 16DU,17DU and 19DU,respectively.The contributions of QBO@10 hPa and QBO@30 hPa to the ozone are all about ±10DU,except for QBO@10 hPa on 30°—45°N which reaches 14DU.Worth noting is that the ozone changes and QBO have the same phase in the range of 0°—15°N,while in the ranges of 15°—30°N and 30°—45°N they have the opposite phases.The effects of ENSO are present within ±10DU at all latitudes,and show phase differences at different latitudes as well.The ozone changes in the ranges of 0°—15°N and 15°—30°N have opposite phases to ENSO,while those in the range of 30°—45°N are consistent with the phase of ENSO.

North Pacific Ocean;Total ozone;EESC;Solar;QBO;ENSO

韓爽爽，黃富祥，陳希等.2016.北太平洋上空臭氧總量長期變化趨勢及其影響因素分析.地球物理學(xué)報(bào)，59(11):3974-3984,

10.6038/cjg20161104.

Han S S,Huang F X,Chen X,et al.2016.Analysis of total ozone trends and their affecting factors over the North Pacific Ocean.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):3974-3984,doi:10.6038/cjg20161104.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275035)，公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201206015)資助.

韓爽爽，女，1991年生，碩士研究生.E-mail:hanss@cugb.edu.cn

*通訊作者 黃富祥，男，1967年生，博士，研究員，主要從事衛(wèi)星大氣臭氧遙感反演算法與應(yīng)用、衛(wèi)星閃電探測技術(shù)與應(yīng)用等方面的研究，

E-mail:huangfx@cma.gov.cn

10.6038/cjg20161104

P405

2016-02-03，2016-09-27收修定稿