郭栋 徐建军 苏昱丞 施春华 刘煜 李维亮

摘要利用MLS卫星资料和ERA-Interim再分析资料，比较了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直结构和形成机制。结果如下：青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在两个低值中心，一个中心位于对流层顶附近，强度约为-15 DU，形成原因主要为水平幅散，另一个中心位于上平流层，强度约为-1DU，形成原因可能为光化学反应参与的氯自由基的催化损耗。北关夏季臭氧谷仅存在一个低值中心，位于对流层顶附近，该中心强度约为-5DU，其形成的主要原因是水平辐散。

关键词臭氧谷；青藏高原；北美；垂直结构；形成机制

臭氧层不仅对大气的热力结构起到重要作用（Andrews et al.，1987），而且也是生态系统的保护伞，如果没有臭氧层，地球上的生物会暴露在强烈的太阳紫外辐射下，无法生存（Fuhrer and Booker，2003）。Molina and Rowland（1974）发现氯氟烃能够使臭氧层变薄。而且，氯氟烃可以在大气中停留上百年。但是，当时他们的工作没有得到科学界的重视。直到南极臭氧洞的发现，臭氧变化才得到了更多的关注（Farman et al.，1985）。而南极臭氧洞中氯的高含量证实了Molina and Rowland（1974）的理论，并导致了1987年蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书的签署。后来，Molina和Rowland因此获得了诺贝尔奖。接着，Newman et al.（1997）发现了北极的臭氧损耗，Manney et al.（2011）发现了北极的臭氧洞现象。使得臭氧损耗研究近年来持续处于地球科学界和化学界的研究前沿和热点。

事实上，臭氧损耗并不只出现在高纬度地区。Zhou and Luo（1994）利用1979-1991年平均的TOMS卫星资料发现在夏半年（4-9月）青藏高原上空的臭氧总量比同纬度的中国东部地区要低5DU以上，称其为青藏高原臭氧谷。Zou（1996）确认了该臭氧谷的存在。Bian et al.（2006）发现在冬季有时也存在青藏高原臭氧低值区，Liu et al.（2010）研究了冬季青藏高原臭氧低值的形成机制。

周秀骥等（1995）最早推测了夏季青藏高原臭氧谷的形成机制：局地上升运动导致的物质输送和其相关的化学过程是其形成的原因。大多数工作认为与大尺度环流有关的动力输运对上对流层下平流层区（UTLS）的青藏高原臭氧谷起到主要作用，而化学作用较弱（郭世昌和徐裕华，1986；Liu et al.，2003，2009；蘇绍基和王卫国，2004；周任君和陈月娟，2005；Tian et al.，2008；Bian et al.，2011；Guo etal.，2012；杨双艳等，2012；苏昱丞等，2016；Guo etal.，2017）。Zou（1996）认为地表热通量与其密切相关，而热力过程和动力过程是统一的。Tian et al.（2008）和Bian et al.（2011）认为高原相对于同纬度地区排开了更多的空气，即高原地表以下臭氧为零，而相同海拔高度上同纬度其他地区仍存在臭氧，因此也是臭氧谷形成的原因之一。

青藏高原臭氧谷最强的中心位于UTLS区，以前的工作也基本集中在该区域。然而，Guo et al.（2012）在利用SAGEH卫星资料研究南亚高压对UTLS臭氧谷的作用时，显示平流层上层也存在一个次强的低值中心。但是，当时以为是系统误差。后来，Guo et al.（2015）在卫星资料MLS中确认了夏季青藏高原臭氧谷的双心结构，并推测化学过程可能起到重要作用。万凌峰等（2017）模拟了夏季青藏高原臭氧谷的双心结构。

而落基山对北美气候的作用，类似于青藏高原对亚洲气候的作用。在夏季对流层顶附近，二者上空均会产生高压反气旋。这种环流系统可能会对臭氧分布产生类似的影响。因此，本文比较了北美臭氧谷与青藏高原臭氧谷的垂直特征与形成机制。

1资料和方法

微波临边探测仪MLS（Microwave Limb Sound-er）搭载于美国宇航局（NASA）的极轨卫星Aural。MLS对118 GHz、190 GHz、240 GHz、640 GHz和2.5 THz进行微波临边探测，通过反演可获得UTLS区的大气成分、温度、冰的相对湿度以及卷云冰和位势高度等气候变化相关的17种大气参数的垂直廓线（Waters et al.，2006）。关于MLS反演的具体说明可参见相关文献（Livesey et al.，2006；Pumphreyet al.，2007）。MLS探测器每隔24.7 s从地表到90km高度范围在轨道面上星下点扫描一次，扫描宽度约90 km，每天大约有3 494次采样，可覆盖全球82°S～82°N的纬度范围（Waters et al.，2006）。水平格点沿着运行轨道每1.5°间隔分布一条廓线，每个轨道有240条廓线，但各个纬度间并不是等问距的。取2005-2013年夏季（6-8月）臭氧、一氧化氯、氯化氢和二氧化氮的数据，垂直分辨率约2.5 km，水平分辨率大约300～500 km。根据Livesey et al.（2006）给出的质量控制方法，对逐日轨道数据进行了预处理，剔除了异常值。所有的MLS二级的数据都可以从NASA的戈达德太空飞行中心的数据和信息服务中心（GSFC-DISC）下载。

欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-interim为新一代欧洲中心再分析资料做准备的过渡期再分析资料，采用四维变分方法，有更高的水平分辨率，更好的背景误差约束以及卫星辐射资料的变分偏差修正，并改良了快速辐射传输算法（Dee et al.，2011）。时间跨度为1979年开始，至今不断更新。本文所使用的是2005-2013年夏季（6-8月）的风场资料，垂直方向分为37个标准气压层，高度范围为1 000～1hPa，水平分辨率为0.75°×0.75°。

因为很多大气成分浓度的等值线在中纬度地区近似平行于纬线，为了便于显示大气成分浓度与同纬度其他地区的差别，本文使用了纬向偏差。大气成分浓度（量）的纬向偏差等于大气成分浓度（量）与其纬圈平均的差值。而大气成分在不同高度上浓度往往差异很大，为了清楚地显示纬向偏差的垂直特征，引入纬向偏差率。大气成分浓度（量）的纬向偏差率等于大气成分浓度（量）的纬向偏差与大气成分浓度（量）的纬圈平均的比值，单位为“1”。垂直积分的臭氧量使用多布森单位（DU）。

2青藏高原和北美夏季臭氧谷垂直结构的比较

臭氧浓度的纬向偏差率显示了夏季青藏高原和北美上空臭氧谷的垂直结构（图1）。青藏高原上空，夏季臭氧谷呈现双心结构，分别位于上对流层和下平流层区（UTLS）以及上平流层区（图1a）。而北美上空仅存在一个中心，位于UTLS区（图1b）。北美夏季臭氧谷的中心高度约200 hPa（图1b）较青藏高原臭氧谷下部中心的高度（约100 hPa，图1a）低。夏季青藏高原臭氧谷UTLS区的低值中心强度较强，臭氧纬向偏差率达到-0.3（图1a），215.4～26.1hPa垂直积分后臭氧纬向偏差的中心强度为-15DU（图略），而上平流层中心的强度较弱，臭氧纬向偏差率达到-0.01（图1a），26.1～1 hPa垂直积分后臭氧纬向偏差的中心强度为-1 DU（图略）。而夏-季北美臭氧谷的中心强度为臭氧纬向偏差率-0.18（图1b），215.4～26.1 hPa垂直积分后臭氧纬向偏差的中心强度为-5 DU（图略），比夏季青藏高原臭氧谷下部中心强度弱。

3青藏高原和北美夏季臭氧谷形成機制的比较

青藏高原夏季臭氧谷UTLS区的中心和北美夏季臭氧谷主要是由局地反气旋产生的臭氧通量辐散造成的。如图2所示，夏季青藏高原上空和北美上空，UTLS区均存在反气旋。青藏高原上空的反气旋较北美上空反气旋的范围大得多，且青藏高原上空反气旋对应的臭氧通量辐散明显较北美上空的臭氧通量辐散强。夏季青藏高原臭氧谷区100 hPa的臭氧通量散度能达到1×10kg·kg·S，而北美臭氧谷区的臭氧通量散度虽然以正值为主，但均小于5×10kg·kg·S，这是夏季青藏高原臭氧谷UTLS区的低值中心强度较北美夏季臭氧谷中心强度强的原因。综上，青藏高原夏季臭氧谷UTLS区的中心和北美夏季臭氧谷的形成机制是类似的，均以动力过程为主。

夏季青藏高原臭氧谷存在上平流层中心，而北美的上平流层并不存在臭氧谷的中心。夏季青藏高原臭氧谷上部中心的形成机制可能与化学反应有关。如图3所示，在10 hPa上，青藏高原区一氧化氯和氯化氢的浓度较同纬度其他地区高，而二氧化氮的浓度较同纬度其他地区低。而北美上空，一氧化氯和氯化氢的浓度较同纬度则较其他地区低。青藏高原区一氧化氯和氯化氢的高值中心表明活性氯对臭氧的催化损耗可能较强，而北美一氧化氯和氯化氢的低值中心则指示了活性氯对臭氧的催化损耗可能较弱。另外，青藏高原区二氧化氮浓度较低。而二氧化氮能够和活性氯反应产生较稳定的物质，导致活性氯的失活。因此，更使得青藏高原区活性氯对臭氧的催化损耗较同纬度其他地区强。综上，化学过程可能导致了青藏高原臭氧谷上平流层中心的形成。

4 结论

利用MLS卫星资料和ERA-Interim再分析资料，分析比较了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直结构和形成机制。结果表明：

1）青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在双心结构，而北美夏季臭氧谷只存在一个中心。

2）青藏高原夏季臭氧谷的下部中心（强度约为-15DU）和北美臭氧谷的中心（强度约为-5DU）位于上对流层和下平流层区，其主要是由局地反气旋的辐散造成的。

3）青藏高原夏季臭氧谷的上部中心位于上平流层，强度约为-1DU，形成原因可能为氯自由基的催化损耗。