李菁，戴竹君，李正金，沈澄，姜有山

南京市氣象局，江蘇 南京 211100

臭氧是自然大氣中的重要組成部分，是氧的同素異形體，與人類的生存環(huán)境息息相關(guān)（劉新春等，2014）。自然界中的臭氧多分布在平流層，它能吸收99%以上對(duì)人類有害的太陽(yáng)紫外線，保護(hù)地球上的生命免遭短波紫外線的傷害。而在近地面，臭氧卻是光化學(xué)煙霧的主要成分，屬于污染物。近年來(lái)隨著人類消耗能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大及汽車持有量的迅猛增加，導(dǎo)致全球臭氧柱濃度出現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)（王宏等，2011）。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（劉小正等，2016）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用衛(wèi)星資料觀測(cè)區(qū)域及全球臭氧已取得了許多成果（Ziemke et al.，1998；Bracher et al.，2005；單源源等，2016；徐曉斌等，2010；盧乃錳等，2017）。肖鐘湧等（2010）利用遙感監(jiān)測(cè)青藏高原上空臭氧總量30 a的變化，發(fā)現(xiàn)青藏高原上空的臭氧總量還在持續(xù)下降，而且下降速度高于全球和北半球平均水平；鄭向東等（2010）對(duì)不同時(shí)期、不同衛(wèi)星反演的產(chǎn)品差別特點(diǎn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)TOMS（OMI-Total Ozone Mapping Spectrometer）算法反演的衛(wèi)星臭氧總量與地基差別總體上優(yōu)于與DOAS（OMI-Differential Optical Absorption Spectroscopy）算法反演的同期產(chǎn)品。王晴等（2019）利用衛(wèi)星臭氧遙感資料，考察 2008年以來(lái)青藏高原臭氧總量變化特征，發(fā)現(xiàn)臭氧總量從冬末至春季各月均有顯著增加趨勢(shì)，其變化特征與青藏高原春季大氣溫度變化趨勢(shì)緊密相關(guān)。以上研究表明，衛(wèi)星能較好地監(jiān)測(cè)臭氧總量的時(shí)空分布，但現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)城市尺度的臭氧遙感反演較少，并且多集中于對(duì)臭氧總量的研究。

南京市地處江蘇省西南部，地理坐標(biāo)為31°14′—32°36′N，118°22′—119°14′E，具有典型的北亞熱帶濕潤(rùn)氣候特征。作為中國(guó)東部地區(qū)重要的中心城市之一，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，南京的大氣環(huán)境污染問(wèn)題也日趨明顯，分析 2013—2017年來(lái)南京近地面臭氧柱濃度及 PM2.5濃度變化，發(fā)現(xiàn)臭氧柱濃度呈逐年上升趨勢(shì)，由2013年的85.5 μg·m-3升至 2017 年的 110.1 μg·m-3，以 5.62 μg·m-3·a-1的速率增長(zhǎng)。Li et al.（2019）去除氣象變率對(duì)臭氧變化的影響后發(fā)現(xiàn)，過(guò)去5年中國(guó)東部城市群的臭氧增加趨勢(shì)為每年 1—3 ppbv（1 ppbv≈0.5 μg·m-3）。而根據(jù)研究，自2014年以來(lái)，南京市臭氧污染也一直呈上升趨勢(shì)，每年二級(jí)超標(biāo)天數(shù)在60 d左右，是影響空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率的主要污染物，臭氧污染控制是南京市大氣污染控制的重點(diǎn)。因此，對(duì)于南京上空臭氧時(shí)空分布特征進(jìn)行研究很有必要。臭氧形成不僅與前體物的排放、光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，同時(shí)也受到輸送的影響，自由對(duì)流層甚至平流層的臭氧也會(huì)輸送至地面，從而影響地面的臭氧濃度（彭麗等，2011）。本研究以南京市作為研究區(qū)域，利用OMI反演臭氧總量，利用Ziemke數(shù)據(jù)集反演對(duì)流層臭氧柱濃度，分析近10年南京上空臭氧的時(shí)空分布特征，以期為當(dāng)?shù)爻粞跷廴局卫砑胺揽卮胧┨峁﹨⒖肌?/p>

1 資料與方法

研究使用的是2008年1月—2017年12月的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)都采用多步森單位（Dobson，unit：DU，1 DU=2.69×1016cm-1）。

臭氧監(jiān)測(cè)儀 OMI（Ozone Monitoring Instrument）是搭載在Aura衛(wèi)星上的傳感器，它通過(guò)觀測(cè)地球大氣和表面的后向散射輻射來(lái)獲取信息。OMI可以觀測(cè)臭氧垂直柱濃度、臭氧垂直廓線、氣溶膠、云及其他痕量氣體濃度。臭氧垂直柱濃度即為臭氧總量。本研究數(shù)據(jù)采用Level 3條帶數(shù)據(jù)，名稱為 OMTO3e（詳細(xì)信息參考https://disc.gsfc.nasa.gov/）。它采用TOMS V8算法對(duì)臭氧總量進(jìn)行反演。OMTO3e數(shù)據(jù)格式為HDF-EOS5，空間尺度為全球范圍，分辨率為0.25°×0.25°。（彭曉琳等，2017）。肖鐘湧等（2011）結(jié)合地面觀測(cè)的臭氧總量數(shù)據(jù)對(duì) OMI反演的臭氧總量進(jìn)行了回歸分析驗(yàn)證（斜率和截距分別為0.98和4.25，相關(guān)系數(shù)為0.98），發(fā)現(xiàn)OMI反演的臭氧總量和地面觀測(cè)值具有一致的變化趨勢(shì)，能較好地反演臭氧總量的變化。本研究使用IDL編寫代碼，批量處理 2008—2017年臭氧總量日數(shù)據(jù)，然后通過(guò)求均值，得到臭氧總量月均值數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)月均值數(shù)據(jù)進(jìn)行雙線性插值、裁剪以及季、年度平均值計(jì)算；其中，季節(jié)的劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年 2月）。然后，根據(jù)最終結(jié)果分析研究區(qū)臭氧總量的時(shí)間和空間分布特征。

衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)流層臭氧柱濃度來(lái)自 Ziemke et al.（1998）計(jì)算的對(duì)流層臭氧柱濃度數(shù)據(jù)集（詳細(xì)信息參考https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/cloud_slice/new_data.html）；該數(shù)據(jù)集以臭氧監(jiān)測(cè)儀OMI提供的臭氧總量，以及微波臨邊探測(cè)器 MLS（Microwave Limb Sounder）探測(cè)的平流層臭氧柱濃度為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算二者之差得到對(duì)流層臭氧柱濃度。該數(shù)據(jù)集當(dāng)前提供2004年10月—2017年12月的逐月對(duì)流層臭氧柱濃度數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1.25°。Ziemke數(shù)據(jù)集已通過(guò)多方面驗(yàn)證，可靠性高（Martin et al.，2007；Nassar et al.，2008；Schoeberl et al.，2007；張倩倩等，2019）。研究對(duì)于Ziemke發(fā)布的逐月數(shù)據(jù)主要利用IDL軟件進(jìn)行讀取，并對(duì)其進(jìn)行月、季、年的均值計(jì)算（季節(jié)劃分同上）。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧總量不同時(shí)間尺度變化分析

2.1.1 臭氧總量的年際變化特征

圖1所示為2008—2017年南京市上空臭氧總量年均值變化趨勢(shì)圖。2008—2017年南京臭氧總量具有明顯的波動(dòng)。臭氧總量的最低值出現(xiàn)在2008年，為284.46 DU；最高值出現(xiàn)在2010年，為297.27 DU。對(duì)于南京市的 5個(gè)區(qū)而言，臭氧總量最高的區(qū)為六合，年均值為291.4 DU，該區(qū)臭氧總量最高值出現(xiàn)在2010年（300.7 DU）；其次為浦口和南京站，分別為289.8 DU和289.2 DU；溧水的臭氧總量年均值為287.9 DU；高淳年平均臭氧總量最低，為286.4 DU，該區(qū)臭氧總量最低值出現(xiàn)在2008年，281.9 DU。

2.1.2 臭氧總量的季節(jié)變化特征

計(jì)算2008—2017年臭氧總量的10年累計(jì)季節(jié)變化均值發(fā)現(xiàn)，南京市臭氧總量在春季達(dá)最大值，為307.73 DU，夏季次之，為292.8 DU；秋季最小，為272.9 DU；其中，除夏季臭氧總量最大值出現(xiàn)在2010年，為305.4 DU，春、秋、冬季的臭氧總量最大值均出現(xiàn)在 2015年，分別為 319.1、279.6、323.2、294.0 DU。2008—2017年，春季和冬季臭氧總量值呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而夏、秋兩季則呈緩慢下降趨勢(shì)。由圖2可知，春季臭氧總量值最為突出，南京全市臭氧總量在303.5 DU到312.6 DU；冬季臭氧總量在 277.1—287.8 DU；秋季的臭氧總量為四季最低，最低值為 271.05 DU，最高值為 275.2 DU。夏、秋兩季全市臭氧總量變化范圍小于冬、春兩季，在5 DU范圍內(nèi)。

2.1.3 臭氧總量的月變化特征

圖 3所示為南京地區(qū) 2008—2017年共計(jì) 120個(gè)月的臭氧總量的月均值變化趨勢(shì)圖。研究發(fā)現(xiàn)，10年間南京地區(qū)臭氧總量的月均值呈現(xiàn)周期性變化，每年最高值基本出現(xiàn)在 3—6月，最低值則基本在10月至次年1月。10年來(lái)，臭氧總量的月均值變化總體呈緩慢上升趨勢(shì)。10年中臭氧總量最大值出現(xiàn)在2010年6月，為327.22 DU；最小值出現(xiàn)在2016年10月，臭氧總量值為255.84 DU。通過(guò)最小二乘線性擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10年間臭氧總量以0.0083 DU·a-1的速度緩慢增長(zhǎng)。而計(jì)算南京地區(qū)臭氧總量2008—2017年累計(jì)10年的月均值發(fā)現(xiàn)，4月和 10月臭氧總量分別出現(xiàn)峰值和谷值，平均值分別為311.76 DU和266.24 DU，差值可達(dá)45.5 DU。

圖1 2008—2017年南京市臭氧總量年均值時(shí)空分布Fig. 1 Variation of annual average of total ozone of Nanjing from 2008 to 2017

2.2 臭氧總量空間變化

圖4 所示為2008—2017年南京市臭氧累計(jì)10年均值空間分布圖?？梢钥闯?，南京臭氧總量累計(jì)年均值范圍在285.82—292.688 DU，明顯高于臭氧層空洞標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值 220 DU，高值與低值差異 6.686 DU；10年間南京臭氧總量的空間分布呈現(xiàn)明顯的北高南低的緯度分布特征，北部地區(qū)的六合（291.38 DU）明顯高于南部高淳（286.41 DU）。

2.3 對(duì)流層臭氧柱濃度的不同尺度時(shí)間變化分析

2.3.1 對(duì)流層臭氧柱濃度的年際變化特征

圖2 2008—2017年南京臭氧總量季節(jié)變化Fig. 2 Variation of seasonal total ozone of Nanjing from 2008 to 2017

圖5 所示為南京地區(qū)對(duì)流層臭氧柱濃度年均值的變化。其中，2008—2011年，對(duì)流層臭氧柱濃度明顯下降，由2008年的42.3 DU降至2011年的40.4 DU，2011年的對(duì)流層臭氧柱濃度為10年來(lái)最低；其后，2012—2013年，對(duì)流層臭氧柱濃度又迅速增加，2013年的42.9 DU為10年以來(lái)最大值；而2014年下降到41.3 DU，其后對(duì)流層臭氧柱濃度又逐漸回升至42.89 DU；對(duì)流層臭氧柱濃度在2008—2017年總體呈上升趨勢(shì)。

2.3.2 對(duì)流層臭氧柱濃度的季節(jié)變化特征

圖 6所示為對(duì)流層臭氧柱濃度的季節(jié)變化均值，可以看出，對(duì)流層臭氧柱濃度的季節(jié)均值最大出現(xiàn)在夏季，為48.8 DU；其次為春季，43.5 DU，秋季接近于春季，對(duì)流層臭氧柱濃度為41.1 DU；冬季最小為34.1 DU。10年中，春季最大值出現(xiàn)在2008年，為47.0 DU，最小值出現(xiàn)在2014年，為39.3 DU；夏季最大值出現(xiàn)2016年，為51.8 DU，最小值出現(xiàn)在2011年，為42.1 DU；秋季最大值為2015年的43.9 DU，最小值為2008年的39.1 DU；冬季近10年的對(duì)流層臭氧柱濃度分布在29.9—36.8 DU。10年中，除春季對(duì)流層臭氧柱濃度呈下降趨勢(shì)，其余均呈上升趨勢(shì)。

2.3.3 對(duì)流層臭氧柱濃度的月變化特征

圖3 2008—2017年臭氧總量月均值變化Fig. 3 Variations of monthly total ozone from 2008 to 2017

圖4 近10年南京市臭氧總量平均值分布圖Fig. 4 Distributive map of average total ozone of Nanjing for 10 years

由圖7可知，2008—2017年對(duì)流層臭氧柱月均濃度呈周期性變化，研究發(fā)現(xiàn)，每年對(duì)流層臭氧柱濃度最高值基本出現(xiàn)在5—6月，尤其6月，近10年的對(duì)流層臭氧柱濃度基本都在50 DU以上，最大值達(dá)到59.5 DU，出現(xiàn)在2016年6月；對(duì)流層臭氧柱濃度最低值則基本在 1—2月，其中，最小值出現(xiàn)在2010年，為23.2 DU。而根據(jù)最小二乘擬合的結(jié)果，10年間，南京市對(duì)流層臭氧柱濃度也以0.016 DU·a-1的速度增長(zhǎng)。而計(jì)算2008—2017年10年累計(jì)對(duì)流層臭氧柱濃度月均值發(fā)現(xiàn)，對(duì)流層臭氧柱濃度6月最高，為54.9 DU，最低值出現(xiàn)在1月，為32.1 DU，最大月濃度和最小月濃度的比值為1.7。對(duì)流層臭氧柱最大值的出現(xiàn)比臭氧總量推遲 2—3個(gè)月。

圖5 2008—2017年對(duì)流層臭氧柱濃度年均值變化Fig. 5 Variation of average tropospheric ozone of Nanjing from 2008 to 2017

圖6 2008—2017年對(duì)流層臭氧柱濃度四季均值變化及線性變化趨勢(shì)Fig. 6 Seasonal average tropospheric ozone and its linearity change trend from 2008 to 2017

圖7 2008—2017年對(duì)流層臭氧柱濃度月均值變化Fig. 7 Variations of monthly tropospheric ozone from 2008 to 2017

3 討論

2008—2017年南京臭氧總量具有明顯的波動(dòng)，其中 2010臭氧總量最高。研究發(fā)現(xiàn)，臭氧總量周期性變化原因主要在于其對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)期變化的響應(yīng)（吳統(tǒng)文等，1994），以及臭氧層的恢復(fù)（樊雯璇等，2012）。2010年俄羅斯西部衛(wèi)星出現(xiàn)長(zhǎng)波輻射（OLR）異常增高、對(duì)流層變暖的現(xiàn)象，而氣象變化異常是臭氧增加的主要驅(qū)動(dòng)力，這也是導(dǎo)致2010年臭氧柱濃度明顯高于其他年份的原因之一（陳雪萍等，2019）。

臭氧總量的季節(jié)分布呈現(xiàn)春季＞夏季＞冬季＞秋季。研究表明，臭氧總量的季節(jié)性差異產(chǎn)生的原因主要在于太陽(yáng)輻射的差異、大氣環(huán)流的差異及平流層臭氧的輸入的影響（張艷等，2015b）。春季大氣臭氧總量出現(xiàn)高峰的原因尚有爭(zhēng)議，但基本觀點(diǎn)是由大氣輸送以及NOx、VOCs等前體物在春季的光化學(xué)反應(yīng)造成的（陳雪萍等，2019）。夏、秋兩季全市臭氧總量變化范圍小于冬、春兩季，在 5 DU范圍內(nèi)，原因在于冬春季極向環(huán)流強(qiáng)盛，而夏秋季這種環(huán)流較弱，因此，夏秋季的變化梯度小于冬春季（沈凡卉等，2011）。

10年間南京臭氧總量的空間分布呈現(xiàn)明顯的北高南低的緯度分布特征，分析原因，一方面，由于大氣環(huán)流輸送影響，低緯度地區(qū)平流層化學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的臭氧被大氣環(huán)流輸送到中高緯度，造成中高緯度地區(qū)臭氧總量值較高。（張瑩等，2014；郭世昌等，2012）；另一方面，就大氣環(huán)境中的污染物排放主要來(lái)自全市的石油、化工、鋼鐵等高耗能企業(yè)，主要集中于城區(qū)以北地區(qū)（丁長(zhǎng)春等，2018）。因此，前體物排放狀況也是導(dǎo)致臭氧總量在南京呈北高南低的可能原因。

對(duì)流層臭氧的濃度和人類生活息息相關(guān)：一方面城市的發(fā)展，人類活動(dòng)排放，使近年來(lái)臭氧柱濃度增加明顯；另一方面，對(duì)流層臭氧柱濃度的增加對(duì)人類的健康、植物生長(zhǎng)等各方面也帶來(lái)很多不良的影響（趙輝等，2018）；而關(guān)于臭氧時(shí)間序列變化的研究中，大多研究采用的是臭氧總量探測(cè)資料，而對(duì)其他類型臭氧探測(cè)資料的研究較少，因此，研究對(duì)流層臭氧柱濃度的時(shí)空變化趨勢(shì)具有一定的科學(xué)意義。

對(duì)流層臭氧柱濃度在 2008—2017年總體呈上升趨勢(shì)；選取 2008—2017年南京國(guó)家基準(zhǔn)氣候站的氣象資料與對(duì)流層臭氧年平均濃度進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)流層臭氧年平均濃度與年平均氣溫及年日照總時(shí)數(shù)呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.447、0.443。2008—2017年南京市的年平均氣溫和年日照時(shí)數(shù)分別以0.08 ℃·a-1及6.7 h·a-1的速度增長(zhǎng)；因此，近 10年來(lái)南京地區(qū)氣候變暖，也是導(dǎo)致對(duì)流層臭氧柱濃度增加的原因之一。而對(duì)流層臭氧柱濃度的季節(jié)均值最大出現(xiàn)在夏季，為48.8 DU，這是因?yàn)橄募緦?duì)流層臭氧受日照輻射、高溫等氣象條件的影響，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，所以對(duì)流層臭氧柱濃度最高，對(duì)流層臭氧柱濃度的季節(jié)變化與太陽(yáng)輻射的季節(jié)分布較為一致，與臭氧總量的季節(jié)變化相比有所不同。

每年對(duì)流層臭氧柱濃度最高值基本出現(xiàn)在 5—6月。根據(jù)以往的研究，受季風(fēng)影響，中國(guó)中東部地區(qū)5月起太陽(yáng)輻射和氣溫逐漸上升，有利于大氣光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；由于 7、8月大氣擴(kuò)散條件普遍優(yōu)于 5—6月，源自工業(yè)過(guò)程、機(jī)動(dòng)車排放與化石燃燒釋放的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物較易擴(kuò)散，在大氣中滯留的時(shí)間相對(duì)較短，因此，7、8月相比5、6月的臭氧柱濃度反演值偏低（劉小正等，2016b）。對(duì)流層臭氧柱最大值的出現(xiàn)比臭氧總量推遲 2—3月，原因可能在于相較臭氧總量，對(duì)流層臭氧柱濃度受大氣環(huán)流、氣溫、日照等氣象要素及臭氧前體物的排放的影響更為顯著。

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，基于 OMI數(shù)據(jù)的臭氧的動(dòng)態(tài)、大范圍的遙感監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足的缺陷，對(duì)臭氧的預(yù)防和治理提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）2008—2017年臭氧總量具有明顯的波動(dòng)，最低值出現(xiàn)在2008年，最高值出現(xiàn)在2010年。從臭氧總量的季節(jié)變化來(lái)看，春季＞夏季＞冬季＞秋季；春季和冬季臭氧總量值均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而夏、秋兩季則呈緩慢下降趨勢(shì)。南京地區(qū)臭氧總量月均值呈現(xiàn)周期性變化，月均值在4月和10月分別出現(xiàn)峰值和谷值。南京臭氧總量的空間分布呈現(xiàn)明顯的北高南低的緯度分布特征。

（2）對(duì)流層臭氧柱濃度在近 10年總體呈上升趨勢(shì)。對(duì)流層臭氧柱濃度的季節(jié)均值最大出現(xiàn)在夏季，10年中，除春季對(duì)流層臭氧柱濃度呈下降趨勢(shì)，其余季節(jié)均呈上升趨勢(shì)。對(duì)流層臭氧柱濃度的月平均變化呈現(xiàn)單峰分布，6月的對(duì)流層臭氧柱濃度最高，為54.9 DU，最低值出現(xiàn)在1月。對(duì)流層臭氧柱濃度較臭氧總量的月變化分布推遲2—3個(gè)月。