鄭東齊 鄭玉蘭 王春輝 鄧慧穎 王 宏

(1.邵武市氣象局,福建 南平 354000；2.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350007；3.武夷山國(guó)家氣候觀象臺(tái),福建 南平 354300；4.福建省氣象信息中心,福建 福州 350007；5.南平國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,福建 南平 354200；6.福建省氣象科學(xué)研究所,福建 福州 350007)

0 引言

臭氧探空觀測(cè)是利用氣象氣球攜帶臭氧探空儀升空，獲取地面至35km(上平流層)高度范圍內(nèi)的大氣臭氧垂直廓線數(shù)據(jù)，揭示大氣臭氧垂直分布特征和變化規(guī)律的氣象科學(xué)活動(dòng)。該項(xiàng)工作對(duì)于研究地氣系統(tǒng)輻射強(qiáng)迫、氣候與環(huán)境變化以及遙感大氣訂正等具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。世界氣象組織(WMO)規(guī)定，大氣臭氧的3個(gè)基本特征分別是地面臭氧、臭氧總量和臭氧垂直廓線。雖然臭氧是大氣中的一種微量氣體，含量很少，但它對(duì)于人類和整個(gè)生物系統(tǒng)至關(guān)重要，既是對(duì)流層和平流層大氣化學(xué)過程的核心，也是一種重要的溫室氣體。通過吸收太陽輻射的紫外光和可見光部分來改變平流層溫度結(jié)構(gòu)，是關(guān)系到全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化的重要課題[1-2]，其氣候效應(yīng)不僅依賴于它的總量而且強(qiáng)烈地依賴于它在大氣中的垂直分布[3-4]。

臭氧探空觀測(cè)在加拿大、美國(guó)、日本等國(guó)家已列入氣象環(huán)境探測(cè)業(yè)務(wù)工作，全球大氣本底站和專門的臭氧探空網(wǎng)已有60多年歷史，進(jìn)行臭氧探空業(yè)務(wù)觀測(cè)的站點(diǎn)已達(dá)50多個(gè)，其中有接近30個(gè)站點(diǎn)堅(jiān)持每天釋放一次探空氣球。我國(guó)臭氧探空觀測(cè)尚處于起步階段，主要以短期觀測(cè)試驗(yàn)為主，并未實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化。我國(guó)臭氧探空觀測(cè)及研究始于20世紀(jì)80年代。1984年8月23日，石廣玉等人與日本名古屋大學(xué)空電研究所合作進(jìn)行了我國(guó)第一次球載探空試驗(yàn)，探測(cè)了0～33km大氣臭氧和氣溶膠垂直分布特征。此后，我國(guó)科學(xué)家在北京、拉薩、昆明、西寧、香港、臨安、上海等地先后進(jìn)行臭氧探空觀測(cè)，得到各地不同時(shí)間、不同高度臭氧的垂直分布特征及變化規(guī)律，并利用這些探空數(shù)據(jù)對(duì)大氣臭氧進(jìn)行深入研究和綜合對(duì)比分析，取得了許多科研成果。石廣玉等[5-6]利用1984年8月在河北香河、1998年8月和10月在西藏拉薩獲取的臭氧高空氣球探測(cè)數(shù)據(jù)，分析單次臭氧探空觀測(cè)得到的對(duì)流層/平流層臭氧分壓、溫度、濕度廓線的變化趨勢(shì)，以及臭氧體積混合比的極大值(極小值)及高度等特征，以及臭氧垂直分布廓線，推算出大氣柱臭氧總含量。鄭向東等[7]對(duì)北京1998年8月2日臭氧次峰進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)非地轉(zhuǎn)平流輸送和對(duì)流層頂折疊是對(duì)流層臭氧次峰現(xiàn)象形成的重要原因。鄭永光等[8]利用臨安、昆明、香港臭氧探測(cè)個(gè)例結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)不管是高緯度還是低緯度，與副熱帶高空急流相聯(lián)系的平流層空氣的侵入都會(huì)導(dǎo)致對(duì)流層上層臭氧濃度升高。崔宏等[9]根據(jù)2001年春季在臨安進(jìn)行的臭氧垂直探測(cè)，結(jié)合地面及高空氣象要素演變和高空位勢(shì)渦度的變化發(fā)現(xiàn)，副熱帶急流、極鋒急流移動(dòng)造成的輻合下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)臭氧垂直廓線分布有著顯著影響。通過對(duì)臭氧廓線的長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，固定地區(qū)大氣柱臭氧總含量基本無變化，但是臭氧垂直分布不穩(wěn)定，即使處于同一緯度，在相同天氣系統(tǒng)的條件下，臭氧含量也會(huì)有所不同[10]。臭氧垂直分布分為兩種類型，一種是只在平流層中有一主極大值層，另一種是除主極大值層外，同時(shí)在對(duì)流層中還存在次極大值層。主極大值層的臭氧濃度變化相對(duì)較穩(wěn)定，次極大值層主要受大氣環(huán)流影響很不穩(wěn)定，且受季節(jié)變化與位勢(shì)高度、垂直速度等要素影響存在著明顯差異。臭氧垂直分布具有非均勻結(jié)構(gòu)和多層次特征[11]，季節(jié)變化明顯，且與濕球位溫、風(fēng)場(chǎng)、動(dòng)力輸送甚至光化學(xué)方面都有著密切關(guān)系[12-15]。

邵武探空站是福建省3個(gè)國(guó)家級(jí)探空站之一，依托武夷山國(guó)家氣候觀象臺(tái)臭氧立體觀測(cè)組網(wǎng)的建設(shè)，在此開展臭氧探空觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)于探明我國(guó)東南沿海地區(qū)大氣臭氧垂直分布規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。該項(xiàng)試驗(yàn)與中國(guó)氣象局5個(gè)臭氧探空觀測(cè)試點(diǎn)城市(北京、南京、廣州、重慶、杭州)同步進(jìn)行，這也是我國(guó)首次在超大城市和清潔區(qū)域大氣背景點(diǎn)(武夷山)開展臭氧探空協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)，將為我國(guó)的臭氧探空觀測(cè)業(yè)務(wù)化工作奠定基礎(chǔ)。

2021年11月24日，邵武首次臭氧探空觀測(cè)試驗(yàn)取得成功。本文詳細(xì)闡述臭氧探空觀測(cè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)、技術(shù)參數(shù)、工作流程，并繪制了大氣臭氧和溫濕垂直廓線圖，計(jì)算了臭氧總量并加以對(duì)比分析，以期為該項(xiàng)重要的科學(xué)試驗(yàn)走向業(yè)務(wù)化，并開展更深入的科學(xué)研究提供技術(shù)支撐。

1 儀器與工作流程

1.1 儀器

臭氧探空系統(tǒng)主要由國(guó)產(chǎn)CTY-1型臭氧探空傳感器、CYDT-1型臭氧探空傳感器檢測(cè)儀、HYDF-MCRS1型衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀、TD2A型電子探空儀基測(cè)箱等5個(gè)部分組成。

1.2 工作流程

邵武探空站(站號(hào)：58725，27.32°N，117.49°E，海拔高度218.9m)原則上每周三14時(shí)開展一次臭氧探空觀測(cè)試驗(yàn)，如有特殊的科學(xué)任務(wù)需求，可開展加密觀測(cè)。如周三遇雨天，順延至周四進(jìn)行觀測(cè)，如周三、周四都下雨，則取消當(dāng)周臭氧觀測(cè)。

流程1∶周一進(jìn)行臭氧探空傳感器施放前的準(zhǔn)備工作，包括臭氧探空傳感器外觀檢查、氣泵單元檢查、加注反應(yīng)液、檢測(cè)傳感器、測(cè)試背景電流、電池按要求充滿電，耗時(shí)約3.5小時(shí)。

流程2∶周三進(jìn)行臭氧探空觀測(cè)，主要工作包括：氣球施放前1～2小時(shí)，應(yīng)再次進(jìn)行臭氧探空傳感器檢查和第二次地面檢測(cè)；放球前半小時(shí)，開始衛(wèi)星導(dǎo)航儀地面基測(cè)、氣球充氣，將衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀與臭氧傳感器裝配完畢并與探空氣球連接，準(zhǔn)備就緒后放球人員將設(shè)備拿到氣球施放地點(diǎn)充分感應(yīng)周邊環(huán)境，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將氣球施放，爾后開始地面數(shù)據(jù)接收、上傳，全程耗時(shí)約4小時(shí)。

數(shù)據(jù)處理后獲得的測(cè)量要素為：飛行高度、氣球升速、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和臭氧分壓值等。探空儀采用模塊化結(jié)構(gòu)，溫度和濕度等常規(guī)氣象要素和臭氧測(cè)量要素分別由2個(gè)獨(dú)立單元組成，既便于操作，也易于消除各單元之間的干擾。

2 結(jié)果與分析

2.1 首次臭氧探空觀測(cè)概況

邵武首次臭氧探空觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)使用的是1600g株洲球，凈舉力2200g，13時(shí)43分氣球平緩升空，平均升速為400m/min，背景電流0.083μA，抽氣泵流量3.39mL/s，15時(shí)18分球炸，飛行歷時(shí)95min，探測(cè)高度33575.6m。

臭氧含量分別以臭氧分壓(mPa)和臭氧體積混合比(ppb)兩種單位表示。臭氧分壓是指臭氧氣體占據(jù)氣體混合物相同體積時(shí)此部分所形成的壓力。臭氧體積混合比是指106單位體積中含氣體污染物的體積數(shù)。

臭氧分壓PO3的計(jì)算公式為：

式中,R為通用氣體常數(shù)，T為大氣溫度，MO3和ρO3分別為臭氧的分子量和質(zhì)量密度。借助臭氧分壓PO3和空氣壓力P可將臭氧體積混合比r′表示為：

2.2 臭氧分壓與溫度廓線

圖1～圖3給出此次邵武臭氧探空觀測(cè)試驗(yàn)獲取到的臭氧分壓與溫度廓線、對(duì)流層臭氧體積混合比廓線以及整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線。

由圖1紅色廓線分析可見，觀測(cè)當(dāng)日14時(shí)邵武地面氣溫為16.6℃，對(duì)流層頂大約在15.6km，溫度-74.2℃，對(duì)流層內(nèi)溫度隨高度遞減，溫度直減率為5.9℃/km；在16～18km處的對(duì)流層頂、平流層底溫度降到了此次觀測(cè)的最低值-75.0℃。在這厚度約2km的大氣中，溫度廓線在-72℃附近有較大抖動(dòng)，18km以上，溫度隨高度迅速增加。

圖1 2021年11月24日邵武臭氧分壓與溫度廓線

由圖1藍(lán)色廓線分析可見，從近地面～16km左右，整個(gè)對(duì)流層臭氧的分壓較小，在1～4mPa之間變化，且總的趨勢(shì)是由地面向?qū)α鲗禹斶f減，與溫度廓線一致。到達(dá)16km以后，平流層臭氧分壓開始明顯增大，增加到25km附近達(dá)極大值，約14mPa，而后隨高度增加再次減少，直到觀測(cè)結(jié)束。此次觀測(cè)氣球爆破高度約33.6km，觀測(cè)到的臭氧分壓為3mPa。

2.3 對(duì)流層臭氧體積混合比廓線

由圖2藍(lán)色廓線分析可得，對(duì)流層臭氧體積混合比由地面向?qū)α鲗禹敳▌?dòng)式遞增，但在5～6km出現(xiàn)明顯減小，對(duì)應(yīng)當(dāng)天5～7km左右相對(duì)濕度接近100%(見圖3綠色廓線)，水汽與臭氧的反應(yīng)是對(duì)流層臭氧一個(gè)重要的匯，二者呈現(xiàn)反相分布特點(diǎn)，較高的水汽是造成臭氧濃度值偏低或下降的主要原因。因此，此處觀測(cè)的臭氧體積混合比1km內(nèi)下降了15ppb，接著開始上升，在9km處達(dá)到階段最大值67ppb，且相對(duì)濕度非常低，不足10%。而后，臭氧含量又減小，相對(duì)濕度明顯增大，由此判斷觀測(cè)當(dāng)日9km處出現(xiàn)了一個(gè)對(duì)流層臭氧次峰現(xiàn)象，就是臭氧含量出現(xiàn)了一個(gè)高值區(qū)。高濃度的臭氧來自于干氣團(tuán)，代表著存在有特殊的天氣系統(tǒng)，使得平流層富含臭氧的空氣侵入對(duì)流層，導(dǎo)致對(duì)流層中上層臭氧含量升高(課題組將另文開展對(duì)流層臭氧次峰現(xiàn)象的天氣學(xué)診斷分析)。整個(gè)對(duì)流層臭氧體積混合比值均小于75ppb，遠(yuǎn)低于平流層的臭氧體積混合比。

圖2 2021年11月24日邵武對(duì)流層臭氧體積混合比廓線

2.4 整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線

圖3是此次觀測(cè)的整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線。由圖3藍(lán)色廓線分析可見，臭氧體積混合比由地面向?qū)α鲗禹斶f增，特別是從16km開始，臭氧體積混合比明顯增大，其極大值出現(xiàn)在32km附近，達(dá)到9000ppb，比臭氧分壓極大值高度大約高7km。這是由于到了臭氧分壓含量的極值層(約25km)后，氣壓減少仍然很快，而臭氧的含量減少較慢，所以體積混合比在臭氧分壓下降時(shí)繼續(xù)上升，其極值高度也隨之上升。

圖3 2021年11月24日邵武整層大氣臭氧體積混合比與溫度、濕度廓線

2.5 臭氧總量分析

通過已知各個(gè)高度的臭氧體積混合比和大氣壓可計(jì)算整層大氣柱內(nèi)的臭氧總量X?？紤]到氣球飛行的有限高度Z2和Z2高度以上臭氧的變化特征，假定整層大氣柱內(nèi)的臭氧總含量X由Z1至Z2高度范圍內(nèi)的臭氧量X1和Z2高度以上的臭氧量X2兩部分組成[16]，即：

X=X1+X2

X2=0.7890×r×P2

計(jì)算得出，此次觀測(cè)邊界層(0～1.5km)臭氧總量為5.4DU，占2.0%；對(duì)流層(0～15.6km)臭氧總量為34.3DU，占12.8%；平流層(15.6～33.6km)臭氧總量為233.8DU，占87.2%。

3 結(jié)論與討論

①臭氧探空觀測(cè)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，此次中國(guó)氣象局臭氧探空5個(gè)試點(diǎn)城市和邵武開展的協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)采用的是我國(guó)自行研制的CTY-1型臭氧探空傳感器和地面接收設(shè)備。實(shí)施這項(xiàng)工作流程較為復(fù)雜，需要4名專業(yè)技術(shù)人員、3天時(shí)間協(xié)作完成，其中提前2天為準(zhǔn)備時(shí)間，準(zhǔn)備工作耗時(shí)約3.5小時(shí)，放飛當(dāng)天耗時(shí)約4小時(shí)。

②2021年11月24日，邵武開展首次臭氧探空觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，13時(shí)43分氣球平緩升空，平均升速為400m/min，背景電流0.083μA，抽氣泵流量3.39mL/s，15時(shí)18分球炸，飛行歷時(shí)95min，探測(cè)高度33575.6m。

③觀測(cè)當(dāng)日14時(shí)邵武地面氣溫為16.6℃，對(duì)流層頂大約在15.6km，溫度-74.2℃，對(duì)流層內(nèi)溫度隨高度遞減，溫度直減率為5.9℃/km；從近地面～16km左右，整個(gè)對(duì)流層臭氧的分壓較小，總的趨勢(shì)是由地面向?qū)α鲗禹斶f減，到達(dá)16km以后臭氧分壓開始明顯增大，增加到25km附近達(dá)極大值，此后隨高度增加而減少，直到觀測(cè)結(jié)束。

④對(duì)流層臭氧體積混合比由地面向?qū)α鲗禹敳▌?dòng)式遞增，但在5～6km出現(xiàn)明顯減小，此處觀測(cè)的臭氧體積混合比1km內(nèi)下降了15ppb，原因是5～7km左右有一整層水汽，相對(duì)濕度接近100%，導(dǎo)致臭氧含量迅速下降。在對(duì)流層中上層9km處觀測(cè)到臭氧次峰現(xiàn)象。

⑤臭氧體積混合比由地面向?qū)α鲗禹斶f增，特別是從16km左右開始，臭氧體積混合比明顯增大，其極大值出現(xiàn)在32km附近，比臭氧分壓極大值高度大約高出7km。

隨著臭氧探空觀測(cè)持續(xù)開展，以下幾部分的科學(xué)研究工作也將陸續(xù)進(jìn)行，比如不同季節(jié)大氣臭氧垂直廓線特征分析與綜合對(duì)比，基于臭氧探空觀測(cè)的對(duì)流層臭氧次峰現(xiàn)象的天氣學(xué)診斷分析，對(duì)流層/平流層臭氧總量及占比統(tǒng)計(jì)，以及開展基于OMI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的對(duì)流層臭氧總量地基校驗(yàn)和臭氧激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。