近十五年全球臭氧變化

1、 1998 年 8 月A C TA M E T EO RO L O G ICA S IN ICA A u g. , 1998 近十五年全球臭氧變化任福民( 國家氣候中心, 北京, 100081)王梅華( 北京氣象學(xué)院, 北京, 100081)周秀驥李維亮史久恩( 北京氣象學(xué)院, 北京, 100081)( 中國氣象科學(xué)研究院, 北京, 100081)摘要利用衛(wèi)星觀測臭氧總含量 TOM S (第7版) 資料, 在剔除季節(jié)變化后對全球60S- 60N 范圍首先進(jìn)行了沿緯度分布的線性趨勢和周期分析。結(jié)果說明: 自本世紀(jì)70年代末, 各緯帶上的 臭氧總量都呈下降趨勢, 強(qiáng)度隨緯度升高而加劇, 并發(fā)現(xiàn)總體

2、上北半球臭氧的下降趨勢較南 半球更加明顯; 同時證實(shí)了準(zhǔn)兩年振蕩是臭氧變化中除年周期外最顯著的周期。并對臭氧變 化中的準(zhǔn)兩年振蕩作了遙相關(guān)分析; 發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)兩年振蕩在強(qiáng)度和位相上根本呈緯向分布并主要 表現(xiàn)出赤道對稱的特征。135 170E 地區(qū)臭氧總量變化所表現(xiàn)出的不同于其它地區(qū)的原因 可能是這一地區(qū)常年頻繁出現(xiàn)的對流活動; 而臭氧總量下降趨勢表現(xiàn)出的北半球同緯度地區(qū) 均大于南半球的南北半球差異可能是由兩半球人類活動的差異引起。關(guān)鍵詞: 全球臭氧, 變化趨勢, 準(zhǔn)兩年振蕩。引言1自1980 年代初發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞以來, 臭氧變化研究引了起越來越多的關(guān)注。英國H a lly B ay 南極站的大氣臭氧

3、總量觀測顯示, 自1970年代中期開始, 南極臭氧總量逐年明 顯下降1 。盡管人類活動引起北半球?qū)α鲗映粞鹾孔怨I(yè)革命前以來表現(xiàn)為增加2 , 而 由它造成的全球平流層大氣臭氧乃至大氣柱臭氧總量的減少更是為眾多觀測事實(shí)所證 實(shí)3 。S to la r sk i 等對 TOM S 全球臭氧資料的研究發(fā)現(xiàn)臭氧減少主要發(fā)生在冬春季, 南極 上空臭氧總量呈現(xiàn)每10 a 減少20% 的趨勢; 北極和南、北半球中緯度35 64度地區(qū)的臭氧 總量也存在著顯著的減少趨勢4 。1992年末至1993年初, 南極和北半球中緯度地區(qū)的臭氧 總量均到達(dá)有記錄以來的最低值5 。周秀驥等6 對中國臭氧變化的研究發(fā)現(xiàn)在青藏

4、高原 臭氧常年維持一低值中心。前面的工作對臭氧變化的趨勢進(jìn)行了深入的和富有成果的研究。然而, 臭氧變化在主 要表現(xiàn)出下降趨勢的同時, 也包含著周期性變化。30個月和20個月左右的準(zhǔn)兩年振蕩是全球臭氧變化的重要特征7 。史久恩等8 對中國地區(qū)大氣臭氧總量的研究說明, 中國南部地初稿時間: 1997年1月30日; 修改稿時間: 1997年1月30日。資助課題: 自然科學(xué)重大工程和96290820420224課題資助。區(qū)臭氧變化也表現(xiàn)出顯著的準(zhǔn)兩年振蕩。然而, 僅僅對沿緯帶平均或某一區(qū)域的資料進(jìn)行分析, 還缺乏以了解臭氧變化的全球分布特征。利用 TOM S 資料, 在進(jìn)行臭氧變化沿緯度 分布及其周期

5、性變化分析的根底上, 對全球范圍臭氧的準(zhǔn)兩年振蕩進(jìn)行研究。資料處理臭氧資料為1978年11月至1993年4月美國 Go dda rd Sp ace F ligh t C en te r 的 TOM S (第7版本) 全球網(wǎng)格資料和1977年1月至1994年12月新加坡30 h P a 緯向風(fēng)逐月距平序列。對 臭氧資料進(jìn)行質(zhì)量檢查時發(fā)現(xiàn), 南、北緯60度至極區(qū)的資料有缺漏現(xiàn)象; 因此, 實(shí)際用于分 析的范圍為60S- 60N 。對上述資料, 按以下步驟進(jìn)行計(jì)算和分析:(1) 距平化臭氧資料按月進(jìn)行距平化計(jì)算, 生成已剔除季節(jié)變化的網(wǎng)格逐月臭氧距 平資料。(2) 緯帶平均臭氧距平序列生成將距平化的

6、臭氧資料按帶寬8個緯距依次生成6052S, 52 44S, , 4S4N , , 44 52N , 52 60N 共15 個緯帶平均的逐月臭氧距平 序列。(3) 對緯帶平均臭氧距平序列分別進(jìn)行趨勢分析和周期分析。A. 趨勢分析對資料序列 T ( t) , t = 1, 2, , n , 以線性函數(shù) Y = a + b t 來擬合原序列, 按最小二乘 法可求得常數(shù)項(xiàng) a 和趨勢項(xiàng) b, 其中2n tT - tTb =n t2 -(t) 2B. 周期分析如果時間序列 X 1 , X 2 , . . . , X N 中隱含有長度為 P (2 P N /2) 的周期性規(guī)律, 那么 對數(shù)據(jù)成分作如下分解

7、:X ij = X i+ ( j - 1) P = f i + W i+ ( j - 1) P式中 i = 1, 2, , P , j = 1, 2, , N /P ; 1 i + ( j + 1) P N ; f i , f 2 , , f P 是數(shù)據(jù)的周 期為 P 的分量在各個相位上的取值, 這 P 個值必然存在顯著性差異, 它們構(gòu)成數(shù)據(jù)的主 體成分。因此, 如果分組數(shù)與周期數(shù)吻合, 那么數(shù)據(jù)的組間差異必定顯著。按照上述原那么可篩選出最顯著周期, 該方法為隱含周期提取的方差分析方法。詳細(xì)計(jì) 算方法可參考文獻(xiàn)9 。(4) 準(zhǔn)兩年振蕩的遙相關(guān)分析利用具有典型準(zhǔn)兩年振蕩的新加坡30h P a 緯

8、向風(fēng)逐月距平序列10與全球網(wǎng)格距平化臭氧資料做遙相關(guān)分析。資料序列的時段選取1978年11月至1993年4月。結(jié)果分析和討論33. 1臭氧變化的緯度分布特征4期任福民等: 近十五年全球臭氧變化4873. 1. 1線性趨勢隨緯度的變化圖1為臭氧變化的線性趨勢隨緯度的分布。圖中橫坐標(biāo)為緯度值, 縱坐標(biāo)為趨勢。從圖1中容易看出, 自1970年代末以來, 全球各緯帶上的臭氧總量都呈下降趨勢。赤道地區(qū)下降 幅度最小, 每10 a 下降5. 7 DU ; 下降趨勢隨緯度升高而加劇, 在南、北緯60度分別到達(dá)-25. 0 DU /10 a 和- 31. 5 DU /10 a。在0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度水平下

9、, 只有熱帶12S - 12N地區(qū)的臭氧下降趨勢不顯著, 而在其它緯帶上臭氧下降趨勢是顯著的。圖1中另一個明顯 的特點(diǎn)是, 在南、北緯60度內(nèi), 相同緯帶上臭氧總量的下降趨勢北半球均較南半球明顯。圖1 臭氧變化線性趨勢隨緯度的分布 (1978. 11- 1993. 4)臭氧的下降趨勢表現(xiàn)出明顯的隨緯度變化的特點(diǎn), 其變化的步調(diào)在不同階段是否也存在這種差異呢? 圖2給出全球15個緯帶平均逐月臭氧距平序列?？梢钥闯鲈?990年以前,60- 36S 和20- 60N 地區(qū)臭氧總量表現(xiàn)為穩(wěn)定的下降趨勢; 而36S - 20N 地區(qū)臭氧總 量變化那么表現(xiàn)為兩個不同的階段, 前一階段是1970年代末至19

10、84年前后為相對穩(wěn)定的下 降趨勢, 1980年代中后期那么呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。另一個顯著的特點(diǎn)是進(jìn)入90 年代以 來, 全球臭氧總量變化表現(xiàn)出幾乎一致的下降趨勢并持續(xù)負(fù)距平 (僅赤道地區(qū)臭氧總量在1992 1993年間有4個月為正距平)。 南、北半球中緯度地區(qū)的臭氧總量存在著顯著下降趨勢這一結(jié)果與 S to la r sk i 等人的研究結(jié)論相一致; 不同點(diǎn)是下降趨勢顯著的區(qū)域在范圍上較 S to la r sk i 等的結(jié)果有所擴(kuò)大, 這并不矛盾, 主要是由于用于分析的資料樣本長度不同, 而本世紀(jì)90年代初又正好是 臭氧下降最劇烈的時期所致。從前面的回憶中知道, 人類活動造成臭氧總量的減少

11、。由于人類活動對大氣的影響在 北半球遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南半球, 因此不難理解人類活動對臭氧總量的破壞作用在北半球比南半 球更加明顯, 而大氣環(huán)流的平衡作用可能在一定程度上還減弱了這種差異。臭氧總量下降 趨勢表現(xiàn)出來的這種南北半球差異可能主要由兩半球人類活動的差異引起; 然而, 南極臭 氧下降趨勢為全球之最這一事實(shí)也暗示著人類活動也不是致使臭氧總量減少的唯一原 因。其中的影響機(jī)制是值得進(jìn)行深入研究的。3. 1. 2 周期性變化的緯向差異表1為臭氧變化的最顯著周期隨緯帶的分布?？梢钥闯? 在52 20S, 12S4N以及20 28N緯帶內(nèi), 臭氧變化表現(xiàn)出明顯的20 31個月的準(zhǔn)兩年振蕩。準(zhǔn)兩年振蕩表現(xiàn)最顯

12、 著的緯帶有4S - 4N ( 30個月) 和44 20S ( 29個月) , 表現(xiàn)較明顯的地區(qū)是12 4S ( 31個月) 和20 28N (20 個月) , 在28 36N ( 20 個月) 和52 44S ( 21 個月) 這些地區(qū)準(zhǔn)兩年振蕩那么相對較弱; 而在60S- 60N的其余緯帶地區(qū), 臭氧變化沒有表現(xiàn)出明顯的周期性。這一結(jié)果與 T u n g 等人7 利用功率譜方法所做的分析結(jié)論有些相似, 準(zhǔn)兩年振蕩在赤道 附近和南、北半球中緯度地區(qū)臭氧變化中都顯著地存在; 但這一結(jié)果與文獻(xiàn) 7存在較大不同。分析說明, 準(zhǔn)兩年振蕩的緯度差異較以往的結(jié)果更加明顯, 并且在南、北半球的16度4期任

13、福民等: 近十五年全球臭氧變化489圖260S- 60N 15個緯帶平均逐月臭氧距平序列(a. 60 52S; b. 52 44S; c. 44 36S; d. 36 28S e. 28 20S; f. 20 12S; g. 12 04S; h. 04S04N i. 04 12N ; j. 12 20N ; k. 20 28N ; l. 28 36Nm. 36 44N ; n. 44 52N ; o. 52 60N )線和56度線附近均不明顯, 總體上看, 北半球的準(zhǔn)兩年振蕩明顯弱于南半球。表1 臭氧變化最顯著周期的緯帶分布緯帶中心值 - 56- 48- 40- 32- 24- 16- 808

14、162432404856周期 ( 月) 無信度水平 0. 20210. 17290. 01290. 01290. 02無0. 20310. 07300. 01300. 15無0. 20200. 08200. 12無0. 20無0. 20無0. 203. 2遙相關(guān)分析上面的分析說明, 準(zhǔn)兩年振蕩是臭氧變化中除年周期外最顯著的周期, 但是對緯帶平 均資料進(jìn)行分析, 只是從總體上了解了臭氧變化中準(zhǔn)兩年振蕩隨緯度的分布, 而對于準(zhǔn)兩 年振蕩在全球臭氧變化中表現(xiàn)出來的強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)卻并不清楚。為此, 又對 TOM S 全球格點(diǎn) 資料作了深入分析。圖3是新加坡30 h P a 緯向風(fēng)逐月距平序列。周期分析結(jié)果說

15、明, 該序列具有統(tǒng)計(jì)信度超過99. 9% 的28個月的準(zhǔn)兩年振蕩。以該序列作為準(zhǔn)兩年振蕩的標(biāo)準(zhǔn)序列, 對全球網(wǎng)格臭氧距平資料做同時遙相關(guān)計(jì)算。圖3新加坡30h P a 緯向風(fēng)逐月距平序列 (1977. 1-1994. 12)圖4給出了新加坡30 h P a 緯向風(fēng)與全球臭氧的遙相關(guān)關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn), 除西太平洋135 170E 地區(qū)表現(xiàn)為特別弱的相關(guān)性外, 其余地區(qū)相關(guān)系數(shù)幾乎呈緯向分布; 這表 明全球臭氧變化準(zhǔn)兩年振蕩的強(qiáng)弱和位相根本呈緯向分布。其中, 整個沿赤道5S - 5N 地區(qū)為全球相關(guān)性最大的地區(qū), 相關(guān)系數(shù)普遍在015以上, 最大值超過017; 相關(guān)性次大的 地區(qū)為南半球20 4

16、4地區(qū)以及北半球24附近局部地區(qū), 相關(guān)系數(shù)一般在- 013以下, 而 在南半球中緯度的局部地區(qū)相關(guān)系數(shù)絕對值超過015。上述地區(qū)的相關(guān)性都超過了0101的 統(tǒng)計(jì)信度檢驗(yàn), 說明這些地區(qū)的臭氧變化存在很強(qiáng)的準(zhǔn)兩年振蕩; 而后兩個地區(qū)的相關(guān)系 數(shù)在正負(fù)號上表現(xiàn)出一致性, 并與沿赤道地區(qū)的相關(guān)系數(shù)符號相反, 這說明準(zhǔn)兩年振蕩在后兩大地區(qū)在位相上是根本同步的, 并與沿赤道地區(qū)的臭氧變化呈反位相關(guān)系。圖4 60S- 60N 臭氧與新加坡30 h P a 緯向風(fēng) (u ) 的同時遙相關(guān)4期任福民等: 近十五年全球臭氧變化491值得指出的是, 相關(guān)轉(zhuǎn)折區(qū) (即無相關(guān)區(qū)) 同時并且只出現(xiàn)在南、北半球的14度

17、線附近地區(qū), 考慮到前面分析得出的南、北半球16度線附近臭氧變化周期性不明顯的結(jié)果, 這一 地區(qū)那么可能是全球 (至少在60S- 60N ) 準(zhǔn)兩年振蕩表現(xiàn)最弱的地區(qū)。但是, 何種原因造成 這一對稱現(xiàn)象, 目前尚不清楚。分析說明, 西太平洋135 170E 特別是在熱帶地區(qū)臭氧變化表現(xiàn)出與其它地區(qū)顯著 的差異。這一地區(qū)恰好是西太平洋暖池區(qū), 是全球最強(qiáng)的熱源10 。這使得該地區(qū)幾乎常年 維持沃克環(huán)流的上升支氣流。可以推測, 這種主要發(fā)生在對流層內(nèi)的對流運(yùn)動可能通過某種機(jī)制引起平流層臭氧發(fā)生改變, 使得該地區(qū)的臭氧總量變化不同于其它地區(qū)。4小結(jié)從以上的分析和討論可以作出如下小結(jié):(1) 自本世紀(jì)

18、70年代末以來, 全球60S- 60N 各緯帶上的臭氧總量都呈下降趨勢, 而且12S - 12N以外地區(qū)的臭氧下降趨勢在統(tǒng)計(jì)上是顯著的; 下降趨勢隨緯度升高而加劇, 在相同緯帶上, 臭氧的下降趨勢北半球均較南半球明顯。本世紀(jì)90年代初是全球各緯帶臭氧下降最劇烈的時期。(2) 準(zhǔn)兩年振蕩是臭氧變化中除年周期外最顯著的周期, 其強(qiáng)度和位相根本呈緯向分 布, 而且主要表現(xiàn)出赤道對稱的特征。( 3) 赤道和南半球中緯度20 44地區(qū)是全球臭氧變化中準(zhǔn)兩年振蕩表現(xiàn)最強(qiáng)的地 區(qū), 12 4S 和20 28N 地區(qū)次之, 而南、北半球的14度線附近可能是全球準(zhǔn)兩年振蕩表 現(xiàn)最弱的地區(qū)。( 4) 除西太平洋1

19、35 170E 地區(qū)以外, 南半球中緯度地區(qū)以及北半球24附近地區(qū)臭 氧變化準(zhǔn)兩年振蕩根本同位相, 并與沿赤道地區(qū)的臭氧變化呈反位相關(guān)系。從前面的分析發(fā)現(xiàn), 臭氧變化在南北半球也表現(xiàn)出不對稱性。臭氧總量下降趨勢表現(xiàn) 出的同緯度上北半球均大于南半球的事實(shí)可能主要由兩半球人類活動的差異引起。其影 響機(jī)制以及準(zhǔn)兩年振蕩在北半球明顯弱于赤道和南半球的原因是值得進(jìn)行深入研究的。 致謝: 研究過程中與翟盤茂、周琴芳和孫安健等同志進(jìn)行了有益的討論并得到他們的大力幫助, 在此深表謝意。參考文獻(xiàn)12E a r th Sy stem Sc ience s Comm it tee1989E a r th Sy st

20、em Sc ience sIPCC. C lim a te ch ange 1994rad ia t ive fo rc ing o f c lim a te ch ange and an eva lua t io n o f th e IPCC IS92 em issio n sc ien2 a r io. In H o ugh to n J T M e ira F ilho L GB ruce J L ee H o e sungC a llande r B A H a ite s E H a r r is N and M a sk e ll K ed s. C am b r idgeU K

21、C am b r idge U n ive r sity P re ss 1994. 339ppBo jko v D. T h e o zo ne laye r recen t deve lopm en t s. B u lle t in o f WM O 199443; 2113 116S to la r sk i R SB loom f ie ld P M cp e te r s R and H e rm an J. T o ta l o zo ne t rend s deduced f rom N IM BU S 7 TOM S da ta. Geop h y s R e s L e t

22、 t s199118; 61015 1018W o r ld C lim a te D a ta and M o n ito r ing P ro g ramm e o f WM O =T h e G lo ba l C lim a te Sy stem R ev iew fo r J une 1991 - N o vem be r 1993 101 103 周秀驥羅超李維亮史久恩中國地區(qū)臭氧總量變化與青藏高原低值中心科學(xué)通報(bào)199540; 151396 1398T ung K K and Yang H. G lo ba l Q BO in c ircu la t io n and o zo

23、nep a r t I reexam ina t io n o f o b se rva t io na l ev idenceJ34567A tm o s Sc i199451; 192699 27078 史久恩周秀驥任福民中國地區(qū)大氣臭氧變化的假設(shè)干特征見周秀驥主編中國地區(qū)大氣臭氧變化及其對氣候 環(huán)境的影響; 一北京氣象出版社1996239 2459 項(xiàng)靜恬史久恩周琴芳等動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)處理北京氣象出版社1991960 96410 王紹武氣候系統(tǒng)引論北京氣象出版社199481 86STUDY O N CHA NGES O F O ZO NE O VER THEGLO BE D UR ING

24、THE PA ST 15 Y EA RSR en F um inN a tiona l C l im a te C en terB eij ing 100081Zho u X iu ji L i W e ilian gW an g M e ih u aB eij ing M eteorolog ica l col leg eB eij ing 100081Sh i J iu enC h inese A cad em y of M eteorolog ica l sciencesB eij ing 100081 B eij ing M eteorolog ica l col leg eB eij

25、 ing 100081A bstra c tB a sed o n g lo b a l TOM S ; T o ta l O zo n e M app in g Sp ec t rom e te r da ta du r in g N o v. 1978 - A p r. 1993 af te r re jec t in g th e an n u a l va r ia t io n th e stu dy a im ed a t th e lin ea r t ren d th e p e r io d ic va r ia t io n o f th e zo n a l m ean to ta l o zo n e o ve r 60S- 60N. T h e re su lt s show th a t sin ce th e en d o f 1970 s to ta l o zo n e