南京地区臭氧总量变化与对流层顶高度的相关性研究

基于南京国家气象探空站2021年11月24日至2022年11月6日每周三14时开展的臭氧探空观测与地面臭氧激光雷达垂直观测,开展同层高度数据对比分析,并结合臭氧探空仪的基本信息特征,计算臭氧总量,分析对流层顶高度与臭氧总量的相关关系。结果表明,在400~500 m高度以下,两种臭氧垂直观测数据的吻合度较高,相关系数可达0.95以上,两者比值基本维持在1附近,且具有相同的上升趋势。而在此高度以上,两者的偏差逐渐增大,探空数值明显偏大,两者的比值波动也逐渐增大;南京地区臭氧总量与对流层顶高度呈显著正相关,相对变率分析发现臭氧总量比对流层顶高度变化得更为强烈,且交叉谱分析进一步证实臭氧总量的变化超前于对流层顶高度,臭氧总量发生改变时,会造成对流层顶高度发生相应变化。

基于卫星观测的连云港臭氧总量时空特征研究

本文利用卫星观测的臭氧总量数据,分析连云港臭氧总量时空分布特征,以及与近地面臭氧的时空分布比较。结果表明,连云港市臭氧总量基本呈现纬向分布,同时臭氧总量从北向南呈递减趋势。从全市年均分布上看,赣榆区臭氧总量是最高的。从全市臭氧总量月均变化上看,高值集中出现在3~5月份。最高值在4月份,最小值出现在10月份。连云港市臭氧总量在春季达最高值,夏季次之,秋季为最小值。县区臭氧总量月变化和季节变化与全市相一致。卫星观测的臭氧总量与近地面臭氧相比,在空间分布上臭氧总量变化趋势与县区臭氧浓度变化基本一致。无论从臭氧总量上看,还是从近地面臭氧浓度上看,赣榆区是最高的,灌南县是最低的。从月均变化和季节变化上看,臭氧总量与近地面臭氧变化趋势并不一致。臭氧总量在4月份达到最高值,而近地面臭氧浓度在6月份达到最高值。臭氧总量在春季达到最高值,秋季为最低值。而近地面臭氧浓度在夏季达到最高值,冬季达到最低值。

基于OMI数据的周口市臭氧总量时空变化特征分析

利用2005—2018年周口市OMI数据,对臭氧总量时空变化特征进行了分析研究。首先,分析了周口市臭氧总量的年平均值空间分布特征,各年份臭氧年平均值基本呈纬向分布趋势,即周口市北部臭氧总量高、南部臭氧总量低;其次,对周口市臭氧总量的差值空间分布特征进行了分析,2005—2018年周口市中部地区的臭氧变化比较大;同时,对周口市臭氧总量年平均值的纬向变化特征行了分析,在小区域范围内,周口市的臭氧变化不符合纬向变化特征,随着纬度的增加臭氧总量整体变化不大。

FY-3气象卫星紫外臭氧总量探测仪辐亮度在轨定标与反演结果分析

FY-3气象卫星上搭载的紫外臭氧总量探测仪TOU是我国自主开发研制的首台用于全球臭氧总量定量测量的探测仪,自发射以来已成功在轨运行近两年.由于TOU发射前辐亮度定标存在偏差,为了得到高精度的产品,TOU必须进行在轨定标.本文介绍了基于辐射传输模式计算对TOU辐亮度进行在轨道定标的方法,定标过程中用于模拟辐亮度计算的臭氧总量由与TOU观测时刻相近的国外臭氧总量探测仪器MetOp/GOME-2提供.文章将在轨定标后TOU的反演结果与AURA/OMI以及地基的产品进行比较,结果表明,用辐射传输模式对TOU辐亮度进行在轨定标的方法是可行的,反演结果能够真实地反映臭氧的时空分布特性,在全球部分地基观测站所处的位置上对TOU,OMI以及地基的臭氧总量进行比较的结果表明,TOU与OMI的相对偏差均方根约为2.52%,TOU与地基以及OMI与地基观测结果之间的相对偏差均方根分别为4.45%和3.89%.

FY-3B TOU臭氧总量多元回归插值与验证

FY-3B TOU臭氧总量产品空间分辨率为50 km,在开展小区域或精细化的臭氧研究时,需要获得更高分辨率、更具有准确性和可靠性的臭氧插值数据。常规的数据插值方法没有考虑TOU臭氧总量受短波辐射、海拔高度的影响,所得到的插值数据参考性不强。该文利用TOU多元回归插值方法,采用程序设计方式,动态分析TOU与短波辐射、海拔高度之间的相关性,建立一元回归模型,并根据一元回归模型结构建立多元回归模型,再通过多元回归模型对TOU进行插值。使用OMI臭氧总量数据对插值结果开展验证,验证结果表明采用多元回归算法的插值具有较好的可行性。该插值方法及程序设计对其他类似的数据插值、分析具有一定的借鉴和参考意义。

FY-3A气象卫星臭氧总量数据的质量控制方案及其在台风Tembin (2012)和Isaac (2012)中的应用

我国第二代极轨气象卫星"风云三号"A星(FY-3A)上搭载的紫外臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit,TOU)每天可以提供一次覆盖全球的臭氧总量观测。为了在数值预报中应用TOU的臭氧资料,从资料同化角度发展了一套质量控制方案。首先基于臭氧总量和平均位势涡度的高相关性建立了逐日动态更新的臭氧线性回归预报模型,然后使用双权重算法对臭氧资料进行质量控制。将该质量控制方案应用于台风Tembin(2012)和Isaac(2012)个例,试验结果说明该方案可以体现出臭氧总量和平均位势涡度之间相关关系的逐日变化,识别出的离群资料百分比随时间变化较稳定,可以保留原始资料的主体信息,并且显著降低了原始资料的标准差。同时,质量控制后的臭氧数据与统计拟合量更加一致,观测减拟合的概率密度函数分布形式也更接近高斯分布,有利于后续的资料同化。

东北地区大气臭氧总量的变化特征

采用TOMS大气臭氧总量格点资料 ,分析了我国东北地区近 2 0a臭氧的年分布特征、季节变化和总体变化趋势。得出 2 0世纪 80～ 90年代中期东北地区大气臭氧总量呈减少趋势、90年代末呈增加趋势的结论。

后向散射辐射探测大气臭氧总量反演方法的改进

以SBDART模式作为辐射传输计算模式,在各种大气气溶胶存在的情况下利用现有的大气后向散射反演大气臭氧总量的Version7方法,模拟计算得到各种气溶胶存在时的大气臭氧总量,并分析了反演结果误差产生的原因．进一步提出根据斜气柱臭氧总量sΩ0,选择不同连续波长区间测量得到的后向散射强度来对臭氧总量的初估值Ω0进行修正的方法．将得到的结果与Version7的进行比较,证明了新方法的有效性．

FY-3C卫星紫外臭氧总量探测仪的在轨替代定标

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标,导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后,结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据,探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区,用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度,比较观测值与模拟计算值,通过统计筛选晴空像元,估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理,反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明,基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候,可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。

拉萨地区1998年夏季臭氧总量及垂直廓线的观测研究

该文根据 1 998年 6～ 1 0月上旬在拉萨地区进行的臭氧总量及臭氧垂直廓线的观测结果 ,并结合同期同纬度其他两个臭氧站数据资料 ,证实了以拉萨地区为代表的青藏高原在夏季存在“臭氧低谷”的现象 .分析表明 ,地基和卫星观测的臭氧总量有一定误差 .Umkehr观测反演结果表明夏季拉萨地区平流层臭氧分布和同纬度其他地区相比略有不同 ;在对流层 。

近30年北半球冬季臭氧总量分布特征及其与平流层温度的关系

臭氧的时空分布特征对气候和环境变化具有显著影响,随着臭氧资料数量的增加和质量的提高,有必要对臭氧时空分布特征及其与气候变化的关系进行详细研究.本文利用欧洲中期天气预报中心提供的1979—2013年的全球月平均臭氧总量资料、平流层温度场资料,采用旋转经验正交函数分解(REOF)、Morlet小波分析、合成分析等方法研究了20°N以北的北半球冬季(12—2月)臭氧总量异常的主要空间分布结构与时间演变特征,并进一步分析了主要模态与平流层上层(2hPa)、中层(30hPa)以及下层(100hPa)温度异常的关系.结果表明:近30年北半球冬季臭氧总量异常变化最显著的区域主要有5个,分别位于极地地区(75°N—90°N,0°—360°)、北半球副热带地区(20°N—40°N,0°—360°)、阿拉斯加地区(60°N—75°N,180°—260°E)、北大西洋地区(45°N—60°N,310°E—360°E)及西伯利亚地区(50°N—65°N,80°E—130°E).5个区域的冬季臭氧总量异常具有明显的年际和年代际变化特征.1980年代后期是各个区域的臭氧总量异常由年代际偏多转为偏少的转换时段.此外,各区域存在显著的年际变化周期,而且各个区域的年际周期存在明显的差异.臭氧总量异常变化与平流层温度异常变化的关系表明,臭氧总量异常的增加(减少)能够导致平流层上层温度异常偏冷(暖)和平流层中、下层温度异常偏暖(冷),其中平流层中层温度异常的偏暖(冷)程度要比下层更加明显.

近30年青藏高原臭氧总量亏损的可能原因及其与对流层顶高度的联系

基于总臭氧测绘光谱计TOMS和太阳向后紫外线散射仪SBUV结合得到的30年(1979-2008年)全球月平均臭氧总量资料,首先分析了近30年青藏高原(下称高原)上空臭氧总量的下降趋势,然后讨论了高原动力抬升作用对臭氧总量的影响,最后探讨了高原臭氧总量亏损与高原对流层顶高度的联系。结果表明,高原臭氧总量及其下降趋势均存在着明显的季节差异,与同纬度非高原区相比,高原地区各月的臭氧总量均偏低,特别是在3-9月臭氧亏损严重;近30年高原地区臭氧总量在各季节均呈现出下降趋势,除了秋季外,其下降幅度均超过同纬度其他地区;春、夏季高原动力抬升有利于对流层低浓度的臭氧含量向平流层输送,从而导致高原臭氧总量的减少。近30年春、夏季高原臭氧总量亏损与夏季高原第二对流层顶高度的抬升存在着密切关系。

青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系

根据1979—2008年青藏高原地区14个探空站对流层顶气压资料以及同期各标准等压面上的温度资料,分析了不同季节高原上空两类对流层顶高度与高空各层温度之间的关系;在此基础上,结合同期的NCEP/NCAR月平均再分析资料以及NASA提供的TOMS/SBUV月平均臭氧总量资料,分别讨论了高原上升运动以及高原臭氧总量与对流层顶高度的耦合关系。结果表明:高原第一(二)对流层顶高度全年处在300～200hPa(100hPa附近)高度,在季节变化、年际变化以及长期变化趋势上,两类对流层顶高度与各自对应高度层上的温度存在着密切的反相变化关系,当对流层顶高度偏高(低)时,相应高度上的温度偏低(高)。上升运动有助于两类对流层顶高度的抬升,尤其是当高空200(100)hPa附近有上升运动时,有利于第一(二)对流层顶高度抬升。各季节高原臭氧总量与第二对流层顶高度均呈显著的负相关关系,当臭氧含量减少(增加)时,该对流层顶高度将偏高(偏低),近年来伴随着高原臭氧总量的减少,高原第二对流层顶高度出现了明显的抬升。

中国低纬度地区大气臭氧总量的变化特征

分析研究了位于我国低纬地区不同经度的昆明与香港两个站点上空的臭氧分布与演变状况,得出了中国低纬度地区大气臭氧总量的时空演变特征。研究结果显示:(1)香港与昆明两地臭氧的时间变化特征极为相似;(2)整个中国低纬地区的大气臭氧的时间变化趋势是非常一致的,在空间上呈现出东高西低的特征;(3)我国低纬地区的大气臭氧总量在夏季出现极大值,在冬季出现极小值。计算结果还表明,昆明的臭氧总量要小于其所在纬圈的平均值。

云顶以下臭氧对TOMS反演臭氧总量的影响及反演方法的理论研究

目前紫外后向散射反演臭氧总量的所有算法,都将云考虑成不透明的Lambertian反射体,并假定云顶有效反照率不随波长的变化而变化.然而本文通过模拟计算发现,由于云散射、瑞利散射、臭氧吸收三种作用的综合结果,云顶的有效反照率是与波长相关的,即使光学厚度比较大的云,辐射也可由云顶继续向下传输,因而会受到云顶以下臭氧吸收的影响.用V7方法进行反演,模拟计算结果表明:云的出现使得云顶以下,特别是云内光程增强,导致紫外波段的臭氧吸收衰减增大,所以反演出的臭氧总量值比真实值偏大,本文称这种现象为“云吸收效应”,并讨论了该效应的影响因子.最后,在辐射传输模拟的基础上建立一套反演算法,大大减弱了“云吸收效应”的影响.

火山气溶胶对北京地区臭氧总量变化趋势的影响

分析了１９７９～１９９５年北京地区臭氧总量的变化趋势、１９８０～１９９４年整层气溶胶光学厚度和１９８１～１９８５、１９９０～１９９４年平流层气溶胶光学厚度。分析依据的数据资料来自Ｄｏｂｓｏｎ仪器所观测的臭氧总量资料和太阳辐射表提供的气溶胶光学厚度资料。结果表明，１９７９～１９９５年期间北京地区臭氧总量年变化率为－０２６９％，１９８２～１９８５、１９９１～１９９４年间臭氧总量年变化率分别高达－０９５４％和－１４３９％。这说明厄尔奇琼火山和皮纳图博火山爆发对臭氧总量减少可能起到重要作用。

风云-3A卫星TOU臭氧总量地基对比验证分析

通过地基臭氧总量观测,对风云三号(FY-3A)气象卫星TOU(2009年7月至2013年12月)臭氧总量开展检验分析.结果显示,TOU臭氧总量与地基测值之间的线性相关系数达到0.95以上,相对差别(RD)为(-0.16+4.3)%.赤道地区RD随地基测值的上升明显,太阳天顶角(SZA)为70°以上时TOU臭氧总量明显下降,75°~85°有一4%^-10%不等的降幅.云量变化(0~100%)或云高变化(1~15 km)对RD的影响在±2%以内.RD随着吸收性气溶胶(AI为正值)有-2%^-5%的变化,在南半球中纬度地区明显.TOU与地基Dobson,Brewer及SAOZ光谱仪测值的RD分别为(0.6±0.17)%,(0.05±0.2)%,(0.04±0.01)%.当地基臭氧总量在200 DU以下时,TOU值低于Dobson或SAOZ测值;而在430~500 DU时,TOU高于SAOZ值2%~6%.TOU分别与Dobson,Brewer,SAOZ的RD对SZA(70°以下)、云量变化均不敏感,但TOU分别与Brewer,SAOZ的RD在云高5 km以上时或随AI的增加均出现一定的趋势特征.

中国4个地点地基与卫星臭氧总量长期观测比较

对我国河北香河、云南昆明、青海瓦里关及黑龙江龙凤山地基观测臭氧总量与不同时期、不同卫星反演的产品差别特点进行比较，评估地基和卫星观测臭氧总量数据的质量信息以及近30年来我国不同区域臭氧总量的变化趋势特征。结果表明：4个站点的地基与卫星观测臭氧总量的绝对和相对差别分别为-5～10DU和-5％～4％；日平均相对差别基本上呈现随机分布特征。TOMS算法反演的卫星臭氧总量与地基差别总体上要优于与DOAS算法反演的同期产品。地基与卫星臭氧总量差别呈明显的区域特点，可能反映了卫星反演计算中所需的臭氧、温度垂直分布等初始条件的纬度分布差异对卫星产品精度的影响。在过去30年，4个站点的臭氧总量在经历1993年前的显著降低后于1995-1996年逐渐回升，而瓦里关站在2001年前后的回升更为明显。

云南UV－B、臭氧总量及气候与农业产量的关系

通过时１９８０－１９９０年期间一系列观测及统计资料进行综合分析后指出：８０年代我国云南的气候变化是以变暧和变干为主要特征；粮食产量与旱涝有很好的对应关系。有关研究结果还表明，在云南１２种农作物中，特别是大豆的产量，与大气臭氧变化及抵达地面的太阳生物有效紫外线（ＵＶ－Ｂ，２８０－３２０ｕｍ）辐照量之间有较为明显的相关。

地基与星载仪器观测大气臭氧总量分析

本文选取多个臭氧总量观测站点,采用"三重制约法"分别对下列3组仪器观测臭氧总量数据进行统计分析,解算出不同观测资料的误差标准差,进而对比研究各种仪器的精度特征:1)1996~2003年期间地基WOUDC(World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre)观测网络仪器(包括Brewer、Dobson和Filter臭氧测量仪)与星载TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)和GOME(The Global Ozone Monitoring Experiment)仪器;2)2004~2013年期间WOUDC与星载OMI(ozone monitoring instrument)和SCIAMACHY(scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography)仪器;3)2004~2013年期间地基SAOZ(Système D’Analyse par Observations Zénithales)与星载OMI和SCIAMACHY仪器。结果表明,1996~2003年期间TOMS V8和GOME观测精度相当,分别为7.6±2.8 DU/46(其中,7.6±2.8 DU为所分析站点观测资料的平均精度及其标准差,46为站点数目)和7.6±1.5 DU/46。TOMS V8观测精度优于TOMS V7(8.5±3.0 DU/46),验证了前者对后者有所改进。2004~2013年期间OMI和SCIAMACHY在WOUDC地基站点观测精度接近,分别为6.6±1.4 DU/21和6.0±1.6 DU/21。SAOZ地基仪器精度为8.4±3.6 DU/8。对于3类WOUDC地基仪器,Brewer站点观测资料的平均精度最优(7.9±3.3 DU/12),Dobson次之(8.7±2.3 DU/19),Filter最差(14.7±4.0 DU/15)。相比于卫星,3种地面仪器观测平均精度较差(10.5±4.3 DU/46),这主要是由于Filter精度较差引起。中国境内的瓦里关(Brewer)、香河(Dobson)和昆明(Dobson)3个地基站点仪器观测精度均较优,分别为7.8 DU、6.7 DU和6.6 DU。尽管不同站点之间存在一定差异,但整体来说,地基与卫星仪器在中国境内3个站点观测臭氧总量吻合较好。