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Journal of Geo-information Science >

2014 , Vol. 16 >Issue 6: 971 - 979

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00971

Orginal Article

Variation of Total Ozone over China for 30 Years Analyzed by Multi-source Satellite Remote Sensing Data

  • ZHANG Ying , 1 ,
  • GAO Yang 2 ,
  • ZHU Shanyou , 1, * ,
  • ZHANG Guixin 1
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  • 1. School of Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
  • 2. Pukou Meteorological Bureau of Nanjing,Nanjing 211800, China
*Corresponding author: ZHU Shanyou, E-mail:

Received date: 2013-12-20

  Request revised date: 2014-04-02

  Online published: 2014-11-01

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Abstract

This paper focuses on the temporal and spatial dynamics of total ozone over China from 1981 to 2010 with multi-resource remote sensing and ground-level monitors. The results indicate that the total ozone over China is continuously decreasing. The speed of the decreasing is slower compared with the whole world and keeps almost the same compared with the northern hemisphere, but it is slightly slower than that of the northern hemisphere. The total ozone declines by 0.11% per year, reaching 0.36 DU. However, the pace of the decreasing slowed down since 2000. The temporal distribution of the total ozone over China is uneven. The total ozone increases with the rise of latitude, and the total ozone of the eastern region is higher than the western region. The total ozone tended to increase from 2005. The seasonal variation of the total ozone in China indicates a sine curve and the maximum and the minimum values appear in March and October respectively, and their corresponding average values are about 333.36 DU and 284.54 DU respectively. The total ozone over China shows an obvious seasonal variation. Overall, the total ozone over China in winter and spring is higher than summer and autumn. In different seasons, the variations of the total ozone over China of the southern area and the northern area are not the same. In winter and spring, the variations of the total ozone over China of the southern area and the northern area are bigger. While in summer and autumn, the variations are not obvious. The seasonal change of the total ozone over China is not evident in the latitudinal direction, but in the longitudinal direction. The seasonal variations of the southern area and the northern area are almost opposite. The amplitude of the seasonal variation increases with respect to the latitude.

Key words： multi-resource remote sensing; total ozone; ground-level monitoring; temporal and spatial dynamics characteristics

Cite this article

ZHANG Ying , GAO Yang , ZHU Shanyou , ZHANG Guixin . Variation of Total Ozone over China for 30 Years Analyzed by Multi-source Satellite Remote Sensing Data[J]. Journal of Geo-information Science, 2014 , 16(6) : 971 -979 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00971

1 引言

臭氧是大气中一种重要的微量气体,由氧分子吸收紫外辐射光解而成,主要集中在平流层,约占整个大气总量的90%。对流层分布的臭氧较少,主要来源于对流层光化学反应产生及平流层的对流输送[1]。在近地面,O3是一种大气污染气体,对人类健康和动植物都会产生危害[2],尤其是对儿童和哮喘病人带来的影响较为严重[3-4]。此外,对流层臭氧浓度的增加会造成地表温度升高,对全球的辐射平衡产生影响,进而对全球和局部地区的气候产生影响。因此,开展大气中臭氧含量尤其是近地面O3浓度,以及臭氧总量的时空分布规律研究具有重要意义。
除了地基观测外,卫星遥感是监测臭氧的另一种重要手段。自20世纪70年代以来,卫星数据成功应用于臭氧的监测,各国学者通过卫星数据并结合地基资料做了大量研究,并分析了当前的臭氧变化规律和未来的变化趋势。徐晓斌等[5]利用卫星数据分析了1979-2005年中国及不同区域对流层臭氧柱含量全年和不同季节的变化趋势,结果表明,对流层O3柱含量总体变化趋势并不显著,在夏季有微弱上升趋势,其他季节呈下降趋势;珠三角和四川盆地地区总体呈下降趋势;在华北地区总体呈上升趋势,夏季增长率最高,达到1.10 DU/10a;南方涛动强度对中国部分地区对流层臭氧柱含量变化有很大影响。肖钟湧等[6]利用多源遥感数据,分析了1979-2008年青藏高原上空近30 a臭氧总量的时空动态特征,结果表明：青藏高原上空的臭氧总量在持续下降,而且下降速度高于全球和北半球平均水平,但是自2000年后,下降的速度有所减缓。
结合地基与卫星2种监测方法的优势,本文以中国大陆作为研究区域,利用多源遥感传感器反演的臭氧总量数据,以及地面观测数据,在多源臭氧总量遥感产品校验的基础上,分析了近30 a来中国上空臭氧总量的时空变化特征。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

2.1.1 卫星数据
本文利用的卫星臭氧总量数据主要包括TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)、OMI(Ozone Monitor Instrument)、FY-3A TOU(Total Ozone)臭氧总量产品数据。
TOMS搭载在极轨卫星Nimbus-7(1981年1月至1991年7月)、Meteor-3(1991年8月至1994年11月)、Earth Probe(1996年7月至2005年12月)上,用于测量整层大气臭氧总量的分光辐射探测器,通过测量太阳后向散射紫外辐射进而获取全球大气臭氧总量[7],每天提供一幅全球臭氧柱含量分布图。TOMS 309 nm波段对臭氧吸收较强而且对定标误差要求不高,比较适合赤道地区臭氧探测;而322 nm波段更加适合探测高纬度地区臭氧含量[8]。本文所使用的TOMS臭氧柱总量格点日平均资料为Version 8 版本,空间分辨率为1°×1.25°。
OMI搭载于AURA卫星上,利用臭氧在331.2 nm和317.5 nm波段的强吸收特性进行臭氧总量反演。本文所采用的OMI臭氧产品空间分辨率为0.25°×0.25°,是利用差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)算法反演得到的。
我国第二代极轨气象卫星FY-3A搭载的紫外臭氧总量探测仪,在308~360 nm间设置6个通道,垂直于卫星轨道平面扫描,扫描范围为±54°[9]。本文所采用的臭氧总量产品数据的空间分辨率为 50 km×50 km。
由于TOU、TOMS和OMI的观测时间、分辨率、反演算法等不同,臭氧总量反演结果存在着一定的差异。王维和、张兴赢等利用TOU反演的臭氧总量数据,与OMI反演的臭氧总量数据进行了对比分析,结果表明,TOU臭氧总量反演结果和OMI产品相对均方根偏差约为3%,中低纬度地区均方根偏差小于高纬度地区,最大均方根偏差出现在南极臭氧洞之内[10]。TOU臭氧总量算法基本类似于TOMS V7算法,但TOU反演臭氧总量精度要高于TOMS。
2.1.2 地面臭氧总量观测数据
地面数据来自于世界臭氧紫外数据中心(WOUDC,Word Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre),各观测站点信息见表1。4个站点分别用Dobson分光光度计和Brewer臭氧光谱仪观测臭氧总量,这2种仪器在较好的比对条件下,数据误差在1%以内[11]。
Tab. 1 Information of 4 total ozone ground observations

表1 4个臭氧总量地面观测点信息

站点号 站名 仪器 纬度 经度 高度(m)
208 香河 Dobson#75 39.75°N 116.37°E 80
295 瓦里关 Brewer#054 36.287°N 100.898°E 3816
326 龙凤山 Brewer#076 44.727°N 127.585°E 331
349 拉萨 Brewer#117 29.67°N 91.13°E 3650
香河站采用的是Dobson#75光谱仪,对地面臭氧总量进行观测。Dobson光谱仪测量臭氧总量精度一般为2%[12]。拉萨、瓦里关和龙凤山3个站点分别采用Brewer#117、Brewer#054和Brewer#076光谱仪对臭氧总量进行观测。长期观测中,通过定期与传递标准仪器Brewer#017进行校准,以及仪器的自我检测实现对数据的质量控制,保证了数据的准确性[13]。

2.2 研究方法

TOMS资料已被广泛应用于分析全球大气臭氧时空分布,所取得的结论已获国际公认[14]。虽然OMI和TOU资料的应用较少,但是与之前的传感器相比,精度更高。在本研究中,利用从WOUDC获取的中国4个地面站点数据对OMI和TOU数据进行了验证(表2)。图1为OMI和TOU卫星反演数据与地面观测数据的比较验证散点图。
Tab. 2 Comparison and contrast of OMI and TOU with ground-based data (WOUDC)

表2 OMI 和TOU遥感数据与地面数据(WOUDC)的比较验证

数据源 平均值(DU) 相关系数 斜率 截距 时间
WOUDC 324.05 00.975 0.9601 18.1 2006.01-2009.06
OMI 318.66
WOUDC 346.01 0.98 0.9482 16.508 2009.07-2010.12
TOU 347.28
Fig. 1 Comparison and contrast of OMI and TOU with ground-based data (WOUDC)

图1 OMI 和TOU遥感数据与地面数据 (WOUDC) 的比较验证散点图

为了分析1981-2010年近30 a的臭氧柱总量时空变化特征,对所用数据进行了时间和空间上的匹配,将3种不同的传感器获得的不同时段的数据,利用最邻近重采样方法,生成一套近30 a空间分辨率为0.25°×0.25°的数据集。
虽然卫星反演数据与地面观测数据之间相关性很高,但二者之间仍存在差异,为了更精确地直接比较与分析多源卫星长时间序列的遥感产品,需要通过地面观测数据对卫星反演数据进行订正。针对所有站点,将地面观测数据和卫星反演产品作回归分析,得到两者之间的线性关系及相关系数,从而以地基观测数据为基准,利用该关系模型对卫星反演结果进行订正。采用订正后的卫星反演数据分析中国大陆近30 a臭氧总量的时空变化特征。

3 臭氧总量时空变化遥感监测结果与分析

3.1 中国臭氧总量年际变化

为了研究臭氧总量的年际变化特征,对中国大陆(不包括南沙群岛)上空臭氧总量做区域平均,图2为1981-2010年中国臭氧柱总量平均值分布曲线,其中1995年缺少观测资料。从图2可看出,从1981年至1997年前后,中国臭氧柱总量呈下降趋势,从1997年开始,尤其是近5年(从2005年开始),中国臭氧柱总量呈上升趋势,这与全球臭氧总量近30 a来的变化趋势基本一致[15]。1981-2010年,中国上空臭氧总量减少了3.3%,大约为10.73 DU,每年平均减少0.11%,大约为0.36 DU。研究表明,自1979-2008年全球平均臭氧总量减少了5.43%,大约为16.66 DU,每年平均减少0.19%,大约为0.57 DU;北半球平均臭氧总量减少了3.46%,大约为11.09 DU,每年平均减少0.12%,大约为0.38 DU[6],而全球臭氧总量减少的量和速度从低纬度向高纬度增大[16]。本文分析结果表明,中国臭氧总量减少的速度小于全球,而与北半球变化规律基本一致。中国位于北半球中低纬度地区,臭氧总量减少速度低于全球高纬度地区,略低于北半球臭氧总量减少的速度。
Fig. 2 Variation of average total ozone of Chinese mainland for 30 years

图2 近30 a中国臭氧总量的年均值变化

图3为1981-2010年期间的中国臭氧柱总量30 a平均值分布图。从图3可看出,中国臭氧柱总量在空间分布上是不均匀的,从纬度方向上来看,O3总量随着纬度的升高而增加,在同纬度地区东部O3总量要高于西部[17]。高海拔地区青藏高原臭氧总量值最低,最小值约为260 DU,东北地区臭氧总量值最高,最大值约为383 DU。由于东部地区经济较为发达,人为活动排放的臭氧前体物相对于同纬度的西北地区较多,臭氧前体物的排放量较大,对于对流层臭氧含量的增加有着重要的贡献,因而东部地区与同纬度西部地区相比臭氧含量较高。
Fig. 3 Distributive map of average total ozone of Chinese mainland for 30 years

图3 近30 a中国大陆臭氧柱总量平均值分布图

臭氧总量减少的主要原因是臭氧层损耗。人类活动排入大气中的一些物质如氟氯烃进入平流层与那里的臭氧发生化学反应,就会导致臭氧耗损,使臭氧浓度减少,这是造成臭氧总量减少的一个最主要的原因。另外,寒冷也是臭氧层变薄的关键,这就是为什么首先在地球南北极最冷地区出现臭氧空洞的原因。还有一些研究认为,太阳活动峰年(即太阳活动强烈的时期)前后,宇宙射线明显增强,促使双电子氮化物(如NO2)与O3发生化学反应,使得其电子氮化物(如NO3)增加,O3转换为O2,从而破坏了臭氧层。自2005年以后,臭氧总量呈上升趋势,说明近年来对臭氧层的保护取得了一定的成效。

3.2 中国臭氧总量季节变化及月际变化

图4显示了近30 a来中国大陆臭氧总量月平均值的变化。从图4可看出,臭氧总量的季节变化较为显著,月平均臭氧总量呈现正弦曲线变化。在3月和10月分别出现峰值和谷值,平均值大约分别为333.36 DU和284.54 DU,3月和10月的最大差值可达57 DU。这种变化模式与李燕、蔡旭晖等对东亚地区臭氧总量变化趋势的研究结果相似[18]。
Fig. 4 Monthly variation of total ozone of Chinese mainland for 30 years

图4 近30 a 中国大陆臭氧总量月平均值的变化

图5为近30 a中国大陆臭氧柱总量平均值季节分布图。总体来看,冬春季中国臭氧总量要高于夏秋季,中国臭氧总量在春季达到最高,秋季最低。一年四季中,最高值都出现在东北地区,最低值都出现在青藏高原地区。就全年而言,中国臭氧总量最高值和最低值都出现在冬季,分别为427.84 DU和241.6 DU。在不同的季节,中国南北地区臭氧总量差异有所不同。冬春季,我国臭氧总量南北地区差异较大,在夏秋季,南北地区臭氧总量差异较小。位于低纬度的南方地区,臭氧总量季节变化特征不明显,而位于高纬度的北方地区尤其是东北地区,臭氧总量从冬季到秋季变化较大。我国东西部地区臭氧总量季节变化也有不同,东部地区季节变化幅度大于西部地区。我国青藏高原地区与同纬度地区相比臭氧柱总量值明显较低。
图5 近30a中国大陆臭氧柱总量平均值季节分布图

Fig. 5 Seasonal variation of total ozone of Chinese mainland for 30 years

3.3 中国臭氧总量纬向变化和经向变化

3.3.1 经向臭氧总量变化分析
为了研究同一纬度不同经度地区臭氧总量的变化特征,本文选取位于同一纬度带(30°N)上的3个地区,由东至西分别为临安、武汉、拉萨,得到这3个地区近30 a臭氧总量的年平均变化,以及月平均变化,结果如图6所示。从图6(a)可看出,近30 a来临安、武汉、拉萨3个地区臭氧总量变化趋势基本一致。1981-2010年间,临安、武汉、拉萨3个地区臭氧总量年平均值整体呈下降趋势,与中国臭氧总量近30 a来的变化趋势相同。图6(b)结果显示,临安、武汉、拉萨3个地区臭氧总量均有显著的季节变化,而它们最大值和最小值出现的月份也基本一致。最大值出现在春季的4月份,最小值出现在冬季的12月份。
Fig. 6 Annually and monthly variation of total ozone for Lin'an, Wuhan, and Lhasa , which are at the same latitude but different longitudes

图6 同一纬度不同经度3个点地区(临安、武汉、拉萨)年均值和月均值变化曲线

由图6可知,在同一纬度带上,我国东、中部地区(临安与武汉)臭氧总量高于西部地区(拉萨),而东部地区臭氧总量也略高于中部地区。造成这种现象的原因是多方面的：(1)对流层中光化学反应和平流层高浓度臭氧向对流层的输送是对流层臭氧的主要来源;(2)人为排放的臭氧前体物包括NOX、CO、CH4、VOCs等对臭氧光化学生成量有很大的影响,其中NOX浓度是控制对流层臭氧光化学生成速率的关键因素[17],中东部地区经济发达,臭氧前体物 NOX等成分偏高[18],是对流层臭氧总量较高的化学因素;(3)太阳短波辐射的季节变化对臭氧光化学生成的影响,以及西太平洋副热带高压和亚洲季风变化引起的平流层臭氧向对流层输送量的变化,都对对流层臭氧的季节分布有着重要影响[19]。
3.3.2 纬向臭氧总量变化分析
本文选取位于同一经度带(114°E)上的3个地区,由南至北分别为深圳、武汉、石家庄,得到这3个地区30 a臭氧总量的年际变化及月际变化(图7)。从图7(a)可看出,近30 a来深圳、武汉、石家庄3个地区臭氧总量年平均变化趋势基本一致,臭氧总量年平均值整体呈下降趋势,而近5 a来,3个地区臭氧柱总量呈上升趋势,这与中国臭氧总量近30 a来的总体变化趋势相同。
Fig. 7 Annually and monthly variation of total ozone for Shenzhen, Wuhan and Shijiazhuang, which are at the same longitude but different latitudes

图7 同一经度不同纬度3个点地区(深圳、武汉、石家庄)年均值和月均值变化曲线

图7(b)结果显示,深圳、武汉、石家庄3个地区臭氧总量季节变化均较为显著,但3个地区的极大值和极小值出现的月份并不同。位于中国南方的深圳,极大值出现在春季的5月份,极小值出现在冬季的12月份;位于中部地区的武汉,极大值出现在春季的4月份,极小值出现在冬季的12月份;位于北方的石家庄,极大值出现在春季的3月份,极小值出现在秋季的9月份。由此可知,臭氧总量达到极大值的时间随纬度增高而提前,达到最小值的时间则相差较大。
由以上分析可知,中国北方地区和南方地区的臭氧总量季节变化几乎相反,季节变化的振幅随纬度增高而增大。平流层中臭氧含量主要由对流层顶高度(即平流层中下层的温度)、太阳辐射强度和大气环流型式所决定[20]。在北方地区,冬夏季对流层顶高度和太阳辐射强度变化较大,因而北方地区臭氧总量季节性变化较大;而在冬末春初,对流层对流活动不活跃,对流层顶高度变化也不大,随着太阳辐射的不断增强,此时臭氧总量出现极大值;夏末秋初,虽然太阳辐射很强,但由于对流层顶的高度增加使得平流层中的温度降低,在此时北方地区臭氧总量达到最小。在南方地区,由于对流层顶高度和太阳辐射强度变化并不大,故臭氧总量变化振幅较小;夏季的太阳辐射强度强、光化学作用强,同时由于平流输送作用,南方地区的臭氧总量在此时达到一年中的最大值。
低纬度地区平流层化学过程中产生的臭氧被大气环流输送到中高纬度,造成中高纬度地区臭氧总量值较高。尤其是在冬春季节,强盛的极向环流将在热带平流层低层的光化学过程产生的高浓度臭氧向北方输送,形成了中高纬度地区冬春季平流层低层的臭氧高浓度层,这一高浓度层是中高纬度地区臭氧柱总量高的原因。因而我国北方地区臭氧总量值较高,而南方地区臭氧总量较小。

4 结论

(1)本研究利用地基与多源遥感数据,分析了30 a来中国大陆上空臭氧总量的变化特征,结果表明中国上空臭氧总量总体在减少。然而,自2000年后,臭氧总量下降速度变缓,尤其是2005年以来,中国臭氧柱总量呈上升趋势,这与全球臭氧总量近30 a来的变化趋势基本一致。从1981-2010年,近30 a中国上空臭氧总量减少了3.3%,大约为10.73 DU,每年平均减少0.11%,大约为0.36 DU。中国臭氧总量减少速度低于全球高纬度地区,略低于北半球臭氧总量减少速度。
(2)中国臭氧总量呈明显的季节变化。月平均臭氧总量呈现正弦曲线变化,最大值出现在3月,最小值出现在10月,平均值大约分别为333.36 DU和284.54 DU,3月和10月的最大差值可达57 DU。冬春季中国臭氧总量要高于夏秋季,在春季达到最高,秋季最低。
(3)位于同一纬度带(30°N)上的临安、武汉、拉萨3个地区,与位于同一经度带(114°E)上的深圳、武汉、石家庄3个地区,臭氧总量变化趋势与中国臭氧总量变化趋势一致。在同一纬度带上,东部地区臭氧总量高于西部地区,季节变化趋势基本一致。在同一经度带上,北方地区和南方地区的臭氧总量季节变化几乎相反,季节变化的振幅随纬度增高而增大。

The authors have declared that no competing interests exist.

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