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东亚地区大气环流活动与臭氧总量变化的关系

中国学术期刊网【环境工程论文】 编辑:天问 云南大学学报(自然科学版) 2016-11-03东亚地区大气环流活动与臭氧总量变化的关系论文作者:郭世昌 胡媛媛 陈彩霞 苗蓉,原文发表在《云南大学学报(自然科学版)杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 东亚地区; 大气环流指数; 臭氧总量变化
摘要:利用欧洲中心(ECMWF)再分析资料及NOAA的南方涛动指数(SOI)等数据,分析了1984—2014年北太平洋涛动指数(NPOI)、南方涛动指数的变化趋势,以及各指数与东亚地区臭氧总量变化之间的相关关系.结果表明:①北太平洋涛动指数近31a呈现下降趋势,北太平洋涛动对东亚地区臭氧总量的变化有一定的影响.②南方涛动则主要是通过2个事件,即厄尔尼诺事件和拉尼娜事件来影响副高的强度,进而使得东亚地区臭氧总量发生变化.

中图分类号:P421.33 文献标志码:A 文章编号:0258-7971(2016)05-0758-08 doi: 10.7540/j.ynu.20160061

臭氧是大气中一种重要的痕量气体, 臭氧能吸收太阳释放出来的绝大部分紫外线[1], 使动植物免遭这种射线危害, 其浓度和垂直分布变化直接影响地球生态系统、大气的热力结构和地气系统的辐射收支, 进而可影响地球气候; 大气中90%以上的臭氧存在于大气平流层, 离地面大约10~50km, 形成所谓的“ 大气臭氧层” .对流层中臭氧质量虽然只占臭氧总量大约10%[2], 但其产生的气候辐射效应仍不可忽视.

众所周知, 影响臭氧含量变化的因素主要包括光化学反应和大气动力输送作用2类.对于后者, 之前已有不少研究表明, 诸如冷锋过境、行星波及Hadley环流活动等环流变化过程, 都会使得臭氧的分布发生变化, 而对于其他大气环流活动信号与大气臭氧的关系问题, 则研究的还不够充分.这些大气环流活动主要包括以下几类:北太平洋涛动(NPO), 是指北太平洋地区海平面气压场上南北方向的持续反相振动.主要与2个大气活动中心(北太平洋副热带高压和阿留申低压)的年际变化相联系; 南方涛动(SO), 是指发生在东南太平洋与印度洋及印度尼西亚地区之间的反相气压振动, 与厄尔尼诺存在密切联系.近期对北太平洋涛动、南方涛动研究主要集中在讨论它们对降水、季风、气候、温度及深对流活动等影响方面[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].

在这些大气环流活动对大气臭氧影响研究方面, 邹捍等[13, 14]曾经探究过ENSO信号同青藏高原及50° ~60° N的大气层臭氧总量变化间的关系, 表明El Nino年青藏高原大气层臭氧将增加, 而La Nina年青藏高原大气层臭氧总量将减小.此外, S.Brsnnimann等[15]也探究过北极涛动指数、北大西洋涛动指数以及其他2个欧洲环流指数与欧洲大气臭氧总量的关系.

本文拟在总结上述研究成果的基础上, 选取迄今较为完整而连续的臭氧再分析资料, 着重关注东亚地区, 研究北太平洋涛动指数、南方涛动指数强度变化趋势和东亚地区大气臭氧总量的关系.

1 资料和方法
本文选取了欧洲中期天气预报中心(ECMWF)1984— 2014年共31a的臭氧总量(TCO)再分析资料, 以及同期的海平面气压场的月平均资料.南方涛动指数的数据来源于NOAA发布的资料.本文计算出了1984— 2014年期间的北太平洋涛动指数(NPOI), 其定义[5]为( 130° ~ 170° E, 25° ~ 40° N)与( 130° ~ 170° E, 50° ~ 65° N )的海平面气压区域平均值之差.选择80° ~140° E, 20° ~50° N的范围作为东亚地区来进行研究.使用的统计诊断方法包括相关分析、合成分析及差值分析等.

2 东亚地区NPOI与TCO变化的关系
2.1 东亚地区NPOI与TCO的相关场分析
图1是东亚地区北太平洋涛动指数与臭氧总量的季节相关图.分析图1可以看出, 在4个季节中北太平洋涛动指数与东亚地区的臭氧总量存在显著相关; 整体上呈纬向分布特征, 这跟北太平洋涛动指数空间分布具有较强的纬向结构特征有一定的关系.


图1
Fig.1
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图1 NPOI与东亚臭氧总量的相关分析结果
Fig.1 Correlation between the total ozone in East Asia and NPOI

另外, 可以看出夏季明显跟其他3个季节的相关分布是相反的:春季、秋季及冬季在东亚大陆区域表现为显著的正相关, 在西太平洋沿岸区域是显著负相关; 而夏季在东亚大陆的区域则是明显的负相关, 西太平洋沿岸区域是明显的正相关.由此我们可以初步认为在夏季期间, 北太平洋涛动指数跟东亚地区臭氧总量的相关分布是异常的.为了探究其异常原因, 下面将进一步分析北太平洋涛动指数的季节变化趋势以及年际变化趋势.

2.2 NPOI的长期变化特征
图2分别给出了1984— 2014年期间不同季节及年平均NPOI变化趋势, 蓝线为北太平洋涛动指数, 黑线为5年滑动平均线, 虚线为直线拟合趋势线.分析图2可知, 春季太平洋涛动指数(图2(a))呈现的是缓慢下降趋势, 计算得出的趋势线系数为-0.014/10a; 夏季北太平洋涛动指数(图2(b))呈现的是一个明显增长趋势, 趋势线系数为0.42/10a; 秋季北太平洋涛动指数(图2(c))呈现的是缓慢下降趋势, 趋势线系数为-0.069/10a; 冬季北太平洋涛动指数(图2(d))呈现一个明显的下降趋势, 趋势线系数为-0.34/10a.年平均的北太平洋涛动指数(图2(e))呈现缓慢的下降趋势, 趋势线系数为-0.05/10a.


图2
Fig.2
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图2 1984— 2014年期间北太平洋涛动指数变化曲线
Fig.2 Variation of the North Pacific Oscillation index during 1984— 2014

可以明显看出, 夏季跟其他3个季节的变化趋势不同, 春季、秋季和冬季以及年平均的北太平洋涛动指数都是呈现出下降趋势, 且以冬季下降趋势更为显著.而夏季则呈现为上升趋势.郭冬和孙照渤[5]的有关研究结果指出, NPOI高指数年, 代表北太平洋涛动异常强, 东亚大槽异常弱; 低指数年, 代表北太平洋涛动异常弱, 东亚大槽异常强.由此我们可以推断, 夏季北太平洋涛动指数呈明显增长趋势, 说明夏季北太平洋涛动处于增强过程, 东亚大槽减弱, 这会将低层含臭氧量较少的空气输运到高层, 使得该地区高空臭氧含量减少, 进而造成总臭氧柱含量减少.其它季节北太平洋涛动指数呈下降趋势, 说明夏季北太平洋涛动处于减弱过程, 东亚大槽增强, 槽加深, 这将有利于高层臭氧含量高的空气输送至低层, 使得低层臭氧含量增加, 也有利于高纬度富含臭氧的空气输运至该地区, 最终导致臭氧总量的增加.

2.3 NPOI与东亚地区TCO的合成分析
首先, 将31a的NPOI资料按照不同季节分别划分为2类, 即高指数年及低指数年.取涛动指数或季风强度指数> 1.0为强涛动指数年或强季风指数年, 小于-1.0为弱涛动指数年或弱季风指数年.表1为春、夏、秋、冬高低指数年的年份.从表中我们可以看出, 夏季高指数年只有3年, 秋季低指数年也只有3年, 时间尺度较小, 可能会影响到分析结果的准确性.所以我们将只对春冬季节进行合成差值分析.

表1
Tab.1
表1(Tab.1)

表1 1984— 2014年北太平洋涛动指数合成分析 Tab.1 The composite analysis of North Pacific Oscillation index in 1984— 2014季节 低指数年 高指数年
春季 1984, 1989, 2007, 2008 1987, 1991, 1997, 1998, 2002, 2003, 2004
夏季 1986, 1991, 1993, 2001, 2002 1999, 2010, 2011
秋季 1988, 1996, 2012 1984, 1999, 2004, 2007, 2010
冬季 1991, 1995, 2000, 2005, 2011 1987, 1988, 1989, 2007
表1 1984— 2014年北太平洋涛动指数合成分析
Tab.1 The composite analysis of North Pacific Oscillation index in 1984— 2014
利用高指数年减去低值数年, 可对东亚地区臭氧总量进行合成差值分析.分析结果由图3给出, 分别为东亚地区臭氧总量在春、冬季节的差值分布情况.白色部分表示没有通过显著性检验, 阴影部分从浅至深分别表示通过60%、80%、90%的显著性检验.从图中可以明显看出:①北太平洋涛动指数高低年对应的各自臭氧含量异常之间存在明显的差异, 表明NPOI变化的确会影响东亚地区臭氧总量的变化; ②春季, 正差值区显著区域位于青藏高原一带, 负差值区显著区域位于朝鲜半岛及其以东附近海域; 冬季通过显著性检验的正差值区域位于中国长江以南大部地区, 包括台湾岛及其附近海域.


图3
Fig.3
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图3 高指数年减去低指数年的东亚臭氧总量合成差值分析( 单位:mg/m2)
Fig.3 The difference analysis of total ozone in East Asia by high index minus low index(unit:mg/m2)

3 SOI与东亚地区TCO变化关系
3.1 SOI与东亚地区TCO的相关场分析
研究SOI与臭氧总量的关系, 应按照冬半年和夏半年来做相关分析, 但为了更细致地探究两者的关系, 因此将其分为4个季节来做相关分析.图4是南方涛动指数与东亚地区臭氧总量的不同季节相关结果.从图4可以看出, 4个季节中, 南方涛动指数与东亚地区的臭氧总量都存在一定的显著相关关系.具体而言, 在东亚大陆上主要呈现为负相关, 而在西太平洋沿岸地区则呈现正相关.另外, 相关强度会随着季节不同而变化, 即春季、秋季及冬季的相关性都较强, 而夏季的相关性相对最弱.


图4
Fig.4
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图4 SOI与东亚臭氧总量的相关图
Fig.4 Correlation between the total ozone in East Asia and SOI

3.2 南方涛动变化趋势
图5是1984— 2014年, 近31a(372个月)的南方涛动指数的变化趋势图.其中, 蓝线为南方涛动指数, 黑线为5年滑动平均线, 虚线为趋势线.可以看出南方涛动指数在近31a中呈现缓慢增长趋势, 计算出的趋势线系数为0.026/10a.之前人们对于南方涛动指数的分类主要是以0为分界线, 认为SOI> 0为La Nina(冷)事件, SOI< 0为El Nino(暖)事件.


图5
Fig.5
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图5 1984— 2014年期间南方涛动指数变化趋势分析
Fig.5 Long-term trends of the Southern Oscillation index during 1984— 2014

本文为了突显出冷暖事件下的物理属性, 在此采用了赵永平、陈永利[16]提出的用SOI资料对历史上ENSO事件定义和分类的方法:SOI≤ -0.5连续5个月以上者定义为El Nino事件; SOI≥ 0.5连续5个月以上者定义为La Nina事件.为表述简便, 以下就分别简称为暖、冷事件.

3.3 东亚TCO相应于暖、冷事件的合成分析
将1984— 2014年南方涛动指数进行冷暖事件划分, 以期分别讨论暖、冷事件发生时东亚地区臭氧总量的一般分布变化情况.为此进行了相应的合成差值分析, 结果如图6所示.其中, 白色部分表示没有通过显著性检验, 阴影部分从浅至深分别表示通过60%、80%、90%的显著性检验.


图6
Fig.6
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图6 暖、冷事件东亚臭氧总量的合成差值分析( 单位:mg/m2)
Fig.6 The difference analysis of total ozone in East Asia with El Nino(warm) event and La Nina(cold) event(unit:mg/m2)

从图6(a)中可以看到, 20° ~30° N区域呈现明显的正距平, 说明在厄尔尼诺事件发生时, 该区域通常为臭氧总量明显偏多.翁学传等[17]分析研究表明, 当南方涛动指数异常大时, 西太平洋洋面暖池的面积是异常减小的, 这就会造成西太平洋副热带高压强度异常减弱; 在南方涛动指数异常小时, 西太平洋洋面暖池面积是异常增大的, 会造成西太平洋副热带高压强度异常增强.据此可知, 在厄尔尼诺(暖)事件发生时, 西太平洋副热带高压强度异常强; 在拉尼娜(冷)事件发生时, 西太平洋副热带高压强度是异常减弱的.因此我们认为, 造成这一现象的原因, 可能是由于厄尔尼诺事件发生时, 西太平洋副热带高压控制20° ~30° N, 在西太平洋副热带高压控制之下, 盛行下沉运动, 高层辐合, 低层辐散.高层辐合会将高层臭氧浓度较高的空气辐合进入该区域内的垂直空气柱, 而低层辐散则会使低层臭氧浓度较低的空气辐散出该区域内的垂直空气柱, 从而使得该区域内的垂直空气柱的臭氧总量增加.

同理, 从图6(b)中可以看到30° ~50° N区域呈现明显的负距平, 代表在拉尼娜事件发生时, 该区域的臭氧总量为明显偏少.其原因可能是拉尼娜事件发生时, 由于西太平洋副热带高压较弱, 其位置就会比在厄尔尼诺事件发生时偏南.30° ~50° N不处在西太平副热带高压的控制之下, 处在副高外围, 多为上升运动, 低层辐合, 高层辐散.低层辐合有利于将低层含臭氧量较少的空气辐合进入该区域垂直空气柱, 高空辐散使得高空臭氧浓度较高的空气辐散出空气柱, 从而造成该区域垂直空气柱臭氧总量的减少.

图6(c)为厄尔尼诺事件减去拉尼娜事件时东亚地区臭氧总量的合成差值图, 也突显了西太平洋副热带高压对东亚地区臭氧总量变化的关系.在20° ~30° N区域呈现一个明显的正距平, 而且通过了显著性检验.合成差值图主要凸显出2个事件发生时臭氧总量变化的差异, 进一步证实了图6(a)和图6(b)结论.