100-1hPa臭氧及臭氧加热率的空间分布论文_王辉1，缪明榕2，李曈1，洪一帆1

摘要：文章采用Lacis和Hansen的参数化方法，利用欧洲中心的臭氧混合比资料对2001年到2010年10年臭氧柱量以及臭氧加热率的分布进行计算并分析，结果表明：1）100-1hPa层臭氧含量随高度的递增而减少，10-1hPa分布由低纬向高纬递减，100-20hPa分布由高纬向低纬递减。2）臭氧含量分布南半球比北半球分布均匀，可能与下垫面有关。3）臭氧总量的分布随季节的不同而不同，冬季北半球臭氧分布明显高于南半球而夏季则相反，且分布为中纬度地区向赤道和极地递减。4）加热率的各层分布与臭氧的各层分布基本呈正相关。

关键词：臭氧；臭氧加热率；空间分布

1 资料与方法

1.1 资料

本文采用欧洲中期天气预报中心（WCMWF）提供的2001-2010年十年的臭氧质量混合比和对应温度的逐月再分析资料（垂直由100-1hPa共11层，水平分辨率为格距），定义区域范围为全球。太阳辐射在到达地面前要受到大气中不同成分的选择性吸收，紫外线正好处于波段，所以对于紫外辐射下臭氧加热率的研究尤为必要。

1.2 计算加热率的方法

由于本文采用的是臭氧质量混合比（ozone mass mixing ratio）数据，首先需要将其转换为体积混合比。

1.2.1 质量混合比与体积混合比的转换

臭氧的质量混合比是单位体积内臭氧质量占空气总质量的百分数，臭氧的体积混合比为臭氧的体积占空气体积的百分比数，单位有ppm，ppb，ppt。一般情况下做研究时，将空气看做理想气体，从而空气有状态方程

其中P为空气气压，V为空气体积，v为空气的物质的量，T为绝对温度，R为普适气体常数同温同压下，臭氧的状态方程为

其中为臭氧的体积，为臭氧的物质的量

关于物质的量，质量以及摩尔质量的关系如下

由式（1）（2）（3）可得

一般情况，空气的摩尔质量取平均来表示为29，臭氧的摩尔质量为48，故臭氧的体积混合比为质量混合比*29/48。

1.2.2体积混合比与数密度的转换

臭氧数密度是单位体积空气中臭氧的分子数，单位为（mol/cm3）。由数密度定义和（1）式可得臭氧的数密度为

其中=6.021023为阿伏伽德罗常数，体积混合比为

将（6）带入（5）中再结合R=8.31J/(mol·K)可得臭氧的数密度与体积混合比的转换为

其中体积混合比ri单位为ppm，气压P以Pa为单位，温度T以K为单位。转换时需要知道的气压为选取的11层高度所对应的气压值，温度为每个数据对应的温度。

1.2.3再求出臭氧柱量

臭氧柱总量表示的是垂直大气柱中臭氧的总含量，单位为DU（多普生）。在此之前，需对各层的温度求平均，再求出每两层间的平均温度，之后将气压转化为对应的高度。本文计算臭氧加热率所采用的臭氧资料为2001年至2010年10年120个月的资料，对温度求出年平均，并通过从高层向底层叠加求出臭氧柱量，第i层的臭氧柱量则为叠加至第i层的柱量总量减去叠加至第i-1层的柱量总量。由于所用资料为从100hPa到1hPa即从下到上的模式，所以在这之前需要将年平均温度与臭氧体积混合比的数据高度进行转换，即转换成由上至下的模式，然后求出单层数密度，进而求出平均各层数密度。

运用公式

其中数密度的单位是mol/cm3，单位为千米，柱量单位为DU。

1.2.4求加热率

在大气中，臭氧吸收外层来的辐射，也吸收下层反射辐射，且在各波长上基本都是呈衰减的。首先计算吸收率，公式如下

其中x为臭氧厚度即臭氧柱量，、为对紫外和可见光的吸收，所以臭氧的总吸收为

而臭氧吸收的直接太阳辐射和底层大气的漫反射通量，即总的太阳辐射通量为

其中和为直接太阳辐射穿过的臭氧厚度，和为漫射辐射穿过的臭氧厚度，再根据能量守恒原理和热力学定理，臭氧吸收辐射对平流层的加热率为

其中，T是温度，t是时间，是太阳常数，为定压比热容，为气压差。

2 100-1hPa臭氧及臭氧加热率的空间分布

2.1 年平均每层高度上臭氧柱量空间分析

通过分析发现，每一层的臭氧柱量在平流层上层大气中会有明显的中心分布，如在2hPa上，北半球有一高值中心。而随着高度的下降，臭氧柱量的分布更多呈现带状分布，基本都是由低纬向中高纬度递减，在赤道附近低纬区达到最大，在南极达到最小。由2hPa到10hPa这五层中的臭氧柱量的值可以看出，在平流层上层中随着高度的下降，每一层的臭氧柱量在变大，即臭氧量随着高度增加而减少，臭氧分布在平流层中特定区域，在对流层和中间层中臭氧含量非常少。不难看出，臭氧柱量在南半球的纬向分布均要比在北半球的分布均匀平稳，南半球海洋面积达，下垫面均匀，这说明臭氧的分布还可能与海陆状况即下垫面性质有关。

平流层下层的臭氧分布基本相同。在20hPa处，臭氧柱量的经向分布十分明显，在南北纬30度之间的低纬带为高值带，最大值为65DU，整层的分布由赤道低纬地区向南北半球中高纬度地区递减，在北极最小，为25DU。而且对比平流层上层中的数值来看，在20hPa层中的臭氧柱量含量已经特别大，说明臭氧可能主要分布在20hPa这层中。

30hPa处，不同于之前的分布，在这一层中臭氧柱量的分布集中在北半球，在整个北半球中纬度地区出现一个大的高值带，达到42DU以上。在东亚地区的高值中心达到45DU。在南半球臭氧柱量分布仍是由低纬向南极地区递减，在南极达到最低27DU。在北半球臭氧含量由中纬度地区向低纬和极地递减，在北极达到最低21DU。对比于20hPa层的臭氧柱量值可以发现，高值有一个20DU 的下降，说明这一层的臭氧含量少于20hPa层。

70hPa处，臭氧的分布在北半球仍是东亚及远东地区出现高值中心，达到45DU，且由中纬度地区向赤道低纬和高纬地区递减。在南半球，极地地区达到最大为30DU，由高纬地区向赤道低纬递减。整层中赤道低纬带的臭氧分布最少，仅为15DU。

对比平流层下层可以发现，在平流层下层20hPa-100hPa臭氧柱量的分布由开始的赤道带为高值带向南北半球中高纬度地区递减的分布逐渐转变为高值中心北移并且柱量分布由中高纬度向低纬度地区递减的分布。这种分布的变化从30hPa开始，且转移到北半球的高值中心主要是在东亚及远东地区。此外对比平流层下层中臭氧柱量的值可见，20hPa和50hPa层的臭氧柱量最高，最高值均达到了65DU，但这两层的分布不同，在30hPa、70hPa、100hPa层臭氧柱量的含量较低，最高值为45DU。在整个平流层中，上层中臭氧含量较少，20hPa到100hPa间臭氧含量最多且在20hPa和50hPa臭氧柱量的平均值最大。且从顶层开始，随着高度的减少，臭氧在每一层的分布从开始的在上层由中高纬度向两极递减逐渐转变为下层中的由中高纬度地区向赤道低纬度地区的递减分布。同样的臭氧柱量在南半球的纬向分布均要比在北半球的分布均匀平稳，也同样说明臭氧分布可能与下垫面性质有关。

2.2臭氧总柱量季节分布特征分析

将每一层的臭氧柱量叠加得到10年120个月的臭氧总柱量的分布，为了解其季节分布特征，选取2001年、2005年、2008年和2010年具有一定代表性的年份来说明问题，以每年的1月和7月来代表冬季和夏季。2001年和2008年分别是紫外辐射的高值年和低值年，从而也可以观察对应高低值年臭氧总柱量的分布来推测二者间的联系。

通过分析紫外低值年2001年冬季和夏季的臭氧柱量总量的分布，可见在冬季，臭氧总柱量在北纬40-70度，东经110度到西经160度有一高值中心，最高值在远东地区达到290DU。北半球的臭氧分布由中纬度的高值带向低纬度地区和高纬度地区递减，在南半球臭氧在低纬度地区含量较高，由低纬度地区向极地递减，最小值出现在南极为180DU，这也与研究显示的臭氧空洞相一致。在夏季，臭氧的经向分布特征十分明显，在北半球，中纬度和部分低纬度地区的臭氧含量最高，在太平洋北部、中国东南部和北美洲南部地区达到最大值为250DU，并且分布由中纬度地区向赤道和高纬度地区递减，在北极地区达到最小为190DU。在南半球高纬度和低纬度的臭氧含量较高，在南纬30-50度，西经100-170度有一高值中心，最大值为260DU，南极地区臭氧含量为220DU，由低纬和南极地区向中纬度递减，在南纬60-70度出现最低值170DU。总体来看，不论冬夏，南半球的臭氧分布等值线均比北半球平稳。

通过分析2005年冬季和夏季的臭氧柱量总量的分布。冬季，在北纬40-70度，东经110-170度有一高值中心，最高达到320DU。在美国东北部有一若高值中心，最高值为280DU。整层臭氧分布由北半球中纬度地区这一高值带向南北极递减，在南极达到最低值为180DU。1月份北半球臭氧分布明显整体高于南半球。夏季臭氧的空间分布与冬季相反，北半球臭氧含量明显减少，南半球臭氧在中纬度地区有一高值带，最大值达到280DU，在南极有一弱高值带为230DU，南半球的低值带出现在低纬地区和南纬60-70度间，在西经60-110度有一最低值190DU。北半球的臭氧分布则由低纬度向北极递减，在美国东部和靠近加拿大西海岸处有两个并列的弱高值中心为230DU，最低值出现在北极带，为180DU。

2008年与2010年的臭氧分布特征同2001和2005年基本一致。

通过分析2001年、2005年、2008年以及2010年冬季和夏季中臭氧总柱量的分布可以看到，臭氧的分布随季节的变化而变化。在冬季，北半球臭氧分布明显高于南半球，而在夏季则截然相反，南半球出现臭氧高值带，而北半球则臭氧分布较低。且总体来看，臭氧在赤道低纬地区和极地高纬度地区的含量较少，而中纬度地区则较高，表现出由中纬度向赤道和极地递减的整体趋势。而且冬季北半球臭氧高值中心主要出现在中纬度远东地区，而夏季则在南半球中纬度地区出现的是高值带。综上可知臭氧总量的季节性分布变化较大，这对臭氧加热率的分布有着很大的影响。

2.3加热率全球空间分布特征

在求得臭氧柱量的全球分布和每层分布后，计算出臭氧加热率的各层分布，并对3hPa、5hPa、7hPa、10hPa、20hPa、30hPa、50hPa、70hPa和100hPa的臭氧加热率分布特征进行分析可以发现，平流层上层中加热率的分布基本一致，下层中加热率的分布也大同小异，但上下两层的分布却截然相反。

综合3hPa到100hPa这9层的加热率分布可以看出，3-30hPa层次臭氧加热率为由中高纬度地区向极地递减的分布，在极地地区达到最小，在赤道附近达到最大。在50~100hPa层次中加热率的分布转为赤道地区最小，极地最大即由赤道向高纬度地区递增的分布状态。由此可见，加热率在垂直方向的分布以30hPa层为界呈相反的分布状态。此外，对比这些层次的臭氧分布可以发现，加热率与臭氧的分布基本呈正相关关系。而且由2hPa到100hPa中加热率的分布图的对比可知，在100-1hPa随着高度的增加加热率的值也在增加，在100hPa层加热率仅为0.1-0.5，而在3hPa处则为13.9-15.2。

参考文献

[1]Stolarski R S,Bloomfield P,M cpeters R and Herman J.Total ozone trends deduced from NIMBUS 7 TOMS data[J].Geophys Res Letts,1991:18(6):1015-1018.

[2]任福民,王梅华,周秀骥,等.近十五年全球臭氧变化[J].气象学报,1998,56(4):485-492

作者简介:王辉(1991-)，男，汉族，江苏省南通人，本科学历，助理工程师，从事气象预报与服务工作。

论文作者:王辉1，缪明榕2，李曈1，洪一帆1

论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期

论文发表时间:2020/4/29

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