对流层臭氧时空分析影响因素研究及近地面臭氧估算

发布时间：2020-10-14 13:08

　　 臭氧,大气中一种含量很小,但却非常重要的痕量气体。按照高度分为平流层臭氧和对流层臭氧。平流层臭氧是地球上生命的保护伞,使之免受太阳紫外线辐射的伤害,此外还在气候变化中扮演重要角色。自平流层臭氧迅速降低,尤其是南极臭氧空洞被发现以来,平流层臭氧就成为全球科学家和公众关注焦点,已被大量研究关注。与平流层臭氧相比,对流层臭氧却是对生态系统和人类有毒的空气污染物,它能危害人类的健康,破坏生态系统,并能影响气候变化,但在对流层臭氧数据时空分析及规律,区域对流层臭氧和近地表臭氧影响因素贡献及规律方面,仍有待研究。因此,本研究在对TOMS/SBUV和OMI/MLS全球对流层臭氧遥感反演产品进行地基验证、误差校正与一致性评价的基础上,分析了全球对流层臭氧的时空分布特征,并针对华北区域出现的夏季对流层臭氧高值中心和显著增长趋势进行了深入研究,定量地探讨了华北及周边区域对流层臭氧各影响因素的贡献和影响机制。同时,考虑到当臭氧在近地层富集时会对人体健康造成严重危害,因此本研究进一步分析了我国近地面臭氧的空间分布聚集特征。本研究以大气臭氧为研究对象,包括了全球、中国、华北三个水平尺度,以及对流层和近地面两个垂直尺度,旨在发现和解释不同尺度下臭氧的时空变化规律,为卫星遥感产品用于臭氧机制分析提供研究参考,对制定区域对流层臭氧上升和地面臭氧污染应对措施都具有参考意义。本研究得到的主要研究结论如下:(1)针对单一卫星观测在时间上的局限性,提出了一套针对OMI/MLS和TOMS/SBUV的长时间序列对流层臭氧数据处理方案,包括纬度带-月份误差校正、改进后概率映射误差校正和一致性评价等,得到了一套时间范围较长、一致性较好且空间覆盖度高的全球对流层臭氧数据。结果显示,该数据和地基数据的一致性比处理前提高了44.89%。(2)开展了全球对流层臭氧的时空分析,规律性结果与前人研究基本一致,同时,本研究还发现,全球对流层臭氧在1979至2016年间均呈现上升趋势,且可分为平稳波动和显著上升两个阶段;华北区域夏季对流层臭氧上升趋势可达0.154DU/year,显著高于全球其它区域,且本研究的数值高于前人研究结果,这与本研究所使用的处理后时间序列数据有关。(3)定量揭示了华北区域夏季对流层臭氧高值形成的原因和各因素贡献大小。研究发现,秸秆燃烧使得NO_X浓度升高,加快了臭氧光化学反应进程,引起显著的臭氧净产生,从而导致整个东亚6月对流层臭氧平均含量升高约4.0 DU,占该地区6月份对流层臭氧总量的8%。此外,紫外辐射、纬向风速和经向风速是另外三个主要影响因素,上述四个因素共同解释了该区域6月90%以上的对流层臭氧观测变化。(4)揭示了中国区域近地面臭氧日均8小时最大浓度数据存在明显的空间分异,可分为华北、东南、长江中下游以及西南四大典型区域。各区域近地面臭氧的共性影响因素主要是温度、太阳辐射和季节性,同时还存在区域差异性影响因素,具体是:风向和日照时长(华北);相对湿度和边界层高度(长江中下游);相对湿度和风向(东南);相对湿度和地表气压(西南)。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X515
【部分图文】：

TOMS/SBUV数据(a)星地散点图，及(b)星地误差频数分布直方

- 31-图 2-4. TOMS/SBUV 和地基站点数据绝对误差分布图. (a)为随月份变化图，(b)为随纬度变化图.图中上下两个误差棒表示±1.96 倍的标准误差.图 2-4a 所示为 TOMS/SBUV 对流层臭氧和地基站点数据之间绝对误差随着月份分布结果，TOMS/SBUV 数据总体月平均绝对误差主要分布在-3DU 到-0.5DU 之间，总体来看 TOMS/SBUV 数据的平局绝对误差为负，也即TOMS/SBUV 卫星数据相对地基数据存在低估，其中春夏两季节误差波动较大，秋冬两季误差分布较平稳波动较小，需要对 TOMS/SBUV 数据误差校正，以消除误差随月份波动的现象和卫星数据系统性低估偏差。图 2-4b 所示为

中纬度三个纬度带，也即图 2-4b 中的红绿蓝三个矩形框所代表的纬度范围。其中北半球中纬度地区卫星数据平均绝对误差波动较大，误差主要在-8DU~2DU 范围内波动，热带地区除了个别站点对应的卫星数据平均绝对误差较大以外，大部分站点的误差分布较集中，大多在±2DU 以内波动，而南半球中纬度地区站点较少，误差分布较为集中，因此，考虑对 TOMS/SBUV 数据分纬度带进行误差校正以消除偏差。
【参考文献】

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本文编号：2840705