青藏高原夏季臭氧谷形成：亚洲夏季风和气柱变化外文翻译资料

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青藏高原夏季臭氧谷形成：亚洲夏季风和气柱变化

摘要：青藏高原上的夏季臭氧谷由两种影响形成，即亚洲夏季风（ASM）和气柱变化。在2005-2009研究期间，夏季青藏高原上的臭氧总量约为33个DU，低于同纬度海洋的纬向平均值。臭氧谱的卫星观测显示，ASM区域的臭氧浓度在对流层上层和平流层下层（UTLS）的值低于非ASM区域。这是由于从对流层低层到UTLS地区的低臭氧空气的频繁对流输送以及南亚高压的捕获造成的。 这有助于在ASM区域的臭氧柱中产生~20-DU的平衡。 此外，沿着同一纬度，臭氧总量随着地形高度的变化而变化，与ASM地区的地形高度相关，包括西藏和伊朗的高原。西藏和伊朗的高原在UTLS中具有非常相似的臭氧垂直分布这一事实，但它们具有不同的地形高度和不同的总柱臭氧水平。 这两个因素（较低的UTLS臭氧和较高的地形高度）意味着低臭氧柱中的40 DU，但青藏高原臭氧柱仅比非ASM区域低~33 DU。这一事实表明，对流层低于ASM区域的臭氧浓度高于同纬度其他地区，造成臭氧总量约为7 DU，这与臭氧探空仪和卫星观测结果一致。

1. 引言

在北方夏季，青藏高原上总柱的臭氧水平远低于周边地区和同纬度其他地区（周和罗，1994;邹，1996）。 这种区域现象被称为“夏季臭氧青藏高原上的山谷。” 自发现以来，已经提出了一些机制来解释低臭氧柱的形成;它们可以通过两个主要解释来概括。一个原因是由于地形变化导致臭氧柱的变化（Qiu等，2008）。然而，这种变化通常被认为是次要和次要的贡献者（Ye和Xu，2003; Tian等，2008）。另一个原因与青藏高原的动态有关（Zhou和Luo，1994; Zou，1996; Ye和Xu，2003; Zhou等，2006; Tian等，2008）和亚洲夏季风（ASM; Tobo等，2008）。周等人（2006）认为青藏高原是对流层与平流层之间的大规模交换通道，影响了夏季的低臭氧中心。上层ASM反气旋及其与深对流的耦合有可能将臭氧贫乏的空气从边界层输送到对流层上层以及平流层下层（UTLS; Gettelman等，2004; Randel和Park，2006; Park等，2007; Tobo等，2008）。

由于ASM循环的运输，从对流层到较低平流层的臭氧混合比，特别是对流层顶附近（在150 hPa和70 hPa之间）的臭氧混合比在青藏高原上相对较低，如臭氧探空仪所示（ Zheng et al。，2004; Tobo et al，2008）and satellite（Zou and Gao，1997; Zhou and Chen，2005; Park et al。，2008）观察。卫星观测还显示伊朗高原上的UTLS中的臭氧垂直分布（高度~1000-1500米），

与青藏高原的垂直结构几乎相同（高度约4000米;周和陈，2005）。然而，青藏高原上的臭氧总量比伊朗高原低约14个DU。 显然，这个差距与UTLS中的臭氧水平无关，而与之相差甚远较低的层。由于缺少从山区到（非山地）地表的集成臭氧部分柱而引起的总臭氧变化是一种可能的解释。在这项研究中，使用来自卫星观测的总臭氧和臭氧谱来研究这两种解释。

我们的研究结果表明，UTLS地区的臭氧浓度低于ASM地区，导致臭氧总量达到~20-DU，并且地形导致臭氧总量不足20DU，形成低浓度青藏高原上空的臭氧中心。

1. 数据

在2005-2007年期间，地球观测系统（EOS）Aura平台上的高分辨率动力学肢体测深仪（HIRDLS）获得了臭氧谱。 [关于HIRDLS数据的更多细节可以在Gille等人的概述中找到（2008）。数据产品可在NASA GES分布式活动档案中心（http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/data/datapool/）上获得。]与纬度约45°相关的相关臭氧探空仪测量值的比较表明V004 HIRDLS臭氧数据在5 hPa和200 hPa之间具有~1％-10％的偏差。在200hPa和250hPa之间，臭氧偏差为~5％-20％。热带臭氧探空比较表明p lt;50hPa的偏差为1％-10％。在50hPa和100hPa之间的区域中存在~300ppbv的高偏差（70hPa下~50％，100hPa下gt; 150％）。有关臭氧轮廓检索验证的更多信息可以在HIRDLS团队（http://www.eos.ucar.edu/hirdls/data/products/V004_Data-Quality-Document.pdf）和Nardi等人准备的文件中找到（2008）。

臭氧分析数据也来自平流层气溶胶和气体实验（SAGE）II测量（McCormick等，1989）。 SAGE II数据涵盖1984年11月至2005年8月期间（当卫星停止运行时），它们跨越更宽的海拔范围（从对流层顶到50公里），而且它们具有高垂直分辨率。这里使用的SAGE II数据基于v6.2检索算法。

从Microwave Limb Sounder（MLS）2.2版2级产品获得臭氧的垂直分布（Livesey等，2008）。 MLS仪器是NASA EOS之一的Aura宇宙飞船平台，自2004年8月以来一直在测量大气参数（Schoeberl等，2006）。我们通过平均数据箱内的proflles构建了5个lat 10-lon网格。使用Livesey等人的说明书处理个别proflles的质量筛选（2007）。有关详细信息，请参阅Froidevaux等人的MLS验证文章（2008）和Livesey等（2008）。

从EOS Aura上的臭氧监测仪器（OMI）获得每日时间序列的总柱臭氧（水平分辨率0.25°* 0.25°），其使用NASA总臭氧映射光谱仪（TOMS）版本8算法处理。

图1 青藏高原（A1），伊朗高原（A2）和非亚洲夏季风区域（A3）的定义，

以及2005-2009年夏季每月臭氧总量（JJA）（阴影，单位：DU）

1. 臭氧剖面

首先分析了ASM上空的臭氧层厚度，并与同一纬度非ASM地区的臭氧层厚度进行了比较。图1显示了由OMI在2005-2009年期间测量的夏季总臭氧，三个区域，即青藏高原、伊朗高原和非ASM，分别被放气并表示为A1、A2和A3。非ASM区域的总臭氧在纬向上相对均匀（除了落基山脉）。然而，西藏和伊朗高原的臭氧总量相对较低，青藏高原上空出现低臭氧谷，中心臭氧低至265度（周和罗，1994）。

图2比较了青藏高原和伊朗高原的平均臭氧层厚度与非ASM地区的臭氧层厚度。图2a和2b显示了在SAGE II数据中观察到的臭氧变化。从1985年至2005年，青藏高原和伊朗高原具有共同的垂直结构；两者都是ASM地区臭氧层的代表。在ASM和非ASM地区，臭氧垂直分布在50 hpa以上，臭氧分布由啤酒-多布森循环的经向输送决定。然而，ASM和非ASM臭氧层在50 hpa以下有明显的差异，例如在UTLS区域。ASM区域的臭氧浓度在60-150 hpa之间降低了20%-40%，这表明在海拔230 hpa以上或海拔11.5 km（海拔11.5 km以上，伊朗高原臭氧总量为235.6 du；青藏高原臭氧总量为239.0 du；非海拔257.6 du）范围内，可造成约20.3du的臭氧总量短缺。

图2 夏季（JJA）是指1985-2005年由SAGE II（A和B）和

2005-2007年由HIRDLS（C和D）观测到的青藏高原（蓝色）、

伊朗高原（红色）和非亚洲夏季风区（绿色）上空的臭氧暴增

水平条代表标准偏差

在2005-2007年期间，由Hirdls观测到的臭氧剖面如图所示。2c和d；它们几乎与Sage II的相同。ASM地区的UTLS地区臭氧含量较低，导致ASM地区237 hpa以上的臭氧总量（237 hpa以上，伊朗高原的臭氧总量为259.7 du，青藏高原的臭氧总量为260.7 du，非ASM地区的臭氧总量为272.9 du）出现约12.7 du的短缺。大气中也存在ASM和非ASM臭氧之间的差异。化学实验（ACE-FTS）观察（Park等人，2008）。但在UTLS区域，Hirdls数据的标准偏差比SAGE II大得多（图2d）。

图3给出了2005-2009年MLS观测到的夏季（JJA年6月7月8月）UTL臭氧浓度分布。一个明显的特征是，北亚热带在100 hpa以上有一个封闭的低臭氧区，相当于南亚的高臭氧区，即使在68 hpa，仍然是一个明显的低臭氧区。卫星测量和建模研究表明，频繁的深对流可以将边界层的臭氧不良空气和其他大气成分带入ASM区域的UTLS区域（Fu等人，2006年；Randel和Park，2006年；Park等人，2007年、2008年），并且这种空气被困在UTLS的季风反气旋内。Region（Li等人，2005；Randel and Park，2006；Park等人，2007，2008）。季风深对流对UTLS地区大气成分分布的影响是近年来研究的一个课题。（Dessler和Sherwood，2004年；Fu等人，2006年；Park等人，2007年、2008年；Randel等人，2010年）。此外，不均匀的化学过程可能对UTLS区域的臭氧浓度有一定影响（Liu等人，2003）。

（Dessler和Sherwood，2004年；Fu等人，2006年；Park等人，2007年、2008年；Randel等人，2010年）。此外，不均匀的化学过程可能对UTLS区域的臭氧浓度有一定影响（Liu等人，2003）。

在ASM区域，对流层顶发生在比非ASM区域更高的水平上。 来自NCEP / NCAR再分析资料的平均对流层顶区域（Kalnay等，1996）表明，2005-2007年JJA的平均对流层顶压力在ASM区域为~99 hPa，在非ASM区域为~133 hPa。 较高的热对流层顶水平提高了臭氧-对流层顶的位置（Pan et al，2004）。

图3 夏季（JJA）2005 2009年MLS观测到的100 hpa（上）和68 hpa（下）的臭氧浓度

1. 臭氧总量与地形的相关性

如第3节所述，西藏和伊朗高原上空的臭氧层具有共同的结构。然而，卫星测量的臭氧总量表明，青藏高原上空的臭氧总量比伊朗高原低约14度，这两个高原之间的差异明显与下层有关。由于缺乏从山区到（非山区）地面的臭氧部分柱，臭氧总量减少是一个可能的解释。这可以在图4中看到，图4显示了2005-2009年夏季（JJA）青藏高原和伊朗高原的总臭氧分布以及地形。与40°E的臭氧总量相关的地带性异常，地形相对较低，其分布与地形一致。本节研究了臭氧总量与地形的关系。

图4 2005-2009年夏季（JJA）西藏和伊朗高原臭氧总异常

（纬向异常相对40°E，地形相对较低）以等值线绘制（单位：du）

地形以阴影颜色显示（单位：m）

图5显示了OMI在2005-2009年期间在欧亚大陆和北美不同纬度（30°N和35°N）观测到的夏季（JJA）平均臭氧总量，并显示了地形压力。显然，臭氧总量随经度的变化而变化，与这四个地区的地形起伏保持同步。这四个区域总臭氧和地形压力的散点图表明，总臭氧与高度相关的地形有关（测定系数R2gt;90%；图6）。显然，这一分析支持了由地形引起的臭氧总量不足的假设。

图5 夏季（JJA）由OMI在2005-2009年观测到的欧亚大陆上空（a）30°N

和（b）35°N和北美上空（c和d）的臭氧总量（固体）和地形（虚线）

如果这一结论是正确的，那么从臭氧总量与地形的回归可以分析最高地形下对流层下部臭氧的平均混合比。在ASM区域，臭氧总量（用y表示，单位：DU）和地形压力（用X表示，单位：hpa）之间的回归表明，随着地形压力每100 hpa降低一次，臭氧总量减少3.9-4.7 du（图6a，b）。在北美也可以观察到类似的结果（图6c，d）。

根据综合柱Z（单位：du）与体积M（单位：ppmv）混合比的关系，

式中，P为气压（单位：hpa），可推导出对流层下部臭氧的平均混合比，约为50-60ppbv。该值与西宁（36.43°N，101.45°E，2296 m ASL（海平面以上）、昆明（25.01°N，102.68°E，1892 m ASL）和伊斯法罕（32.51°N，51.70°E，1550 m ASL）的臭氧层探测器观测值一致，支持根据地形变化的臭氧总减少假设。

青藏高原平均地形（北纬29.5°-35.5°N，东经80.5°-99.5°E）为~560 hpa，地形变化引起的总臭氧减少量为~20 DU。

1. 青藏高原低臭氧中心形成的原因

在青藏高原（29.5°-35.5°N，80.5°-99.5°E），夏季OMI总臭氧平均值（JJA；2005-2009）为~267 DU，比同纬度（29.5°-35.5°N，120°E-180°-120°W，10°-90°W）平坦地区低~33 DU，平均值为~300 DU（表1）。根据前两部分的分析，我们得出结论，青藏高原总臭氧的负偏差有两个原因：ASM导致的UTLS区域臭氧浓度降低，地形变化导致的空气柱减少。

如第4节所述，青藏高原上空空气柱减少造成的臭氧总短缺量为~20 DU。在西藏和伊朗高原（45°-105°E）没有地形变化的情况下，臭氧总量约为287DU（30°N时为285 DU，35°N时为290 DU），比非ASM地区的臭氧总量（约300 DU）小约13DU。该值小于根据SAGE II数据观察到的AS

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