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目录

摘要 1

Abstract： 2

1 引言 3

2 国内外研究进展 3

2.1国内研究进展 3

2.2国外研究进展 4

3 试验概括 4

3.1 试验地点 4

3.2 GPSO3探空仪原理和验证 5

4 结果与分析 6

4.1 月变化特征 6

4.1.1 大气边界层臭氧浓度变化特征 6

4.1.2对流层臭氧浓度变化特征 7

4.1.3平流层变化特征 7

4.2季节变化特征 11

4.2.1大气边界层变化特征 11

4.2.2 对流层中、上部变化特征 11

4.2.3 平流层变化特征 12

4.3 有霾与无霾条件下臭氧浓度廓线的差异 14

5 总结 15

参考文献 15

致谢 17

北京地区对流层-平流层臭氧浓度廓线观测与分析

季成海

，China

Abstract：The paper uses the atmospheric ozone sounding data from the August in 2006 to the December in 2008 and analyzes the ozone concentration average monthly change and seasonal variation of the bounding layer, troposphere and stratosphere in Beijing. The results show that the ozone concentration of the bounding layer gets the minimum value which was 29.9×10^-9 in January while gets the maximum value in June which was 88.24×10^-9. From January to June, the ozone concentration increased first and then decreased. The ozone concentration would increase with the height. From the bounding layer to the top of the convective zone, the ozone concentration at first decreases with the growth in the height and then increases. The ozone concentration in the space under the stratosphere is very low but increases with the height and gets the maximum value when the altitude reaches 20~25 km and then decreases. In summer, the ozone concentration of the troposphere is the largest and the least in winter. The ozone concentration of the bounding layer changes a lot in integration variable when the season changes. In winter and spring, the ozone concentration of the troposphere is relatively low. The ozone concentration of the stratosphere the is high in winter and spring while low in summer and fall. The height at which the ozone concentration gets the maximum value sometimes changes. In spring and fall, when there is haze around the floor, the ozone concentration is high. In winter, the ozone concentration is high when there is no haze. When there is no haze, the ozone concentration in the top of the troposphere and the stratosphere is high. When there is haze, the ozone concentration extreme value occurs at a higher height in winter and spring and a lower height in the fall.

Keywords：troposphere; stratosphere; ozone concentration; variation characteristics; haze

1 引言

臭氧在大气中是一种不可或缺的气体，它的存在具有两面性。平流层臭氧对全球生态系统做出巨大的贡献，因为这一层的臭氧可以吸收大部分的紫外辐射，所以平流层臭氧能保护地面的动植物免受紫外辐射的伤害^[1]。紫外线强度的变化会受到平流层臭氧的控制，而紫外线与植物和作物的生长是息息相关的，所以这一层次的臭氧间接影响生态环境。除此之外过强的紫外线还会损害眼睛，增加白内障的患病几率^[2]。对流层臭氧对人类更多的是危害并且更加直接。污染物的增多导致对流层臭氧浓度过高，这是造成光化学烟雾的罪魁祸首。严重危害人类的生活健康。其本身还是一种污染气体，浓度过高会对环境造成污染。对流层臭氧的生成以及影响是很复杂的。根据目前的研究工作，对北京地区对流层、平流层臭氧浓度的研究还是比较少的。所以本文对北京地区大气边界层、对流层、平流层臭氧浓度平均值的月变化、季节变化进行分析，并且对霾和臭氧浓度的关系进行研究。

2 国内外研究进展

2.1国内研究进展

对流层和平流层臭氧浓度是一个很有意义的研究课题。这两个层次臭氧浓度的变化与人类的生产、生活以及生态环境和气候变化都是息息相关的。由于对流层和平流层臭氧生成比较复杂，并且所具有的作用也不相同，所以一直是世界各地研究人员研究的难点^[1]。随着臭氧的相关问题越来越受到人们的重视，越来越多的科学家开始对它展开研究。近年来国内研究人员也进行了许多相关研究并且取得了不错的成果。张金强和王振会^[3]分析大气臭氧总量的趋势变化以及年变化和季节变化，结果为总趋势是下降的，但是各纬度下降幅度和速率不相同，春季臭氧总量下降最大，秋季最小。在90年代末，国内对于臭氧进行了大量研究，研究人员对国内许多地区的臭氧进行了长时间的观察和分析，取得了许多建设性的成果。在此次研究中周秀骥等^[4]发现在青藏高原地区臭氧浓度的变化尤为明显，存在明显的低值，并且对流层向平流层传输物质也要经过这一地区。周任君和陈月娟^[5]认为这一现象对我国相邻两年冬春季节的气温和降水有明显的影响。随着城市化发展，大量污染物的排放，导致温室效应造成南极臭氧空洞的生成^[6]。对流层光化学反应产生大量的臭氧，臭氧浓度过高造成光化学烟雾对人类健康造成危害。在北京地区，一些研究人员对于臭氧污染以及臭氧对环境气候的影响做出了分析。过快的城市发展，污染物不合理的排放使得北京地区的臭氧浓度超标率保持在较高的水平上^[7]，较高的臭氧浓度会对人体的健康产生严重的影响，并且还会影响农业生产和生态环境^[8]。郑向东等^[9]发现北京城区污染物的输送受到个别地区地形以及臭氧浓度变化的影响。刘小红等^[10~11]发现白天近地面臭氧浓度受太阳辐射及污染物影响；夜间臭氧往往被大气对流、平流运动传输。鉴于污染物越发严重并且来源很复杂，王雪松和李金龙^[12]利用臭氧源识别技术，获取有关臭氧及其前体物的相关信息，统计了不同污染物对于臭氧浓度影响的大小。王庚辰等^[13]研究对流层变化特征与臭氧浓度变化的关系发现：一般情况下平流层的臭氧浓度应该明显高于对流层，并且在各个季节臭氧浓度总量变化不同。宗雪梅等^[14]发现大气边界层臭氧浓度为一月浓度最小，六月浓度最大。从季节变化来说，臭氧浓度在冬季比较低而在夏季较高。对于臭氧浓度的变化，天气因子也是必须要考虑的因素。唐贵谦等^[15]发现北京地区主要受低压前部(主要是蒙古气旋)和高压前部影响，在这两种情况下臭氧浓度数值均有不同的变化。

2.2国外研究进展

相对于国内的研究情况来说，国外更早进入这一领域，成果也是显而易见的。在上个世纪研究人员就发现了臭氧的化学组成，并且对臭氧在大气中的作用进行了初步研究，在19世纪末发现臭氧浓度的变化对动物和植物能产生很大影响^[16]。Middleton发现臭氧浓度过高能引起光化学烟雾，其对植物有一定危害^[17]。Haagen.Smit认为臭氧所具有的氧化性，能够促进光化学烟雾生成，而且对流层臭氧主要是由氮氧化物光分解而形成的^[18]。Junge发现了对流层臭氧的生成机制^[19]，他认为平流层臭氧受到大气对流运动影响会向下传输到对流层，并且在近地面形成臭氧的堆积。由前面的介绍可以看出，臭氧浓度过高有很可怕的危害，它浓度的变化会对生物和生态环境造成影响，并且还有可能引起光化学污染，臭氧浓度减少也能够造成平流层温度上升^[20~22]。William^[23]通过对平流层低温层温度突然上升这一现象的研究发现：不同维度臭氧浓度变化通过大气动力作用以及光化学反应能够引起对流层爆发性增温。如此可见如果控制臭氧，或者说恢复对流层平流层臭氧浓度，就可能使平流层恢复温度。臭氧不仅是温室气体，它浓度的减少也会造成增温。例如：Lorenzo和Polvani^[24]的研究结果表明，如果臭氧损耗，这一结果造成的增温将是臭氧作为温室气体造成增温的三至四倍左右。对流层臭氧能够对植物的光合作用产生影响，使二氧化碳浓度升高，从而使环境增温。近些年，不光环境增温，并且还发现平流层的低温层，其温度有明显的上升。这一升温现象与臭氧浓度的变化是密不可分的。Aghedo^[25]在对流层臭氧的瞬时辐射强迫研究中发现，臭氧产生的瞬时辐射强迫，能弥补长波辐射对臭氧的低敏感度。温室气体增加使对流层变暖，但它却导致平流层变冷。近几十年由于自然以及人类活动等原因，大气臭氧层臭氧浓度下降，臭氧层出现损耗。在WMO中^[26]做出了近几十年的全球臭氧评估，得出如下结论：由于人为原因使得近几十年全球臭氧浓度减少了几个百分点，这一现象主要发生在中纬度和极地地区，多发生于冬春季节。在对对流层臭氧的研究方面欧美国家开展较早，所以，国外对臭氧方面还有许多研究成果，并且多年来国外对臭氧的探测手段也就是臭氧探空仪的研制水平也是很先进的。国际上比较常使用的仪器有ECC、BM、和KC，三种探空仪都是利用电化学原理机制工作的。其中ECC探空仪是应用最广泛的^[27~28]。在东亚地区探空数据的积累中日本的KC探空仪是功不可没的，在早期被大范围应用^[29]。由此可见对流层平流层臭氧浓度方面的研究在国内外都是很受重视的，并且都取得了很大的研究成果。

3 试验概括

3.1 试验地点

本文选取的探空数据为2006年8月至2008年12月，臭氧探空仪的施放地点在北京南苑观测台，海拔高度34 m。在此期间共进行了29个月的大气臭氧探测，平均每月进行4次施放，施放时间为周四下午13点左右，如果周四探测失误则周五再次进行施放。探空仪探测高度在30 km左右，得到的有效数据包括：温度、湿度、气压、风速、风向、高度和臭氧浓度等。

3.2 GPSO3探空仪原理和验证

宣越健等^[30]研发了国产新型GPSO3大气臭氧探空系统，此探空系统主要由GPSO3大气臭氧探空仪、现场测试标定子系统、地面接收和处理子系统这几部分组成^[31~32]。探空仪探测的手段一般是，利用探空气球携带探空仪升空，探空仪的无线电装置将信号发射回地面，地面进行接收，从而获得高空臭氧等气象要素的分布资料。探空仪包括两个重要的部分：臭氧测量单元（核心单元）；GPSO3探空单元（GPS气象探空仪与臭氧传感器）；各种臭氧探空仪的工作原理可以分为两类，一种是利用臭氧吸收紫外线的特性，让臭氧吸收一定波长的紫外线，再根据吸收量来推断臭氧的量。另一种是利用臭氧的氧化特性，使臭氧和某些物质发生化学反应从而根据反应式和原理定量的分析。而目前大部分使用的探空仪原理是利用电化学式的^[30~32]。

GPSO3臭氧探空仪工作原理电化学式：在碘化钾溶液中充入臭氧，臭氧具有强氧化性，使电离子生成碘分子。再将正负电极插入溶液中使溶液中的碘分子发生电离反应再生成碘离子，公式为：通电时碘分子在阴极生成碘离子，然后碘离子受到阳极的吸引游离向阳极，在阳极再生成碘分子，这样在正负电极间形成了电流。在这一系列的氧化还原反应中，再根据离子守恒定律，在溶液中，碘离子的总量是不变的，形成电流所需要的碘离子与碘化钾氧化反应生成的碘分子是正比关系，碘分子与通入的臭氧也是正比关系，所以在单位时间内正负极之间产生的电流与碘化钾氧化反应中的臭氧是正比关系。所以根据通入定量臭氧测定电流大小，从二者之间的关系可以定量的分析臭氧。