（大气物理学与大气环境专业论文）地基观测与卫星toms观测的全球大气臭氧总量对比分析.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明: 1 、坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作， 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实 的 。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机 构己经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表 示了谢意。 作者签名: 日期: 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文 的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机 构送交论文的电子版和纸质版;有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅;有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索;有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名: 日期: 摘要 本文对 1 3 9 个臭氧观测站点的地基资 料与卫星资料作了 对比分析， 即根据这两种不同来 源的臭氧观测资料， 根据相同站点、同 一天资料， 通过比 较它们在月平均、 年平均等尺度上 的差异， 即版本 来评估当前全球大气臭氧总量不同测量方法之间的差异。 其中卫星资料有两个版本， 7 和版本 8 . 中心 ( wo u d c ) a 来源于美国国家宇航局 ( n a s a) : 地基资料来源于世界臭氧和紫外资料 这两种探测结果的比 较， 将为更 加准确地分析大气臭氧总量长期 趋势以 及短期变化规律提供一个参考。 应用统计回归方法分析了两者的差异在不同纬度带所表现出的月平均变化和季节变化， 结果表明，在高纬地区，两者的差异较大， 平均标准差达到了 6 -7 %， 差异变化的趋势也较 为复杂; 在中 低纬地区， 差异较小， 平均标准差为3 - 4 / o ， 变化的 趋势也较稳定。 我们利用不同地面仪器的观测资料分别与两颗卫星的 t o ms资料作了 对比，分析研究 了 两者间 偏差、 标准差的 分布情况， 结果 表明 ，d o b s o n 站点和b r e w e : 站点的 观测资 料与两颗 卫星的t o ms资料相符较好， 而f i lt e r 滤光臭氧仪的测量精度要低于d o b s o c: 仪器和b r e w e r 仪器， 特别是与e a rt h p r o b e 卫 星资 料相比 时， 仅有3 7 % 的f i lt e : 站点 月 平均偏差在2 % 以下。 关健词: 臭氧总量:差异:月平均变化;季节变化 abs t ract t h i s s t u d y h a s c o m p a r e d g r o u n d - b a s e d a n d s a t e l l i t e d a t a o f 1 3 9 o z o n e o b s e r v a t i o n s t a t i o n s . u s i n g t h i s t w o d i ff e r e n t s o u r c e s o z o n e d a t a , w e h a v e c o m p a r e d t h e i r m o n t h l y a n d y e a r l y m e a n o ff s e t s b a s e d o n t h e s a m e s t a t i o n a n d t h e s a m e d a y d a t a t o a c c e s s d i ff e r e n c e s b e t w e e n d i ff e r e n t m e t h o d s f o r m e a s u r i n g t o t a l a t m o s p h e r i c o z o n e o v e r t h e g l o b e . s a t e l l i t e d a t a i s a v a i l a b l e fr o m n a t i o n al a e r o n a u ti c s a n d s p a c e a d m i n i s t r a t i o n ,a me r i c a , w h i c h h a s t w o v e r s i o n s ,t h a t i s v e r s i o n 7 a n d v e r s i o n 8 . grou n d - b a s e d d a t a i s a v a i l b l e f r o m wo r l d oz o n e ul t r a v i o l e t ra d i a t i o n d a t a c e n t e t ( wo u d c ) .t h i s c o m p a r i s o n w o u l d o ff e r s o m e r e f e r e n c e a b o u t h o w t o a n a l y s e t h e lo n g - t e r m t r e n d a n d s h o r t - t e r m v a r i a t i o n r u l e o f t o t a l o z o n e c o r r e c 你 a p p l y i n g s t a t is t i c a l r e gr e s s i o n m e t h o d , w e a n a l y s e t h e m o n t h l y a v e r a g e v a r i a t i o n s a n d s e a s o n a l v a r i a t i o n s o f t h e i r l o n g i t u d i n a l d i ff e r e n c e s . l t i s s h o w n t h a t t h e d i ff e r e n c e s a t h i g h la ti t u d e s ( 6 -7 % ) a r e l a r g e r t h a n a t lo w l a t i t u d e s ( 3 4 % ) , a n d t h a t a t h i g h l a ti t u d e s th e v a r i a t i o n t r e n d o f d i ff e r e n c e s i s m o r e c o m p l i c a t e d t h a n a t l o w l a t it u d e s . w e m a k e g r o u n d - b a s e d d a t a a v a i l b l e fr o m d i ff e re n t i n s t r u m e n t s c o m p a r e w i t h t o ms d a t a f r o m t w o s a t e l li t e s , a n d a n a l y s e t h e ir b ia s e s a n d d e v i a ti o n s .t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d a t a fr o m d o b s o n s t a ti o n s a n d b r e w e r s t a t io n s i s c o i n c id e n t t o t o ms d a t a , b u t t h e a c c u r a c y o f f i l t e r o z o n e m e t e r i s l o w e r t h a n d o b s o n a n d b r e w e r i n s t r u m e n t s . e s p e c i a l l y ,c o m p a r i n g w i t h t h e d a t a fr o m e a rt h p ro b e s a t e l l it e , o n l y 3 7 % o f al l f i lt e r s t a t i o n s h a v e l e s s t h a n 2 % m o n t h l y m e a n d i ff e r e n c e s . k e y w o r d s : t o t a l o z o n e a m o u n t ; d i ff e r e n c e ; m o n t h l y m e a n v a r i a t i o n ; s e a s o n al v a r i a t i o n 第一章引言 l l 大气臭氧 1 8 3 9 年， 德国 化学家c f s c h o n b e i n 在电 解稀硫酸时发现了 一种有特殊臭味 ( 类似 于鱼 腥味) 的气体， 这就是臭氧。工 8 7 2 年科学 家们确定了 臭氧的 化学组成 ( 0 3 ) , 臭氧在常 温常压下呈气态、钱蓝色，具有强氧化性。 在 大 气中， 臭 氧的 浓度 很小， 其 体 积 混合比 大 约占 空 气的1 05 0 p p b v , 1 9 2 9 年， f . w . p . g a t z 在测量臭氧时发现丁“ 逆转效应” ， 测到了 臭氧最大浓度位于1 0 2 0 k m高度上 这一重 要结果。1 9 3 4年， 他又完成了 用逆转效应计算臭氧垂直分布的方法 逆转法，计算出臭 氧浓 度的 最大值位于2 2 k m左右 ( 王贵勤，1 9 9 0 ) 。 如果把 单位截面积上大气柱内的 臭氧含 量订正到标准状态，其纯臭氧厚度大约在0 . 2 5 0 .4 5 c m之间，平均为0 .3 4 7 c m .整层大气 柱中 的 臭 氧 含量 称为臭 氧总 量， 其 单位为d o b s o n u n it , 简 称d u , 1 d u 二1 0 .3 厘 米大 气臭 氧 标准厚度。 臭氧 ( 伪) 主要是由氧分子 ( o z 的光致离 解产生的，即氧分子 o z 在太阳紫外辐 射的作 用下发生光致离解， 产生 氧原子 ( o ) ， 而后氧原子 ( o) 再与氧分子 ( o z ) 结合产生 臭氧 ( 0 3 ) 。 大气臭氧的消亡过程比 较复杂， 主要存在光化学反应、 催化反应 ( 有氮氧化物、 氢氧根、 氯与澳 参与) 和 粒子表面 的非均相反应( w m o , 1 9 9 1 : s o l o m o n e t a l . , 1 9 8 6 ; r o w l a n d e t a l ，1 9 8 6 ) 。 人类活动也能对臭 氧的 产生 和消亡产生重要的影响， 例如工农业生产和汽 车 排放的 尾气 会造成n o , h o x , c f c s , n m h c( 非甲 烷碳氢化合 物) 、 c i o x , c o和c 1 1 4 等 臭氧消耗物质浓度的增加， 同时超音速飞 机也直接向 平流层大气排放n o z , 这些物质都将导 致大气臭氧的减少。 其中， 氯氟烃类物质和哈龙等有机澳化合物在平流层中十分稳定， 寿命 可以 达到7 0 - - 1 6 0 年，一 般的大气光化学反应难以 去除， 会造成臭氧层的巨 大损耗。 此外 南北半球中、高纬度地区所观测到的 平流层臭氧的减少还可能与 平流层大气气溶胶粒子有 关 研究表明发生在气溶胶颗粒表面的非均相反应破坏臭氧比均相反应更有效( w m0 . 1 9 9 3 : i p c c , 1 9 9 2 ) . 大气臭氧虽然只是一种微量气体， 但是它对地球的 气候、 环境和生物圈有着非常重要的 5 第一章引言 l l 大气臭氧 1 8 3 9 年， 德国 化学家c f s c h o n b e i n 在电 解稀硫酸时发现了 一种有特殊臭味 ( 类似 于鱼 腥味) 的气体， 这就是臭氧。工 8 7 2 年科学 家们确定了 臭氧的 化学组成 ( 0 3 ) , 臭氧在常 温常压下呈气态、钱蓝色，具有强氧化性。 在 大 气中， 臭 氧的 浓度 很小， 其 体 积 混合比 大 约占 空 气的1 05 0 p p b v , 1 9 2 9 年， f . w . p . g a t z 在测量臭氧时发现丁“ 逆转效应” ， 测到了 臭氧最大浓度位于1 0 2 0 k m高度上 这一重 要结果。1 9 3 4年， 他又完成了 用逆转效应计算臭氧垂直分布的方法 逆转法，计算出臭 氧浓 度的 最大值位于2 2 k m左右 ( 王贵勤，1 9 9 0 ) 。 如果把 单位截面积上大气柱内的 臭氧含 量订正到标准状态，其纯臭氧厚度大约在0 . 2 5 0 .4 5 c m之间，平均为0 .3 4 7 c m .整层大气 柱中 的 臭 氧 含量 称为臭 氧总 量， 其 单位为d o b s o n u n it , 简 称d u , 1 d u 二1 0 .3 厘 米大 气臭 氧 标准厚度。 臭氧 ( 伪) 主要是由氧分子 ( o z 的光致离 解产生的，即氧分子 o z 在太阳紫外辐 射的作 用下发生光致离解， 产生 氧原子 ( o ) ， 而后氧原子 ( o) 再与氧分子 ( o z ) 结合产生 臭氧 ( 0 3 ) 。 大气臭氧的消亡过程比 较复杂， 主要存在光化学反应、 催化反应 ( 有氮氧化物、 氢氧根、 氯与澳 参与) 和 粒子表面 的非均相反应( w m o , 1 9 9 1 : s o l o m o n e t a l . , 1 9 8 6 ; r o w l a n d e t a l ，1 9 8 6 ) 。 人类活动也能对臭 氧的 产生 和消亡产生重要的影响， 例如工农业生产和汽 车 排放的 尾气 会造成n o , h o x , c f c s , n m h c( 非甲 烷碳氢化合 物) 、 c i o x , c o和c 1 1 4 等 臭氧消耗物质浓度的增加， 同时超音速飞 机也直接向 平流层大气排放n o z , 这些物质都将导 致大气臭氧的减少。 其中， 氯氟烃类物质和哈龙等有机澳化合物在平流层中十分稳定， 寿命 可以 达到7 0 - - 1 6 0 年，一 般的大气光化学反应难以 去除， 会造成臭氧层的巨 大损耗。 此外 南北半球中、高纬度地区所观测到的 平流层臭氧的减少还可能与 平流层大气气溶胶粒子有 关 研究表明发生在气溶胶颗粒表面的非均相反应破坏臭氧比均相反应更有效( w m0 . 1 9 9 3 : i p c c , 1 9 9 2 ) . 大气臭氧虽然只是一种微量气体， 但是它对地球的 气候、 环境和生物圈有着非常重要的 5 作用，与 地球大 气的进化和地球生命的发展是紧密相连的( s a l b y , 1 9 9 6 ) 0 臭 氧在全 球气候 和环境中的作用表现在如下三个方面 ( 盛裴轩等， 2 0 0 3 ) :( 伪 平流层大气臭氧阻挡到 达地 面的 太阳辐射， 降低地球表面温度; 对流层臭氧吸收太阳紫外辐射， 升高地球表面温度: ( 2 ) 臭氧对太阳紫外 辐射的吸收是平 流层的主要热源， 平流层臭 氧浓度及其随高 度的分 布直 接控 制平流层的 温度结构， 从而对大气环流和地球气候的形成起着重要的作用; ( 3 ) 大气臭氧吸 收太阳紫外辐射，降低到达地面的波长小于3 0 0 ru n 的 太阳紫外辐射强度，从而保护地球的 生态系统。 自 从人类认识到臭氧的存在后， 全球各地就开始了 对臭氧的观测和研究， 并取得了一系 列的成果。 研究的主要内 容有实验室分析、 诊断分析和模式研究等。 观测和理论研究表明影 响大气臭氧分布和变化的因素有:大气光化学过程、 大气催化化学过程和大 气动力学 过程 ( i p c c 1 9 9 2 ; w m o , 1 9 9 5 ) 。 近年来，随着人 们对臭氧认识的 深入， 对大气臭氧的 研究 越来越受到各国 政府和科学家们的重视( 王庚辰， 1 9 9 1 ) 。 例如wm o于1 9 8 5 年制定了 保护 臭氧层的维也 纳公约;1 9 8 7 年，首次由n a s a / wm o臭氧趋势小组做出臭氧状态的基本评 估， 并由u n e p 制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书; 其后为了加 强蒙特利尔议定 书的执行， 先后于1 9 9 0 年制定了 伦敦修正案， 1 9 9 2 年制定了哥本哈根修正 案， 1 9 9 7 年制定 了蒙特利尔修正案，1 9 9 9 年制定了 北京修正案。 其中最著名的是1 9 8 7 年的 ( 关于臭氧层消 耗物质的蒙 特利尔议定书 ，该议定书包含了 控制和降低生产和使用具有破坏性的卤 ( 化) 碳物的 措施，规定2 0 世纪末最终将减少5 种氟氯化碳消费量的5 0 %，并冻结3 种哈龙的消 费量。 到 1 9 9 9 年7 月，全世界2 0 0 多个国家中，已 有 1 6 8 个参加了这项条约，工业化国家 同意在2 0 0 5 年彻底停止使用甲 基澳， 发展中国家在2 0 1 5 年也将彻底停止使用甲 基澳。 中国 政府于1 9 9 3 年1 月批准实施 中国消耗臭氧层的 物质逐步淘 汰国家 方案水有效的 控制了中 国消耗 臭氧 层物质生产和消费的增长势头。 以 上这些措施都将对保护大气臭氧， 改善人类生 存环境有积极的作用。 1 . 2 大气臭氧的观测 对大气奥氧的监测一直是大气和环境学科的重要内容之一， 平流层臭氧减少己引起全球 作用，与 地球大 气的进化和地球生命的发展是紧密相连的( s a l b y , 1 9 9 6 ) 0 臭 氧在全 球气候 和环境中的作用表现在如下三个方面 ( 盛裴轩等， 2 0 0 3 ) :( 伪 平流层大气臭氧阻挡到 达地 面的 太阳辐射， 降低地球表面温度; 对流层臭氧吸收太阳紫外辐射， 升高地球表面温度: ( 2 ) 臭氧对太阳紫外 辐射的吸收是平 流层的主要热源， 平流层臭 氧浓度及其随高 度的分 布直 接控 制平流层的 温度结构， 从而对大气环流和地球气候的形成起着重要的作用; ( 3 ) 大气臭氧吸 收太阳紫外辐射，降低到达地面的波长小于3 0 0 ru n 的 太阳紫外辐射强度，从而保护地球的 生态系统。 自 从人类认识到臭氧的存在后， 全球各地就开始了 对臭氧的观测和研究， 并取得了一系 列的成果。 研究的主要内 容有实验室分析、 诊断分析和模式研究等。 观测和理论研究表明影 响大气臭氧分布和变化的因素有:大气光化学过程、 大气催化化学过程和大 气动力学 过程 ( i p c c 1 9 9 2 ; w m o , 1 9 9 5 ) 。 近年来，随着人 们对臭氧认识的 深入， 对大气臭氧的 研究 越来越受到各国 政府和科学家们的重视( 王庚辰， 1 9 9 1 ) 。 例如wm o于1 9 8 5 年制定了 保护 臭氧层的维也 纳公约;1 9 8 7 年，首次由n a s a / wm o臭氧趋势小组做出臭氧状态的基本评 估， 并由u n e p 制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书; 其后为了加 强蒙特利尔议定 书的执行， 先后于1 9 9 0 年制定了 伦敦修正案， 1 9 9 2 年制定了哥本哈根修正 案， 1 9 9 7 年制定 了蒙特利尔修正案，1 9 9 9 年制定了 北京修正案。 其中最著名的是1 9 8 7 年的 ( 关于臭氧层消 耗物质的蒙 特利尔议定书 ，该议定书包含了 控制和降低生产和使用具有破坏性的卤 ( 化) 碳物的 措施，规定2 0 世纪末最终将减少5 种氟氯化碳消费量的5 0 %，并冻结3 种哈龙的消 费量。 到 1 9 9 9 年7 月，全世界2 0 0 多个国家中，已 有 1 6 8 个参加了这项条约，工业化国家 同意在2 0 0 5 年彻底停止使用甲 基澳， 发展中国家在2 0 1 5 年也将彻底停止使用甲 基澳。 中国 政府于1 9 9 3 年1 月批准实施 中国消耗臭氧层的 物质逐步淘 汰国家 方案水有效的 控制了中 国消耗 臭氧 层物质生产和消费的增长势头。 以 上这些措施都将对保护大气臭氧， 改善人类生 存环境有积极的作用。 1 . 2 大气臭氧的观测 对大气奥氧的监测一直是大气和环境学科的重要内容之一， 平流层臭氧减少己引起全球 各国 政 府以 及民 众的 广 泛关 注 ( b o j k o v e t a l ，1 9 9 5 ; 魏鼎文 等， 1 9 9 4 ; 王 庚辰， 2 0 0 3 ; 周 秀骥等，1 9 9 5 ) 。 对全球大气臭氧总量的 观测主要有两种方法:地基观测， 探测仪器主要有 陶普 生 分光光 度计( d o b s o n o z o n e s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 、 布 瑞沃 尔 分 光 光 度计( b r e w e r o z o n e s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 和滤光片型臭氧测量仪 ( f i l t e r o z o n e m e t e r ) 等: 卫 星观测， 常 用产品 是 美国 国 家宇 航局( n a s a : n a t io n a l 人 e ro n a u t i c s a n d s p a c e a d m in is t r a t io n ) 提 供的t o m s 观测 资料。 这两种探测结果的比较， 是正确分析大气臭氧总 量长期趋势以及短期变化特征的 基础 因 此该 项研究一 直得 到重视 ( w m o . 2 0 0 3 ) 。依 据t o m s资料与 地面 观测资 料， 对大气臭 氧总量的测量精度进行比 较分析， 将有助于科学家以 及各国 政府部门 对于全球大气臭氧总量 的变化趋势、 平流层臭氧的损耗以及蒙特利尔协定效果方面的$ 估做出 更加准确的判断。 1 . 2 . 1 t o ms 仪器 t o m s ( t o t a l o z o n e m a p p in g s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 仪器 是搭 载于 极轨 卫 星上 用于 测 量地 球整层大气臭氧总量的分光辐射探测器， 它是通过测量太阳后向散射紫外辐射来获得全球大 气臭氧总量的。 t o ms 仪器 1 9 7 8 年 1 0月2 4日开始搭载于n i m b u s 7 卫星上， 一周以后正式 获得观测资 料。该仪器 在n i m b u s 7 卫 星上的 工作时 段为1 9 7 8 年i 1 月i 日 至1 9 9 3 年5 月6 日。m e t e o r 3 卫星和e a r t h p r o b e 卫星上也分别装载了t o ms 仪器，它们在这两颗卫星上的 工作时段分别为1 9 9 1 年8 月2 2日 至1 9 9 4 年1 1 月2 4日 和1 9 9 6 年7 月2 5日 至今。 t o ms 仪器自 工作以 来已 运行了二十多 年， 并取得了 较好的 连续观测资料。 但是 在1 9 9 4 年1 2 月到 1 9 9 6 年7 月间，由 于m e t e o r 3 卫 星失 效而 有一年半的时间没有臭氧 观测资 料。 t o m s 仪器是一种横穿天 底轨道扫描的e b e rt - f a s t i e 单 色仪， 每天提供一张演算得出的 全球臭氧分布图。丁 o ms 探测器在短波有6 个带宽约为 1 ru n 的波段，除了可以 探测整层大 气臭氧总量外， 还可以 用来探测s o z ( k r u e g e r e t a l . , 1 9 9 5 ) ， 估计地面 紫外辐射量( h e r m a n e t a l . , 1 9 9 6 ) , 探测平流层气溶胶( t o r r e s o e t a l . , 1 9 9 5 ) 等。 n i m b u s 7 1 t o ms 和m e t e o r 3 / t o ms 仪器 使 用的6 个波段的中 心波长 是基本相同 的， 分别是: 3 1 3 , 3 工 9 , 3 3 1 , 3 4 0 , 3 6 0 和3 8 0 n m a 而e a rt h p r o b e / t o ms 仪器在观测时去掉了3 4 0 和3 8 0 n m两个波段，增加了3 0 9 和3 2 2 n m 两个波段，其中3 0 9 。 波段臭氧的吸收较强，对标定误差 要求不严，适合探测赤道地区臭 氧。3 2 2 。 波段适合探测高纬地区臭氧含量。 各国 政 府以 及民 众的 广 泛关 注 ( b o j k o v e t a l ，1 9 9 5 ; 魏鼎文 等， 1 9 9 4 ; 王 庚辰， 2 0 0 3 ; 周 秀骥等，1 9 9 5 ) 。 对全球大气臭氧总量的 观测主要有两种方法:地基观测， 探测仪器主要有 陶普 生 分光光 度计( d o b s o n o z o n e s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 、 布 瑞沃 尔 分 光 光 度计( b r e w e r o z o n e s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 和滤光片型臭氧测量仪 ( f i l t e r o z o n e m e t e r ) 等: 卫 星观测， 常 用产品 是 美国 国 家宇 航局( n a s a : n a t io n a l 人 e ro n a u t i c s a n d s p a c e a d m in is t r a t io n ) 提 供的t o m s 观测 资料。 这两种探测结果的比较， 是正确分析大气臭氧总 量长期趋势以及短期变化特征的 基础 因 此该 项研究一 直得 到重视 ( w m o . 2 0 0 3 ) 。依 据t o m s资料与 地面 观测资 料， 对大气臭 氧总量的测量精度进行比 较分析， 将有助于科学家以 及各国 政府部门 对于全球大气臭氧总量 的变化趋势、 平流层臭氧的损耗以及蒙特利尔协定效果方面的$ 估做出 更加准确的判断。 1 . 2 . 1 t o ms 仪器 t o m s ( t o t a l o z o n e m a p p in g s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 仪器 是搭 载于 极轨 卫 星上 用于 测 量地 球整层大气臭氧总量的分光辐射探测器， 它是通过测量太阳后向散射紫外辐射来获得全球大 气臭氧总量的。 t o ms 仪器 1 9 7 8 年 1 0月2 4日开始搭载于n i m b u s 7 卫星上， 一周以后正式 获得观测资 料。该仪器 在n i m b u s 7 卫 星上的 工作时 段为1 9 7 8 年i 1 月i 日 至1 9 9 3 年5 月6 日。m e t e o r 3 卫星和e a r t h p r o b e 卫星上也分别装载了t o ms 仪器，它们在这两颗卫星上的 工作时段分别为1 9 9 1 年8 月2 2日 至1 9 9 4 年1 1 月2 4日 和1 9 9 6 年7 月2 5日 至今。 t o ms 仪器自 工作以 来已 运行了二十多 年， 并取得了 较好的 连续观测资料。 但是 在1 9 9 4 年1 2 月到 1 9 9 6 年7 月间，由 于m e t e o r 3 卫 星失 效而 有一年半的时间没有臭氧 观测资 料。 t o m s 仪器是一种横穿天 底轨道扫描的e b e rt - f a s t i e 单 色仪， 每天提供一张演算得出的 全球臭氧分布图。丁 o ms 探测器在短波有6 个带宽约为 1 ru n 的波段，除了可以 探测整层大 气臭氧总量外， 还可以 用来探测s o z ( k r u e g e r e t a l . , 1 9 9 5 ) ， 估计地面 紫外辐射量( h e r m a n e t a l . , 1 9 9 6 ) , 探测平流层气溶胶( t o r r e s o e t a l . , 1 9 9 5 ) 等。 n i m b u s 7 1 t o ms 和m e t e o r 3 / t o ms 仪器 使 用的6 个波段的中 心波长 是基本相同 的， 分别是: 3 1 3 , 3 工 9 , 3 3 1 , 3 4 0 , 3 6 0 和3 8 0 n m a 而e a rt h p r o b e / t o ms 仪器在观测时去掉了3 4 0 和3 8 0 n m两个波段，增加了3 0 9 和3 2 2 n m 两个波段，其中3 0 9 。 波段臭氧的吸收较强，对标定误差 要求不严，适合探测赤道地区臭 氧。3 2 2 。 波段适合探测高纬地区臭氧含量。 1 . 2 . 2 地基测量仪器 大气臭氧总量的地基探测就是指从地面对大气中的臭氧.急 含量进行探测。 臭氧对太阳紫外辐 射有很强的吸收作用， 这为利用太阳光谱测量大气中的臭氧含量提供了 科学依据。 早在1 9 2 0 年， 法国 科学 家c . f r a b y )!1 h . b u i s s o n 就 通过 在地 面观 测太阳 光谱 获 得了 大 气中 臭 氧的 总 含 量， 从那时起， 就拉开了 从地面测量大气中 臭氧含量的序幕。 到目 前为止， 大气臭氧探测己 走过了8 0 多年的历程，臭氧的探测方法和技术有了 很大进展， 用于探测臭氧浓度的仪器也 在不断发展和更新， 但是利用臭氧对太阳紫外辐射的吸收来测量大气中臭氧含量的原理仍然 是目前臭氧探测中的基本方法。 我们知道， 臭氧在电 磁波的紫外波段/ 可见光谱段和红外波段均有明显的吸收带， 因此， 当太阳辐射进入地球大气顶部并向 地球表面传送时便会受到大气中臭氧在相应波段上的吸 收， 其结果是导致这些波段上太阳辐射能的减弱， 其减弱程度显然取决于大气中的臭氧含量 多少和相应波段处的臭氧吸收强度大小。 据此， 可以从理论上计算得到某一波长处太阳辐射 能量的减弱值与 大气中臭氧含量的定量关系。 与此同时， 科学家们在大量研究工作的基础上， 先后发展了多种技术和方法来定量确定太阳辐射在达到地球表面过程中的减弱量值， 并根据 这一实际减弱值来确定大气中臭氧的实际含量。 这就是从地面上测量大气臭氧总量的基本原 理 ( 王庚辰，2 0 0 3 ) a 当然， 太阳辐射在到达地面前的大气传输过程中所受到的减弱与大气中 臭氧含量之间的 关系并不唯一。也就是说， 大气中除了臭氧之外， 还有其他大气组分，如氧气、二 氧化碳、 水汽和各种颗粒物等， 也能引起太阳辐射能量的减弱。 为了排除和尽量减小大气中 其它组分 的干扰，目 前， 在地面测量大气臭氧总量的工作都选择在紫外波段， 而且在实际工作中 通常 是采用双波长技术。 也就是说， 同时选择一对或两对波长进行测量。 这种测量技术的基本思 路是， 根据臭氧在紫外波段吸收光谱的细微结构， 选择臭氧吸收系数较大的波长作为测量波 长在这一波长的附近选择另一个臭氧吸收较弱的波长作为参考波长。 这样， 这两个波长处的 太阳辐射同时受到大气臭氧和大气中 颗粒物的减弱， 但臭氧的吸收有很强的波长 选择性， 即 在测量波长和参考波长处的吸收有很大的差异， 而颗粒物对太阳紫外波段的减弱却有 着一定 的规律， 而且尚无波长选择性。 这样通过对这两个波长处获得的辐射能量进行数学处理便可 以有效地消除其他因素的影响， 并根据这两个波长处太阳辐射的减弱程度来确定大气中臭氧 的实际含量 ( 王明星，1 9 9 1 ) , 根据上述测量原理曾经发展了多种技术来从地面测量大气中的臭氧总量。 目 前获得广泛 应用的仪器是:陶普生分光光度计，布瑞沃尔分光光度计和滤光片型臭氧测量仪。 陶 普 生 分光光 度计( d o b s o n o z o n e s p e c t r o p h o t o m e t e r ) 这是英国科学家c z m. b . d o b s o n 设计的专门利用太阳光谱从地面测量大气臭氧总量的 紫外光谱仪器，首次应用是在1 9 3 1 年。 d o b s o n 仪器实际上是一台自 动准直型的双单色仪。 它的最大特点是可以选取多组工作波长并获得高的光谱分辨率， 同时可以 最大限 度地消除仪 器内部的杂散光以保证仪器有足够的信噪比和测量精度 ( 王 庚辰， 2 0 0 3 ) . 在d o b s o n 仪 器中， 为了 测量臭氧总量选用了 几组标准的 波长 对， 这就是a ( 3 0 5 .5 和 3 2 5 .4 n m ) , b ( 3 0 8 . 8 和3 2 9 . 1 n m ) , c ( 3 1 1 . 4 和3 3 2 .4 nn ) 和d ( 3 1 7 . 6 和3 3 9 . 8 n m) 。 这些 波长对选择的基本原则是两个波长的间距尽量小， 但臭氧在两个波长处的吸收系数却要尽量 大。除了 上述四对波长外，有时还选用一 对c ( 3 3 2 .4 和4 5 3 .6 n m )用以专门估算大气中的 颗粒物的 影响。 在实际观测时， 人们往往都采用a d两对波长，因 为计算表明，同时利用这 两对波长测量臭氧总量的误差最小。这样，利用d o b s o n 仪器测定适当选取的波长组的相对 强度， 就能够确定出仪器附近从地面直到大气上界的垂直气柱中的臭氧含量， 测量精度为士 2 - 3 0/( 曲绍厚，1 9 9 4 ) . 在我国，香河和昆明这两个d o b s o n 臭氧观测站的观测数据是非常可靠的。香河站的臭 氧总量资料在和t o ms 资料进行比 较时显示了较好的一致性最大偏差仅为2 . 1，因而香河 站的观测质量受到了国际上高度评价， 认为该站观测质量属世界上少数几个最好的测站之一 ( w m o , 1 9 8 8 ) .昆明 站的 观测资料总体上与卫星资料也甚 为一致 w e i d in g w e n , 1 9 8 9 ) 该站的d o b s o n 仪器的精度和稳定性也是良 好的。 布 瑞 沃 尔分 光 光度计( b r e w e r o z o n e s p e c t r o p h o t o m e t e r ) b r e w e r 臭氧分光光谱仪是由加拿大设计生产，是世界气象组织 ( wmo )推荐使用的测 量大气臭氧总量和臭氧垂直廓线分布的仪器， 它的主体由 三部分租成， 即前置关学系统 ( 用 以 跟综和引导太阳光进入仪器) 、 光谱仪和电子控制系统 ( 张晓春， 2 0 0 3 ) 。 光谱仪的工作范 围为 2 9 5 3 3 0 n m，工作波长为:3 0 6 . 3 . 3 1 0 . 1 . 3 1 3 .5 . 3 1 6 . 8 和3 2 0 . 1 n m.波长的分辨率为 0 .6 二 ( k e r r j . b . e t a l . , 1 9 8 0 ) , 微处理机可以实现对观测资料的采集和处理， 并具有控制功 能， 使观测工作按预 先设定好的程序进行。 两个内部标准光源用以 对仪器的波长和光谱仪的 灵敏度进行标定。b r e w e r 仪器主要用于测量臭氧总量，同时也可以测量大气中的二氧化硫 含量。 在臭氧的测量过程中， 考虑到二氧化硫在紫外波段的强烈吸收而进行了二氧化硫的订 正， 此外还 考虑了环境温度的 变化对仪器影响，而 进行了 温度补偿 ( k e r r e t a l . , 1 9 9 3 ) ,同 时 还需 考虑光电倍增管死时间 和大气瑞利散射修正等因素， 具体的 臭氧测量方法可参阅仪器 技术手 册及有关文献 ( 郭松等，1 9 9 4 ; g u o s o n g e t a l . , 1 9 9 4 ; 郑向 东等，1 9 9 6 ) 。 仪器 观测 时可指向 太阳， 也可指向 天顶或借助月光进行测量。 仪器还配有专门的漫射半球罩、 石英罩 以及相应的配套光学装置以便进行太阳1 1 y = b的辐射测量。 除加拿大外， 世界上的很多国家 和地区也使用b r e w e r 臭氧仪， 我国的瓦里关山本底站、 南极中山站和临安站也使用b r e w e r 仪器进行臭氧观测。 对使用的国际标准b r e w e r 仪器来说， 臭氧测量误差在1 % 以内( k e r r , 1 9 9 7 ) 0 在每次进行臭氧的测量前，仪器均自 动进行波长和 强度的绝对标定。 滤光片型臭氧侧量仪 ( f i l t e r o z o n e m e t e r ) d o b s o n 仪器和b r e w e r 仪器都属于精密光学仪器， 它 们的 共同特点是借助于昂贵而精密 的 棱镜或光栅等分光器件从太阳 光中 分离出 所需要的 波长， 由 于使用的波段很窄 ( 通常为1 一 3 n m ) ,因 此其能量也很小， 这就需要高灵敏度的光电 探测器。滤光片型臭氧测量仪的最大 特点是采用普通或干涉滤光片来代替精密而昂贵的棱镜或光栅等分光器件。 这种仪器中所使 用的滤光片透光范围较宽， 一般在2 0 n u n 左右， 因此所产生的问题是， 在这样宽的光谱区间， 大气臭氧的吸收系数会在很大范围内 变化， 这就导 致了 臭氧测量中的不唯一性。 为此， 所有 滤光片型的臭氧仪中均采用所谓“ 有效波长” 的 概念。 它的物理意义是在仪器光电 接收 器灵 敏度和 滤光片的透过率一定的 情况下， 仪器测得的 最大能量所对应的 波长， 这个波长 通常 是 理论上算出来的。 有了 这个有效波长以及它相对应的臭氧吸收系数值， 便可以根据光电 接收 器的输出计算臭氧含量了。目 前， f i l t e r 仪器有m - 8 3 型和其改进型m- 1 2 4 两种。与d o b s o n 分光光度计的平行观测显示，这类仪器对臭氧的观测误差平均为 1 0 % ( 王庚辰， 2 0 0 3 ) . 国内外大气臭氧观测和分析研究现状 自 从 1 9 世纪科学家们发 现臭 氧后， 人们进行了 大量的 观测和资 料分析研究 ( b o j k o v e t 1 9 9 0 : s t o la r s k i e t a l . , 1 9 9 2 ;王卫国等，1 9 9 2 :魏鼎文等，1 9 8 9 ) 。从2 0 世纪7 0 年代 ，曰， ，. j.al 开始， 特别是在南极地区发现了 臭氧洞现象， 大气臭氧研究已成为当代大气科学与环境科学 的热点。 1 .3 . 1 国际大气臭氧总量观测和分析研究现状 国 际对大气臭氧总量的观测始于2 0 世纪2 0 年代，5 0 年代w m o负责统一规范臭氧观 测 标 准 程 序 ， 并 开 始 建 立 全 球 臭 氧 监 测 系 统( g o g o s : g l o b a l o z o n e o b s e r v in g s y s t e m ) 。目 前 全球大约有4 7 7 个地面臭氧观测站， 其中有近3 0 0 个d o b s o n 站， 其余大多数为始于5 0 年代中 期的f i lt e r m - 8 3 站， 主要设在前苏联和东 欧， 1 9 8 6 年改用m - 1 2 4 型。 中国、 加拿大、 美国和德国等国家开始加拿大研制的b r e w e r 昊氧仪。1 9 6 6 年，人类第一次从卫星对地测量 臭 氧: 1 9 7 8 年美国宇航局n i m b u s 7 卫星上天， 开始对全球臭氧进行监测， 后来分别有me t e o r 3 和e a rt h p ro b e 卫星， 探测仪器是t o ms 。从1 9 7 9 年起，人们逐渐认识到对各种臭氧观测 系统性能的评估十分必要， wm o在1 9 8 0 年就此议题举办会 议。1 9 8 8 年， w m o / n a s a国 际 臭氧趋势t 作组呼吁 对 臭氧长 期记录进行一次 完整的重新评 估， 并得到w m o执行委员会 的签署。 1 9 9 1 年9 月在华盛顿举行的第一次国际d o b s o n 臭氧资 料工作会议， 参会人员讨论 了 现在资料的不足， 认为有必要得到修正的、 更准确的资料用于气候趋势分析以及用于卫星 资 料比 对 ( b a s h e r , 1 9 9 4 ; r e p o r t n o . 2 9 , w m o / t d - n o . 5 9 7 , 1 9 9 3 ) . 1 9 9 6 年m c p e te r s 等人 ( mc p e t e r e t a l j o l a b o w e t a l . , 1 9 9 6 ; mc p e t e r e t a l . , t 9 9 6 ) 通过与d o b s o n 观测网的比较， 对n i m b u s ? 星载t o ms 版本7 臭 氧1 4 .5 年资料的 精度进行了 评估。 后来， f i o l e t o v e t a 1 ( 1 9 9 7 , 1 9 9 9 , 2 0 0 1 , 2 0 0 2 ) 和b o j k o v 等人 ( b o j k o v e t a l ，1 9 8 8 , 1 9 9 0 , 1 9 9 5 ; k e r r e t a l . , 1 9 8 8 ) 通过对地面资料与卫星资料进行比 对， 分析了 世界地基臭氧观测网可能存在的问题。 1 9 7 5年，wmo第一次对全球臭氧状态进行国际评估。工 9 8 4年在 h a lk id i k i 的 o z o n e c o m m i s s i o n s y m p o s i u m上，与会者第一次 报告了1 9 8 2 年1 0 月 在南极 洲s y o w a 出 现臭氧总 量异常低值 ( -2 0 0 m a t m c m ) ， 但是其重要性在第二 年被认可。1 9 9 1 年，w