热带印度洋海温变化对东亚地区臭氧层分布的影响
田孟坤1, 郭漪然1, 王秀英2, 陈艳3, 郭世昌1
1.云南大学 资源环境与地球科学学院 大气科学系,云南 昆明 650091
2.云南省普洱市气象局,云南 普洱 665000
3.云南省气象科学研究所,云南 昆明 650034
通信作者:郭世昌(1958-),男,四川人,教授,主要从事大气臭氧、紫外辐射及气候变化研究.E-mail:shchguo@ynu.edu.cn.

作者简介:田孟坤(1992-),女,云南人,硕士,主要从事大气臭氧、气候变化研究.E-mail:1272615010@qq.com.

摘要

利用英国Hadley中心的海温和NASA的臭氧混合比的月平均再分析资料,计算表征热带印度洋海温变化的主模态(IOB、IOD)的IOBI指数和IODI指数,分析了1980—2015年间热带印度洋海温异常与东亚地区平流层臭氧混合比之间的相关关系,探讨了热带印度洋海温变化对东亚臭氧层分布的影响.结果表明:①热带印度洋海温变化对东亚地区平流层臭氧分布有明显的影响,并且与IOB、IOD的时间变化规律相一致;②IOBI、IODI与东亚平流层臭氧变化具有一定的相关关系,特别是在春、秋季节时,平流层低层(70hPa)和中层(40hPa)高度处两者间的相关性尤为显著.

关键词: 热带印度洋; 东亚地区; IOB; IOD; 平流层臭氧
中图分类号:P421.33;P444 文献标志码:A 文章编号:0258-7971(2018)06-1192-09
The impact of tropical Indian Ocean temperature on the ozone layer in East Asia
TIAN Meng-kun1, GUO Yi-ran1, WANG Xiu-ying2, CHEN Yan3, GUO Shi-chang1
1.Department of Atmosphere Science,Yunnan University,Kunming 650091,China
2.Puer Meteorological Bureau,Puer 665000,China
3.Yunnan Weather Bureau,Kunming 650034,China
Abstract

Based on the British Hadley center SST,NASA ozone mass mixing ratio reanalysis during 1980—2015,calculating the IOB index and IOD index which characterize the dominating modes of tropical Indian Ocean SST interannual variability—Indian Ocean Basin (IOB) mode and Indian Ocean Dipole (IOD) mode,analyzing the correlation of tropical Indian Ocean SST anomalies and ozone mass mixing ratio in stratosphere over East Asia.And the impact of Tropical Indian Ocean temperature on the ozone layer in East Asia region also has been investigated in this paper.The result show:(1)the changes of tropical Indian Ocean SST have significant effects on stratospheric ozone distribution in East Asia,and it’s consistent whit the changing rules of IOB and IOD;(2)IOBI and IODI have a certain correlation with stratospheric ozone changes in East Asia,with a particularly significant correlation in the lower stratosphere (70 hPa) and middle stratosphere (40 hPa) especially during the spring and autumn seasons.

Keyword: tropical Indian Ocean; East Asia; Indian Ocean Basin mode; Indian Ocean dipole mode; stratospheric ozone

Angione R J等[1]曾把臭氧作为重要的大气成分之一加以测量.观测事实发现, 10~50km的高空是臭氧的主要集中地带[2], 臭氧含量大值区主要位于20km以上区域, 被称为大气臭氧层[3].臭氧能反映大气环流的变化情况, 臭氧浓度过高也会引起气候和环境的改变.臭氧在平流层中能减少到达地面的短波辐射, 起到保护层的作用; 在对流层臭氧吸收地面的长波辐射从而加热大气, 近地面臭氧浓度过高会引起支气管、皮肤癌等疾病[4].因此臭氧的变化特征已成为国内外学者们重视和关注的研究对象之一[5, 6].东亚作为全球人口的集中区, 人类的活动也会受到上空的大气环境和臭氧浓度变化的影响和制约[7].因此研究引起东亚地区臭氧层分布异常及变化的因素具有重大的科学意义.

影响臭氧含量变化的因素众多, 诸如行星波传播、Hadley环流活动等环流变化过程[8, 9, 10, 11, 12].而一些研究表明, 臭氧的变化中也包含海温的波动信号[13, 14].随着海温变化的深入了解, 海温变化对臭氧空间分布的影响逐渐被学者关注和研究[15].印度洋是备受科学家们关注的海域, Saji等[16, 17]研究发现, 热带印度洋地区的海温异常存在2个主要的分布模态, 第1主模态是热带印度洋海温表现为一致性增暖或变冷的海盆模(IOB); 第2主模态表现为热带印度洋东南部和西北部的海温异常呈反向跷跷板变化的偶极子(IOD).热带印度洋的主要模态对臭氧的影响也引起学者们的重视.Nassar R等[18]提出2006年西印度洋及非洲地区的臭氧含量急剧下降可能是由于IOD引起局部强烈对流导致.Takashi等[19]在研究北半球对流层臭氧年际变化的影响因素中发现印度洋海温的变化会对对流层臭氧的年际信号产生影响.Krzyscin等[20]对北半球臭氧变化进行分析研究发现, 春季独立的正IOD事件会使近赤道地区的臭氧总含量发生变化; 秋季独立的正IOD事件会使30° ~35° N地区臭氧总含量增加, 而使65° ~70° N地区的臭氧总含量减少.

虽然以往已有学者讨论了印度洋海温变化对某些区域臭氧分布的影响, 但针对东亚地区平流层臭氧浓度变化和热带印度洋海温异常二者关系的研究相对较少, 因此本文拟在上述研究成果的基础上, 选取迄今为止较完整和连续的海表面海温资料和臭氧混合比再分析资料, 着重关注东亚地区, 研究热带印度洋海温变化的2个主模态和东亚地区臭氧层变化的关系.

1 资料和方法

本文选取了英国气象局Hadley中心的HadISST数据集中月平均海表面温度(SST)资料, 以及美国国家航空航天局(NASA)MERRA数据中的月平均臭氧混合比资料.使用的研究方法包括EOF分析、相关分析、以及SVD分解.臭氧主要集中在平流层, 所以文中选取东亚地区平流层的臭氧混合比进行相关的研究工作.

研究时间段为:1980— 2015年, 共36a.研究区域内的经纬度为:热带印度洋:25° S~25° N; 40° ~120° E; 东亚地区:2° ~56° N; 72° ~136° E.

2 表征热带印度洋海温变化主要模态指数的计算及其与东亚地区臭氧混合比的相关分析
2.1 IOBI和IODI的计算

结合本文的研究区域和前人对IOB的定义, 选取春季热带印度洋(25° S~25° N, 40° ~120° E)区域内的SSTA做EOF分析, EOF1的空间分布为IOB.将其时间序列(PC1)扣除线性趋势并做标准化处理后, 计算得到表征IOB特征变化的IOBI指数, 其时间序列如图1所示.

图1 1980— 2015年标准化IOBI指数.虚线表示± 0.75标准差Fig.1 Standardized IOBI Index during 1980— 2015.Dotted line means the standard deviation of IOBI with the absolute value great than 0.75

根据Saji等[16]定义的印度洋偶极子指数(IODI), 以秋季热带印度洋西北部(10° S~10° N, 50° ~70° E)和东南部(10° S~EQ, 90° ~110° E)区域平均的SSTA之差计算得到IODI的时间序列(图2), IODI与秋季热带印度洋SSTA的EOF2时间序列的相关系数为0.69, 通过99%的显著性t检验, 所以计算出的IODI时间序列是可信的, 可以用它表征热带印度洋东、西海温异常的强弱变化特征.

图2 1980— 2015年标准化IODI指数.虚线表示± 0.75标准差Fig.2 Standardized IODI Index during 1980— 2015.Dotted line means the standard deviation of IODI with the absolute value great than 0.75

2.2 IOBI和IODI与东亚地区臭氧混合比的相关分析

在进行相关分析之前, 先把东亚地区的臭氧混合比资料做季节纬向平均, 处理成2° ~56° N内的高度-纬度资料.然后计算IOBI和IODI分别与东亚地区臭氧层的相关系数, 得到相关系数的纬度-高度垂直分布图, 如图3、4.在相关图中, 等值线表示相关系数值, 实线表示正值, 虚线表示负值, 等值线间隔为0.05, 彩色区域通过90%的信度t检验.

图3 IOBI与东亚臭氧的相关系数垂直剖面图
彩色区域表示通过90%的t检验
Fig.3 The correlation coefficient of IOBI and ozone in East Asia

图3为1980— 2015年IOBI与东亚平流层臭氧混合比的季节相关图.从图中看出, IOBI与不同季节内的平流层臭氧的相关关系存在显著性差异.随着季节的改变, 两者间的相关区域和相关强度也会随之发生变化.

从纬度分布上看, IOBI与臭氧相关分布的演变过程可分为2个部分, 东亚低纬度地区(25° N以南)为负相关, 中纬度地区(25° N以北)为正相关, 并且相关分布随着季节的变化会发生南北向的移动.冬季, IOB对东亚地区臭氧含量的影响主要体现在低纬度地区的平流层20~30hPa和70hPa高度处, 以负相关为主.春、夏季节, 对臭氧的影响在低纬度地区的平流层中低层表现为负相关, 在中纬度地区的平流层低层表现为正相关, 且正负相关区的相关性强度较强.在秋季, 平流层中层表现为显著性的负相关, 并且显著性区域逐渐减弱北移, 这可能是因为秋季IOB较弱.

当热带印度洋海温变化表现为IOB时, 热带印度洋海温的异常会对东亚地区平流层臭氧分布产生影响:正IOB时, 热带印度洋海温一致偏暖, 东亚正相关区域内臭氧含量偏多, 负相关区域内臭氧含量偏少; 负IOB时情况相反.这种影响在不同纬度和不同高度上均是不同的, 春季时表现得最为明显, 当IOB逐渐减弱后, 海温异常对臭氧分布的影响作用也会随之逐渐减弱.

从图4中分析可知, IODI与东亚地区平流层臭氧的相关也存在空间性差异.随着季节的变化, 两者间的相关区域和相关强度也会发生改变.

图4 IODI与东亚臭氧的相关系数垂直剖面图
彩色区域表示通过90%的t检验
Fig.4 The correlation coefficient of IODI and ozone in East Asia

IODI与东亚地区臭氧混合比的相关分布的演变规律可从冬季开始说起.冬季时, 在东亚中低纬度地区均为负相关, 显著相关的大值区位于20° ~35° N之间, 从平流层低层到中层为显著性相关区; 到春季时, 东亚低纬度地区从负相关转变为正相关, 中纬度地区的负相关强度减弱北退; 夏季时, 显著性正相关区域有向北扩张趋势, 逐渐覆盖整个东亚中低纬度的平流层中层; 到了秋季, 显著正相关区域继续扩大并向平流层高层发展, 甚至超过30hPa高度.

综合以上分析, 当热带印度洋海温变化表现为IOD时, 热带印度洋海温的异常也会对东亚地区平流层臭氧分布产生影响:正IOD时, 热带印度洋海温变化为西暖东冷, 正相关区域的臭氧含量偏多, 负相关区域的臭氧含量偏少; 负IOD时情况相反.这种影响似乎和IOD的强度有一定联系, 并随着IOD的发生发展有季节性的转变.在IOD成熟的秋季, 这种影响表现得最为明显, IOD减弱后, 相关性也逐渐减弱.

3 热带印度洋海温与东亚地区臭氧混合比的SVD分解
3.1 春季热带印度洋海温与东亚平流层臭氧的SVD分解

从上述的相关分析图中发现, 40hPa和70hPa高度处的臭氧是受热带印度洋海温变化影响较为明显的两个层次, 春季和秋季既是受海温变化影响比较明显的季节又是IOB或IOD强盛的时期, 所以选择春、秋季的热带印度洋海温和同时期的40、70hPa层次的臭氧混合比进行SVD分解.在分析过程中, 左场(L)为热带印度洋海温, 右场(R)为东亚地区臭氧混合比.本节主要分析SVD模态的异类相关系数分布及其对应的时间序列, 选取累计平方协方差贡献率(CSCF)达到70%的模态计算结果进行分析.

春季热带印度洋海温场与东亚地区平流层70 hPa高度处臭氧场的SVD分解出的第一模态相关系数为0.58, 平方协方差贡献率(SCF)为81.62%.因此, SVD分解的第一模态可表示海温场与臭氧场间相互作用的主要特征, 可代表春季热带印度洋海温变化与同期东亚地区平流层70hPa高度处的臭氧分布的遥相关关系.从图5看出, 在热带印度洋海温场中, 全区海温表现为一致性的正相关, 最大值位于马达加斯加岛以东、赤道以北的阿拉伯海和孟加拉湾海域, 这说明春季热带印度洋海温异常可以影响同期东亚地区平流层70hPa高度处的臭氧层分布.在东亚地区平流层70hPa的臭氧场中, 相关系数以30° N为界, 呈现南负北正的反向变化特征.正相关的大值区位于蒙古中西部、中国内蒙古西部至新疆和巴尔喀什湖一带; 负相关大值区位于25° N以南的印度半岛、孟加拉湾及其以东的中南半岛、南海一带.当热带印度洋海温变化表现为正IOB时, 东亚地区平流层70hPa低纬度地区的臭氧含量减少, 而中纬度地区的臭氧含量增多; 热带印度洋海温变化表现为负IOB时, 东亚地区臭氧分布情况反之.SVD分解的结论与相关分析的结果基本一致.从第一模态的时间系数(图6)可以看出两者间的对应关系良好.

图5 春季热带印度洋海温与东亚平流层70hPa臭氧SVD分解的第1模态Fig.5 The spatial distribution of the 1st model by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in spring and ozone in East Asia on 70hPa

图6 春季热带印度洋海温与东亚平流层70hPa臭氧SVD分解的第1模态的时间系数Fig.6 The time coefficient of the 1st model by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in spring and ozone in East Asia on 70hPa

春季海温场与平流层40hPa高度处臭氧场的SVD分解的第1模态的相关系数为0.41, SCF为72.94%.和70hPa类似, 春季热带印度洋的海温与同期东亚地区平流层40hPa高度处的臭氧也有较好的相关关系.如图7所示, 在海温场中, 全区表现为一致性的正相关, 显著相关区范围有所减小, 热带印度洋东部海域未通过检验.在臭氧场中, 相关系数依然呈现出南负北正的反向变化特征, 但其影响范围和影响区域有所减小.同样的, 海温与臭氧SVD分解的时间系数间也具有较好的对应关系(图8).

图7 春季热带印度洋海温与东亚平流层40hPa高度处的臭氧含量SVD分解的第1模态Fig.7 The spatial distribution of the 1st model by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in spring and ozone in East Asia on 40 hPa

图8 春季热带印度洋海温与东亚平流层40hPa臭氧SVD分解的第1模态的时间系数Fig.8 The time coefficient of the 1st model by SVD resolve for tropical Indian ocean SST in spring and ozone in East Asia on 40hPa

3.2 秋季热带印度洋海温与东亚平流层臭氧的SVD分解

图9为秋季热带印度洋海温场与东亚地区平流层70hPa高度处臭氧场的SVD分解的第1模态空间分布.第1模态的SCF为85.80%, 模态相关系数为0.53.因此, 第1对奇异向量对应的SVD模态可表示海温场与70hPa高度处臭氧场间相互作用的主要特征.从图9看出, 在海温场中, 显著性相关区域面积较大, 出现了西正东负的分布形势, 这与正IOD的分布形势类似, 但显著性负相关区域较小, 仅分布在热带印度洋东南海域内.在臭氧场中, 全区显示为正相关, 显著相关区域具体分布在:中国的东北部一带、巴尔喀什湖至贝加尔湖一带, 孟加拉湾、中国东南部以及西北太平洋海域.和秋季70hPa的相关分析结果比较, 两者有一定的差异.首先, 在SVD分解中, 东亚45° N以北区域出现明显的正相关, 其次在相关分析中相关性不显著的15° N以南区域出现显著的正相关.第1模态的时间系数图(图10)中也表明两者间的相关趋势在时间上有很好的对应.

图9 秋季热带印度洋海温与东亚平流层70hPa臭氧SVD分解的第1模态Fig.9 The spatial distribution of the 1st modell by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in autumn and ozone in East Asia on 70hPa

图10 秋季热带印度洋海温与东亚平流层70hPa臭氧SVD分解的第1模态的时间系数Fig.10 The time coefficient of the 1st model by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in autumn and ozone in East Asia on 70hPa

秋季海温场与平流层40hPa高度处臭氧场的SVD分解的第1模态的相关系数为0.58, 第1模态的SCF为82.46%.从图11及图12看出, 秋季热带印度洋的海温与同期东亚地区平流层40hPa高度处的臭氧有较好的相关关系.在海温场中, 热带印度洋东南海域为负相关, 也就是苏门答腊岛以西洋面; 在热带印度洋中部及中部以西海域为正相关, 几乎覆盖洋面三分之二区域.在臭氧场中, 东亚中纬度地区出现负相关, 显著性负相关地区位于内蒙古、贝加尔湖和中国东北部; 低纬度地区的正相关范围有向北扩展趋势, 覆盖20° N以南区域和中国南部和东部地区.和秋季时期70hPa高度处SVD分解的结果相比较, 中纬度地区的正相关转变为负相关, 原来的低纬度正相关区域范围向北扩大, 相关性强度增强.和秋季对应层次的相关分析结果比较, 两者存在差异, 在SVD分解中, 东亚区域出现显著负相关.

图11 秋季热带印度洋海温与东亚平流层40hPa臭氧SVD分解的第1模态Fig.11 The spatial distribution of the 1st modell by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in autumn and ozone in East Asia on 40hPa

图12 秋季热带印度洋海温与东亚平流层40hPa臭氧SVD分解的第1模态的时间系数Fig.12 The time coefficient of the 1st model by SVD resolve for tropical Indian Ocean SST in autumn and ozone in East Asia on 40hPa

在热带印度洋海温变化与东亚地区臭氧层分布的影响研究中, 发现秋季内, 相关分析和SVD分解的结果存在一定差异, 2种分析结果的差异可能是因为使用不同空间分布的海温数据导致的.相关分析中使用的数据是以热带印度洋西北部和东南部的区域海温距平之差计算得到的IODI, 而SVD分解中的海温数据是整个热带印度洋范围内的SST数据.

在秋季的SVD分析中, 无论是平流层低层还是高层, 在青藏高原附近的相关性总是比较弱, 很难通过显著性检验, 这可能是因为青藏高原的高海拔和大地形等因素引起的动力过程造成的[21].

从以上分析过程中发现, 热带印度洋海温变化对东亚地区臭氧有着一定的影响, 而经向Hadley环流异常[22]以及Brewer-Dobson环流的经向输送作用[23]都可能是影响东亚臭氧层分布的物理因素之一.那么热带印度洋海温变化在这些经圈环流中以及在东亚臭氧层分布的物理过程和调节机制中起到什么作用, 这都值得我们在以后的研究中进一步分析.

4 结 论

本文在热带印度洋海温变化2个主模态的研究基础上, 分别计算出1980— 2015年间表征IOB特征变化的IOBI指数和表征IOD特征变化的IODI指数, 从IOBI和IODI与东亚地区平流层臭氧的相关分析入手, 通过IOBI和IODI对东亚地区平流层臭氧进行相关分析、以及春秋季节热带印度洋海温和同期东亚地区平流层臭氧进行SVD分解, 探讨了热带印度洋海温变化对东亚地区臭氧分布的影响关系、影响程度、水平方向及垂直方向的作用范围, 得到以下初步结论:

(1) 热带印度洋海温变化对东亚地区平流层臭氧分布有明显的影响, 这种影响会随着季节的变化而有所改变, 并且与热带印度洋海温变化的2个主模态的时间变化规律相一致.值得注意的是, 在IOB强盛的春季和IOD强盛的秋季时期这种影响最为显著.

(2) IOBI、IODI时间序列与东亚平流层臭氧变化具有较好的相关关系, 在平流层低层(70hPa)和中层(40hPa)上述相关尤为显著.具体而言, IOBI与东亚低纬度地区平流层臭氧变化表现为负相关, 中纬度表现为正相关, 相关性随着IOB强度的变化而改变; IODI与东亚中低纬地区平流层臭氧变化表现为正相关, 相关性随着IOD强度的变化而改变.

(3) 由热带印度洋海温变化与东亚地区臭氧的SVD分解可知, 春季海温变化对东亚地区中低纬度70hPa等压面上臭氧分布的影响要强于40hPa, 这表明, IOB对东亚地区平流层臭氧分布的影响主要体现在平流层低层; 秋季热带印度洋海温变化对东亚地区平流层臭氧分布的影响在40hPa的中纬度地区出现了与70hPa反向的变化, 这意味着, IOD对臭氧分布的影响在东亚中纬度地区随着高度的增加逐渐减弱.

The authors have declared that no competing interests exist.

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