1. 引言
臭氧(O3)是一种微量气体，也是重要的温室气体之一，主要存在于大气平流层中，可以吸收紫外线和大部分对地球生物有害的太阳短波辐射并保护地球生态系统，而近地面大气里的臭氧却是一种二次污染物 [1] [2] [3] [4] 。高浓度的臭氧不仅会影响人类和地表生物的生存，还会影响对流层与平流层之间的大气化学、辐射、动力、热力等过程 [5] [6] 。近年来，全球的臭氧浓度呈现逐年增加的趋势，臭氧污染已成为普遍且难以处理的大气污染之一 [7] 。很多国家也逐步认识到了高浓度臭氧带来的危害并逐渐重视臭氧污染控制，“十四五”以来，臭氧污染防治已成为我国大气污染防治的重点，但如何防控臭氧污染仍是个棘手的问题 [8] [9] 。
大气臭氧是大气环境科学和全球气候变化研究的重要领域，且臭氧总量及其垂直分布的变化对气候变化有重要影响 [10] ，而台风影响着大气臭氧的垂直分布。因此，研究台风前后珠三角地区臭氧廓线特征，可为臭氧污染的防控提供参考。在各种观测方法中，卫星遥感具有覆盖范围广、时间序列长、重复频次高的优点，是目前最主要的观测大气臭氧的手段之一。因此，本文选取2016.3~2021.2连续五年内登陆珠三角前后三天以及登陆期间的OMI臭氧廓线进行对比，分析珠三角地区台风前后臭氧廓线变化情况。
2. 数据和方法
2.1. 数据
臭氧廓线数据来自OMI的Level 2臭氧产品OMO3PR，该产品采用V.8版算法，误差在10%以下。数据的存储和发布采用NASA发布EOS (Earth Observation System)数据产品的标准格式HDF-EOS 5 Swath，每个数据结构包含数据域、数据介绍域和地理坐标数据域。该产品对臭氧柱浓度进行观测和记录，包含从地面到大气层顶18层高度的臭氧廓线数据，包括17~0层，其中17~12层对应着对流层，12~0层对应着平流层。每一层臭氧柱浓度以DU(Dobson Unit)为单位。该数据格式详细信息可参考OMI大气产品文档(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/ozone/documentation/docs/omi-spie-2003.doc)。
台风案例为2016.3~2021.2期间影响到珠三角地区的所有单台风，数据取自中央气象台台风网(http://typhoon.nmc.cn/web.html)。
2.2. 方法
臭氧廓线数据处理方法为：先用NASA官方网站推荐的小程序1批量下载HDF格式的原始全球臭氧廓线数据，再通过NASA官方网站推荐的小程序2从OMO3PR原始数据中提取出珠三角地区(112˚~114˚E，21˚~23˚N)臭氧廓线并转化为csv格式，剔除无效数据后再利用EXCEL计算出臭氧廓线均值，最后用origin画出对应的臭氧廓线图。
本文台风时间范围为：台风逼近珠三角区域1000 m内开始，远离研究区域1000 m外结束，台风之前三天为台风开始往前推三天，台风之后三天为台风结束往后推三天。由于存在台风之间间隔很短或是同时登陆的现象，台风影响叠加，无法取到单个台风前后3天的臭氧廓线数据，因此，本文不讨论台风之间间隔小于3天的多台风案例。
3. 结果与讨论
3.1. 珠三角单台风前后臭氧廓线对比
2016~2021五年期间珠三角单台风出现日期如下表1。
Table 1. Date of occurrence of single typhoon in Pearl River Delta in five years
表1. 五年珠三角单台风出现日期
珠三角2016.3~2021.2五年期间单台风前后臭氧廓线对比如图1~19。
注：1) 1 DU表示标态下单位面积上有0.01 mm厚臭氧；2) 17层(距地面3 km)、16层(距地面5 km)、15层(距地面9 km)、14层(距地面12 km)、13层(距地面14 km)、12层(距地面16 km)、11层(距地面18 km)、10层(距地面20 km)、9层(距地面23 km)、8层(距地面26 km)、7层(距地面31 km)、6层(距地面33 km)、5层(距地面35 km)、4层(距地面39 km)、3层(距地面42 km)、2层(距地面47 km)、1层(距地面52 km)和0层(距地面56 km)。
Figure 1. Comparison of ozone profiles before and after typhoon NEPARTAK
图1. 台风“尼伯特”前后臭氧廓线对比
Figure 2. Comparison of ozone profiles before and after typhoon DIANMU
图2. 台风“电母”前后臭氧廓线对比
Figure 3. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Namtheun
图3. 台风“南川”前后臭氧廓线对比
Figure 4. Comparison of ozone profiles before and after typhoon MEGI
图4. 台风“鲇鱼”前后臭氧廓线对比
Figure 5. Comparison of ozone profiles before and after typhoon HAIKUI
图5. 台风“海葵”前后臭氧廓线对比
Figure 6. Comparison of ozone profiles before and after typhoon GAEMI
图6. 台风“格美”前后臭氧廓线对比
Figure 7. Comparison of ozone profiles before and after typhoon BEBINCA
图7. 台风“贝碧嘉”前后臭氧廓线对比
Figure 8. Comparison of ozone profiles before and after typhoon YUTU
图8. 台风“玉兔”前后臭氧廓线对比
Figure 9. Comparison of ozone profiles before and after typhoon MUN
图9. 台风“木恩”前后臭氧廓线对比
Figure 10. Comparison of ozone profiles before and after typhoon WIPHA
图10. 台风“韦帕”前后臭氧廓线对比
Figure 11. Comparison of ozone profiles before and after typhoon KALMAEGI
图11. 台风“海鸥”前后臭氧廓线对比
Figure 12. Comparison of ozone profiles before and after typhoon KAMMURI
图12. 台风“北冕”前后臭氧廓线对比
Figure 13. Comparison of ozone profiles before and after typhoon PHANFONE
图13. 台风“巴蓬”前后臭氧廓线对比
Figure 14. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Vongfong
图14. 台风“黄蜂”前后臭氧廓线对比
Figure 15. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Nuri
图15. 台风“鹦鹉”前后臭氧廓线对比
Figure 16. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Sinlaku
图16. 台风“森拉克”前后臭氧廓线对比
Figure 17. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Mekkhala
图17. 台风“米克拉”前后臭氧廓线对比
Figure 18. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Noul
图18. 台风“红霞”前后臭氧廓线对比
Figure 19. Comparison of ozone profiles before and after typhoon Vamco
图19. 台风“环高”前后臭氧廓线对比
由图1~19可见，台风前后臭氧廓线均有所变化，但变化程度不同，这可能与台风路径、台风强度、动力抬升条件、生物排放以及跨区域输送等有关。
为更好了解台风影响臭氧廓线的机制，对2016.3~2021.2五年内珠三角地区19个单台风案例在台风前后臭氧浓度升高与降低最明显的层数和变化比例进行统计，如表2。
Table 2. Changes of ozone profile before and after typhoons in Pearl River Delta
表2. 珠三角台风前后臭氧廓线变化情况
由表2可见，珠三角19个台风案例中，有4个台风案例在台风后3天对流层低层臭氧浓度变化最明显，由此可见，5年内，有4个台风主要影响着珠三角对流层低层臭氧分布，如表3；有12个台风案例主要影响珠三角对流层与平流层臭氧分布，如表4；有3个台风案例主要影响珠三角平流层臭氧分布，如表5；由此可见，19个台风均促进了平流层垂直方向上臭氧的输送。统计发现，这些台风过程基本上发生在夏秋两季。
Table 3. The single typhoon cases of Pearl River Delta mainly affect the distribution of ozone in the lower troposphere
表3. 珠三角主要影响对流层低层臭氧分布单台风案例
Table 4. The single typhoon cases of Pearl River Delta mainly affect the distribution of ozone in the tropospheric and stratospheric
表4. 珠三角主要影响对流层与平流层臭氧分布单台风案例
Table 5. The single typhoon cases of Pearl River Delta mainly affect the distribution of ozone in the stratospheric
表5. 珠三角主要影响平流层臭氧分布单台风案例
3.2. 珠三角台风前后对流层与平流层臭氧柱浓度变化
为更好了解台风影响大气臭氧垂直分布情况，对2016.3~2021.2五年内珠三角地区19个单台风案例前后3天的大气对流层与平流层臭氧柱浓度变化情况进行统计，如表6。
Table 6. Stratospheric and tropospheric ozone column concentration changes before and after typhoons in Pearl River Delta
表6. 珠三角台风前后平流层与对流层臭氧柱浓度变化情况
由表6可见，在19个台风案例中，与台风前相比，台风后对流层和平流层臭氧柱浓度均降低的案例有12个；对流层和平流层臭氧柱浓度均升高的案例有2个；平流层和对流层臭氧柱浓度变化趋势相反的案例有5个，如表7。
由表7可见，珠三角5个台风案例前后对流层与平流层臭氧柱浓度升高与降低变化趋势相反，由于台风引起的垂直运动会导致对流层与平流层的物质交换 [11] ，由此推测这些台风促进了珠三角地区对流层与平流层臭氧的垂直方向的输送。其中，对流层臭氧柱浓度变化幅度范围为：3.40%~23.65%，平流层臭氧柱浓度变化幅度范围为：−13.35%~8.08%。可见，这些单台风促进了珠三角臭氧在垂直方向上的输送，而其余台风案例前后平流层和对流层臭氧柱浓度变化趋势一致可能是因为水平输送与光化学作用大于垂直输送作用。
Table 7. Stratospheric and tropospheric ozone column concentration change trend opposite before and after Pearl River Delta typhoon case
表7. 珠三角台风前后平流层与对流层臭氧柱浓度变化趋势相反台风案例
4. 结论与展望
综上，本文得出以下结论：
1) 单台风影响珠三角地区臭氧垂直分布，从而导致臭氧廓线台风前后不同；
2) 珠三角单台风大多在夏秋两季登陆；
3) 19个单台风案例中，台风后对流层和平流层臭氧柱浓度均降低的案例有12个，对流层和平流层臭氧柱浓度均升高的案例有2个，平流层和对流层臭氧柱浓度变化趋势相反的案例有5个。
以上结论可用通过臭氧廓线变化趋势来推测台风登陆情况，从而起到预报和预警的作用。
致谢
感谢中国气象台台风网和NASA提供数据支持，感谢国家重点研发计划项目(2018YFC1506304)资助。
基金项目
国家重点研发计划项目(2018YFC1506304)资助。
NOTES
*通讯作者。