北极地区大气中133Xe浓度的观测及其与北大西洋涛动（NAO）的关系

《Journal of Environmental Radioactivity》：Observed Atmospheric 133Xe Concentrations in the Arctic and their relationship to the North Atlantic Oscillation (NAO)

北极地区133Xe浓度的季节性变化与NAO指数关联性研究。监测显示冬季和春季133Xe地表月平均活度浓度（MAC）较夏季高3-6倍，Spitsbergen站点浓度最高达6.6×10-2 Bq/m3，且与NAO指数季节特征吻合度最高（R2=0.33-0.56）。线性回归分析表明Resolute与Yellowknife站点间MAC相关性（R2=0.56）优于跨大西洋的Spitsbergen站点。研究揭示NAO正相通过增强西风带输送欧洲核医学同位素生产设施排放的133Xe至北极，负相则抑制该过程。2018年NAO异常导致冬季MAC显著下降，证实垂直大气交换与北半球工业源排放共同影响北极133Xe分布。133Xe作为惰性气体示踪剂，其浓度变化可揭示NAO对大气环流调控机制。

　　这篇研究论文探讨了133氙（Xe）在北极地区三个监测站的季节性变化特征，并分析了其与北半球振荡（NAO）指数之间的关系。133氙是一种放射性同位素，具有5.24天的半衰期，属于惰性气体，因此不受大气化学反应和湿沉降过程的影响。这种特性使其成为研究大气传输和环流模式的理想示踪剂。研究数据涵盖了2014年至2019年间在斯匹次卑尔根（Spitsbergen）、黄针（Yellowknife）和雷索尔特（Resolute）三个北极站点的监测结果，这些站点分别位于欧洲和北美北极区域，远离本地污染源，因此能够提供较为纯净的全球背景数据。

研究发现，北极地区的133氙月均活动浓度（MAC）和观测频率（MOF）在冬季和春季显著高于夏季。具体而言，斯匹次卑尔根站的冬季与夏季MAC比值达到6.4，远高于黄针和雷索尔特站的5.2和3.2。这表明斯匹次卑尔根站对季节性变化的响应最为敏感。此外，观测频率也呈现出类似的季节性趋势，其中斯匹次卑尔根站的季节性模式最为明显，其次是雷索尔特站和黄针站。这种季节性差异可能与地理位置、大气传输路径以及NAO指数对不同区域的影响程度有关。

NAO指数作为描述北半球大气变化的重要指标，主要反映北大西洋地区冰岛和亚速尔群岛之间海平面气压的差异。在正相位（NAO+）期间，欧洲的污染气团更易向北输送至北极，而在负相位（NAO-）期间，这种输送则受到抑制。研究结果显示，斯匹次卑尔根站的133氙MAC与NAO指数之间的季节性相关性最强，这可能是因为该站点更接近欧洲大陆，受到NAO影响更为直接。相比之下，黄针和雷索尔特站的MAC与NAO指数的相关性较弱，这可能与它们的地理位置以及NAO对北美区域影响的复杂性有关。

研究还指出，133氙的观测频率在斯匹次卑尔根站最高，达到37.9%（冬季）和20.0%（夏季），而黄针站的观测频率则略高，分别为34.1%和29.0%。雷索尔特站的观测频率最低，为29.8%（冬季）和29.0%（夏季）。这一差异表明，斯匹次卑尔根站的133氙传输可能更加稳定，而黄针和雷索尔特站则可能受到更多局部因素的影响。此外，2018年NAO指数的异常波动对133氙的观测产生了显著影响，该年夏季所有月份的NAO指数均为正值，而冬季的两个月份则为负值，导致三个站点的133氙MAC显著低于其他年份。这一现象可能与NAO对大气环流路径的调控有关，尤其是在冬季，负相位的NAO可能导致气流路径的改变，从而影响133氙的传输效率。

研究进一步分析了不同站点之间的133氙MAC和MOF相关性。结果显示，黄针站与雷索尔特站之间的相关性最强，其R2值分别为0.56和0.68，这可能是因为两者都位于北美北极区域，受相似的大气传输路径和气象条件影响。相比之下，斯匹次卑尔根站与黄针、雷索尔特站之间的相关性较弱，R2值分别为0.46和0.33，这可能与地理距离以及传输路径的复杂性有关。因此，133氙的观测数据不仅受到NAO的影响，还可能受到其他大气传输机制的调控，例如垂直空气交换和全球三维大气环流模式。

研究还提到，全球范围内133氙的背景辐射主要来源于医学同位素生产设施，如比利时的Fleurus、荷兰的Tyco Healthcare、南非的NTP等。这些设施的排放量远高于全球约450座核反应堆的总和。特别是比利时的Fleurus站，其133氙的最高浓度可达440 Bq/m3，而斯匹次卑尔根站的最高MAC为6.6×10?2 Bq/m3，两者之间的浓度比值约为4×10?。这一数据表明，即使从欧洲大陆的Fleurus站释放的133氙，也需要经过长距离传输才能到达斯匹次卑尔根站，因此其浓度相对较低。

此外，研究指出，133氙的观测数据不仅受到NAO的影响，还可能受到其他因素的制约，例如空气混合高度、降水强度、太阳辐射的影响以及大气层结的变化。在北极冬季，由于降水较少、太阳辐射较弱，空气混合高度较低，导致133氙在大气中的停留时间较长，从而在观测中表现出更高的浓度。而在夏季，由于空气混合高度增加、化学反应速率提高，133氙的浓度相对较低。这种现象进一步支持了133氙作为大气传输示踪剂的适用性，因为它能够反映空气团在大气中的运动轨迹和停留时间。

研究还提到，133氙的观测数据与全球其他污染物（如硫、氮化合物和持久性有机污染物）的季节性变化模式相似，这表明大气传输路径在不同污染物之间具有一定的共性。这些污染物主要来自低纬度北半球大陆的工业区，通过大气环流传输至北极地区。这种传输过程不仅受到NAO的影响，还可能受到其他大气环流模式的调控，例如北极涛动（AO）或极地涡旋的变化。因此，133氙的观测数据可以作为研究大气环流和污染物传输路径的重要工具。

为了更深入地理解133氙的来源和传输路径，研究团队计划使用SILAM模型进行模拟分析。SILAM是一种离线的全球到中尺度化学传输模型，能够提供详细的空气团传输路径信息。通过分析“观测足迹”（footprints of observations），可以确定特定观测结果对不同排放源的敏感性。这种模拟方法不仅有助于揭示133氙的来源，还能进一步验证NAO对大气传输的影响机制。

研究团队还指出，133氙的观测数据对国际监测系统（IMS）的核试验监测具有重要意义。由于133氙具有较长的半衰期和较高的检测灵敏度，其浓度变化可以反映核试验活动的释放情况。例如，2006年朝鲜宣布进行核试验后，黄针站迅速检测到了显著增加的133氙浓度，这一发现为国际核监测提供了关键信息。因此，133氙的监测不仅有助于理解自然大气过程，还能为核安全和防扩散提供重要支持。

总的来说，这篇研究论文通过分析北极地区133氙的季节性变化特征，揭示了其与NAO指数之间的关系，并探讨了全球工业排放对133氙浓度的影响。研究结果表明，133氙的观测数据可以作为研究大气传输路径和气候模式的重要工具，同时为核监测和环境研究提供了新的视角。此外，研究还强调了133氙在大气科学研究中的应用潜力，特别是在分析空气团运动、全球环流模式以及气候变率方面。通过进一步的模型模拟和数据分析，未来的研究有望更准确地确定133氙的来源，并揭示其在不同季节和气候条件下的传输机制。