基于热图分析揭示的南半球冬春季南极总臭氧柱长期趋势变化（1980–2025）——检测臭氧空洞恢复的新方法

《Remote Sensing》：Trend Pattern (1980–2025) of Total Ozone Column over Antarctica in Winter–Spring Season, Derived from Heatmap Analysis—A New Approach to Detecting Ozone Hole Recovery

　　

研究人员提出了一种基于热图（heatmap）分析的新方法，用于检测南极臭氧层的恢复信号。自21世纪初以来，由于臭氧消耗物质（ozone-depleting substances, ODS）浓度在南极平流层中逐渐降低，科学界一直期待观测到臭氧层的恢复迹象，这源于1987年《蒙特利尔议定书》及其后续修正案对保护臭氧层的规定。然而，受大气动态变化驱动的南极臭氧年际变率较大，使得对南极臭氧恢复速率的确定结论难以得出。在本研究中，研究人员通过分析1980年至2025年冬春季总臭氧柱（total ozone column, TOC）趋势的蓝-红热图模式，提供了一种替代性的臭氧恢复分析方法。研究选取了三个年度TOC时间序列：冬季平均值、9月15日值和春季最小值，以监测昭和站（Syowa）和阿蒙森-斯科特站（Amundsen–Scott）上空的臭氧空洞发展。研究人员检验了多种日TOC数据来源，包括再分析数据、地面测量和卫星观测。无论数据来源如何，研究人员发现对于两个站点而言，在TOC趋势结束于2000年之前的区域，热图中蓝色单元格（负趋势）占主导；而在2001年之后，红色单元格（正趋势）大量出现。这些结果证实了趋势反转假设，即21世纪初期开始的恢复过程，这一信号在原始、包含噪声的TOC时间序列中被掩盖。

本研究聚焦于南极臭氧空洞的长期演变及其恢复信号检测这一重要科学问题。自Chubachi和Farman等人发现南极春季臭氧空洞以来，大气科学界对该现象进行了近40年的持续研究。研究表明，20世纪80年代南极臭氧层的急剧下降源于氯对O₃的催化破坏作用，该过程发生在极地平流层云（polar stratospheric clouds, PSCs）中的液滴和/或冰晶表面。PSCs通常在极夜期间形成，此时平流层温度低于?78 °C（液滴型，即PSCI型）或?90 °C（冰晶型，即PSC II型）。尽管这些条件在1980年之前已普遍存在于南极上空，但随后春季臭氧的急剧减少源于20世纪70年代在南极积累的非活性氯储库物质（HCl和ClONO₂）释放出的活性氯，其根本原因是全球氟利昂（freons）生产和使用量的增加。

人为排放的臭氧消耗物质（ODS）虽仍为长寿命物质（如CFC-x类氟利昂寿命可超过100年），但其平流层浓度自2001年达到峰值后已稳步下降，这主要归功于1987年《蒙特利尔议定书》及其修正案对ODS生产的禁止。至2024年，南极上空的ODS浓度已较峰值降低约28%。研究人员注意到，在臭氧演化下降阶段（1980–2000年），TOC变化速率约为恢复阶段（2001年起）增长速率的3倍（以绝对值计）。据此推算，若恢复速率保持延续，南极臭氧完全恢复（即ODS水平恢复至1980年前臭氧空洞基准水平）预计将在2070年左右实现，这与先前更先进的化学模型研究估计相一致。

当前南极春季臭氧的持续恢复已毋庸置疑，但臭氧空洞的最终闭合可能因气候变化导致平流层变化而延迟。对流层全球变暖与平流层冷却相关联，后者有利于南极下平流层PSCs的形成条件，从而延缓预期恢复。此外，臭氧空洞本身也会导致平流层冷却（该区域UV辐射吸收减少），进而影响南极平流层涡旋的强度。研究表明，自2000年以来，热带外海表温度升高导致罗斯贝波（Rossby waves）向南极平流层传播减弱，造成涡旋增强并延迟臭氧恢复。近期研究还提供了南半球布鲁尔-多布森环流（Brewer–Dobson circulation）减弱的证据，该环流减弱会冷却南极下平流层并减缓臭氧愈合。此外，澳大利亚丛林大火和2020–2023年火山喷发等特定天气现象和自然灾害，不可避免地导致连续数年臭氧空洞的过度增长和增强。

现有南极臭氧恢复建模主要聚焦于计算O₃变率的人为组分（由人为ODS诱导的化学破坏）以及受近期气候变化强烈影响的内部O₃变率。两种基本方法被采用：求解动态和化学变量方程的化学-气候模型，以及统计（回归）模型。此类建模的关键在于对影响南极极涡的O₃变率动力组分进行适当参数化，这涉及PSC形成及其对空洞发展影响的复杂过程。鉴于涡旋行为受多种相互关联过程影响，从TOC时间序列中提取明确与长期人为ODS变率相关的组分十分困难。

在此背景下，研究人员提出了一种检测2000年代初TOC趋势反转的替代方法。该方法考虑TOC时间序列中所有长度至少为10年、起点 between 1980 and 2016的滑动趋势值集合，并通过热图进行可视化，数据源包括多布森分光光度计观测、再分析数据（ERA5、MERRA-2和MSR-2）以及卫星数据（SBUV）。研究选取了两个代表性站点：阿蒙森-斯科特站（代表南极内陆位置）和昭和站（代表沿海位置）。研究人员假设趋势反转信号足够强，尽管TOC时间序列存在较大的"自然"变率，仍可声称2000年前负趋势占主导、2001年后正趋势占优势，从而支持趋势反转及南极春季TOC恢复的论断。

本研究采用的关键技术方法主要包括：基于多种数据源（再分析数据ERA5、MERRA-2、MSR-2；地面多布森分光光度计测量；卫星SBUV和OMI数据）构建TOC趋势热图，样本来源于昭和站（69.0°S, 39.6°E）和阿蒙森-斯科特站（89.997°S, 24.8°W）1980–2025年期间的观测；采用标准最小二乘法计算线性趋势（%/10年），并使用考虑序列自相关的Mann–Kendall非参数检验评估趋势显著性；通过结构相似性指数（structural similarity index, SSIM）定量比较不同数据源热图趋势模式的相似程度；设定颜色阈值（CT70和CT90）量化热图中蓝-红单元格的分布比例，以客观评估趋势反转的存在性。

**研究结果**

**不同数据源TOC值的季节性特征比较**

通过比较阿蒙森-斯科特站和昭和站所有可用TOC数据的月平均季节性轮廓（分别针对1980–1999年和2001–2025年两个时段），研究人员发现所有图表均清晰显示春季臭氧空洞（以10月月平均TOC最低值为标志）。值得注意的是，第二时段的10月最低值更深，统计检验（t检验和Wilcoxon秩和检验）证实了第一和第二时段10月TOC平均值和中位数的显著差异。研究人员利用两种多布森臭氧吸收系数（Bass–Paur系数，固定温度T_const = ?46.3 °C；以及Serdyuchenko和Gorshelev 2014版温度依赖系数SG14）计算TOC值，发现采用SG14系数后，多布森数据与其他TOC数据源的一致性多数情况下得到改善（偏差和均方根误差RMSE的绝对值减小）。冬季/春季月份（6–12月）的数据差异主要在?5%至3%范围内（阿蒙森-斯科特站约占80%，昭和站约占90%）。10–12月的月偏差较小，昭和站100%观测值在?1.1%至0.8%范围内，而阿蒙森-斯科特站所有月偏差在?5.8%至4.5%范围内。

**TOC趋势热图的特征**

研究人员基于两个站点所有再分析数据（ERA5、MERRA-2、MSR-2）以及多布森地面测量和卫星过境数据（SBUV），分别构建了TOCT_WINTER、TOC_15Sep和TOC_min三个时间序列的趋势热图。热图显示了一些共同的图形模式：在上半部分热图的下角和下角区域呈现负趋势，中心区域呈现正趋势，在第二和第三类型时间序列的所有数据类型中均清晰可见。对于某些时间序列起点和终点的组合，当起点约在1980年（臭氧空洞初期）且终点在强空洞存在年份（约1990年起）时，TOC_min系列的线性趋势值（%/10年）可能高达70%以上（绝对值）。

**不同数据源趋势模式的相似性分析**

研究人员运用SSIM工具对热图上半部分的趋势模式进行了客观分类。结果表明，所有热图对的SSIM值均高于40%的相似性阈值，约85%的热图对SSIM值达到或超过60%（强相似性阈值）。昭和站的SSIM值普遍高于阿蒙森-斯科特站。在6个热图对（约占总数22%）中，SSIM值超过80%，其中昭和站TOC_min的所有SSIM值均达到约95%（ERA5 vs. MSR-2对和MERRA-2 vs. MSR-2对），两站间MERRA-2和MSR-2的TOC_min比较也达到≥80%。ERA5与MSR-2基于TOC_15Sep的最大SSIM值达到95.4%。

**臭氧恢复的迹象**

研究人员计算了热图特定区域中蓝-红单元格的占比，以评估臭氧恢复的存在性。分析聚焦于三类区域：趋势结束于2000年前的区域（蓝色单元格应占主导）、趋势开始于2000年后且结束于2019年前的区域（红色单元格应占主导，排除2019–2023年异常因素干扰）、以及趋势开始于2000年后且结束于2025年的区域。

结果显示，对于2000年前结束的趋势，蓝色单元格（负趋势）比例在TOC_15Sep和TOC_min系列中超过CT70阈值，昭和站的TOCT_WINTER系列同样如此；21个案例中有15个（约71%）超过CT90阈值。对于2000年后开始、2019年前结束的趋势，红色单元格（正趋势）比例低于CT70的情况仅出现在3/21个案例中（约14%），超过CT90的案例有13个（62%）。相比之下，若将趋势终点扩展至2025年，则无案例超过CT90，仅7个案例（33%）超过CT70，这反映了2019–2023年期间的异常臭氧层强迫效应。

进一步分析统计显著趋势（95%置信水平，基于考虑自相关的Mann–Kendall检验）发现，对于2000年前结束的TOC_min趋势，几乎所有数据源的中蓝色比例均超过CT90（阿蒙森-斯科特的多布森数据除外，但仍超过CT70）。对于2000年后开始、2019年前结束的趋势，昭和站所有再分析数据的TOC_15Sep和TOC_min系列（除MERRA-2外）中红色比例超过CT70。TOC_15Sep系列的显著正趋势比例接近CT90。重要的是，在2000年前结束的TOC_15Sep和TOC_min热图中，未观察到任何统计显著的正趋势案例；相应地，在2000年后开始、2019年前结束的情况下，未观察到任何统计显著的负趋势案例。仅少量案例显示2000年后开始、2025年前结束的趋势存在统计显著的负趋势（昭和站TOC_15Sep最大比例约20%），对应热图右上角的蓝色区域，与2019–2023年异常TOC行为相关。

**讨论与研究结论**

研究人员提出的蓝-红趋势热图分析方法为搜索南极臭氧层恢复信号提供了新途径。该方法的核心优势在于无需对南极臭氧变率的来源进行详细参数化，即可支持2000年代初发生趋势反转的假设。与传统方法（如多元回归模型和化学-气候模型）相比，热图方法绕开了动力组分参数化的困难，以及解释变量与被解释变量之间可能存在的嵌套反馈问题。

研究人员强调，2000年前的负趋势主导和2001年后的正趋势主导这一蓝-红分离现象，在原始噪声TOC时间序列中被掩盖，但通过热图可视化得以清晰呈现。特别是2019–2023年期间，澳大利亚丛林大火、洪阿汤加火山喷发以及2019年平流层增温等异常因素，导致该时期臭氧空洞行为异常，在热图上表现为明显的蓝色区域（负趋势），这提示臭氧空洞的最终闭合可能因当前气候变化引起的平流层变化而延迟。

研究结论指出，基于热图分析的TOC趋势变化可视化方法（1980–2025年），为搜索南极臭氧层恢复迹象提供了替代途径。来自再分析、地面观测（多布森分光光度计）和卫星TOC测量的数据，为南极臭氧空洞的演变提供了一致的图景。该研究发表于《Remote Sensing》期刊。