欧洲三站2023年2月总臭氧柱异常偏低评估

《Polar Science》：Assessment of the extremely low TOC at three European stations during February 2023

　　

2023年2月，欧洲观测到异常偏低的总臭氧柱（TOC）值，影响北极与中纬度地区。研究人员通过整合地基观测、卫星测量与大气再分析数据，考察该低臭氧事件的演变及机理。And?ya、Oslo/Kjeller 与 Hradec Králové 的逐日 TOC 数据，辅以多传感器再分析产品和微波临边探测仪（MLS）垂直分辨观测。最低 TOC 出现在 2023 年 2 月 14 日，三站异常均低于 2σ 气候态阈值。该时段对应冷的平流层极地涡旋，促进极地平流层云（PSC）形成与后续化学臭氧损耗。MLS 观测显示 HNO3 与 HCl 明显下降，ClO 浓度增强，表明卤素驱动臭氧损耗活跃。最强化学损耗先见于斯堪的纳维亚，后扩展至中欧。除化学过程外，对流层顶高度抬升及低纬度贫臭氧空气输送等动力因素也显著降低 TOC，尤其在中欧。结果表明，2023 年 2 月低臭氧事件由冷极地涡旋内化学损耗与大尺度动力过程共同造成，强调化学—动力综合分析了理解极端北极臭氧事件的重要性。

《Polar Science》刊发的该项研究中，研究人员围绕2023年2月欧洲总臭氧柱（Total Ozone Column，TOC）异常偏低事件展开系统分析。平流层臭氧层可屏蔽地球生命免受有害紫外辐射。南极臭氧洞发现后，《维也纳公约》与《蒙特利尔议定书》推动淘汰释放活性卤素的长寿命消耗臭氧物质（Ozone-Depleting Substances，ODS）。全球 TOC 有望恢复，但北极春季 TOC 恢复信号受强年际和动力变率干扰，识别困难。气候变暖使平流层冷却增湿，利于极地平流层云（Polar Stratospheric Clouds，PSC）形成，可加剧季节臭氧损耗。2020年北极曾出现下层平流层臭氧最多削减约90%的极端事件。既有研究多分别讨论化学或动力过程，而化学与动力对极端 TOC 降低的相对贡献，尤其北极源臭氧异常对中欧等中纬度的影响，仍理解不足。因此，研究人员利用地基、再分析与卫星垂直观测，区分极地涡旋内化学损耗与对流层顶变率、远距水平输送等动力过程的作用。

为开展研究，研究人员使用三项关键技术方法：一是地基观测，取 Hradec Králové 的 Brewer 分光光度计、Oslo/Kjeller 的 Brewer 单色仪与 And?ya 的地面紫外（Ground-based UV，GUV）滤光辐射计逐日 TOC，样本来自上述三站2000—2023年观测队列；二是多传感器再分析第2版（Multi-Sensor Reanalysis version 2，MSR2）与现代-era 回溯分析第2版（Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications version 2，MERRA-2）补充极夜时段并给出温度、位势高度与位涡（Potential Vorticity，PV）；三是 Aura 卫星 MLS 提供 O₃、HNO₃、HCl、ClO 垂直分布，并以50 hPa温度代表化学损耗、PV主成分代表动力变率，建立多元线性回归量化贡献。

研究结果如下。

1. 1.
   Introduction
   研究人员综述臭氧层保护进程、北极恢复难点与历史低臭氧案例，指出化学—动力耦合解释欧洲极端低 TOC 的研究缺口，明确本文目标为分离北极、亚北极与中纬度站点的化学和动力贡献。
2. 2.
   Data and methods
   2.1. Ozone data
   研究人员用三站地基 TOC 与 MSR2 补盲，And?ya 的 MSR 与 GUV 相关系数0.98、偏差?1.6 DU，证明再分析可替代极夜数据；以2000—2023年气候态均值减2σ定义“极端低 TOC”日。

2.2. MLS data

研究人员用 MLS 临边微波热辐射反演平流层痕量气体垂直剖面，以 O₃、HNO₃、HCl、ClO 指示卤素化学活化与臭氧破坏过程。

2.3. Other data

研究人员用 MERRA-2 的50 hPa温度、位势高度、对流层顶气压及11层 PV，并用 NASA Ozone Watch 的10 hPa/60° N纬向风与 PSC 总体积，刻画涡旋强度与成云条件。

2.4. Statistical assessment of chemical and dynamical contributions to TOC variability

研究人员对2010—2023年2月数据做 PCA 提取 PV 前4主成分（PC1–PC4，解释率超80%），以 T50 与 PC1–PC4 回归 TOC，得到温度相关化学项 β₁T50 与动力项 β₂PC1+β₃PC2+β₄PC3+β₅PC4，用于分解贡献。

讨论与结论部分：研究人员认为，2023年2月14日三站 TOC 异常低于 μ?2σ，冷平流层极地涡旋促成 PSC 与卤素化学损耗，MLS 中 HNO₃、HCl 降低与 ClO 升高证实活性氯参与；斯堪的纳维亚最先受损，随后向中欧传播。同时，对流层顶抬高及低纬贫臭氧空气经大尺度环流北送，在中欧叠加化学损耗。回归结果显示，高纬站点 TOC 降低主要由涡旋内化学过程主导，中纬 Hradec Králové 受动力输送与对流层顶结构变化影响更显著。论文结论为：2023年2月欧洲极端低 TOC 并非单一机制，而是极地涡旋相关化学臭氧损耗与大尺度动力过程共同作用的结果；今后极端北极臭氧事件研究需采用化学—动力综合框架，这对监测中纬度紫外暴露风险与评估臭氧恢复进程具有现实意义。