北半球臭氧小洞：1978–2026年49年卫星气候学资料分析

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Northern Hemisphere ozone mini-holes: a 49-year satellite climatology (1978–2026)

　　

•创建了一个全面的北半球冬季臭氧小孔数据库。
•利用了最新一代 TOMS/OMI 数据（1978–2026 年）。
•首次对臭氧小孔的长期趋势进行了半球尺度评估。
•所创建的数据库扩展了现有对臭氧小孔气候学知识的了解。
•该数据库促进了关于小孔形成动力学方面的研究。

引言
三原子氧（臭氧）是地球大气中最关键的气体之一，主要分布在 20–50 公里层的平流层中。没有它，地球目前形式的生命将不可能存在，因为它保护地球生物圈免受危险水平的紫外辐射（UVR）(Khrgian, 1973) 侵害。目前关于总臭氧柱含量（TOC）及其相关紫外辐射（UVR）变异性的研究状态，其特点是从关注光化学过程（1980 年代至 1990 年代因卤素和氯氟烃浓度升高而导致臭氧活跃破坏的时期）转移到对形成短期极端异常的动力机制的详细研究（Kumar et al., 2025）。上个世纪的人为排放导致臭氧消耗物质（ODS）浓度增加，造成 TOC 减少（WMO, 2022）。1987 年《蒙特利尔议定书》的采用，签署国承诺减少 ODS 排放，这一直导致臭氧层逐渐恢复（Andreev et al., 2023）。然而，尽管如此，利用化学气候模型进行数值模拟的结果表明，直到 21 世纪末，某些年份仍会观测到臭氧异常（Fang, 2018; Vargin et al., 2023a）。此外，臭氧异常在北极发生的频率远低于南极，在南极几乎每年记录到大尺度 TOC 异常。此外，模拟结果预测，受气候变化（包括所谓的“北极放大效应”）驱动，21 世纪大气过程的极端性将显著增加。这将表现为大气阻塞的数量和强度增加（Mokhov, 2013; Mokhov, 2022），进而可能导致臭氧小孔（OMHs）的形成——持续 2 至 5 天的天气尺度（0.5–10 百万平方公里）TOC 异常（Newman et al., 1988; James, 1998）。

Newman 等人（1988）类比极地臭氧“孔”，首次提出了关于臭氧含量的“小孔”一词。然而，文献中也使用了“低臭氧事件”的概念（Hood et al., 2001; Laschewski and Matzarakis, 2023）。这类异常在冬季比夏季更常见，在北半球（NH）比南半球更频繁。在大多数情况下，OMHs 的形成源于动力大气过程：阻塞形成、臭氧匮乏空气团从热带（在对流层中）和极地区域（在平流层中）向中纬度水平输送，以及垂直运动（Barriopedro et al., 2010）。这些臭氧异常直接参与平流层 - 对流层交换（Allaart et al., 2000），例如，这在南半球的研究仍不充分（Greenslade et al., 2017），表明对中层大气动力过程的理解尚不完善。在罕见情况下，非均相化学对这类异常的形成有贡献（Sitnov and Mokhov, 2021; Vargin et al., 2025）。在气候变化下，尽管大气中臭氧消耗物质（例如氯氟烃和卤素）总体下降，但温室气体浓度增加导致的平流层冷却将是影响 TOC 的另一个因素。这反过来可能导致更大和更强烈异常的涌现，包括在俄罗斯和加拿大上空（Nikiforova et al., 2017）。

Chubarova 等人（2019）和 Vargin 等人（2023b）的研究表明，OMHs 的形成导致紫外辐射（UVR）增加，在某些情况下可能超过 50%。长期以来已确立了 TOC 减少、地表紫外辐射增加与皮肤疾病（如黑色素瘤）增加之间的关系（例如 Czerwińska and Krzy?cin, 2020）。特别关注春季，由于大气动力不稳定性，这是与低 TOC 浓度相关的最高的累积紫外负荷时期（Chubarova and Zhdanova, 2013）。此外，由于环流过程和大陆性影响，生物活性紫外辐射（UV-B）的分布显著偏离纬度依赖性。俄罗斯和北亚地区存在显著的经度不均匀性（UV-B 和 TOC 高达 20–30%），需要在大气大系统运动的背景下进行分析（Tashchilin and Mikhalev, 2010; Chubarova and Zhdanova, 2013）。已确立北半球非热带纬度春季 TOC 异常与夏季紫外辐射异常之间的显著关系（Karpechko et al., 2013）。这种关系归因于季节性臭氧异常的持续性，这为基于春季 TOC 数据改进季节性紫外辐射预报提供了机会，因为春季 TOC 变异性可以解释夏季紫外辐射变异的 20–40%（Karpechko et al., 2013）。Varotsos 等人（2001）比较了希腊上空的臭氧和紫外辐射垂直分布的实测和模拟数据。他们表明，至少对于考虑的区域和实验期间盛行天气条件，整个对流层的紫外辐射垂直梯度为 7.2% km?1，而晴空条件下的理论计算值为 6.5% km?1。此外，Varotsos 等人计算了随着 TOC 增加紫外 B 辐射的变化率，结果为?0.25% DU?1。

迄今为止，OMHs 的性质和特征仍未得到充分研究。科学研究通常集中在单个 OMH 及其后果上（Keil et al., 2007; Sitnov and Mokhov, 2015, 2021; Timofeyev et al., 2018; Vargin et al., 2023b）。然而，对于导致 OMHs 的动力因素组合（即并非每一次平流层动力不稳定和对流层反气旋形成都会导致 OMHs）尚没有统一的理解。此外，在变化的气候条件下，OMH 事件的数量、面积、持续时间及其季节变异性可能会发生显著变化（Nikiforova et al., 2017）。此前已对臭氧异常的长期变异性进行了研究（Bojkov and Balis, 2001; Hood et al., 2001; Martínez-Lozano et al., 2011）；然而，这些研究受到研究时间（7 至 15 年）和感兴趣区域（主要是北大西洋）的限制。一些研究致力于利用德国和奥地利用地面光谱测量获得的 TOC 和紫外 B 数据，从区域尺度研究 OMHs（Schwarz et al., 2018; Laschewski and Matzarakis, 2023）。这些研究指出，地表紫外辐射增加速率会因云量和大 aerosol 光学厚度等因素而降低。主要问题仍然是缺乏全面和统一的长期 OMH 气候学，以及缺乏确定 TOC 异常的统一标准。检测臭氧异常的方法因研究途径而异（例如 Sitnov and Mokhov, 2021; Laschewski and Matzarakis, 2023）。尚未发展出对气候时间尺度上所有关键 OMH 特征（年事件数、异常持续时间、异常中心相关 TOC 亏缺、地理分布）长期趋势的系统理解。此外，气候变化如何修改这些参数仍不清楚。

另一个问题是，当前再分析系统（研究动力机制的关键工具）系统性地低估了 OMH 事件的数量及其面积，低估程度因模型而异，在 34% 到 83% 之间（Millán and Manney, 2017）。这突显了需要开发新方法以验证模型中动力 TOC 场。关键因素是数值模型准确重现导致臭氧异常的大气动力过程的能力，而同化场的质量是次要的（Millán and Manney, 2017）。鉴于臭氧是一种环境重要气体，预测其浓度仍然是灾害预警系统和空气质量监测的重要任务。此外，近地面臭氧浓度和整个大气柱中分布的臭氧浓度都受到众多因素的影响（例如 Andreev et al., 2023）。气象条件组合和大气臭氧前体物的变异性对已建立的模型（如多元线性回归）构成了挑战，促使研究人员寻求分析臭氧浓度时间序列的新方法。

通过应用人工神经网络（ANN），该领域取得了一些进展（例如 Chattopadhyay and Chattopadhyay, 2008; Suraboyina et al., 2026）。Chattopadhyay 和 Chattopadhyay (2008) 使用人工神经网络预测印度上空月平均总臭氧柱含量，除其他因素外，还考虑了氮氧化物浓度、太阳天顶角、地理坐标、二氧化硫指数和气溶胶指数。Suraboyina 等人（2026）使用了一组略有不同的预测因子——即 NO、NO2、CO 和 NMHC（非甲烷总烃）——来预测印度海得拉巴的近地面臭氧浓度。这两项研究均表明，人工神经网络可以通过显著减少预报误差来实质性提高臭氧浓度预报的质量。

本文利用卫星数据，重点关注北半球 OMH 事件的气候学。我们分析了 OMH 形成的统计数据，包括地理位置、深度、持续时间以及冬季月份（10 月至次年 2 月）事件数量和持续时间的长期趋势。首次在一个跨越三十多年的时期内，对 OMH 进行了半球尺度研究。最先进的反演算法和先进卫星仪器的应用推动了先前研究工作的进展，并提高了编制气候学的质量。此外，利用 500 毫巴位势高度的 MERRA-2 再分析数据，我们评估了对流层反气旋（包括阻塞事件）与 OMH 发生之间的关系。

章节片段
分类 OMH 的标准
迄今为止，尚未确立分类 OMHs 的普遍接受标准（Sitnov and Mokhov, 2021）。在许多研究中，OMHs 被定义为总臭氧柱含量（TOC）低于特定阈值值的区域，例如 215 DU（Hood et al., 2001）。一些作者将 OMH 定义为总臭氧柱含量（TOC）与某一标准值的偏差超过特定数值（James, 1998; Martínez-Lozano et al., 2011）。后一种方法已成为最广泛使用的方法，并在许多年份中经历了显著变化。

臭氧小孔的气候学特征
在大约半个世纪（49 年）的期间，直至 2026 年，在所考虑的纬度带中识别出 46 个满足上述标准的 OMH，其总持续时间为 123 天。图 2a 显示了检测到事件的年累计数量的时间演变以及异常的总持续时间（以天为单位）。可以看出，事件数量每年仅略有变化。记录到最大数量事件的是 1992 年（5 次）和

结论
利用总臭氧映射光谱仪（TOMS）和臭氧监测仪（OMI）传感器的卫星监测数据，并应用臭氧小孔（OMHs）的统一通用分类标准，研究了 1978–2026 年期间北半球 OMH 的气候学。该气候学针对 10 月至次年 2 月期间呈现，基于 220 DU 的阈值和 5 × 105 km2 的指定面积。该标准消除了

CRediT 作者贡献声明
Arseniy Sokolov：撰写 – 原稿、验证、方法论、概念构思。Andrey Koval：监督、项目管理、资金获取。Tatiana Ermakova：撰写 – 审阅与编辑、验证。Ksenia Didenko：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢
卫星测量分析和数据库创建由俄罗斯科学基金会支持（资助号 24-17-00230）。对流层动力学分析和统计数据加工由俄罗斯科学与高等教育部向俄罗斯国家水气象大学下达的国家任务支持（项目 FSZU-2026-0003）。

Arseniy Sokolov|Andrey Koval|Tatiana Ermakova|Ksenia Didenko