1 引言

臭氧是一种重要的痕量气体。对流层臭氧约占整个大气柱含量的十分之一，但高浓度臭氧危害人体健康，影响植物光合作用，减少植物光合产物（NRC, 1991; Chameides et al., 1999）。臭氧作为一种温室气体，可以有效吸收200~300 nm波段的短波紫外辐射（熊秋菊等，1984）。作为一种强氧化剂，臭氧是大气中氢氧（OH）自由基的主要来源之一。因此，对流层臭氧时空分布及其影响因子研究对气候变化、大气环境和大气化学等具有重要意义。

近地层臭氧是氮氧化合物（NO_x）和挥发性有机物（VOCs）在太阳紫外辐射作用下经过一系列光化学反应形成，且其浓度进一步受区域输送和平流层入侵等过程的显著影响。随着工业化和城市化快速发展，各种人为污染源不断增加，近地层臭氧变化已日益受到广泛关注（Wang et al., 2009；Li et al., 2014）。为有效控制本地区近地层臭氧浓度，一方面需有效控制本地污染源排放，加强与周边地区特别是上风方进行污染源排放联合控制，减少外来污染物输入；另一方面需考虑平流层入侵等过程对近地层臭氧的影响（Lin et al., 2012；Langford et al., 2012）。由于平流层的热力、动力和化学属性与对流层不同，平流层臭氧可通过平流层—对流层交换（Stratosphere–Troposphere Exchange，STE）向下输送，显著影响对流层臭氧。如Sudo et al.（2003）通过模式计算发现，1990至2100年期间受气候变化影响平流层臭氧输入可导致对流层臭氧升高近80%。

国内外先后开展了光化学反应、区域输送和平流层入侵对对流层臭氧贡献的影响研究。比如，Liu et al.（2002）利用西北太平洋沿岸臭氧探空数据结合全球三维化学模型GEOS-CHEM（Bey et al., 2001），评估东南亚地区生物质燃烧产物对春季对流层低层臭氧浓度升高的影响。Jacob et al.（1999）发现美国西部地区臭氧的升高与东亚远距离输送密切相关。Fishman and Crutzen（1978）指出光化学反应是对流层臭氧的重要来源。Penkett et al.（2004）通过对光化学示踪剂过氧乙酰硝酸酯（PAN）的分析，发现对流层光化学反应是北大西洋地区春季对流层臭氧明显升高的主要原因。同时，其他研究也指出平流层入侵对对流层臭氧有显著影响。杨健和吕达仁（2003）通过对东亚地区一次切断低压过程的数值模拟，发现强切断低压可引起对流层顶折叠，导致平流层入侵。李丹等（2014）通过分析臭氧探空数据和再分析资料，发现2010年6月我国长春地区平流层入侵事件是由对流层顶折叠所造成的；平流层入侵伴随舌状高浓度臭氧、高位势涡度和干冷空气向下输送等特征。郑永光等（2008）发现副热带急流入口区左侧为高空辐合下沉区域，存在位涡大于1个位势涡度单位（PVU, 1 PVU=10⁻⁶ K m² s⁻¹ kg⁻¹）的高值区，建议作为判断平流层入侵的指标。Lin et al.（2015）研究了平流层入侵与强拉尼娜事件的关系，指出晚冬强拉尼娜事件可导致第二年春季平流层入侵事件次数明显增多，进而影响近地层臭氧浓度。崔宏等（2005）通过数值模拟，发现副热带地区春季平流层对流层交换活跃，对流层臭氧浓度明显升高。一方面，对流层顶至平流层低层观测资料稀缺，使得通过观测定量评估平流层对对流层臭氧贡献非常困难。另一方面，现有全球大气化学模式垂直分辨率较低，不能准确地描述平流层对对流层动力输送过程，加上现有的平流层对流层通量计算方法的不完整，使得定量评估平流层对对流层臭氧贡献的不确定性进一步加大。

春季香港低层，如2~4 km高度处经常观测到臭氧浓度的明显升高。Chan et al.（2000）通过对1994年4月的个例分析，发现东南亚（如缅甸）生物质燃烧产物通过远距离输送是其发生的主要原因。郑永光等（2008）和Liu et al.（2002）结合臭氧探空资料和后向轨迹模式，进一步证实了这一发现。Oltmans et al.（2004）利用香港、台北等9个站点臭氧探空资料，结合卫星反演火点资料以及后向轨迹模型，发现了30°N以南地区生物质燃烧是对流层低层臭氧浓度明显升高的重要原因，而30°N以北地区平流层入侵是主要原因。香港地处副热带地区，4~5月份的高温高湿天气有利于臭氧的光化学反应（Ding et al., 2013），导致边界层臭氧浓度升高（Dickerson et al., 1995；Li et al., 2002; Kim and Lee, 2010）。受夏季风环流影响，香港地区春季对流活动较为活跃，有利于STE过程发生。

本文通过引进UBC（Upper Boundary Condition）上边界处理方案（Barth et al., 2012），弥补WRF/ Chem模式未考虑平流层臭氧化学反应的不足，对2013年3月6日发生在华南地区的一次平流层入侵过程进行数值模拟。结合臭氧探空实验资料和地面观测资料以及ECMWF再分析资料，定量评估WRF/Chem模式对气象和臭氧时空分布特征的模拟效果，并评估平流层入侵对香港地区春季对流层低层臭氧浓度升高的影响。利用零维箱式模型和Wei公式，估算本次事件平流层入侵的臭氧输送通量。

2 方法与数据 2.1 WRF/Chem模拟设计

WRF（Weather Research Forecast, Skamarock et al., 2005）是美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家海洋和大气管理局国家环境预报中心（NOAA/ NCEP）等联合开发的中尺度天气数值预报模式。WRF/Chem模式是在气象模型（WRF/ARW）框架上在线耦合化学模块（Chem）（Grell et al., 2005）。由于气象与化学模块采用相同水平网格和垂直分层，避免了离线模型插值所产生的偏差，同时考虑了气象和化学过程之间的相互反馈作用。该模拟系统已在气象、大气环境等领域的科学研究和业务预报中得到了广泛的应用（如Safieddine et al., 2014）。

表 1给出了WRF/Chem模式采用的各种物理参数化方案。其中包括Lin微物理参数化方案（Lin et al., 1983），Goddard短波辐射传输方案（Suarez and Chou, 1994），RRTM长波辐射传输方案（Mlawer et al., 1997），YSU边界层参数化方案（许平平等, 2015），RAMD2气相化学反应机理（Stockwell et al., 1990），和Fast-J光解速率计算方案（Wild et al., 2000）。

模拟采用三层网格嵌套，模拟区域如图 1所示。水平分辨率分别为27 km、9 km和3 km，对应水平网格点分别为140×130、130×118和118×106。垂直层数为46层，模式顶高为50 hPa。气象初始场及边界条件由NCEP/NCAR再分析资料得到。再分析资料时间分辨率为6 h，水平空间分辨率为1°×1°，垂直方向从1000~10 hPa共26层。化学物种初始场及边界条件采用MOZART-4（Model for Ozone and Related Chemical Tracers, version 4, Emmons et al., 2010）模拟结果，其水平分辨率为1.9°×2.5°，垂直分层为56层。

鉴于WRF/Chem模式自身没有考虑平流层化学反应，本文在模拟中采用美国大气研究中心地球系统实验室（NCAR/ESL）开发的上边界强迫方案。该方案将WRF/Chem模式顶层设置在对流层顶以上的某个高度（如50 hPa），先将WRF/Chem模式上边界层上的各关键化学物种浓度设置为各自气候平均值，然后采用与全球大气化学模式（如CAM-Chem）相同算法将对流层顶至WRF/Chem模式上边界层之间大气层的各化学物种浓度（如O₃、NO、NO₂、HNO₃、CH₄、CO、N₂O及N₂O₅）调整到与全球大气化学模式模拟值相一致，从而使WRF/Chem模式能较准确地模拟出平流层入侵对对流层各化学物种浓度的影响。

2.2 污染源及观测资料

污染源排放清单对于准确模拟对流层臭氧及其他相关大气化学物种起着重要作用。本次模拟采用清华大学主持开发的亚洲排放清单（MICS-Asia）（Lei et al., 2011；Li et al., 2015）。该排放源清单整合了Multi-resolution Emission Inventory for China（MEIC）（中国）、Regional Emission inventory in Asia（REAS2）（日本、台湾）、PKU-NH3（中国北京大学的氨排放清单）、Clean Air Policy Support System（CAPSS）（韩国）、Argonne National Laboratory（ANL-India）（印度）等亚洲国家和地区的源排放数据。源清单包括电力、工业、民用、交通和农业等主要人为排放源。源排放数据为月平均，空间分辨率为0.25°。

定量评估模拟结果的观测资料包括：地面气象观测和垂直探空廓线（如温度、湿度和风等），以及臭氧的地面和探空资料。臭氧探空资料由香港天文台提供，探空施放地点为香港天文台所在地（22.31°N，114.17°E），海拔66 m，每周一次。臭氧探空仪为芬兰Vaisala电化学池（ECC-6A），探测要素包括臭氧、温度、相对湿度和风等要素。为便于分析，对原始数据进行了等间距线性内插。此外，欧洲中心再分析数据ERA-Interim用于评估WRF/Chem模式高空场模拟结果。该资料时间分辨率为6小时，水平分辨率为0.125°×0.125°，垂直方向为37层。

2.3 平流层—对流层交换（STE）通量计算

平流层—对流层交换通量是定量估算平流层入侵影响的重要指标。目前用于计算STE通量的方法主要包括Wei公式（Wei et al., 1987；Wirth et al., 1995）和箱式模型法（Hegglin and Shepherd, 2009）。前者考虑水平和垂直方向输送的贡献，计算较为复杂；后者假设水平方向净贡献近似为零，箱式内通量交换主要由垂直输送所引起，该法计算相对简单，过去较多用于全球尺度平流层—对流层交换通量的估算。本文在应用Wei公式估算平流层入侵通量的同时，探讨箱式模型法在区域尺度上的应用。

对流层顶高度是估算STE通量的重要参数。根据WMO推荐，并参考文献（Danielsen et al., 1968; Lamarque and Hess, 1994），本文选取1 PVU作为确定本地区对流层顶高度的位涡阈值。p坐标系下，计算STE通量的Wei公式为

$F\left(m \right) = - \frac{\omega }{g} + \frac{1}{g}{V_h} \cdot \nabla {p_{tp}} + \frac{1}{g}\frac{{\partial {p_{tp}}}}{{\partial t}}, $

(1)

其中，ω为垂直速度，V_h为水平速度，p_tp为对流层顶气压，g为重力加速度。公式（1）右边第一项表示垂直运动引起的通量交换，第二项为水平运动引起的通量交换，第三项为对流层顶变化所引起的通量交换。

箱式模型法是以（22.31°N，114.17°E）为计算区域中心，在对流层顶附近选取一定体积的箱子进行计算。箱式模型计算时，水平范围为1°×1°（即22°N~23°N, 113.5°E~114.5°E），共有1156个网格点参与计算；垂直方向上，箱子上边界选在对流层顶以上17 km处，下边界选在对流层顶以下15.6 km处，其厚度为1.4 km。计算时间范围为2013年3月6日00~23时（北京时，以下不特殊说明均为北京时）。假定F_in表示从上边界输入箱子的臭氧通量，F_out表示从箱子输出的臭氧通量，箱式模型计算时是假定水平方向上流入箱子和流出箱子的臭氧达到动态平衡，从而忽略水平项贡献。STE通量可表示为

${F_{{\rm{out}}}} = {F_{{\rm{in}}}} - \frac{{{\rm{d}}m}}{{{\rm{d}}t}},$

(2)

其中，dm/dt为箱子内臭氧质量浓度（单位：kg m⁻³）随时间的变化。

3 模拟结果分析和评估 3.1 平流层臭氧入侵事件发生的天气背景分析

臭氧探空资料显示，2013年3月6日香港地区对流层低层2~4 km处臭氧浓度出现明显升高（达75 ppb，1 ppb=1×10⁻⁹）。由图 2给出的天气背景分析表明，本次事件发生前两天中国东南部地区受高压天气系统控制，之后高压系统由江西省向东移入东海，3月6日高压中心东移到日本南部，香港处在高压底部。图 3给出200 hPa高空天气图显示，西南急流到达华南地区后，向东北方向移动，香港处在高空急流的入口区方（图略）。受高空急流影响，150~300 hPa高空，香港位于辐合区（散度为−10⁻⁵ s⁻¹），高空辐合有利于下沉输送，水汽含量低（云图的暗色区），表示平流层干燥空气入侵。

3.2 气象场和臭氧场模拟分析

气象场是确定平流层—对流层交换的重要因子。WRF/Chem模式从2013年3月4日08时（北京时）开始，共模拟72小时。图 4比较了模拟风速、位温及臭氧浓度的纬度—高度剖面及相对应的ECMWF再分析资料，其中粗实线为对流层顶高度（1 PVU位涡等值线）。模式较好地模拟了各要素空间分布特征，如对流层顶高度存在从南向北降低的趋势，且在25°N附近从100 hPa高度骤降到400 hPa高度左右。在400~200 hPa高度层存在风速大于40 m s⁻¹的急流区，该急流区是导致对流层顶折叠的主要原因。高空急流区上方存在强垂直风切变，急流入口区左侧为辐合区，急流区所在高度层内位温水平梯度显著增加。强等位温梯度区通常与高空锋区相联系（郑永光等, 2008）。平流层空气从左后方辐合区通过“急流锋”输送到右前方辐合区。高空辐合与低层辐散共同作用，导致高空气流下沉。受其影响，平层层臭氧向下输送到对流层中低层，导致了本次平流层臭氧入侵。这一途径也是平流层入侵的主要机制之一（Reiter，1975；Shapiro, 1976, 1980）。

图 5为WRF/Chem模式模拟的2013年3月6日14时300 hPa高度上臭氧浓度和位势涡度水平分布及与ECMWF再分析资料的对比。可以看出，模拟结果与ECMWF再分析资料吻合较好。在25°N~35°N范围内，臭氧高浓度区存在明显的西南—东北向的带状分布，最大值中心位于湖南、江西和浙江北部地区。位涡与臭氧浓度分布对应地很好，即平流层入侵空气的高浓度臭氧对应高位涡区。此外，图中高位涡区与图 3中水汽图像暗区（低值区）相对应。

图 6比较了WRF/Chem模式模拟的300 hPa高度上相对湿度和风场水平分布及与ECMWF再分析资料。20°N~30°N范围内存在一急流带，与图 5中臭氧浓度的西南—东北向分布类型相一致。且该急流区内相对湿度小于10%（白色区域）。这些分布特征进一步表明这是一次受副热带急流显著影响的平流层入侵事件。

综上所述，这次入侵过程中，香港位于副热带急流入口区左侧，处在负涡度平流区。高空辐合及低空辐散，利于平流层空气入侵，并下传进一步影响对流层中低层，导致香港上空低层臭氧浓度明显升高（浓度大于70 ppb，图 7d）。

3.3 垂直廓线分布

图 7比较了2013年3月6日14时（当地标准时间）WRF/Chem模式模拟的温度、相对湿度、风速及O₃垂直廓线与探空资料，以及采用和不采用上边界方案时模拟结果的差异。探空时间为北京时间下午13~14时，模式给出的是0600 UTC（北京时14时）的结果，两者时间基本吻合。空间上，选取与香港天文台站最接近的网格点上模拟的垂直廓线与探空廓线进行对比。从图可以看出，WRF/Chem模式较为准确地模拟了各气象要素的垂直分布。采用上边界处理方案后，平流层、对流层内臭氧浓度垂直分布的模拟得到明显改进，但近地层4 km以下臭氧浓度的模拟值比观测值偏低10~15 ppb（图 7d）。这可能与边界层内风速模拟值偏高（图 7c）、臭氧前体物如氮氧化合物和可挥发性有机化学物排放源清单不准确以及WRF/ Chem模式对夹卷过程考虑不周等有关。对流层中上层大气相对湿度均小于10%，平流层干空气已入侵到达对流层低层5 km处。8~14 km处出现急流区，水平风速极大值达50 m s⁻¹。香港地处副热带地区，受经向低纬垂直环流（即哈德雷环流）影响，对流层上部至平流层盛行下沉气流。当高空急流存在时，急流轴上方为较强垂直风切变，急流入口区左侧为辐合区。平流层空气从左后方辐合区通过“急流锋”（通常与高空急流相联系）输送到右前方的辐合区。高空辐合区区与低层辐散区相联系，平流层空气在高空辐合低空辐散下沉气流影响下，将平层层臭氧向下输送到对流层中低层。该机制是导致该地区平流层臭氧入侵的重要途径之一（Reiter，1975；Shapiro, 1976, 1980）。受其影响，高浓度臭氧从16 km高度向下传输，10~12 km处出现浓度大于100 ppb的峰值，低层臭氧浓度超过70 ppb。高浓度臭氧通过夹卷过程导致边界层臭氧浓度上升，近地层臭氧浓度达到60 ppb。与探空曲线相比，模式在高层和低层均低估了实际臭氧浓度，但仍较准确地模拟出臭氧垂直廓线。表 2给出了WRF/ Chem模式模拟的探空廓线统计评估。模式较为准确地模拟垂直廓线，其与观测值之间的相关系数大于0.7，通过了显著性水平为0.01的显著性检验。

3.4 近地层气象要素和臭氧浓度模拟评估

以上垂直廓线（表 2）分析表明，平流层入侵对近地层臭氧有重要影响。图 8进一步给出了2013年3月5~6日香港地区地面臭氧浓度的模拟与观测值对比。与前一天相比，3月6日臭氧浓度白天极大值和夜间浓度分别升高13.9 ppb和21.3 ppb。塔门站由于地处香港东北远郊，受人为自然排放源影响较小，其O₃浓度增加主要是由于边界层以上升高的O₃通过夹卷过程向下输送造成的（戚慧文等，2018）。与其他区域气象或空气质量模式相同，WRF/Chem模式未能准确地考虑夹卷过程的影响（Moeng et al., 1999），因此无法模拟本次平流层臭氧入侵对边界层内臭氧浓度的影响。受来自东南方向的海洋性气团影响，加上人为排放源如一氧化氮（NO）处在一天中最低值，其他三个站点6日凌晨均观测到了浓度接近臭氧背景浓度（约30~40 ppb）的日次高峰值。模式未能准确模拟复杂地形条件下风场特征，导致模拟本次峰值出现较大误差。表 3是WRF/Chem模拟地面臭氧的统计评估结果。模式虽未能模拟出夹卷过程对边界层内臭氧的影响，但总体而言还是较为准确地模拟出臭氧的时空变化，且其相关系数均在0.6以上。

图 9进一步给出了相对湿度、风速、NO_x、和CO模拟与观测的对比，其统计评估结果如表 4所示。模式较准确地模拟了香港地区地面各个气象要素的时间变化。其中3月6日相对湿度出现明显下降（低于20%），低相对湿度与高浓度臭氧时间段相吻合，表明3月6日塔门站观测到的臭氧浓度增加确实是由于来自平流层富含臭氧干燥空气块入侵所造成的。3月5日到6日，除6日14时（北京时）外，其余时间风速均在1~5 m s⁻¹之间变化，且5~6日香港地区地面盛行风向均为东风，将海洋清洁空气输送到香港地区，水平输送对臭氧增加贡献不大。臭氧前体物的NO_x浓度虽在14时（北京时）出现一个快速的跳跃变化，但总体并无明显变化，同时CO浓度甚至在3月6日出现明显下降，表明该时段内光化学反应对臭氧浓度贡献没有增加。

3.5 平流层—对流层交换臭氧通量计算

根据模拟区域最里层（第三层）的模拟结果，采用Wei公式和箱式模型分别计算了本次平流层入侵过程中通过对流层顶的STE通量，其结果分别为−1.42×10⁻³kg m⁻² s⁻¹和−1.59×10⁻³ kg m⁻² s⁻¹（如表 5所示），负号表示平流层臭氧通过对流层顶向下输送。两种方法计算结果较为接近，且与崔宏等（2004）和Ebel et al.（1996）的结果相当，小于Spaete et al.（1994）和Wirth（1995）的计算值，但大于Lamarque and Hess（1994）、杨健和吕达仁（2003）等的计算结果。接着，以热力学方法（温度垂直递减率≤2℃ km⁻¹）（Reiter et al., 1975）计算了对流层顶高度，并利用Wei公式和箱式模型重新计算了STE通量，分别为−0.34×10⁻³ kg m⁻² s⁻¹和−1.15×10⁻³ kg m⁻² s⁻¹，与第一种对流层顶高度计算方法所得到的通量结果具有一定的可比性，但仍发现对流层顶高度的计算方法对Wei公式的影响比箱式模型大。

4 结论

利用WRF/Chem模式，通过加入UBC上边界方案，克服了WRF/Chem模式未考虑平流层臭氧化学反应的不足，模拟了2013年3月6日发生在华南地区一次平流层入侵过程，并评估了其对平流层低层及地面臭氧浓度的影响。

通过与ECMWF再分析资料和探空资料对比，采用上边界方案后，WRF/Chem模式能较好地模拟本次平流过程中高空温度、湿度、风和臭氧浓度的分布特征和各自的垂直廓线分布。结果表明，与副热带相关的高空急流是导致本次平流层入侵的重要原因。入侵过程中，华南地区处在副热带急流入口区左侧下沉区，平流层入侵将富含臭氧的干燥空气输送到对流层，导致对流层低层及地面臭氧浓度明显上升。如3月6日香港塔门站臭氧浓度极大值较前一日上升21.3 ppb。地面气象场和化学物种（如CO）的模拟观测对比分析，进一步证实了平流层入侵并下传到对流层低层是其升高的主要原因。

利用Wei公式和箱式模型计算了本次平流层入侵过程中STE通量。两种计算方法结果相当，分别为−1.42×10⁻³ kg m⁻² s⁻¹和−1.59×10⁻³ kg m⁻² s⁻¹，与前人研究结果相一致。采用热力学对流层顶高度时对Wei公式计算结果的影响大于箱式模型计算结果，但与采用动力学对流层顶高度所对应的计算结果具有一定的可比性。

本研究表明，为有效控制地面臭氧浓度，除了开展区域合作，减少臭氧前体物人为源排放，平流层入侵的影响也不能忽略。