未来50年内臭氧水平预测问题的研究

未来50年内臭氧水平预测问题的研究

时文扬于龙浩

关键词：臭氧损耗；指标体系；模糊评价；层次分析；SPSS

一、问题研究的背景

臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。随着社会的发展，人类活动、含氟气体、气溶胶含量等众多因素导致臭氧损耗严重。臭氧层被大量损耗后，吸收紫外线辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面的紫外线B明显增加，对人体健康、陆生植物、水生生态系统、生物化学循环、材料、以及对流层大气组成和空气质量等方面造成严重的影响。因此，合理预测未来50年内的臭氧水平，有效减缓臭氧损耗已经迫在眉睫。

二、影响臭氧水平的六大指标体系

（1）人类活动：人类活动排入大气中的一些物质进入平流层与那里的臭氧发生化学反应，导致臭氧耗损，使臭氧浓度减少。例如：汽车尾气、超音速飞机排出的废气、工业废气等。（2）太阳辐射周期：当太阳活动峰年(即太阳活动强烈的时期)前后，宇宙射线明显增强，促使双电子氮化物(如NO2)与O3发生化学反应，使得奇电子氮化物(如NO3)增加，O3转换为O2，从而破坏了臭氧层。（3）区域性天气动力学过程：涡旋内部气温在极夜状态只降不升，迅速达到极地平流云的形成条件，臭氧分解。臭氧一旦分解，停止吸收紫外线，涡旋内部空气也就失去加热的热源，气温进一步下降，极地平流云得到发展，同时强化了极地涡旋，使它保持稳定状态。（4）气溶胶表面积：平流层下部存在一个主要由硫酸和水的微粒组成的气溶胶层，科学家通过实验室测量和模式研究证明，发生在气溶胶表面的异相化学反应可以导致臭氧的减少。（5）极地平流云：极地平流云不仅把氯贮存物质吸收到颗粒的界面上，并且产生化学反应，释放氯气。经阳光照射，在短短几个小时内，活泼的氯气被分解成两个氯原子。一个释放出的氯原子，用数个月的时间通过催化反应，就可以使10万个臭氧分子消失。(6)含氟气体的存在：CFCs和哈龙具有很长的大气寿命，一旦进入大气就很难去除，这就意味着即使人类停止生产和使用这些物质，它们对臭氧层的破坏还会持续一个漫长的过程。

三、模型的建立

通常假设论域是评价指标的大类集合，满足S={S1，S2，S3，S4，S5，S6}时，且S=Si∪Sj，且i≠j，Si∩Sj=Φ，即不同大类彼此没有相互关系，并同时影响最终的综合评判结果。每一个大类的评价指标其评价结果一般是由几个不同的小类评价指标共同影响组成的，类似于学生的平均分指标，由影响指标按照其对应评价标准进行加权统计计算得出。由此假设S={Si1，Si2，Si3......}表示组成每个大类指标中的小类指标的个数。在模糊数学中，评价结果通常分为几个等级，设论域V={V1，V2，V3......}是评价结果可能出现的等级情况的集合，其中m表示评价等级的个数。为建立从指标输入到结果输出之间的推理关系，以便在S、V之间进行模糊推理，从而建立一个S和V之间的模糊关系，也称为S×V上的一个模糊矩阵。

在模糊集合中，衡量给定范围内元素对它的隶属关系不是简单的“是”或“否”两种情况，而是用介于0和1之间的实数来表示隶属程度，还存在中间过渡状态。正如学习的平均成绩是由不同课程的成绩加权平均计算得到，要注意平均计算的过程是考虑其权重的加权算数平均而非普通的算术平均，我们可以知道每个因素对于影响指标S中各个因素对学生素质的评价结果的影响程度是不一样的，在评价时各个指标有不同的重要性程度，亦即不同的权重。对于重要程度的区分，可以将最重要的设为1，最不重要的设为0，同时满足所有指标的重要性程度之和为1，这样S设的一个模糊子集，表示S的不同因素对评价结果影响的重要程度。同样的，由于每个小类评价指标对其大类指标的影响程度和重要性程度都不一样，对于每个大类评价指标下的小类评价指标也需要建立模糊子集。利用Matlab对下列矩阵进行计算。

根据设定的权重数值和评分标准，综合上述内容，可得出影响臭氧浓度的各项指标参数Si以及评判影响臭氧浓度的总指标参数S，并按照臭氧总量评价机制表格表示臭氧的浓度。其中，优等为最优，说明各个指标体系对臭氧损耗最少，人类活动对环境影响小，含氟气体的排放最少，并且不在太阳活动高峰期，区域性天气、气溶胶、积地平流云出现的概率小；反之，丁等为最差情况；从优等到丁等臭氧总量依次递减。

四、模型的解算及预测

根据上述实际数据和权重信息，对1979-2016年影响臭氧含量的总指标进行解算。根据计算结果，结合全球实际臭氧总量变化情况进行检验，将指标S{S1980，S1983，S1986，S1989，S1992，S1995，S1998，S2001，S2004，S2007，S2010，S2013，S2016}与我国粮食种植面积A{A1980，A1983，A1986，A1989，S1992，A1995，A1998，A2001，A2004，A2007，A2010，A2013，A2016}变化趋势作比较，证明了所建模型得出的结果的可信度和可靠性较高，满足建模要求。

图1未来50年内臭氧总量预测图

结合未来50年内臭氧总量预测图，可得出2020-2040年臭氧总量在220DU-280DU之间;2040年后，太阳活动进入衰减期，各种因素对臭氧的损耗减少，臭氧总量增加迅速，最高可达356DU。2045年后，臭氧总量受各种因素干扰而下降，但降幅不大，总体呈上升趋势。

参考文献

[1].孔琴心等.近地面臭氧浓度变化及其对人体健康的可能影响[J].气候与环境研究,1999,4(1):61-66.

[2].陈展等.臭氧对生态系统地下过程的影响[J].生态学杂志,2007,26(1):121-125.

[3].YangSipeng,CaoNianwen,SongXiuyu,etal.Progressontheeffectsofatmosphericaerosolsonozoneobservationdiscussion[J].laserandoptoelectronics,2016(7):49-58.