北极楚克奇海上空臭氧垂直变化的探测与分析

1999年夏季,中国首次组织北极地区科学考察.分析此次考察中楚克奇海海域上空获得的大气结构和臭氧探空资料,结合臭氧总量观测光谱仪(TOMS)臭氧总量和NCEP大气环流资料,指出:考察期间楚克奇海海域上空臭氧总量与13 km以下臭氧含量关系密切,而在20 km附近最大臭氧浓度处的臭氧变化与大气臭氧总量关系较差,表明整层臭氧总量的变化主要受低层大气臭氧变化的影响.大气臭氧总量呈高-低-高变化,对流层顶高度呈低-高-低变化,分析500hPa高度场表明:考察期间的天气系统可能是造成局地臭氧变化的主要原因.     

西北太平洋地区大气臭氧柱总量的时空分布特征

文中使用欧洲中期天气预报中心臭氧柱总量资料分析了西北太平洋地区大气臭氧柱总量的时空分布特征,结果表明:低纬度地区是臭氧柱总量最低的地区,纬向分布明显,臭氧柱总量随着纬度向北极的增加而增大;夏季臭氧柱总量最大值出现在北半球高纬度约80°N的地区,最低值出现在热带地区;秋季臭氧柱总量最大值出现在55°N左右的地区;最小值出现在赤道地区。冬春季,臭氧柱总量的最低值均出现在热带地区,最高值出现在北半球约50°～60°N的高纬度地区。      

北半球春季大气臭氧变化特征及其对大气温度和环流场的影响

该文利用美国1978～1993年TOMS臭氧资料以及NCEP提供的全球再分析资料,研究北半球大气臭氧变化特征及其对大气温度和环流的影响.研究表明1987年前后北半球40°N以北的中高纬地区春季大气臭氧柱总量的趋势变化存在明显的突变,大部分地区突然减少,与其相对应的对流层(平流层)平均温度突然升高(降低),300 hPa(30 hPa)层位势高度也突然增高(下降).但是在北大西洋北部和哈德逊湾地区大气臭氧柱总量却突然增加,与其相对应的对流层(平流层)平均温度突然降低(升高),300 hPa(30 hPa)位势高度突然下降(增高),平均温度突然升高(降低 )1～2°C.研究还表明,大气温度和环流的趋势变化主要是由于大气臭氧的趋势变化所引起.另一方面,在同一地区1979～1992年春季大气臭氧柱总量强弱异常年的大气温度场和环流场的差异也存在相同的分布特征,这一事实进一步说明大气臭氧柱总量的多少是决定大气温度场和环流场差异的重要原因.     

1997年和2011年春季北极臭氧损耗事件的对比分析

采用SLIMCAT化学传输模式以及再分析资料,对比分析了1997和2011年北极地区平流层臭氧异常偏低事件及其成因。结果表明,1997和2011年3月北极地区大气臭氧柱总量（TCO）异常值都达到了约-80 DU,并且在30-200 hPa（中下平流层）区域的大气臭氧柱总量异常约占整层大气臭氧柱总量异常的80%。分析表明发生在这两年的极端臭氧偏低事件均可能是由于上一年冬季的拉尼娜事件导致上传的行星波减少,使得北极极涡加强,平流层温度异常偏低,生成了更多极地云,引起更强的臭氧化学损耗导致的。对比这两年的大气臭氧柱总量变化发现,2011年的柱总量减少得更快。2011年北极地区上对流层下平流层（UTLS）区域臭氧下降要明显强于1997年,其主要原因应该是2010-2011冬季的拉尼娜活动更强,北太平洋海温更高,进一步减弱阿留申低压和平流层波活动。这导致2011年极涡温度异常偏低更强烈,形成了更多的极地平流层云甚至出现了第二类极地平流层云,最终加速该年春季的臭氧化学损耗引起的。     

根据Dobson和TOMS资料分析北京和昆明大气臭氧总量变化特征

用约２０年 Ｄｏｂｓｏｎ和ＴＯＭＳ资料来分析北京（３９.９３°Ｎ，１１６.４０°Ｅ）和昆明 （２５.０２°Ｎ，１０２．６８°）两地大气臭氧总量的变化特征，结果表明：（１）在１９７９－２０００年间北京大气臭氧长期变化趋势是－０．６４２ ＤＵ／年，而昆明在１９８０－２０００年间的趋势是－０.００９ ＤＵ／年；（２）北京和昆明两地大气臭氧都有很强的季节内变化（尤其冬季更强），与季节性变化强度相当；（３）在北京和昆明，由记录较短的大气臭氧资料分析得到的长期变化趋势，与较长记录得到的结果有显著差异；（４）在北京（中纬度）和昆明（低纬度）大气臭氧都有显著的准两年振荡信号；（５）两个站点大气臭氧的年际变化主要由长期趋势项和准两年振荡信号组成；（６）Ｄｏｂｓｏｎ仪测量得到的臭氧总量与ＴＯＭＳ资料非常一致。     

中国低纬度地区大气臭氧总量的变化特征

分析研究了位于我国低纬地区不同经度的昆明与香港两个站点上空的臭氧分布与演变状况,得出了中国低纬度地区大气臭氧总量的时空演变特征.研究结果显示:(1)香港与昆明两地臭氧的时间变化特征极为相似;(2)整个中国低纬地区的大气臭氧的时间变化趋势是非常一致的,在空间上呈现出东高西低的特征;(3)我国低纬地区的大气臭氧总量在夏季出现极大值,在冬季出现极小值.计算结果还表明,昆明的臭氧总量要小于其所在纬圈的平均值.     

近66a中国地区对流层顶温度时空变化特征及其与大气臭氧柱总量关系

利用NCEP/NCAR提供的1950—2015年对流层顶温度月平均资料及ECWMF提供的1979—2015年大气臭氧柱总量月平均资料,运用经验正交函数分解方法(EOF),对近66 a中国地区上空对流层顶温度的时空演变特征进行分析,并进一步探讨1979年后对流层顶温度与大气臭氧柱总量的关系。结果表明:(1)中国地区对流层顶温度随纬度升高而升高,呈现明显的纬向分布特征,近66 a对流层顶温度以-0.09℃·(10 a)~(-1)的速率下降。(2)春、冬季对流层顶温度EOF1均表现为南北反位相变化,夏、秋季均表现为全场同位相变化,这种春季与冬季、夏季与秋季主要模态较为一致的时空分布特征与大气臭氧柱总量的季节分布有很好的相关性;除夏季外,其余季节对流层顶温度EOF2表现为弱的南北两端与中部地区反位相变化特征。(3)对流层顶温度与大气臭氧柱总量之间呈显著负相关关系,相关系数为-0.724,大气臭氧柱总量由1990年代中期之前的显著损耗转变为之后的逐渐恢复,对应同期对流层顶温度表现为从偏高到偏低的转变。     

中国40°N附近大气臭氧变化特征分析

利用1996年9月至2004年9月卫星观测臭氧总含量TOMS(第8版)资料,对全球60°S至60°N和北半球0°~60°N大气臭氧总量分布进行了分析,给出了大气臭氧总量的季节纬度变化特征;通过对位于我国40°N附近不同经度上北京、敦煌和丹东3个代表站大气臭氧总量的分布与演变状况的分析,给出了中国40°N附近大气臭氧总量的时空演变特征。研究结果显示:北半球臭氧总量的季节变化和分布随着纬度变化有明显的特征;中国40°N附近的北京、敦煌及丹东大气臭氧总量在不同时间尺度上变化特征比较一致,但也存在一定的差异。     

利用卫星资料分析对流层臭氧柱总量分布特征及其可能的原因

利用卫星资料计算得到的对流层臭氧柱总量数据分析了近20年来全球对流层臭氧柱总量的全球分布特征，并对我国对流层臭氧的季节变化做了研究。利用对流层污染测量仪（MOPITT）的CO和全球臭氧监测仪（GOME）和大气制图扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）的NO₂数据分析了关于对流层臭氧的分布特征及其原因。得出中高纬度地区对流层臭氧浓度存在规律的年内变化，对流层臭氧高浓度值的分布及变化与人类活动有密切关切。     

极地大气科学与全球变化研究进展

南极和北极是地球上的气候敏感地区, 也是多个国际科学计划研究全球气候变化的关键地区。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。中国气象科学研究院的极地大气科学考察与研究始于20世纪80年代, 25年来有较大进展。中国气象科学研究院参加了我国组织的23次南极考察、2次北冰洋考察和3次北极考察; 承担了南极长城站和中山站、北极黄河站气象业务建设和维持, 以及中-澳合作南极冰盖3个无人自动气象站工作; 进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、冰雪和大气化学等观测, 获得了较为系统的极地大气环境资料。开展了有关极地大气科学与全球变化的研究, 在极地天气气候特征及气候变化时空多样性、极地海冰变化和南极海冰涛动、极地近地面物理特征和海-冰-气相互作用、中山站臭氧变化特征及南极臭氧洞和大气化学、气候代用资料获取和古气候环境以及极地大气环境变化对东亚环流和中国天气气候影响等方面的研究取得了新进展。中国极地大气科学正积极通过多学科交叉、走国际合作道路, 努力提高对极地在全球变化中作用的认识水平, 并积极探索极地变化对我国气候、环境的影响。     

The effects of boreal forest expansion on the summer Arctic frontal zone

Over the last 100?years, Arctic warming has resulted in a longer growing season in boreal and tundra ecosystems. This has contributed to a slow northward expansion of the boreal forest and a decrease in the surface albedo. Corresponding changes to the surface and atmospheric energy budgets have contributed to a broad region of warming over areas of boreal forest expansion. In addition, mesoscale and synoptic scale patterns have changed as a result of the excess energy at and near the surface. Previous studies have identified a relationship between the positioning of the boreal forest-tundra ecotone and the Arctic frontal zone in summer. This study examines the climate response to hypothetical boreal forest expansion and its influence on the summer Arctic frontal zone. Using the Weather Research and Forecasting model over the Northern Hemisphere, an experiment was performed to evaluate the atmospheric response to expansion of evergreen and deciduous boreal needleleaf forests into open shrubland along the northern boundary of the existing forest. Results show that the lower surface albedo with forest expansion leads to a local increase in net radiation and an average hemispheric warming of 0.6°C at and near the surface during June with some locations warming by 1–2°C. This warming contributes to changes in the meridional temperature gradient that enhances the Arctic frontal zone and strengthens the summertime jet. This experiment suggests that continued Northern Hemisphere high-latitude warming and boreal forest expansion might contribute to additional climate changes during the summer.     

极地气象考察与全球变化研究

南极和北极是地球上的气候敏感地区，也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区。极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程，在全球气候的形成和变化中有重要的作用。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。到2006年底，中国自主组织了23次南极考察，2次北冰洋考察和3次北极站考察；建成了南极长城站、中山站和北极黄河站，并在南极冰盖设置了3个无人自动气象站；开展了有关极地大气科学与全球变化的研究。在南北极地区，进一步加强国际合作，继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化，提高极地气象业务水平；拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域，积极获取气候代用资料；进一步量化和认识极地在全球变化中的作用，及其对中国天气气候和国民经济可持续发展的影响；建立完善极地大气科学研究体系，提高极地大气科学研究水平，仍是中国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。     

Synoptic Climatology of the Southern Beaufort Sea Troposphere with Comparisons to Surface Winds

Synoptic-scale atmospheric circulation patterns drive wind forcing of dynamic and thermodynamic processes in Arctic sea ice. Synoptic typing and compositing are common techniques used to identify a limited number of prevailing weather classifications that govern a region's climate. This work investigates atmospheric circulation patterns (surface to 250?hPa) for the southern Beaufort Sea and corresponding surface wind regimes within each synoptic type. Significant changes (p?<?0.05) in relative frequencies of a number of synoptic types were attributed to declining summer sea ice. Corresponding upper-level circulation anomalies show increasingly meridional atmospheric circulation. Synoptic Types 9 and 11 were identified as key October-November-December circulation features that represent deepening of the Aleutian low with concomitant strengthening of pressure gradients over the southern Beaufort Sea. Classification of coastal-based wind observations shows a shift towards increased easterly wind forcing. A case study of surface wind data from the CCGS Amundsen (2009–2011) provided a direct example of the surface wind regime within the marginal ice zone within each synoptic type during a period of reduced Arctic sea-ice cover.     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

强对流天气对O3和CO的垂直输送作用

利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料,取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料,对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O₃和CO浓度垂直分布变化进行对比,考察强对流性天气发生对O₃和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O₃和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积,从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生,飞机进入对流云上层时,O₃浓度和CO浓度升高,O₃和CO浓度变率增大,在对流层上部浓度出现峰值;当飞机飞出对流云时,O₃和CO浓度相对较低,在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O₃和CO浓度相对较小,浓度变率也较小,无峰值产生。分析表明:O₃和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切,且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。     

近30年大气化学和大气环境研究回顾———纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了中国气象科学研究院 (简称气科院) 近30年来有关大气化学和大气环境研究成果。该院完成了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目等一系列重要研究项目, 做出了许多具有重大创新性的成果:在青藏高原发现“臭氧低谷”, 这一重大发现列为当年中国10大科技成果之一; 首次把环境、生态、气候几个重要领域进行综合研究, 发现人类活动对环境造成的变化改变了生态环境状态, 最终对区域气候造成影响; 对北京市大气污染机理和调控原理进行了深入研究, 在三维立体观测基础上, 提出了点-面结合与统计-动力综合分析, 地面观测-卫星遥感分析方法及模式新技术等, 获取了解决大气环境领域关键技术难点的创新成果; 建立了全球第一个大陆大气本底基准观象台即瓦里关本底台, 开创了我国全球大气本底业务观测等。几十年来气科院大气化学研究工作几乎涵盖了当前大气化学所有重要领域及其前沿学科, 其中包括温室气体、臭氧和反应性气体、气溶胶、酸雨、模式的发展及应用、空气质量预报技术和环境评价等。气科院大气化学研究工作是和中国气象局大气成分监测站网建设密不可分的, 广大科研人员参加了诸如大气本底站网、酸雨站网、臭氧站网、沙尘暴站网等业务站网的建设, 与此同时也构建了大气化学科研平台。     

近20年来中国极地大气科学研究进展

南极、北极和青藏高原是地球上的 3大气候敏感地区 ,是多个国际计划研究全球变化的关键地区。中国的南极和北极实地考察研究 ,分别始于 2 0世纪 80和 90年代 ,起步较晚 ,但近 2 0余年来有较大的进展。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。讫今为止 ,中国已组织了 2 0次南极考察和 3次北极考察 ,建立了中国南极长城站、中山站和北极黄河站等 3个常年科学考察站 ;进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、高层大气物理、冰雪和大气化学等观测 ,获得了较为系统的极地大气科学第一手资料 ;开展了有关极地与全球变化的研究 ,取得了新的进展。南极地区大气温度、臭氧和海冰的气候变化在时间和空间上都是多样的。南极地区的增暖主要发生在南极半岛地区 ,在南极大陆主体并不明显 ,近 10余年来还有降温趋势。中国南极长城站和中山站的观测资料也证实了这一点。此外 ,还揭示了南极半岛西侧和罗斯海外围的海冰变化具有“翘翘板”特征 ,由此定义的南极涛动指数可用来讨论南极海冰状况和海冰关键区的活动 ;用实地考察资料研究了极地不同下垫面的近地面物理和海 -冰 -气相互作用特征 ,给出了边界层特征参数 ;讨论了极地天气气候和大气环境特征及其对东亚大气环流和中国天气气候的影响 ;利用