南极臭氧洞的发现、研究和启示

回顾了南极臭氧洞的发现过程,评述了南极臭氧洞形成和发展的机制、以及南北极臭氧变化的差异,讨论了南极臭氧洞的发现和研究带来的启示。研究指出,目前只是在南极春季出现了臭氧洞,北极并没有出现过臭氧洞。在当前大气环境被污染的情况下,极地大气臭氧亏损的程度将更多地随大气环流,特别是极地涡旋中的低温状况而发生变化。     

2019-2020冬季北半球超强极涡事件（英文）

2019-2020冬季北极平流层极涡异常并且持续的偏强,偏冷.利用NCEP再数据和OMI臭氧数据,本文分析了此次强极涡事件中平流层极涡的动力场演变及其对地面暖冬天气和臭氧低值的影响.此次强极涡的形成是由于上传行星波不活跃.持续的强极涡使得2020年春季的最后增温出现时间偏晚.平流层正NAM指数向下传播到地面,与地面AO指数和NAO指数相一致,欧亚大陆和北美地面气温均比气候态偏暖,在欧亚大陆的一些地区,2020年1月和2月的气温甚至偏高了10K.2020年2月以来北极臭氧出现了2004年以来的最低值,2020年3-4月60°-90°N的平均臭氧柱总量比气候态偏低了80DU.     

2019-2020冬季北半球超强极涡事件

2019-2020冬季北极平流层极涡异常并且持续的偏强,偏冷.利用NCEP再数据和OMI臭氧数据,本文分析了此次强极涡事件中平流层极涡的动力场演变及其对地面暖冬天气和臭氧低值的影响.此次强极涡的形成是由于上传行星波不活跃.持续的强极涡使得2020年春季的最后增温出现时间偏晚.平流层正NAM指数向下传播到地面,与地面AO指数和NAO指数相一致,欧亚大陆和北美地面气温均比气候态偏暖,在欧亚大陆的一些地区,2020年1月和2月的气温甚至偏高了 10K.2020年2月以来北极臭氧出现了2004年以来的最低值,2020年3-4月60°-90°N的平均臭氧柱总量比气候态偏低了 80DU.     

Quasi-biennial oscillation signal detected in the stratospheric zonal wind at 55–65°N

北极极涡是一个存在于极区对流层中上层和平流层的大尺度气旋性环流系统,是极区大气运动的主要特征。赤道平流层风场的准两年振荡,可以对行星波的传播进行调制,从而对北极极涡的强度产生影响。为了定量描述,赤道平流层风场的准两年振荡对北极极涡的影响,我们对表征北极极涡强度的55–65°N纬度带平流层纬向风进行了分析,提取出了北极极涡中的准两年振荡信号,并发现了该信号的纬向不均一性,120–180°E为高值区,25–45°E为低值区。     

极涡研究进展

极涡是北极地区的一个深厚系统,它以极地为活动中心,最能体现高纬大气活动特征,属大气环流最主要的系统之一,通常与副热带高压、阻塞高压、季风等环流系统相互配合,在全球天气气候变化中起着至关重要的作用。本文就极涡的气候特征、对天气气候的影响、变化机理及数值模拟等几方面的研究进展进行综述。在行星波破碎、平流层爆发性增温、平流层对流层的动力耦合等过程中,极涡也扮演着重要角色;极涡对HNO3、臭氧等大气化学成分渗吸和输送过程的影响显著,而这些化学成分的再分布对极涡有较强的反馈作用;极涡还受到海温、冰雪、植被甚至太阳活动等的影响。前人已经关于极涡做了不少研究,但在气候动力学方面,还存在一些问题,有待进一步加强研究。     

2006年杭嘉湖平原夏秋天气异常分析

2006年杭嘉湖平原出现夏季特长、秋季极短,梅雨量极少、高温天数多、夏旱连秋旱的气候异常现象,对大气环流进行分析发现,西太平洋副高持续偏强偏西,北半球极涡偏弱,冷空气活动偏北,亚洲地区盛行纬向环流.区域气候的异常与大气环流的季节转换异常有关,并且大气环流的异常可以追溯到其前期环流的异常.2006年前冬和春季中高纬度较强的经向环流和持续偏强的副热带高压使得该年夏季副高继续偏强,并且春季的这一环流异常现象,导致秋季大气环流向冬季过渡较快.对涡动高度的分析表明,5月平流层正中心的异常两移、6～7月平流层持续分裂出两个正中心,以及9月正中心的异常增强,预示和促进了夏季低层大气环流的异常发展,从而夏季偏长、夏秋季节转换推迟;11月冷低压的异常增强南压和暖高压的突然减弱,使秋冬季节转换较快,从而秋季极短.     

赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控

平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧亏损有重要指示意义。在1979～2020年ERA5再分析资料中,早春北极平流层极涡年际变率与热带太平洋海温第二模态（主要空间型为赤道西太平洋海温异常）有关。通过CAM5数值模拟,进一步揭示了赤道西太平洋海温异常影响平流层极涡的途径：冬春季赤道西太平洋增暖时,在暖海温区深对流降水加强,异常的潜热加热通过Matsuno-Gill响应在其西北侧激发了Rossby波（对流层上层的高压异常）。该Rossby波沿大圆路径在北太平洋调整了北半球最强的槽脊系统的强度和位置,从而使得经向风1波分量的振幅减小,经向风3波和温度3波分量的位相差增大。两者分别减弱了下平流层的1波和3波的波作用通量上传,更少的涡动热量通量向极输送促进了春季北极平流层极涡增强。     

华南冬末春初降水变异关联主模态及机理

基于1951—2018年再分析资料和观测的降水量资料,采用联合经验正交函数分解的方法,分析了华南冬末春初(2、3月)降水年际变异特征,并讨论了相应的环流背景及物理机制。华南2、3月降水变异的第一关联主模态反映出全区2、3月同相变化,第二模态呈现反相变化。第一模态的降水异常与ENSO关联的热带海温异常分布有关,其导致的西太平洋异常反气旋的维持使得2、3月的降水持续出现同相异常。第二模态的降水异常与中高纬度的大气环流异常有关：2月表现为欧亚遥相关型,3月则表现为北极涛动型。第二模态2、3月位势高度异常型的转变分别与北大西洋的热通量的异常变化及平流层极涡信号的下传有关：当2月北大西洋热通量正异常显著时,500 hPa高度场呈现欧亚遥相关(EU)负位相的分布;平流层极涡异常信号在3月下传达到对流层低层,使得3月对流层极涡增强,有利于北极涛动(AO)正位相的形成。2、3月欧亚大陆上空分别在EU遥相关型和AO型环流异常的影响下,导致了华南地区上空的大气环流的辐合辐散异常,并最终造成2、3月华南的降水量反相异常的出现。     

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。     

平流层爆发性增温及其影响研究进展

平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)是冬季平流层大气环流结构的一种突变现象,在短时间内平流层中高纬度的温度、风和极涡都会发生剧烈变化。因此,SSW也就成为平流层大气环流及其变化研究的重要方面之一。在强SSW期间,高纬地区温度急剧升高,西风被东风取代,极涡几乎全部崩溃。SSW极大地影响着北半球对流层大气,甚至整个中高层大气,包括对平流层乃至中层大气微量气体分布的重要影响。随着临近空间飞行平台的研究应用,以及由此而提出的临近空间环境条件的保障问题,作为临近空间重要组成部分的平流层环流变化将更加引起人们的关注。本文就SSW的特征、发生机制、对上下层相互作用的重要影响,以及SSW与准两年振荡、ENSO等的密切关系和SSW的数值模拟等方面的研究工作,进行了回顾和总结。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

两次加拿大型增温的动力诊断分析

通过资料分析,挑选了1965年12月和1968年11月的两次强加拿大型增温作为研究对象来研究加拿大型增温过程中环流的变化及异常.两次加拿大型增温过程中平流层高层的增温不明显,只是在平流层中低层有较弱的增温过程,并且增温过程中所形成的纬向东风较弱,持续的时间较短.从距平场来看,两次加拿大型增温使得平流层极涡环流减弱,但加拿大型增温所造成的环流异常明显要比强爆发性增温所造成的异常强度弱.另外,两次加拿大增温过程中没有发现爆发性增温前的“预先”过程.一般而言,上传的行星波是冬季平流层环流扰动的重要影响因素,两次加拿大型增温过程中第0天前后都有行星波上传的增加,这与爆发性增温有明显的不同.北极涛动指数随时间和高度的变化显示由两次加拿大型增温所造成极涡异常能够形成北极涛动异常的下传,但两次加拿大型增温过程中的北极涛动异常都没有能够到达对流层低层.     

南极臭氧洞对全球大气辐射加热场影响的数值模拟研究

为了探讨南极臭氧洞对全球气候的影响状况,我们用IAP_9层全球大气环流模式进行了南极臭氧洞气候效应的数值试验。本文分析了本次试验中南极臭氧洞引起的大气辐射加热场的变化,结果表明,南半球高纬和极地平流层臭氧含量的严重减少,不仅影响该地的大气辐射加热场,同时也使北半球平流层大气的辐射加热场发生改变。虽然对流层中层所受影响较少,但对流层下层南北半球的大气总辐射加热率的变化却相当明显,这些影响将使全球大气温度场产生明显变化。     

2009—2013年中国西南地区连续干旱的成因分析

提2009年以来,中国西南地区连续4年秋、冬、春季出现严重干旱,持续时间长、影响范围大、干旱程度重,给旱区农林业生产和人民生活带来严重影响,造成巨大的经济损失。本文利用多种资料从大尺度大气环流、水汽输送、太平洋及印度洋海温、平流层极涡等方面分析了此次连续干旱的原因。结果表明：南支槽强度偏弱、孟加拉湾水汽输送偏少以及弱极涡背景下,异常波活动造成的 AO 负异常引起的冷空气路径偏东是这4年持续干旱的共同特点。热带海表温度的异常变化对西南地区干旱的影响也不容忽视,主要表现在对孟加拉湾和南海水汽输送的阻碍上。La Nina 事件中,热带印度洋冬、春季海表温度的异常变化对干旱影响更为突出。冬、春季平流层和对流层的动力耦合作用结果使得 AO 位相发生变化,其中异常负位相的强度及持续时间对这4年西南地区秋、冬、春连旱的影响显著。     

北半球中高纬地区冬季大气臭氧与极涡强度关系

为全面了解冬季北半球中高纬度地区臭氧与同期北极极涡强度变化的相关关系,利用1979年1月至2011年12月欧洲中心再分析资料,选取了4个关键区(北极、东亚、北美和西欧),采用相关分析和E-P通量计算方法,分析了两者之间的相关关系并进行了机制研究。结果表明:(1)冬季北极平流层臭氧总量与极涡强度的负相关关系较好;(2)当极涡强(弱)年,极圈内和外围的北美部分地区臭氧总量显著减少(增加);(3)极涡强度弱时,上传到平流层的涡动热通量强,北半球中高纬地区E-P通量散度辐合增强,剩余环流加强,将导致该地区得到低纬高浓度臭氧的补充而使得臭氧含量增多;(4)1979-2011年上传到中高纬平流层的波动通量增加,造成极区温度增加,进而抑制非均相反应发生而使得极区臭氧含量增加。     

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。     

近30a北极平流层臭氧的季节和年际变化特征

综合利用1978-2011年TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer）和OMI（Ozone Monitoring Instrument）臭氧总量资料,MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧廓线资料以及NCEP/NCAR再分析气象场资料,对比研究了近30a南北极臭氧总量的年际变化和季节变化差异,重点分析了2010/2011年冬末春初北极臭氧出现的异常损耗现象,探讨北极春季臭氧低值产生的原因。结果表明：与南极地区一年四季都保持一个臭氧低值中心明显不同,北极臭氧总量的减少则是伴随着整个春夏季（4-8月）,在秋季（10月）达到最低值,冬季（11月-次年2月）北极臭氧快速恢复,这主要是由于南北半球极地地区环流差异和温度差异造成的。南北两极年均O3总量呈下降趋势,两极地区O3总量年际变化最大的季节是春季。近30a,北极在1997和2011年春季（3-4月）分别达到极低值355DU和361DU,但近年来两极臭氧年际变化趋势不明显。2011年春季,北极地区出现的较严重臭氧低值现象从3月中旬至4月中旬持续了近1个月,2010/2011年冬春季平流层低温和臭氧低值对应关系很好。     

北极多冰年和少冰年的大气环流差异

本文利用一个改进的海冰热力模式,取北极区大气和有关场的气候资料,模拟了1982年10月至1988年9月的北极海冰空间分布和季节变化的循环特征,较好地模拟出多冰年（1983,1987）和少冰年（1984,1986）。模拟结果与部分研究工作以及实况相比较,基本状况趋于一致。并且在此基础上进一步探讨了北极多冰年和少冰年的大气环境差异,可以看到多冰年的北极极涡偏西半球;少冰年的北极极涡基本是围绕极地。从而进一步影响多冰年和少冰年大气环流差异,特别是对亚洲环流的影响较大。     

南极臭氧洞与南极涡旋的变化——IAP模式的试验结果

通过对IAP9层全球大气环流模式试验结果的分析,讨论了1987年南极臭氧洞对平流层大气辐射加热率和温、压、风场的影响。结果表明,南半球高纬和极地平流层臭氧含量的耗损,使该地区辐射加热率明显减小,气温明显下降,等压面明显下降,南极涡旋明显加强,说明南极春季涡旋的强弱与该地区臭氧含量及其热状况有密切关系。     

平流层-对流层相互作用研究进展：等熵位涡理论的应用及青藏高原影响

系统介绍了近年来应用等熵位涡理论研究平流层-对流层动力相互作用所发现的一些新的事实和机理,包括平流层冬季极涡振荡过程中平流层、对流层环流异常的时空传播特征,以及等熵质量理论框架下的平流层-对流层动力耦合机理,还介绍了影响平流层环流年际尺度异常的因子及影响过程。回顾了夏季青藏高原的热力作用所激发的负位涡强迫源对东亚及全球大气环流的影响。并基于对夏季高原周边等熵位涡经向输送垂直分布的诊断进一步说明,夏季青藏高原的存在使高原东缘及东亚地区成为平流层和对流层物质交换的独特区域,探讨了夏季青藏高原影响平流层-对流层动力耦合的一种重要途径及其影响全球气候的重要意义。