春季南极昭和站上空增温与臭氧含量和分布的关系

本文利用南极昭和站1966—1979年的臭氧和高空气象资料,讨论了春季南极大气爆发性增温及其与臭氧总量、臭氧分压垂直分布的关系,发现如下事实:1.平流层爆发性增温与臭氧总量突变有三种类型,即一次突变型,两次突变型和一次突变与一次缓变混合型;2.平流层爆发性增温3—5天后,对流层上部也有一次剧烈升温;3.增温过程自平流层上部向对流层下传时,伴随着臭氧分压增压中心逐渐向下传递;在平流层各等压面上,臭氧分压变化与气温变化值之间有较好的正相关,相关系数为0.85.     

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.     

平流层剩余环流及其时间演变特征

平流层剩余环流是由剩余速度经向分量和垂直分量构成的平流层经向－垂直环流，它对于对流层－平流层相互作用和物质交换起着十分重要的作用。作者利用1979～2003年NCEP II再分析资料计算了剩余速度经向分量和垂直分量， 并与数值模拟结果进行了比较，再用计算的剩余环流讨论了它的季节变化、年际变化和长期变化趋势。计算结果表明，剩余环流的上升气流从低纬度赤道地区对流层顶上升到平流层下部，然后向极向下运动，在中纬度地区下沉， 进入对流层，这也就是Brewer－Dobson环流。计算结果同数值模拟结果比较一致。由此可见，可以利用NCEP资料得到比较清晰的剩余环流和Brewer－Dobson环流。剩余环流有明显的季节变化，上升气流的中心随着季节的变化在赤道地区南北移动，春秋季节其中心基本上位于赤道附近，南北半球大致呈对称分布，只是北半球副热带地区的下沉气流要比南半球强。在冬夏季节，上升气流的中心分别位于南北纬10°附近。北半球夏季的上升气流要比南半球夏季的上升气流强，同时冬半球的下沉气流比夏半球的下沉气流强。剩余环流还有年际变化和准两年周期振荡特征，在纬向风为西风位相时，赤道地区的上升气流比较弱；而在东风位相时，上升气流和水平方向的输送相对比较强。剩余环流的十年际变化表现为，1979～1983年、1990～1995年、2000～2003年较强，其他年份则较弱。在过去25年，就总的变化趋势而言，剩余环流的上升气流有所增强，平流层下部向中纬度地区的输送也有所增强，环流整体形势是增强的。     

平流层爆发性增温动力机制的初步研究

本文用一个β平面纬向通道非绝热准地转的三层模式,研究平流层爆发性增温的动力机制.根据平均场对扰动的影响、扰动对平均场的影响以及平流层和对流层相互作用的解析表达式,得出有利于爆发性增温有关的自由行波异常增幅的大气条件.主要包括对流层的强感热交换、强切变和平流层的小静力稳定度. 模式大气的纬向平均温度和纬向风场变化都只由扰动热输送引起.整个增温过程按其产生、发展和消失的不同机制可分成三个时期:增温前期、增温盛期和增温后期.这些机制可以大致说明一些爆发性增温期间平流层和对流层大气环流出现异常以及随后又恢复到正常     

2003～2004年冬季平流层爆发性增温动力诊断分析

利用逐日的欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)60层模式资料, 对2003年12月～2004年2月期间发生的一次非典型的爆发性增温中平流层结构的变化过程进行动力学诊断分析。充分利用资料层次高(最高层为0.1 hPa)和垂直分辨率高(垂直方向共60层)的优势, 通过对不同高度等熵面位涡分布的分析, 研究了极涡在平流层爆发性增温(SSW)发生前后的变化发展; 通过对EP通量及其散度的分析, 研究了SSW过程中行星波的变化特点; 通过对剩余环流的分析, 研究了在SSW过程中经圈环流的变化及其对动力过程的影响。得出: (1) 2003/2004年SSW增温过程持续时间长、强度大; (2) 增温最早发生在平流层上层并向下传播, 在10 hPa形成较强东风带后, 上层西风环流迅速恢复, 极涡再度形成, 下层则增温持续; (3) SSW前后行星波活动频繁, 有长时间多次的上传, 且以1波作用为主, 2波对其进行了补充; (4) 在SSW过程前后, 平流层中的剩余环流发生反转, 影响了平流层中、 高纬地区和低纬地区的物质交换以及上下层物质的重新分配。这一系列的工作为今后进一步研究平流层、 对流层交换, 发展完善气候模式打下基础。     

2002/2003年与2003/2004年冬季爆发性增温期间的动力特征

利用ECMWF提供的60层气象场资料诊断分析了2002/2003和2003/2004年两个冬季的爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)过程,比较了两次SSW期间高纬温度和纬向风的差异,计算了SSW期间的EP通量和剩余环流.结果表明:2003/2004年增温持续时间长、强度大,而2002/2003年则发生了波动;增温都是从平流层上层开始向下传播,但是2003/2004年高层极涡崩溃后迅速恢复,低层极涡恢复得慢,2002/2003年极涡在高层和低层都是缓慢恢复;SSW期间行星渡活动较多,2003/2004年极地EP通量的辐合引起东风长时间持续从而阻止了行星渡再次上传,而2002/2003年行星波则发生多次上传;2002/2003年SSW发生时高纬地区为下沉气流,没有形成环流圈,增温后形成逆时针的环流圈比2003/2004年偏低.     

不同季节内剩余环流时空结构转换及其演变特征的研究

利用ERA-Interim资料,采用改进的变形欧拉平均方法对1979—2011年剩余环流季节内时空结构转换及其演变特征进行了分析。结果表明:(1)150 hPa附近4—8月剩余环流上升中心发生了整体向北移动的趋势,而9月至次年2月则表现为整体向南的移动,并且6—8月和9—11月的移动较为明显,分别向北和向南移动了3.168°和2.277°。(2)对流层内的剩余质量输送显著增强,但是热带环流上升区以及穿越对流层顶进入平流层的输送存在着减弱的趋势。(3)两半球高纬度100 hPa附近从最低平流层向下输送的质量通量以及热带对流层顶附近向上输送的质量通量在各季节年代际变化中基本都是减弱的,仅在6—8月和9—11月北半球向下质量通量出现了增强。     

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。     

平流层异常下传对2009年12月北半球大范围降雪过程的影响

2009年12月北半球中纬度出现大范围持续低温、暴风雪等天气。采用NCEP／NCAR再分析资料研究了平流层AO（Arctic Oscillation,北极涛动）异常信号下传的特征及其对本次极端气候事件的影响,并讨论了与平流层异常信号下传相关的行星波活动。结果表明：1）与此次极端气候事件相联系的负位相A0异常11月首先发生在平流层,维持将近1个月后于12月初开始下传,并且迅速传至地面。12月整个对流层的位势高度及温度在极区附近出现强的正异常,而中纬度地区则为负异常。2）平流层AO异常信号下传后,地面出现有利于低温降雪过程的环流异常。12月上旬,亚洲大陆东部及北美大陆西部出现异常偏北风,造成了俄罗斯、北美西部大面积负的温度异常;12月中下旬,欧洲大陆盛行偏西北气流,同时蒙古高压增强,欧亚大陆北部包括中国北方出现大片负的温度异常。3）在此次极端气候事件之前,北半球高纬度地区有异常强的行星波上传至平流层,导致平流层出现负位相的AO异常,并维持了一个月;随后,上传到平流层的行星波减弱,同时平流层负位相的AO异常迅速传至地面,导致了有利于低温降雪的环流异常。     

行星波对平流层剩余环流的影响

运用欧洲中心ECMWF／ERA-40的资料,分析剩余环流速度v·和W·的变化,从而获得行星波的调整对气候的长期变化的影响。结果表明：赤道气流在低纬度赤道地区由对流层顶上升至平流层中层乃至顶部,而后在中纬度地区下沉,中心位置随季节变化在赤道附近南北移动;剩余环流呈现出准两年的周期变化,剩余速度v·和W·与行星波的振幅三者表现出较好的相关性。另外,行星波波数从1波调整为2波后,平流层低层50hPa以下剩余环流增强,30hPa之上减弱;行星波波数从2波调整为1波后,平流层中层30hPa以下剩余环流减弱,20hPa以上为增强。     

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

近50 a平流层强爆发性增温事件及其变化规律分析

按WMO提供的标准，提出了划分强爆发性增温(Sudden Stratospheric Warming，简称SSW)事件的指标，用NCEP／NCAR 30 hPa层逐日温度、高度资料，确定了1950-2002年1-3月期间的35次强SSW事件。在此基础上，给出了强SSW事件发生的气候及异常特征，并从北半球中高纬臭氧及日照年际变化及其年际异常出发，给出了这些特征的部分成因。     

Middle Stratospheric Polar Vortex Ozone Budget during the Warming Arctic Winter, 2002--2003

The ozone budget inside the middle stratospheric polar vortex(24-36 km) during the 2002-2003 Arctic winter is studied by analyzing Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding(MIPAS) satellite data.A comprehensive global chemical transport model(Model for Ozone and Related Chemical Tracers,MOZART-3) is used to analyze the observed variation in polar vortex ozone during the stratospheric sudden warming(SSW) events.Both MIPAS measurement and MOZART-3 calculation show that a pronounced increase(26-28 DU) in the polar vortex ozone due to the SSW events.Due to the weakening of the polar vortex,the exchange of ozone mass across the edge of the polar vortex increases substantially and amounts to about 3.0× 107 kg according to MOZART-3 calculation.The enhanced downward transport offsets about 80% of polar vortex ozone mass increase by horizontal transport.A "passive ozone" experiment shows that only ～55% of the vertical ozone mass flux in February and March can be attributed to the variation in vertical transport.It is also shown that the enhanced downward ozone above ～32 km should be attributed to the springtime photochemical ozone production.Due to the increase of air temperature,the NOx reaction rate increases by 40%-80% during the SSW events.As a result,NOx catalytic cycle causes another 44% decrease in polar vortex ozone compared to the net ozone changes due to dynamical transport.It is also shown that the largest change in polar vortex ozone is due to horizontal advection by planetary waves in January 2003.     

春季青藏高原西北侧一次平流层臭氧向对流层传输的模拟研究

利用NCEP/NCAR FNL客观分析资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料以及臭氧监测仪(OMI)的臭氧廓线资料,结合区域大气化学模式WRF-Chem对中国春季一次高空冷槽过境引起的对流层顶折卷过程(2012年3月19—21日)进行了分析,并从平流、湍流混合、对流输送等几个方面诊断分析了平流层臭氧向对流层的传输特征和细节。结果表明,发生于青藏高原西北侧的对流层顶折卷事件,其所在位置处于热带对流层顶向中纬度对流层顶的过渡区,由于陡峭的对流层顶南北梯度,在该区域发生的平流层-对流层物质交换(STE)比对流层顶东西方向折卷引起的物质交换要强烈和持久,跨越等熵面的物质交换和湍流混合对平流层-对流层物质交换有很大的贡献。大地形对平流层-对流层物质交换过程有显著的影响,且具有明显的日变化特征。早晚时段,大地形导致的爬坡上升气流显著,抑制了平流层空气与对流层空气的混合交换。午后,大地形热力作用增强,受背风坡局地环流的影响,靠近山顶处湍流混合作用对上对流层臭氧浓度升高的贡献显著增强,且地形越高,这种效应越显著。地形的湍流混合作用在2.5 km高度以上凸显,此高度之上地形平均高度每升高100 m,湍流混合的贡献增加约1%。     

太阳准周期变化对北半球夏季平流层加热率的影响

采用1979—2013年6—8月欧洲中期数值预报中心ERA-Interim逐月再分析资料和2004—2010年6—8月美国国家大气和海洋管理局太阳光谱辐照度资料,利用北京气候中心大气辐射模式,计算了北半球平流层夏季臭氧加热率(Ozone Heating Rate,OHR)和净加热率(Net Heating Rate,NHR),分析了太阳准11 a变化中太阳活动强年与弱年纬向平均OHR(NHR)的差异,并讨论了差异形成的原因。结果表明:太阳活动强年比弱年的紫外辐射明显要强,导致OHR、NHR整层增强,且随高度增加而增加;臭氧浓度在平流层下层较小,在平流层上层较大,该变化导致OHR、NHR有类似的变化型,且稍向高处偏移;OHR、NHR在平流层上层的变化,由紫外辐射和臭氧共同作用,其他地区均为臭氧起主要作用。     

热带平流层臭氧准两年周期振荡的特征及数值模拟

利用HALOE的观测资料、对热带地区平流层臭氧垂直分布的年际变化及其准两年周期振荡（QBO）进行研究，并同赤道上空平均的纬向风场的准两年周期振荡进行了模拟研究。资料分析结果表明，平流层臭氧浓度高值区的位置在南北方向上和垂直方向上的有明显的准两年周期，臭氧浓度高值中心的南北移动和上下移动又引起局地臭氧总量的周期性变化和准两年周期振荡南北半球不对称。而臭氧浓度中心位置的准两年周期变化与赤道上空平均纬向风的准两年周期振荡密切相关。资料分析还表明，赤道上空平流层中臭氧浓度QBO的位相随高度变化多次。模拟试验表明，纬向风QBO引起垂直经圈环流的变化，在平流层有三对余差环流圈。它们对O3在不同纬度和高度的输送是引起O3准两年周期振荡的重要动力原因。其中，余差环流在平流层中层（25－35km)的环流圈起着重要的作用。     

Concentration of trace gases in the lower troposphere,simultaneously recorded at neighboring mountain stations Part II: Ozone

Summary Long-term ozone recordings at different altitude levels, conducted in remote areas, can make a valuable contribution to an understanding of the background level of ozone, its periodical variations and possible long-term trends.The measuring stations (three high mountain stations between 740 and nearly 3000 m a.s.l. with small horizontal distance) are described together with recording and calibration procedures. Information is provided on the time history of all recordings since 1978, considering not only the annual means but also the monthly and 10-day means as a function of height. An analysis is presented of the annual variations which differ considerably in the respective height levels and—in three-dimensional diagrams—the correlation between daily and annual variation is shown as a function of height. Then follows a careful parameterization: analysis of the frequency distribution of the ozone concentration, correlation with relative humidity, relative sunshine duration, and temperature. It can be seen that the correlations are very different and partly inverse, depending on the altitude level.Many ozone profiles obtained between valley level and nearly 3000 m a.s.l. (cable car O₃ radiosonde) give a picture of the typical ozone profile for different meteorological situations and for the case of stratospheric intrusions of ozone into the troposphere. The stratospheric contribution of ozone to the tropospheric ozone budget is discussed.Since obviously a very high photochemical production rate can be established for ozone in the lowest layer above ground (correlation of O₃ with the daily variation of the sunshine duration) it was examined if this O₃ variation might be caused only by horizontal transport of ozone from remote areas with high anthropogenic activity by the daily quasiperiodical currents near the ground. But this is not the case.The correlation between ozone concentration, other trace gases such as nitrogen-oxygen compounds and hydrocarbons is shown.With 29 Figures     

The origin of ozone-rich air in the middle stratosphere observed over Europe at the end of January 1979

Daily ozone soundings over Switzerland in the winter of 1979 showed, at the end of January some extremely high values of the ozone mixing ration around the 10 mb level-9 to 10 ppm compared with a climatological mean of 6 ppm. At the same time, the temperature and ozone mixing ratio was measured by the LIMS experiment (Limb Infrared Monitor of the Stratosphere) on Nimbus 7. The single LIMS ozone profiles, as well as the LIMS 10 mb ozone maps, also showed extreme ozone maxima. Ozone transport was investigated by trajectory computations based on the LIMS geopotential height fields. Displacements and deformations of air parcel chains in 48 h were used to construct ozone maps, using the distribution on a previous day. The correspondence of such kinematically-constructed ozone maps using the actual LIMS maps is striking. This method is, thus, a strong indication of the self-consistency of the different LIMS products (ozone, temperature, geopotential) and explains the unusual ozone observations.