夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的特征分析

青藏高原为亚洲季风区的典型代表区域,研究其水汽进入平流层的过程和机理对认识全球气候和大气环境变化具有一定的现实意义. 本文基于中尺度气象模式(WRF)的模拟输出结果(2006年8月20日至8月26)驱动拉格朗日大气输送模式FLEXPART,通过追踪并解析气块的三维轨迹以及温度、湿度等相关物理量的相关变化特征,初步分析了夏季青藏高原地区近地层-对流层-平流层的水汽输送特征. 研究结果表明,源于高原地区近地层的水汽在进入平流层的过程中受南亚高压影响下的大尺度环流和中小尺度对流的共同影响.首先,在对流抬升作用下,气块在短时间内(24 h)可抬升到9~12 km的高度,然后在南亚高压闭合环流影响下,相当部分气块在反气旋的东南侧穿越对流层顶进入平流层中,并继续向低纬热带平流层输送,进而参与全球对流层-平流层的水汽循环过程. 在对流抬升高度上气块位置位于高原的西北侧,然而气块拉格朗日温度最小值主要分布于高原南侧,两个位置上气块的平均位温差值可达15~35 K,这种显著的温度差异将导致气块进入平流层时"脱水". 比较而言,夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的多寡主要和大尺度汽流的垂直输送有关,而深对流的作用相对较弱.     

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月~3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明：东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.     

平流层准两年变化对南海夏季风影响机制的探讨

利用美国大气研究中心(the National Center for Atmospheric Research, NCAR)的中层大气模式模拟了平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)过程对对流层顶和对流层上层的影响, 并结合NCEP(the National Centers for Environmental Prediction)/NCAR、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)月平均的风场资料和实际的探空观测资料, 分析了平流层QBO对南海夏季风的影响作用. 结果表明: 平流层QBO会引起平流层的异常经向环流并向下传播, 在QBO位相的中后期和位相转换期影响到对流层顶和对流层上层, 使热带和低纬度的对流层上层形成异常的经向气压梯度, 最终在夏季的对流层热带地区激发出不同类型的异常环流—西风位相时, 激发出与南海夏季风环流相反的异常环流, 在南海地区有显著的异常下沉运动, 对南海夏季风有削弱作用; 东风位相时, 激发出反Hadley环流型的异常环流, 在南海地区有明显的异常上升气流, 对南海夏季风有加强的效果. 虽然QBO对南海夏季风经向环流有影响, 但它并不是决定南海夏季风准两年变化的唯一因子.     

ECMWF和HALOE平流层温度资料对比

利用ECMWF和HALOE资料,分析了1991~2002年两种资料中温度垂直廓线、平方差水平分布,并通过线性趋势分析方法分析了平流层不同高度温度变化趋势的差异.研究结果表明：在中低纬度地区,10 hPa以下两种资料中温度垂直廓线非常吻合;10~2 hPa高度,HALOE资料中温度比ECMWF资料中温度要高;1 hPa高度上,两种资料也有比较小的差异.在南北半球的中高纬度地区,温度的差异比较明显,整个平流层中,HALOE资料中温度比ECMWF资料中温度要高.平流层中温度的水平分布差异随着高度而增大.中低纬度地区温度差异相对较小,南北半球50°以上地区差异比较大.在平流层的中低层100 hPa、50 hPa和10 hPa高度,两种资料中温度的变化趋势一致,但是HALOE资料中温度的递减趋势要更明显.在平流层高层2 hPa,1996年后两种资料中温度的变化趋势相反.本研究将为平流层温度研究的资料选择提供一定的依据.     

火山活动对北半球平流层气候异常变化的影响

文中利用逐次滤波法滤除北半球平流层70 hPa约15~22 km高空大气温度异常变化中太阳活动的影响之后,进一步分析了火山活动的气候效应,分析结果表明,火山活动能引起平流层较大幅度增温,对于北半球70hPa高空气候异常变化的影响超过了总方差的30%;火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约15~22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动引起平流层大气升温的同时还将引起对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;强火山爆发如皮纳图博火山爆发、阿贡火山爆发和堪察加北楮缅奴等火山爆发是引起未来两年左右平流层中下层温度异常变化最重要的因素,其方差贡献率超过百分之五十三！;火山喷发高度越高,引起平流层增温效应的层次也越高;北半球大气温度异常变化对南半球火山活动响应的滞后时间比北半球火山活动长. 平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期,分析认为是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应,其方差贡献率超过9%.     

亚洲夏季平流层-对流层水汽交换年际变化与亚洲夏季风的联系

亚洲地区是物质由对流层向平流层输送的主要通道,在平流层-对流层交换中扮演着积极的角色. 本文主要利用卫星资料和欧洲中心ERA40再分析资料,借助Wei诊断模式研究亚洲地区夏季上对流层-下平流层(UTLS)水汽分布和平流层-对流层水汽交换特征,重点着眼于水汽交换的年际变化,并探讨其与亚洲夏季风的联系. 结果表明,季风区UTLS水汽较赤道地区偏多,且通过磁带记录信号的传播,可穿越对流层顶影响下平流层水汽的多寡. 夏季平流层-对流层水汽交换表现出明显的年际特征,其年际变化与亚洲季风强弱变化有密切联系,尤其与南亚夏季风的关系更为显著. 在亚洲夏季风影响下,亚洲地区出现异常的大气环流和垂直运动,从而影响平流层-对流层之间水汽的交换. 这些结果对认识其它大气成分的输送过程也具有重要的指示意义.     

利用ERA-Interim资料对平流层Brewer-Dobson环流变化趋势的分析

选用每天12∶00UTC时次的逐日ERA-Interim再分析资料,根据transformed Eulerian-mean(TEM)方程通过积分剩余速度珔v*,研究了1979—2011年间Brewer-Dobson(BD)环流的时空演变规律.并将其与downward control(DC)原理研究的结果进行比较,同时还探讨了平流层温度与BD环流之间的相互联系.结果表明,由TEM方程通过积分剩余速度珔v*估算的BD环流与利用DC原理估算的环流相比较,在热带地区的形势更加明显.环流在热带对流层中上层上升至平流层中下层,最高可达1hPa等压面附近.然后在热带外向极向下运动,最后在中高纬度下沉回到对流层.BD环流的上升中心及质量通量均随季节的变化产生变动,环流在冬半球的形势显著地强于夏半球.在春季和秋季期间,环流呈现出南北两半球的对称形势.从全球尺度物质输送的角度来看,在过去的33a间平流层BD环流的长期变化趋势是减弱的,且在平流层中下层减弱是明显的.环流的减弱趋势与纬向平均温度的长期变化趋势相匹配.     

火山活动对热带高空温度变化的影响

本文利用序列回归分析、对比分析和个例分析法分析了火山活动对热带高空大气的温度效应. 主要结论为：火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动将引起平流层大气升温、对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;火山活动对于热带70 hPa高空温度距平变化的影响超过了总方差的457%;单独考察几次强火山活动（如阿贡火山、皮纳图博火山和厄尔奇冲火山等）的温度效应表明,在热带地区强火山爆发后的20个月内,对热带高空温度的影响超过了其距平变化的80%！成为该时段高空温度变化的决定性因素.     

夏季风期间长江流域的水汽输送状态及其年际变化

本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了长江流域夏季风期间的水汽收支和循环,着重研究了不同月份与水汽收支的年际变化显著相关的大尺度水汽输送和环流异常.流域范围的西南夏季风水汽输送以6、7月最为强烈,经向输送在5～8月造成流域水汽辐合,9月造成辐散;纬向输送在5～7月造成流域水汽辐散,8、9月造成辐合.研究表明,在不同月份,流域的南北边界处的水汽输送在流域水汽收支的年际变化中起着不同的作用.这种变化与大气环流的异常密切相关.在夏季风相对较弱月份（5、8、9月）,流域水汽收支的年际变化极大地受到流域南边界南风水汽输入通道的影响,对应于水汽收入偏丰年,该3个月500 hPa高空在青藏高原东部都存在显著异常低压区,而且,8、9月在中南半岛及其以东洋面存在显著异常反气旋环流,与8月西太副高的向西向南异常伸展,以及9月副高的西伸较弱和南北范围较宽有关,这些异常环流均造成南边界的大量异常水汽输入.而在夏季风十分强盛的6、7月,流域北边界南风水汽输出极大增加,成为流域水汽收入年际变化的关键敏感通道,对应于水汽收入偏丰年,6月500 hPa高空主要受中纬度以黄海和东海为中心的异常低压系统和气旋性异常环流影响,与该区域副高偏南、偏弱有关,而7月则主要受中高纬以外兴安岭为中心的异常高压和反气旋性异常环流影响,应该是由于该区域大陆高压的频繁生成造成的,它们均造成流域北边界水汽输出的异常减少.     

青藏高原和热带西北太平洋大气热源在亚洲地区夏季平流层-对流层水汽交换的年代际变化中的作用

利用欧洲中期天气预报中心ERA40资料,借助Wei诊断模式研究平流层一对流层水汽交换过程,重点分析亚洲地区夏季平流层．对流层水汽交换的年代际特征,探讨青藏高原和热带西北太平洋大气热源在其变化中的作用．气候学特征表明,北半球夏季“亚洲南部半岛-印度洋-太平洋交汇区”为全球最强的对流层向平流层输送的通道,它能将亚洲季风区丰富的水汽源源不断地输送到平流层,影响平流层水汽的分布和变化．北半球夏季亚洲地区穿越对流层顶水汽交换整体上都具有明显的年代际变化,且在近44a可以分为三段比较稳定的时段：1958～1977年、1978～1992年和1993。2001年．在这三个时段中,孟加拉湾．东亚大陆及南海海域的水汽交换通道作用在逐渐减弱,而西北太平洋地区在水汽交换中扮演着越来越重要的角色．进一步研究发现,青藏高原、热带西北太平洋热源的年代际异常是亚洲地区平流层．对流层水汽交换年代际变化的主要原因．44a来青藏高原和热带西北太平洋的热力作用均发生了重大调整,在年代际尺度上两者的综合作用决定了亚洲夏季风的年代际变异,从而影响平流层．对流层水汽交换的年代际异常．然而不同时段不同地区两者的贡献有所不同,尤其是1992年以后,高原热源影响明显减弱,而热带西北太平洋热源在影响平流层．对流层水汽交换中起主要作用．这些结果对深入认识其他大气成份输送过程和正确评估人类活动（排放）对全球气候的影响也具有重要的指示意义．     

平流层气溶胶的准两年周期特征分析

本文采用HALOE和SAGE Ⅱ资料,分析了平流层气溶胶的准两年周期变化(简称QBO)特征及其与臭氧QBO的关系,结果表明:(1)北半球中高纬上空平流层气溶胶存在明显的QBO特征,其QBO信号自上向下传播,振荡幅度在平流层中下层可以达到20%;而在赤道和南半球上空的平流层气溶胶的QBO特征相对于北半球则不明显;(2)在...     

Stratosphere–troposphere interaction associated with biennial oscillation of Indian summer monsoon

Quasi-biennial oscillation (QBO) is a predominant phenomenon in the tropical stratosphere and troposphere. The possible interactions between the stratospheric QBO and tropospheric biennial oscillation (TBO) over the Indian monsoon region as well as the equatorial region is investigated using the zonal wind data of 23 vertical levels (1000–1 hpa) from 1960–2002. The structure of lower stratosphere and troposphere are entirely different over the equator and India. In biennial scales, both the stratosphere and troposphere over the Indian region are closely related and winter season QBO is a good predictor of Indian summer monsoon rainfall.     

我国上空平流层中微量气体的垂直分布和变化趋势

利用1992～2005年卤素掩星试验（HALOE）的观测资料分析了中国上空平流层的几种微量气体（NO, NO2, HF, HCl, CH4, H2O 和O3）混合比的垂直分布和变化趋势,以期为研究平流层的辐射和化学过程提供一些有用的数据. 文中除给出我国上空平流层各高度上平均的各种微量气体的含量外,还给出青藏高原上空这些微量气体的含量. 分析结果表明,平流层各种微量气体混合比的垂直分布有其不同的特征,在对流层上层到平流层底部各种微量气体的混合比分布和季节变化与平流层相比有明显的差异;分析结果还表明,这些微量气体的季节变化、准两年周期振荡和长期变化趋势都很明显,并且在平流层的不同高度上它们的变化趋势是不相同的. 在平流层中层,NO, NO2, HCl 和H2O 混合比在1998年以前都是增加而后则是明显下降的,但O3相反,在1998年以前明显减少,1998年后其减少的趋势不明显. 这表明,近年来平流层中层这些微量气体的减少使得它们对臭氧的破坏有所缓解. 但在平流层下层,臭氧的耗损仍然很明显.     

Properties of QBO and SAO generated by gravity waves

In this paper we present an extension for the 2D (zonal mean) version of our numerical spectral mode (NSM) that incorporates Hines’ Doppler spread parameterization (DSP) for small-scale gravity waves (GW). This model is applied to describe the seasonal variations and the semi-annual and quasi-biennial oscillations (SAO and QBO). Our earlier model reproduced the salient features of the mean zonal circulation in the middle atmosphere, including the QBO extension into the upper mesosphere inferred from UARS measurements. The model is extended to reproduce the upwelling at equatorial latitudes that is associated with the Brewer–Dobson circulation — which affects significantly the dynamics of the stratosphere as Dunkerton had pointed out. In the presence of GW, this upwelling is produced in our model with tropospheric heating, which generates also zonal jets outside the tropics similar to those observed. The resulting upward vertical winds increase the period of the QBO. To compensate for that, one needs to increase the eddy diffusivity and the GW momentum flux, bringing the latter closer to values recommended in the DSP. The QBO period in the model is 30 months (mo), which is conducive to synchronize this oscillation with the seasonal cycle of solar forcing. Associated with this QBO are interannual and interseasonal variations that become increasingly more important at higher altitudes — and this variability is interpreted in terms of GW filtering that effectively couples the dynamical components of the mesosphere. The computed temperature amplitudes for the SAO and QBO are in substantial agreement with observations at equatorial and extra-tropical latitudes. At high latitudes, however, the observed QBO amplitudes are significantly larger, which may be a signature of propagating planetary waves not included in the present model. The assumption of hydrostatic equilibrium not being imposed, we find that the effects from the vertical Coriolis force associated with the equatorial oscillations are large for the vertical winds and significant for the temperature variations even outside the tropics, but the effects are small for the zonal winds.     

Dynamical mechanism of the stratospheric quasibiennial oscillation impact on the South China Sea Summer Monsoon

The National Center for the Atmospheric Research (NCAR) middle atmospheric model is used to study the effects of the quasi-biennial oscillation in the stratosphere (QBO) on the tropopause and uppe troposphere, and the relationship between the QBO and South China Sea Summer Monsoon (SCSSM is explored through NCEP (the National Centers for Environmental Prediction)/NCAR, ECMWF (Euro pean Centre for Medium-Range Weather Forecasts) monthly mean wind data and in situ sounding data The simulations show that the QBO-induced residual circulations propagate downwards, and affect the tropopause and upper troposphere during the periods of mid-late QBO phase and phase transition Meanwhile, diagnostic analyses indicate that anomalous circulation similar to SCSSM circulation is generated to strengthen the SCSSM during the easterly phase and anomalous Hadley-like circulation weakens the SCSSM during the westerly. Though the QBO has effects on the SCSSM by meridiona circulation, it is not a sole mechanism on the SCSSM TBO mode.     

Fluctuations of the GPS signals on the tangential paths in the lower terrestrial atmosphere: Influence of the small-scale structure

The small-scale structure of the refractivity distribution due to water vapor density fluctuations in the terrestrial troposphere and lower stratosphere is modeled. Propagation of the signals in the troposphere and lower stratosphere are numerically simulated on the basis of the parabolic equation of diffraction and for occultation geometry. Fluctuations of the signal amplitude on the tangential paths due to small-scale inhomogeneities of the atmospheric refractivity are estimated.     

The quasi-biennial oscillation in the equatorial stratosphere: Seasonal regularity in zonal wind changes,discrete QBO-cycle period and prediction of QBO-cycle duration

The changes of vertical wind structure in equatorial stratosphere in course of Quasi-Biennial Oscillation (QBO) demonstrates the evident seasonal dependence. The easterly wind regime descending from the middle to lower stratosphere always includes the stationary period—the stagnation stage. At stagnation stage the bottom boundary of the easterly wind is located in different QBO-cycles at different altitude in the range from ∼22 to ∼26 km, but in each QBO-cycle this altitude is actually constant during the whole stagnation period. Stagnation always begins in solstice (in June–July or December–January). Descent of the easterly wind after stagnation is always resumed near equinox—in March–April or September–October. Consequently, the duration of stagnation stage varies discretely and can be equal to one, three, or five seasons (three, nine, or fifteen months, respectively) in different QBO-cycles. The QBO-cycle period determined as an interval between the beginnings of two successive stagnation stages turns out to be of discrete duration also, and can be equal to 24, 30, or 36 months. The dependence of many atmosphere phenomena determining the Earth’s climate on QBO-phase suggests the need to forecast the QBO-cycle evolution. The established seasonal regularity and discrete QBO-cycle period make it possible the forecasting the QBO-cycle evolution, its duration, and the dates of the QBO-phase changing.