全球平流层-对流层之间臭氧通量的时空演变研究

利用1958~2001年的臭氧混合比和ECMWF(European Centre for Medium_range Weather Forecast)资料,采用Wei诊断模型定量计算了穿越全球对流层顶的臭氧质量通量.结果表明:(1)臭氧通量场存在纬向型和经向型的空间波列结构,这些空间波列均未能跨越对流层顶断裂带到达热带对流层顶控制区,其中南北两极的极区、地中海-伊朗高原-青藏高原-日本南部-北太平洋和南半球对流层顶断裂带中沿纬圈完整的空间波列最为显著.海洋上空臭氧通量的性质较为均匀一致,大陆上空的空间结构多变.北半球向下与向上的局地平均最大臭氧通量分别是-4μg.m-2.s-1和2.5μg.m-2.s-1,南半球的对应值为-2.5μg.m-2.s-1和1.5μg.m-2.s-1.(2)纬向平均的臭氧净通量依赖于纬度变化,北半球与南半球具有显著的非对称特性,总效应是平流层臭氧向对流层输运注入.臭氧通量有着显著的季节变化,可随不同季节在地理分布上发生空间转移现象,而且其控制机制不仅受对流层顶的季节运动影响,也随大气环境的季节调整而发生改变.(3)南北半球臭氧净通量的变化趋势相反,南半球为双峰结构,表现为非对称振幅的季节波动结构.全球臭氧通量振幅的年际变化表现出明显的QBO(Quasi_Biennial Oscillation)特性,年代际演变的结构形态(向下的臭氧净通量)可划分为4个阶段:1960年代是平稳变化期,1970年代为增强期,1980年代是又一个相对平稳期,1990年代为剧烈变化期.向下的臭氧净通量主极大值出现在1977、1990年和1998年,极小值在1993年和1996年.     

青藏高原对流层臭氧含量变化的太阳周期活动信号分析

利用1979~1992年卫星TOR对流层臭氧数据库资料,以及同期太阳辐照度数据序列,考察青藏高原对流层臭氧含量变化与太阳辐射周期变化之间的关系.分析表明,青藏高原对流层臭氧分布表现出与太阳辐照度相同的变化趋势,存在着明显的太阳周期变化特征.逐月线性回归分析表明,太阳辐照度增加导致青藏高原对流层臭氧增加的正效应.在太阳周期内,太阳辐射增加可使青藏高原对流层臭氧、平流层臭氧和臭氧总量分别增加1.31、4.97、6.628DU,或4.07%、2.04%、2.28%.该特征与赤道太平洋地区完全相反,分析产生差异的原因,至少应包括两方面因素：一是背景大气NO_X和水汽含量的差异;二是青藏高原频繁发生的平流层-对流层大气物质交换和输送.     

北半球中高纬度对流层顶转换层中O3/H2O 混合关系的结构形态

利用北半球40°N～50°N纬度带上HALOE实验测量的O₃和H₂O廓线资料,根据示踪成分O₃和H₂O空间分布的化学寿命以及输运特征时间常数等性质,在等熵坐标中构建了对流层顶附近及最低平流层300～390 K等熵面间,O₃/H₂O混合关系的结构形态和季节特征.结果表明: (1) 在对流层顶转换层的320～380 K等熵面间O₃混合比廓线的斜率具有空间转折"突变",而H₂O混合比廓线的斜率则出现空间渐变转折.在对流层顶附近O₃和H₂O的源分别是平流层与对流层,使O₃混合比和H₂O混合比在320～380 K等熵面的两侧显现出截然不同的垂直分布梯度.(2) 在对流层顶附近O₃/H₂O达到最小二乘意义上的最佳拟合时,两者参考关系的对流层支与平流层支呈现出非规则"L"结构形态的季节与季节内变化,其中对流层支的斜率为负,而平流层支的斜率可随季节出现正负变化.同时,由"L"形态的转角处可确定随季节变化的化学对流层顶(chemopause)特征.(3) 由O₃/H₂O混合关系反映出对流层不同区域空气携带的物质成分分别与平流层空气混合而形成混合层,而且可使混合层的混合线不恒定.混合层的表现在2003年、2005年1月和2003年4月的混合程度相当,混合的等熵厚度大约是30 K,即在320～350 K等熵面间.2005年11月的混合高度有所增高,进入平流层的H₂O混合比要比2003年和2005年1月的小,混合的等熵厚度大约为30 K,在330～360 K等熵面间.不同季节混合的等熵厚度变化较小,但高度可随季节而变化.O₃/H₂O混合关系的平流层支随季节的变化很明显,1月最低平流层空气脱水是引起平流层支季节变化的重要原因.     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

北太平洋上空臭氧总量长期变化趋势及其影响因素分析

本文基于1979—2014年臭氧总量的卫星遥感数据,利用多元线性回归模型对臭氧总量数据序列进行模拟计算,考察了北太平洋上空臭氧总量长期变化趋势及其影响因素的作用.结果表明,北太平洋地区大气臭氧总量长期变化呈现减少趋势,但是减少速率随季节和纬度带表现出差异性,在各纬度带臭氧峰值季节臭氧下降趋势最为显著.在0°—15°N地区臭氧高值出现在夏秋季节并在8月达到峰值,峰值月份臭氧年均下降率约为0.2DU/a;15°—30°N亚热带地区臭氧高值出现在春夏季并在5月达到峰值,峰值月份臭氧年均下降速率约为0.22DU/a;而在30°—45°N中纬度地区臭氧高值出现在冬春季并在2月达到峰值,峰值月份臭氧年均下降率0.75DU/a.在臭氧分布年平均态基础上,影响臭氧总量分布变化的因素主要有臭氧损耗物质(EESC)、太阳辐射周期(Solar)、准两年振荡(QBO)和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)等.其中,EESC导致臭氧损耗效应随着纬度升高而增大,在从低到高的三个纬度带损耗最大值分别为11DU、16DU和66DU;Solar增强导致臭氧增加,在三个纬度带的增加效应最大值分别为16DU、17DU和19DU;QBO@10hPa和QBO@30hPa对臭氧影响幅度基本在±10DU内波动,只有QBO@10hPa对30°—45°N区域的影响作用达到14DU,值得注意的是QBO影响作用随着纬度变化存在相位差异,在0°—15°N区域臭氧变化与QBO呈现相同相位,而在15°—30°N和30°—45°N区域臭氧变化与QBO呈现相反相位;ENSO对各个纬度带臭氧影响幅度也在±10DU内,ENSO影响作用在不同纬度带也存在相位差异,臭氧总量变化在0°—15°N、15°—30°N区域与ENSO相位相反,在30°—45°N区域与ENSO相位一致.     

北京城区大气混合层内臭氧垂直结构特征的初步分析——基于臭氧探空

本文利用2013年6月至2015年10月北京南苑观象台两年多午后臭氧探空资料,初步分析了北京城区大气混合层内臭氧浓度的垂直分布规律以及典型天气条件下大气边界层臭氧的变化特征.主要结果有：（1）季节平均而言,地表至对流层中部（8 km）的臭氧浓度在夏季最高,冬季最低,相差50~130 μg·m^-3,最大差异在边界层.总体而言,对流层臭氧浓度随高度有比较缓慢的增加,但是边界层内臭氧浓度的垂直结构随季节有比较大的差异：夏季混合层中部存在一个臭氧浓度极大值,这与夏季比较强的光化学生成臭氧有关;而在冬季地面臭氧浓度很低,平均值小于40 μg·m^-3,说明冬季地面是臭氧很强的汇.（2）臭氧浓度季节内变率的季节差异也十分明显,夏季最大、冬季最小.季节内变率在从边界层向自由对流层过渡区域最小（夏季为24 μg·m^-3,冬季仅为10 μg·m^-3）,在边界层内变率较大,夏季可达64 μg·m^-3（冬季为30 μg·m^-3）,这也说明边界层化学过程明显影响臭氧浓度的变化.（3）我们从所有白天样本中严格筛选了部分混合层样本,并把臭氧浓度在由混合层向自由大气过渡时的垂直分布分成了三类,即臭氧浓度随高度增大（Ⅰ型）、减小（Ⅱ型）以及基本稳定不变（Ⅲ型）;臭氧垂直结构类型有明显的季节特征,夏季主要是Ⅱ型,而冬季则以Ⅰ型为主.（4）此外,我们还针对一些典型天气过程（强风、静稳雾天和PM_2.5污染）边界层内臭氧的变化特征进行了分析,结果表明：强风切变产生的机械对流引起的充分混合,有利于高层臭氧向低层输送,使得混合层内臭氧浓度的垂直梯度明显减小,同时混合层高度较高,达3 km以上;在高湿度静稳天气控制下,大气混合层较稳定,对北京上空污染物的垂直扩散十分不利：颗粒物浓度升高,削弱到达近地层的太阳辐射,从而降低臭氧的生成效率,混合层内臭氧浓度与混合层厚度都处于较低水平.     

大气臭氧层的垂直分布及其变化的研究

为了进一步认识低纬度地区大气臭氧垂直分布及其变化的规律,本文采用逆转方法〈C〉计算了昆明地区冬春季大气臭氧的垂直分布.结果表明:臭氧垂直分布出现两种类型,一种是只在平流层中有一主极大值层;另一种是除主极大值层外,同时在对流层中还存在次极大值层.主极大值层的臭氧浓度变化相对较稳定,次极大值层主要受大气环流影响很不稳定,且随季节变化与位势高度、垂直速度等要素的关系存在着明显差异.此外,我们还分析了春季臭氧垂直分布的日际变化.     

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.     

城市布局规模与大气环境影响的数值研究

为探索城市建设对局地及周边大气环境的影响,本文采用典型代表性天气条件,以北京主城区及其东部发展带小城镇群的发展变化为例,设计算例进行数值模拟.分析结果表明：城镇群建设发展通过地气的相互作用对局地环境产生显著影响,在本文选择的夏日晴好天气条件下,就1980～2004年城市区域布局状况,模拟域内北京城市用地增加19%,城市区域平均气温增加1.91℃,植被覆盖率减少20%,城市区域平均比湿减少3.3 g·kg^-1,并且城市发展的格局规模不同,对城市气象环境的影响程度也不同. 此外,由于地气多因子的相互影响和反馈作用,城建规模的变化对周边的环境也存在显著的影响,城建规模越大,对周边的影响越大．例如, (1) 北京主城区的存在对周边小城镇午间14:00近地面温度影响最大可达到1.2℃,混合层高度可增高150 m左右; (2) 城市建设在影响周边气象环境的同时,也改变了城市污染物的输送扩散能力,北京主城区的存在使周边小城镇PM10的允许排放总量减小18.02 t·d^-1,同时,随着周边小城镇城市规模的扩大,影响主城区PM10逐渐由净的输出转变为净的收入,小城镇群的存在对主城区PM10净收支的贡献率达到0.192 t·d^-1.     

青藏高原东北缘岩石圈变形及其机理

为了解青藏高原东北缘岩石圈变形特征,进一步研究该地区地壳运动的壳-幔耦合机理,本文通过处理分析该地区1999～2007年多期GPS观测数据、1972~2000年水准测量数据和1992年及2007年相对重力测量资料,获得了该区域地壳水平运动速度场、较长时间段的垂直形变场和相对重力变化场.分析发现青藏高原东北缘东西部的变化特征存在明显差异：西部以北东向地壳缩短运动为主,而东部以顺时针旋转为主;东部以地壳隆升为主,速率在2.1 mm/a左右,而西部隆升的速率小于1 mm/a;相对重力变化则表现为在整体增大的背景下东部升高速率较大,平均为9.0×10^-8 m·s^-2·a^-1,而西部较小,平均值为3.1×10^-8 m·s^-2·a^-1.我们还发现,地壳不同变形形式的转换不是渐变的,而是发生在较窄的一个转换带内.这个转换带的整体走向为NEE,北部位于金昌与武威之间,中部在祁连山东部、门源以西,南部位于德令哈以东青海湖以西.最后结合前寒武纪构造格架、重力均衡异常资料和地震SKS分裂结果对形成这种运动态势的机理进行了探讨,我们认为岩石圈物质侧向流动、岩石圈结构及壳-幔耦合方式差异可能是导致东部与西部岩石圈变形差异主要动因.     

GRACE星体和SuperSTAR加速度计的质心调整精度对地球重力场精度的影响

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心调整精度影响地球重力场精度的模拟研究论证. 结果表明：第一,在120阶处,当质心调整精度设计为0 m,恢复累计大地水准面精度为17.616 cm;当质心调整精度分别设计为5×10^-5 m、1×10^-4 m和5×10^-4 m时,恢复精度各自降低至18.106 cm、19.033 cm和27.329 cm. 第二,以德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测累计大地水准面精度为标准,当质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m时,其和K波段星间测量系统、GPS接收机、SuperSTAR加速度计、恒星敏感器等GRACE核心载荷的精度指标相匹配,对地球重力场恢复精度的影响较小,因此建议我国将来研制的首颗重力卫星的星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m较优.     

The average tropospheric ozone content and its variation with season and latitude as a result of the global ozone circulation

Evaluations of radiosonde soundings over North America and Europe, measurements aboard commercial airlines, and permanent ozone registrations at nineteen ground-based stations between Tromsö, Norway, and Hermanus, South Africa, yield three belts of higher ozone intrusion from the stratosphera and maximum values of the annual means at about 30°N, at between 40°–45°N and at about 60°N. A marked decrease of the annual mean values of the tropospheric ozone is detected towards the equator and the pole, respectively.In the northen hemisphere the maximum of the annual cycle of the tropospheric ozone concentration occurs in spring at high latitudes and in summer at mid-latitudes.For the tropical region from 30°S to 30°N a strong asymmetry of the northern and southern hemisphere occurs. This fact is discussed in detail. The higher troposphere of the tropics seems to be a wellmixed reservoir and mainly supplied with ozone from the tropopause gap region in the northern hemisphere. The ozone distribution in the lower troposphere of the whole tropics seems to be controlled by the up and down movements of the Hadley cell. The features of large-scale and seasonal variation of tropospheric ozone are discussed in connection with the ozone circulation in the stratosphere, the dynamic processes near the tropopause and the destruction rate at the earth's surface.     

基于GRACE资料研究南极冰盖消减对海平面的影响

利用5年的GRACE重力数据,计算了南极1°×1°等效水量时间序列,得到每个格网的趋势项,结果表明在西南极Amundsen区域有明显的负增长,超过-80 mm/a,南极半岛存在着负增长,东南极Enderby Land地区质量增长;计算得到2002年7月到2007年9月南极、东南极和西南极冰盖的等效体积变化分别为-78±37 km³/a,-3±46 km³/a和-75±50 km³/a,对应海平面变化的贡献为0.21±0.1 mm/a,0.008±0.127 mm/a和0.2±0.14 mm/a.该结果与国际最新研究结果一致.同时发现冰后回弹是影响利用GRACE研究南极冰盖质量变化的关键因素.     

汶川8.0级地震前区域地壳运动与变形动态过程

利用GPS等观测资料研究了2008年汶川8.0级地震前的区域地壳运动与构造变形、应变积累,以及大区域地壳运动微动态变化过程,结合同震位移场分布等分析、讨论了汶川地震前近10年区域地壳变形的表象所反映的大震孕震最后阶段的物理过程.结果表明,发生汶川8.0级地震的龙门山断裂带1999～2004年相对稳定的华南地块无明显的相对运动,2004～2007年有一定程度的相对运动显示,以右旋活动为主,年速率为1.6mm/a.龙门山断裂带西北侧的巴颜喀拉地块东部为右旋剪切为主兼有推挤的大尺度缓慢变形状态,右旋扭动变形率为2.1±0.2(10^-8/a),地壳总体缩短变形率为-0.7±0.1(10^-8/a).由GPS基准站资料计算的基线时间序列显示,2005年以来大尺度北东向地壳缩短的相对运动明显增强,青藏块体相对华南地块的北东向运动明显增强.对汶川大地震前应变积累的特殊性等问题进行了初步讨论,分析认为,汶川大地震的发生是四川盆地西缘的龙门山断裂带受到其西侧巴颜喀拉地块推挤导致大尺度、长时期、缓慢的地壳应变积累的结果.在发震前不仅龙门山断裂带为显著闭锁状态,且孕震区域可能存在地壳弹性变形趋于极限后难以发生变形的相持阶段,大尺度地壳运动与动力环境的动态变化对汶川大地震的发生有促进影响.     

The features and a possible mechanism of semiannual variation in the peak electron density of the low latitude F2 layer

Ionospheric data observed in 30 stations located in 3 longitude sectors (East Asia/Australia Sector, Europe/Africa Sector and America/East Pacific Ocean Sector) during 1974–1986 are used to analyse the characteristics of semiannual variation in the peak electron density of F2 layer (NmF2). The results indicate that the semiannual variation of NmF2 mainly presents in daytime. In nighttime, except in the region of geomagnetic equator between the two crests of ionospheric equatorial anomaly, NmF2 has no obvious semiannual variation. In the high latitude region, only in solar maxima years and in daytime, there are obvious semiannual variations of NmF2. The amplitude distribution of the semiannual variation of daytime NmF2 with latitude has a “double-humped structure”, which is very similar to the ionospheric equatorial anomaly. There is asymmetry between the Southern and the Northern Hemispheres of the profile of the amplitude of semiannual variation of NmF2 and longitudinal difference. A new possible mechanism of semiannual variation of NmF2 is put forward in this paper. The semiannual variation of the diurnal tide in the lower thermosphere induces the semiannual variation of the amplitude of the equatorial electrojet. This causes the semiannual variation of the amplitude of ionospheric equatorial anomaly through fountain effect. This process induces the semiannual variation of the low latitude NmF2.     

The role of dynamics in total ozone deviations from their long-term mean over the Northern Hemisphere

Total ozone anomalies (deviation from the long-term mean) are created by anomalous circulation patterns. The dynamically produced ozone anomalies can be estimated from known circulation parameters in the layer between the tropopause and the middle stratosphere by means of statistics. Satellite observations of ozone anomalies can be compared with those expected from dynamics. Residual negative anomalies may be due to chemical ozone destruction. The statistics are derived from a 14 year data set of TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer January 1979-Dec. 1992) and corresponding 300 hPa geopotential (for the tropopause height) together with 30 hPa temperature (for stratospheric waves) at 60°N. The correlation coefficient for the linear multiple regression between total ozone (dependent variable) and the dynamical parameters (independent variables) is 0.88 for the zonal deviations in the winter of the Northern Hemisphere. Zonal means are also significantly dependent on circulation parameters, besides showing the known negative trend function of total ozone observed by TOMS. The significant linear trend for 60°N is 3 DU/year in the winter months taking into account the dependence on the dynamics between the tropopause region and the mid-stratosphere. The highest correlation coefficient for the monthly mean total ozone anomalies is reached in November with 0.94.     

Studies of variations in the vertical ozone profiles over India

The latitudinal and temporal variations in the vertical profiles of ozone over the Indian subcontinent are discussed. In the equatorial atmosphere represented by Trivandrum (8°N) and Poona (18°N), while tropospheric ozone shows marked seasonal variations, the basic pattern of the vertical distribution of ozone in the stratosphere remains practically unchanged throughout the year, with a maximum at about 28 to 26 km and a minimum just below the tropopause. The maximum total ozone occurs over Trivandrum in the summer monsoon season and the latitudinal anomaly observed over the Indian monsoon area at this time is explained as arising from the horizontal transport of ozone-rich stratospheric air from over the thermal equator to the southern regions.In the higher latitudes represented by New Delhi (28°N), the maximum occurs at 23 km. Delhi, which lies in the temperate regime in winter, shows marked day-to-day variations in association with western disturbances and the strong westerly jet stream that lies over north and central India at this time.Although the basic pattern of the vertical distribution of ozone in the equatorial atmosphere is generally the same in all seasons, significant though small changes occur in the lower stratosphere and in the troposphere. There are small perturbations in the ozone and temperature structures, distinct ozone maxima being always associated with temperature inversions. There are also large perturbances not related to temperature, ozone-depleted regions normally reflecting a stratification of either destructive processes or materials such as dust layers or clouds at these levels. Particularly interesting are the upper tropospheric levels just below the tropopause where the ozone concentration is consistently the smallest, in all seasons and at all places where soundings have been made in India.     

Satellite data analysis of ozone differences in the Northern and Southern Hemispheres

Four years of SBUV ozone data and NOAA/NMC temperature data are analyzed for the relations between the annual total ozone behaviour in the Northern and Southern Hemispheres and the transport of ozone by planetary waves. It is found that the interhemispheric differences in the annual variation of total ozone are well explained by the interhemispheric differences in the planetary waves and the resulting ozone transports. The annual variation of the ozone transports by the stationary waves is found to control the ozone behavior in both hemispheres. Both the day-to-day and the interannual variation in total ozone are found to be strongly related to the corresponding variability of the planetary waves.Contribution Number 46 of the Stratospheric General Circulation with Chemistry Project at NASA/GSFC.     

利用COSMIC掩星弯曲角数据分析中国区域对流层顶结构变化

对流层顶是地球大气的一个最基本的结构特征,对流层与平流层通过对流层顶交换气团、水汽、微量气体、能量等.对流层顶结构变化与气候变化密切相连.本文采用掩星弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶,利用气象、电离层与气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate,COSMIC)2007年1月至2011年12月共5年的掩星观测数据分析了中国区域对流层顶高度、温度、气压等参数随经度、纬度、时间变化的特征.采用2°×2°网格法,把包括中国在内的16°N-54°N、72°E-136°E区域共分成19×32个格网单元,然后计算每个格网单元内对流层顶高度、温度、气压的平均值,结果表明对流层顶参数呈明显的纬度分带分布特征.计算每个格网单元内对流层顶参数季节平均值,结果显示对流层顶高度和气压具有明显的季节性变化特征.采用中位数斜率回归法分析对流层顶参数年平均值,发现在研究时段内中国区域对流层顶高度平均每年降低8 m.