中国及邻近地区污染排放对对流层臭氧变化与辐射影响的研究

利用双向耦合的区域气候模式和大气化学模式系统, 研究了中国与邻近地区人为污染排放引起对流层臭氧变化和产生的辐射强迫.结果表明, 污染排放对对流层臭氧含量的影响有明显的季节变化, 对北方的影响不如南方显著, 西部的季节变化稳定且小于东部, 内陆污染地区各季节臭氧柱含量的变化量均较高.对整个模拟区域而言, 臭氧变化量的年平均值为30.928 DU, 春季最大为32.168 DU, 而空间分布变化在12～38 DU之间.臭氧变化量对北方地区辐射的影响较小, 而对低纬和华东地区影响较大, 臭氧变化量引起的晴空地气系统短波辐射强迫、长波辐射强迫的平均值分别是0.185 W·m-2和0.464 W·m-2, 标准化短波辐射强迫与净辐射强迫值为0.006 W·m-2·DU-1和0.021 W·m-2·DU-1.气候反馈过程对对流层臭氧含量的影响范围在-0.470～0.752 DU之间, 包含气候反馈过程的区域年平均臭氧变化量是30.942 DU.在气候反馈条件下, 臭氧变化量的短波和长波辐射强迫分别是0.249 W·m-2及 0.482 W·m-2, 标准化的短波与净辐射强迫值为0.008 W·m-2·DU-1和0.024 W·m-2·DU-1.臭氧变化量导致地表温度的变化范围在±0.80 K之间.     

副热带北太平洋大气季节内振荡时空特征的诊断研究

用时空谱分析和小波变换方法,对1958—2002年NCEP/NCAR再分析资料经、纬向风速和位势高度的年时间序列进行了波谱分析,并重点研究了北太平洋副热带区域经向风30—60天振荡(ISO)的时空特征。研究结果表明,北半球经向风与纬向风和位势高度的30—60天振荡特征迥然不同,代表风场经向低频扰动的经向风ISO在副热带和中高纬度最为活跃,而在热带地区的活动十分微弱;北半球副热带850 hPa高度场和纬向风在10—90天内(季节内)振荡的主要能量集中在纬圈波数为1、周期为30—60天的波动上,而850 hPa经向风季节内振荡的主要能量集中在纬圈波数为4—6、周期为30—60天以及70—90天的波动上,上述3个物理量30—60天振荡向西传播的能量都强于向东传播的能量。一年当中,东亚到北太平洋的副热带地区,经向风ISO在东亚—西北太平洋与东北太平洋两个区域的活动最强,且在这两个区域存在明显的季节振荡,即东北太平洋的ISO在冬季最强在夏季最弱,而东亚—西北太平洋区域的ISO在夏季最强冬季最弱。850 hPa经向风ISO的年际和年代际变化分析表明,在东亚副热带区域其活动1958—1975年较强,1976—1990年明显减弱,而1991—2000年最强;其在ENSO发生期间有较为明显的异常活动,但其强弱变化没有显著的定势,然而2—7年的带通滤波分析表明西北太平洋ISO的年际活动含有较显著的ENSO信号,9年的低通滤波分析表明,年代际时间尺度上,西北太平洋ISO的活动与ENSO循环有较为显著的反相关特征,而东北太平洋区域ISO与ENSO循环有较为显著的正相关关系。     

大尺度山地上空的臭氧低值及地面加热

首次利用Ｎｉｍｂｕｓ－７卫星上搭载的臭氧观测光谱仪（ＴＯＭＳ）资料,分析研究了大尺度山地（青藏高原、洛基山脉和安第斯山脉）上空臭氧总量的分布和季节变化规律,指出了大尺度山地对大气臭氧的减少作用。从全球大气臭氧总量分布和纬向偏差分布可以看出：在上述３个大尺度山地上空均存在着明显的臭氧低值扰动,该扰动区夏季强于冬季。在这３个区域中,青藏高原上空的臭氧低值扰动为最强。分析同时指出：上述大尺度山地上空臭氧季节变化的极小值在秋季,极大值在春季。但上述地区臭氧总量与同纬度其它地区臭氧总量的偏差在春季或初夏达到极小值。为分析这种大尺度山地对臭氧减少作用的原因,本文分析了青藏高原地面热源与臭氧总量的关系,指出：大尺度山地表面对大气的加热与该地区臭氧减少之间存在着良好的反相关;在地面对大气的感热加热、潜热加热和有效长波辐射加热中,以感热加热与臭氧减少的关系为最好。     

斯堪的纳维亚上空的臭氧亏损与北大西洋海温

利用TOMS臭氧资料和NCAR/NCEP再分析海温资料，分析研究了斯堪的纳维亚地区的臭氧亏损状况及其季节变化规律，指出在斯堪的纳维亚地区上空存在一个严重的臭氧亏损区。该臭氧亏损有明显的季节变化:冬季最强，夏季最弱。同时研究了北大西洋海温分布和季节变化，指出其与斯堪的纳维亚地区臭氧亏损有极好的负相关。因此，认为可以用北大西洋海温的季节变化来估计斯堪的纳维亚地区气候尺度的臭氧亏损变化。     

斯堪的那维亚臭氧亏损和地面加热

对ＮＡＳＡ的ＴＯＭＳ臭氧资料进行分析后指出：冬季在北极的斯堪的那维亚地区存在一个明显的臭氧亏损区，亏损区的中心值达－５０ ＤＵ，相当于该区域平均值的 １５％。对臭氧亏损和北大西洋海温的东西向差异作相关分析得到：其季节变化的相关系数为－０．９６，逐月（ １６８个月）变化的相关系数为－０．７０。同样对臭氧亏损与地面加热进行相关分析后指出：斯堪的那维亚地区的臭氧亏损和该地区地面的热通量关系极其密切，其相关系数均在－０．８７以上。由此我们认为：北大西洋暖流向北输送能量，引起斯堪的纳维亚地区地面加热，由此造成了冬季该地区的臭氧亏损。     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

青藏高原臭氧的准两年振荡

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析,研究了青藏高原上空臭氧的季节和年际变化.通过分析青藏高原地区臭氧准两年振荡(QBO),并与同纬度无山区及赤道地区臭氧QBO进行比较,指出:青藏高原臭氧QBO的平均周期为29个月,平均振幅为8DU.青藏高原臭氧QBO变化位相与热带平流层纬向风场QBO相反,即热带平流层纬向西风时,青藏高原上空臭氧总量偏小,东风时臭氧总量偏大.还讨论了与青藏高原臭氧QBO相关的大气环流物质输送理论.     

大气环流对北大西洋湾流区海温“再现”的响应

利用全球海洋—大气快速耦合模式（Fast Ocean-Atmosphere Model,FOAM）,采用模式中的初值方法,研究了湾流区海温再现过程及其对北半球大气环流和气候的影响。FOAM模式很好地模拟了北大西洋湾流区的海温＂再现＂过程,模式中海面热通量异常与SST异常表现出不同步的响应特征。海面热通量异常在初冬季节达到最大值,而SST异常滞后,在冬季晚期达到最大值,从而在初冬和晚冬对北半球大气环流造成不同的影响。初冬季节北半球大气环流主要受海洋热通量异常的强迫,在北大西洋和北太平洋上空呈现相当正压的异常低压槽响应,北极地区为异常高压脊,类似北极涛动的负位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏高,亚洲大陆气温偏低。而晚冬季节北半球大气环流主要受SST异常的驱动,在北大西洋和北太平洋上空表现为相当正压的异常高压脊响应,北极地区为异常低压槽,类似北极涛动的正位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏低,亚洲大陆气温偏高,中国东部降水异常偏多30%左右。北太平洋大气环流的异常由北大西洋湾流区海洋热通量和SST异常强迫下游大气环流所激发,进一步通过Rossby驻波的能量频散东传至北太平洋而造成的。     

我国臭氧总量的时空分布特征

根据臭氧总量的地理分布特征,把我国划分成7个区域,利用卫星观测的TOMS和SBUV资料对这7个区域上空的臭氧总量多年(1979—2003年)的纬向偏差分布、年际变化、周期分布等特征进行了分析。结果表明,东部地区的臭氧总量常年大于西部地区的臭氧总量,青藏高原、西北高原与东部同纬度地区相比,在夏季差别最大,冬季最小。四川盆地上空的臭氧总量常年比周围地区要高。研究还表明,每个区域都存在准2 a、4~5 a和8~10 a的周期振荡。     

An enhanced influence of sea surface temperature in the tropical northern Atlantic on the following winter ENSO since the early 1980s

已有研究指出春季热带北大西洋海温对随后冬季ENSO事件的发生存在显著的影响。该研究发现它们的联系在20世纪80年代初以后显著增强。20世纪80年代初以后,春季热带北大西洋海温为正异常时,副热带东北太平洋存在显著的异常气旋环流,同时异常沃克环流在热带中东太平洋引起显著的异常下沉运动。异常气旋环流西侧的东北风异常增强气候态的风速,导致负海温异常。负海温异常通过Gill型大气响应使得热带西北太平洋产生异常的反气旋环流。同时,热带中东太平洋的沃克环流异常下沉运动也对热带西北太平洋异常反气旋环流的形成起到一定作用。热带西北太平洋反气旋环流南侧的东风异常通过海洋动力过程对随后冬季ENSO产生影响。因此,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO存在显著的影响。然而,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温相关的热带东北太平洋异常气旋环流和热带地区的异常沃克环流不显著,从而不能在热带西北太平洋产生异常反气旋。所以,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO的影响不显著。进一步的分析指出,春季热带北大西洋海温对ENSO影响的年代际变化可能与热带北大西洋降水气候态的年代际变化有关。     

东亚太平洋地区近地面臭氧的季节和年际变化特征及其与东亚季风的关系

利用东亚清洁背景站近地面臭氧观测资料,结合风场和降水资料,分析东亚各地区臭氧的多年季节变化特征,并探讨东亚太平洋地区臭氧的季节和年际变化与季风的关系以及影响近地层臭氧的主要因子。结果表明：东亚大部分地区与北半球背景站观测一致,近地层臭氧季节变化表现为春季最高、夏季最低的特征;但在东亚中纬度33～43°N,臭氧表现为夏季最高,而在东亚20°N以南地区臭氧则表现为冬末、春初最高。东亚太平洋沿岸近地面臭氧的季节变化主要受东亚冬、夏季风环流的季节变化控制。该地区不同纬度上春季峰值出现时间的差异与亚洲大陆春季不同时期污染物输送路径的差异有关。对东亚太平洋沿岸对流层顶附近位势涡度、高空急流和垂直环流季节变化的分析表明,冬春季可能是平流层向对流层输送的最强期,对近地面臭氧贡献最大。初夏至秋季（5-11月）,平流层向对流层输送较弱,对近地面臭氧贡献较小。东亚太平洋地区夏季风爆发的时间和强度以及季风环流型的年际差异是导致该地区春、夏季臭氧年际变化的主要原因;而季风降水和云带位置以及平流层一对流层交换是造成臭氧年际变化的其他原因。     

Interannual variations and future change of wintertime extratropical cyclone activity over North America in CCSM3

Climatology and interannual variations of wintertime extratropical cyclone frequency in CCSM3 twentieth century simulation are compared with the NCEP/NCAR reanalysis during 1950–1999. CCSM3 can simulate the storm tracks reasonably well, although the model produces slightly less cyclones at the beginning of the Pacific and Atlantic storm tracks and weaker poleward deflection over the Pacific. As in the reanalysis, frequency of cyclones stronger than 980 hPa shows significant correlation with the Pacific/North America (PNA) teleconnection pattern over the Pacific region and with the North Atlantic Oscillation (NAO) in the Atlantic sector. Composite maps are constructed for opposite phases of El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and the NAO and all anomalous patterns coincide with observed. One CCSM3 twenty-first century A1B scenario realization indicates there is significant increase in the extratropical cyclone frequency on the US west coast and decrease in Alaska. Meanwhile, cyclone frequency increases from the Great Lakes region to Quebec and decreases over the US east coast, suggesting a possible northward shift of the Atlantic storm tracks under the warmer climate. The cyclone frequency anomalies are closely linked to changes in seasonal mean states of the upper-troposphere zonal wind and baroclinicity in the lower troposphere. Due to lack of 6-hourly outputs, we cannot apply the cyclone-tracking algorithm to the other eight CCSM3 realizations. Based on the linkage between the mean state change and the cyclone frequency anomalies, it is likely a common feature among the other ensemble members that cyclone activity is reduced on the East Coast and in Alaska as a result of global warming.     

青藏高原和北美夏季臭氧谷垂直结构和形成机制的比较

利用MLS卫星资料和ERA-Interim再分析资料,比较了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直结构和形成机制。结果如下:青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在两个低值中心,一个中心位于对流层顶附近,强度约为-15 DU,形成原因主要为水平幅散,另一个中心位于上平流层,强度约为-1 DU,形成原因可能为光化学反应参与的氯自由基的催化损耗。北美夏季臭氧谷仅存在一个低值中心,位于对流层顶附近,该中心强度约为-5 DU,其形成的主要原因是水平辐散。     

我国北方地区对流层中下层臭氧收支

为了揭示我国北方地区对流层中下层臭氧(O₃) 的形成机理以及周边地区的污染输送对我国北方地区对流层中下层O₃收支的影响, 在与外场观测数据比较分析的基础上, 利用全球化学输送模式(MOZART-2) 采用收支分析方法定量分析了影响我国北方地区对流层中下层O₃的各个物理化学过程。结果表明:我国北方地区对流层下层O₃最重要的来源是光化学生成作用, 约占总来源的58.3%(41.5 Tg), 光化学生成反应中HO₂对于O₃生成的贡献最大; 最大的汇是干沉降过程, 约占总汇的43.2%(26.2Tg); 水平净输送作用对我国北方地区对流层中下层O₃收支的影响非常大, 在我国北方地区对流层下层, 41.6%左右的O₃来自水平净输送, 随高度增加, 水平输送影响增大, 我国北方地区对流层中层大约81.5%的O₃来自水平净输送。     

基于CMIP5资料的热带太平洋和印度洋海温变化与降水变化的关系及其成因分析

利用第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)月平均资料,从季节变化角度,对热带太平洋、印度洋海温变化与降水变化的关系及其成因进行了初步分析。20个模式集合平均结果表明:在全球增暖背景下,热带太平洋年平均的海温变化与降水变化符合"warmer-get-wetter"型特征,而季节平均与年平均存在明显的差异;冬季和春季,海温增暖最大区和降水增加区之间存在东西向和南北向的位置偏差;夏季和秋季,二者只存在明显的南北位置偏差,且与冬季和春季的情况相反。热带印度洋的冬季和春季海温变化与降水变化也存在位置偏差。两个热带大洋季节平均的降水变化均是"warmer-get-wetter"和"wet-get-wetter"两个机制共同作用的结果。     

青藏高原上空气溶胶含量的分布特征及其与臭氧的关系

采用1991年10月—2005年11月的HALOE资料,分析了青藏高原(27°~40°N,75°~105°E)上空气溶胶数密度、体积密度、面积密度的分布和变化特征,探讨了它们与臭氧的关系,并且与同纬度带中国东部地区(107°~122°E,27°~40°N)、北太平洋(170°E~170°W,27°~40°N)上空进行了对比。结果表明:高原上空气溶胶的体积密度、面积密度受Pinatubo火山喷发的影响主要发生在1991—1995年,然而气溶胶数密度受火山影响则不如前二者明显;高原上空气溶胶在对流层顶附近存在一个极大值区,在夏季该极大值区位于对流层顶下方(约120 hPa),而其他季节则位于对流层顶上方(约100hPa);青藏高原、中国东部地区、北太平洋三地上空气溶胶数密度的差异主要出现在60 hPa以下的气层,夏季差异最突出,高原上120 hPa附近的气溶胶数密度约为平原上的1.8倍,约为海洋上的5.5倍;在高原上空对流层顶附近以及平流层低层,气溶胶数密度与臭氧体积混合比呈很好的负相关关系,而在20 hPa以上则有明显的正相关关系;对比三地上空气溶胶与臭氧的关系,得到在对流层顶附近及平流层低层气溶胶在高原和平原上空与臭氧的变化呈很好的负相关,其中以高原上空的负相关关系更好,但是在海洋上空气溶胶和臭氧的相关不明显。而在20 hPa以上气层中,三地上空的气溶胶与臭氧的变化都具有很好的正相关关系。     

Ozone structure over the equatorial Andes from balloon-borne observations and zonal connection with two tropical sea level sites

In this paper we present first-time measurements of ozone profiles from a high altitude station in Quito, Ecuador (0.19°S, 78.4°W, and 2391 masl) taken from June 2014 to September 2015. We interpret ozone observations in the troposphere, tropopause, and stratosphere through a zonal comparison with data from stations in the Atlantic and Pacific (Natal and San Cristobal from the SHADOZ network). Tropospheric ozone concentrations above the Andes are lower than ozone over San Cristobal and Natal for similar time periods. Ozone variability and pollution layers are also reduced in the troposphere above the Andes. We explain these differences in terms of reduced contributions from the boundary layer and from horizontal transport. In the tropical tropopause layer, ozone is well-mixed up to near the cold point tropopause level. In this regard, our profiles do not show constraints to deep mixing above 14 km, as has been consistently observed at other tropical stations. Total column ozone and stratospheric column ozone are comparable among the three sites. However, the contribution of tropospheric column ozone to total column ozone is significantly lower above the Andes. Our comparisons provide a connection between observations from tropical stations in equatorial South America separated by the wide continental mass. Identified differences in ozone throughout the atmospheric column demonstrate the global benefit of having an ozone sounding station at the equatorial Andes in support of global monitoring networks.     

北太平洋风暴轴的三维空间结构

文中利用最新的0.5°×0.5°分辨率QuikSCAT(QuikBird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10 m高度风场资料和全球客观再分析资料,对1999-2005年冬季(1月)和夏季(7月)北太平洋风暴轴的三维空间结构进行了分析,发现冬季北太平洋风暴轴的强度较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征,位置偏南.夏季北太平洋风暴轴的强度较弱,位置偏北.根据不同高度上位势高度方差的水平分布特征,绘制了北太平洋风暴轴的三维结构示意图.利用高分辨率QuikSCAT资料对风暴轴特征的刻画更为细致,不但验证了Nakamu-ra在南大洋发现的双风暴轴现象,而且还发现在北太平洋和北大西洋下层分别存在"副热带风暴轴"和"副极地风暴轴"两个风暴轴.对1999-2005年冬季北太平洋气旋和反气旋的移动路径进行的统计分析,为北太平洋"双风暴轴"的存在提供了强有力的证据.