从HALOE资料看青藏高原上空HCl分布及其与O3的关系

采用UARS卫星1992-2002年卤素掩星试验(HALOE)的观测资料,分析了青藏高原上空平流层大气中HCl的分布和随时间的变化,与同纬度其它地区的对比,找出它们的差异,并与青藏高原上空平流层大气中O3的分布和变化对比,探讨青藏高原上空HCl对O3的可能影响.结果表明青藏高原上空HCl混合比在垂直方向上随高度递增.在100 hPa以下HCl含量较少,其混合比在10-10以下,在10～0.1 hPa之间达到2～3×10-9量级.青藏高原上空HCl混合比与同纬度带相比有不少差异.在夏季,在100 hPa附近气层,高原地区的HCl混合比明显小于同纬度带平均的HCl混合比,但在25～5 hPa气层,则高原地区的HCl混合比明显大于同纬度带平均的HCl混合比.冬季的情况与夏季几乎是相反的.HCl混合比的分布和变化与O3混合比的分布和变化的相关关系很明显,且不同高度有所不同.在25～6 hPa气层,HCl混合比与O3混合比的变化呈明显的反相关.在30 hPa以下到70 hPa它们的相关关系不明显.而在100 hPa附近为明显的正相关.由于反相关的关系在O3混合比较大的气层25～6 hPa (约25～36 km的高度)最明显,表明在这个气层中HCl对O3的破坏作用是重要的.     

利用HALOE资料分析中层大气中水汽和甲烷的分布特征

利用1991年12月至2004年5月的HALOE资料，分析了中层大气中微量气体水汽和甲烷的垂直和水平分布特征。垂直分布特征是:水汽混合比在对流层顶和平流层底达到极小值（此极小值区被称为湿层顶），平流层里水汽混合比随高度增加，在平流层上层和中间层低层混合比出现明显的扰动，在中间层顶再次达到极小值，向上混合比又随高度增加。甲烷混合比从100 hPa附近向上混合比一直减少。经向分布特征主要表现为:平流层中下层水汽混合比低值区在热带地区上拱，水汽混合比自低纬向高纬递增；而该气层甲烷混合比则是高值区在热带地区上拱，甲烷混合比自低纬向高纬递减。在低平流层副热带20°S～30°S（20°N～30°N）附近二者混合比水平梯度相对偏大。平流层中上层二者等值线在北半球夏季变成双峰形势，北半球冬季仍是单峰形势。中间层二者都主要表现为冬、夏季分布形势相反。在北半球夏季30°N，平流层中下层水汽和甲烷混合比纬向梯度很小，对流层上层以及中间层二者混合比纬向梯度明显。     

青藏高原地区上对流层—下平流层区域水汽分布和变化特征

利用2005-2008年青藏高原(下称高原)地区微波临边探测器MLS(Microwave Limb Sounder)、高光谱分辨率大气红外探测仪AIRS(Atmosphere Infrared Sounder)、ECMWF的ERA-Interim资料,以及NCEP/NCAR再分析数据和NOAA HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)轨迹模式资料,讨论了高原上空对流层顶附近的水汽分布和变化特征及高原上空平流层与对流层之间的物质交换。结果表明,3-4月高原南侧对流层顶附近100 hPa存在一个水汽低值带,而7-8月和9-10月此处存在一个明显的水汽高值区。3-4月夏季风未发展之前,受高原大地形抬升和西风气流的影响,高原以南地区存在对流层与平流层的物质交换,而215 hPa的高原中部地区(80°E-90°E)则由于空气的下沉运动将上层的干空气向下输送而出现一个水汽低值中心。7-8月,受印度夏季风和高原上空反气旋式环流的影响,高原上空有明显的水汽穿过对流层顶向平流层输送,反气旋环流中心的水汽经过2~4天的上升过程可以从对流层进入平流层。高原及其以东、以西地区的水汽在对流层顶附近的季节变化基本一致,100 hPa三个不同区域的水汽在3月达到最低。     

1979～2011年间平流层温度及平流层水汽的演变趋势

利用ERA-Interim再分析资料,研究1979~2011年间平流层温度与平流层水汽的时空演变趋势。结果表明,平流层纬向平均温度场和平流层水汽的分布随高度、纬度、季节的变化而变化,且二者密切相关,互相影响。过去33a间在热带地区平流层温度均呈上升趋势,在南北半球,温度在平流层中下层呈下降趋势,而在平流层上层呈增温趋势。平流层水汽在不同层次、不同纬度带均呈增加趋势。平流层纬向温度在南北两半球的下降趋势与平流层水汽含量的增加趋势,进一步验证了全球气候正在变暖的事实。      

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明:高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。     

全球变暖背景下东亚对流层顶高度演变特征的研究

研究了1948～2004年东亚增暖背景下对流层顶高度的演变特征，重点分析对流层温度、平流层中下部温度与对流层顶高度变化之间的关系。结果表明：东亚地区对流层顶高度在1970年代后呈现波动上升趋势，其上升趋势不如南半球显著；东亚对流层温度与对流层顶高度呈显著正相关，特别是对流层中上部温度与对流层顶高度的正相关最显著，这说明对流层中上部的增温对对流层顶高度的抬升贡献较大；东亚平流层中下层温度与对流层顶高度基本呈显著负相关，70hPa层上的负相关最显著；近20年来东亚对流层温度上升了约0．2℃，平流层中下部温度下降了约1．2℃，对流顶高度上升了约86m，对流层的增暖和平流层的冷却作用共同导致了东亚对流层顶高度的变化。     

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。     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

北半球中层大气中NOx的垂直分布特征

对UARS卫星1992、1993、1994、1995、1996、1998年夏季的HALOE观测资料分别进行客观分析,把卫星观测资料插值到5°×5°的网格点上.并分别做了30°N和40°N多年平均NO2和NO混合比的垂直剖面分析,各年同纬度不同经度及同经度不同纬度处NO和NO2混合比的垂直分布特征分析.结果表明NO混合比含量在1hPa和l×10-5hPa高度处有两个峰值,0.1hPa处是一个极小值,50hPa到0.3hPa之间NO混合比含量非常稳定,而0.1hPa以上NO含量向上增长.在热层中的NO混合比分布有一定起伏.NO2混合比含量在l00hPa及0.5hPa高度处是极小值,从5hPa到10hPa则为最大值.但l00hPa以下进入对流层后含量急剧增加,往往会超过10-8.在平流层中NO2分布廓线基本吻合,同纬度不同经度极值出现的位置变化不大,但不同纬度极值的位置有一定差异,低纬区极值位置偏高.在中层大气中NOx(NO+NO2)和O3具有非常相似的分布特征,尤其在平流层,它们几乎在同一高度达到极值,说明它们之间有非常密切的联系.     

对流层中上部水汽对高原低涡形成影响的数值试验

对1998年8月4日那曲低涡形成前的卫星监测水汽图像的分析,用η模式对该低涡进行的数值模拟,及对高原以南及洋面上空对流层中上部增加水汽的数值试验,得出印度洋阿拉伯海是这次高原低涡形成在对流层中上部一个重要的水汽源;印度西部-阿拉伯海上空对流层中上部水汽增加,可使高原上出现有利于低涡形成的高度场、温度场条件;用卫星监测的水汽图像改善在高原以南及洋面上空对流层中上部水汽条件,对数值预报结果有改进.     

青藏高原上空氮氧化物的分布特征及其与臭氧的关系

利用1992—2002年的HALOE资料,选取青藏高原地区(28°~40°N,75°~105°E)的数据,分析了青藏高原地区NOX混合比的垂直分布特征,并对高原地区不同高度上NOX混合比与同纬度及同经度地区进行了比较,分析了NOX混合比与臭氧混合比纬向分布的关系,以及NOX混合比随时间的变化和O3混合比变化的关系。结果表明:青藏高原地区在300~30 hPa上夏季NOX的混合比高于冬季的混合比;夏季青藏高原地区200~30 hPa气层上NOX的混合比比同纬度其它地区高得多,100~60 hPa气层上NO2混合比比同经度其它地区也高得多;在100~30 hPa上,O3的纬向分布与NOX的纬向分布之间存在较明显的反相关关系;高原地区100 hPa附近和70~35 hPa之间夏季NOX混合比的变化与O3混合比的变化的反相关关系非常好。     

夏季风爆发前后中国区域对流层顶高度变化特征

利用2008—2014年全国高垂直分辨率的L波段探空资料,统计分析了东亚夏季风爆发前后我国不同区域对流层顶高度变化特征。研究表明:夏季风爆发后,对流层顶高值区向北推进,最大值位于青藏高原南部及其东南部地区;对流层顶高度的向南梯度和向东梯度大值区均由爆发前的30°~40°N北移至40°~50°N;受地面加热和垂直运动的影响,中国东北部和中东部在夏季风爆发后对流层升温,平流层-对流层过渡层降温,大气温度梯度增加,对流层顶上升,其中中国东北部在夏季风爆发前,大气温度廓线为双峰结构,易出现双对流层顶,第一对流层顶较低;中国南部整层大气温度廓线在夏季风爆发后略有增加,对流层顶有所下降。     

Study on the Trace Species in the Stratosphere and Their Impact on Climate

The trace gases （O3, HCl, CH4, H2O, NO, NO2） in the stratosphere play an important role, not only in the photochemical processes in which the ozone layer destroyed, but also in the radiative processes. In this paper, we review the works on the distribution and variation of the trace gases in the stratosphere and their impact on climate, which have been carried out at the University of Science and Technology of China in the recent 20 years. The Halogen Occultation Experiment （HALOE） data were used to analyse the distribution and variation of the mixing ratio of these trace gases and the temperature trends in the stratosphere in the most recent decade. And the reanalyzed National Centers of Environmental Prediction （NCEP）/NCAR data were also used to give the temperature trends and compared with the results from HALOE data. Numerical simulations were also carried out to study the impact of ozone depletion on the global climate. In this review, the distributions of the trace gases, especially those over the Qinghai-Xizang Plateau, are discussed, and the variations and trends for the trace gases in various levels in the stratosphere have been given for the most recent decade. The temperature variation and the cooling trend obtained from HALOE data in the middle and lower stratosphere for the last 13 years are significant, which agree well with the results from NCEP/NCAR data. While the temperature trend in the upper stratosphere in this period do not seem to have much cooling. The numerical simulations show that either the Antarctic ozone hole or the ozone valley over Qinghai-Xizang Plateau affect not only the temperature and circulation in the stratosphere, but also the temperature, pressure and wind fields in the troposphere, then lead to the global climate change.     

我国东部夏季一次强对流活动过程中对流层上部大气成分变化的分析

利用星载微波临边遥感探测结果,对2006年6月28～29日江淮地区的一次强对流天气过程中对流层上部一氧化碳 (CO) 、臭氧 (O₃) 、水汽 (H₂O) 和冰水含量 (IWC) 的分布特点进行了研究.强对流天气过程前后的对比分析表明,CO混合比增大,在200 hPa处增加了0.12 ppm (1 ppm=10-6);O₃混合比减小,在70 hPa处减少了0.30 ppm;H₂O混合比在250 hPa处增加了400 ppm;IWC在强降水发生之前有大幅增长,在200 hPa处最大含量可达0.03 g/m3.CO和O₃含量与垂直运动速度两者的相关变化表明,对流垂直输送作用可能是造成对流层上层和平流层低层大气成分变化的机制之一.而H₂O和IWC含量的增加主要局限于对流层顶以下,这表明对流层上部水物质的质量和形态是由垂直输送作用和对流系统内部的微物理过程共同决定的.     

北京地区对流层顶变化及其对上对流层/下平流层区域臭氧变化的影响

根据2001～2003年期间获得的大气臭氧探空资料,揭示了北京地区上空对流层顶高度的某些变化特征及其对上对流层(UT)和下平流层(LS)区域内大气臭氧含量变化的影响.结果显示:北京地区上空对流层顶高度的平均值约11.1 km,其变化范围为7.7～14.4 km,臭氧层顶始终处在对流层顶下方约0.9 km高度处.对流层顶高度变化与臭氧总量变化之间的关系相对较弱.通常情况下,LS中的臭氧积分量明显高于UT中的相应值,并且二者呈相反的季节变化特征.北京地区上空仲夏和初秋季节第一对流层顶出现的频数明显减少,在第一对流层顶消失的情况下,LS中的臭氧积分量明显减少,而UT中的臭氧积分量明显增加,臭氧量减少最多发生在200～100 hPa层次中,而臭氧量增幅最大的层次是400～250 hPa.     

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%。     

青藏高原及附近区域穿越对流层顶的质量和臭氧通量研究

利用等熵坐标下的Wei公式对青藏高原及附近地区穿越动力学和热力学定义下对流层顶的质量和臭氧通量的时空分布变化进行了计算分析。结果表明,采用这两种定义下的对流层顶时,穿越对流层顶的质量和臭氧通量都表现出在热带纬度带为TST通量,到了副热带则转换为STT通量。由于热力学定义下的对流层顶位置稍高,造成了穿越热力学对流层顶的质量和臭氧通量变化幅度大于动力学对流层顶的情况。另外,还发现在所研究的区域穿越对流层顶质量和臭氧通量交换具有明显的年代际变化特征,在1958—2001年时段内交换是先减弱后增强。青藏高原南部及南侧地区向上的质量和臭氧输送经历了逐渐减弱过程,青藏高原北部地区向下的质量和臭氧通量交换也表现为逐渐减弱的过程,这些区域作为通量输送的通道作用是在减弱的。而接近青藏高原西北侧的塔里木盆地附近的向上输送则是逐渐加强的,表明这一区域交换通道作用在青藏高原及附近地区的质量和臭氧交换过程中起着越来越重要的作用。