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。     

Validation and Application of Reanalysis Temperature Data over the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau has substantial impacts on the weather and climate of the Northern Hemisphere,due in large part to the thermal effects of the plateau surface.Surface temperature over the Tibetan Plateau is the most important parameter in determining these thermal effects.We present a method for verifying widely used reanalysis temperature products from NCEP-R2,ERA-Interim,and JRA-25 over the Tibetan Plateau,with the aim of obtaining a reliable picture of surface temperature and its changes over the plateau.Reanalysis data are validated against the topography elevation,satellite observations,and radiosonde data.ERA-Interim provides the most reliable estimates of Tibetan Plateau surface temperature among these three reanalyses.We therefore use this dataset to study the climatology and trends of surface temperature over the Tibetan Plateau.ERA-Interim data indicate a dramatic warming over the Tibetan Plateau from 1979 to2010,with warming rates of 0.33℃ per decade in annual mean temperature,0.22℃ per decade in summer and0.47℃ per decade in winter mean temperatures.Comparison with the results of previous studies suggests that surface warming over the Tibetan Plateau has accelerated during the past 30 years.This warming is distributed heterogeneously across the Tibetan Plateau,possibly due to topographic effects.     

西南地区臭氧空间分布及变化趋势

本文利用2003年1月—2012年12月的MSR2臭氧总量月平均资料对四川盆地(28～31°N,104～106°E)、青藏高原(27～37°N,80～95°E)、云贵高原(23～27°N,98～106°E)3个区域的臭氧总量空间分布及变化趋势进行了对比分析。得到了以下结论,四川盆地常年存在臭氧总量最大值,青藏高原次之,云贵高原最低。在2003—2012年这10 a间西南地区臭氧总量总体呈上升趋势,这同全球臭氧总量近几十年的变化趋势相一致,其中上升趋势云贵高原四川盆地青藏高原。西南地区在这十年间分别出现了臭氧总量最小值年(2008年)和臭氧总量最大值年(2010年),其中青藏高原还出现了一个臭氧总量最小值年(2004年)。就臭氧总量季节变化而言,在2003—2012年10 a间西南地区臭氧总量在春季存在最大值,但是青藏高原的臭氧总量在秋季存在最小值,而四川盆地和云贵高原的臭氧总量在冬季存在最小值。     

未来百年夏季青藏高原臭氧变化趋势及可能机制

利用全大气气候通用模式(WACCM3)对政府间气候变化专门委员会排放情景特别报告中2001年到2099年A1B、A2、B1三种排放情景进行了模拟,分析了三种排放情景下青藏高原地区未来百年臭氧总量在夏季(6—8月)的变化趋势及引起该变化的可能机制。结果表明:在三种排放情景下未来百年夏季高原区臭氧总量均呈现增长趋势,其中A2情景下臭氧增长最快,B1情景下增长最慢,但相对于同纬度其他地区,高原区的臭氧总量增长较慢,即高原区臭氧谷加深。高原区高空污染物的减少以及局域Hadley环流的减弱是未来高原区臭氧总量增加的原因;而南亚高压的增强,以及与之相对应的辐散增强则可能是高原区臭氧谷继续加深的原因。     

2008年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系

利用ERA-Interim和MERRA-2再分析资料,考察1980—2017年青藏高原大气温度变化趋势和规律,年、季、月不同时间尺度分析结果均揭示2008年以来青藏高原春季大气温度变化呈现逆转趋势：高原上空平流层下部150~50 hPa呈现明显的增温趋势（1.0~2.7℃/10a),对流层上部300~175 hPa呈现明显的降温趋势（-3.1~-1.0℃/10a),这与此前的大气温度变化趋势完全相反。利用TOMS和OMI卫星臭氧遥感资料,考察同期青藏高原臭氧总量变化特征,表明2008年以来青藏高原臭氧总量也表现出逆转的增加趋势,与大气温度逆转趋势吻合,从冬末至春季各月均有显著增加趋势,尤以5月臭氧总量增加速率最大,达13.7 DU/10a。青藏高原春季大气温度变化趋势与同期臭氧总量变化特征紧密相关,2008年后臭氧总量的快速恢复可能是引起大气温度逆转趋势的一个重要影响因素。     

青藏高原东北侧臭氧垂直分布与平流层-对流层物质交换

利用臭氧和温度探空廓线,结合NCEP/NCAR资料、TOMS臭氧总量卫星观测资料和NOAAHYSPLIT后向轨迹模式资料,通过个例分析探讨了影响青藏高原(下称高原)附近臭氧垂直分布的因子和过程。结果表明,动力过程是影响高原上空臭氧垂直分布的主要因子,特别是中高纬度高臭氧浓度的空气向南入侵会导致高原上空臭氧浓度的升高,影响高原上空臭氧低谷的范围大小和形态;尽管大气化学过程对高原上空的平流层下层臭氧垂直分布的影响并不显著,但是高原上空的平流层臭氧变化与温度变化具有较好的一致性。同时还发现,对流层上层的强反气旋系统,特别是中高纬度阻塞高压的边缘有明显的平流层空气向对流层入侵,从而导致对流层内臭氧浓度的增加。     

青藏高原臭氧低谷的加深及其可能的影响

通过分析 TOMS(1 979～ 1 992 )资料发现 :(1 )青藏高原的臭氧不仅存在递减趋势 ,而且是一个递减的强中心 ,这个递减的强中心是同纬度地区 3个递减中心之一 ;(2 )夏季青藏高原臭氧低谷有加深的趋势 ,其递减率最大值为 - 0 .336% /a;加深区域为 2 9～ 33°N,78～ 94°E。另外 ,分析 SAGE 资料的结果表明 :青藏高原臭氧递减的强中心的形成是由于其平流层下部臭氧异常减少造成的。根据研究结果的趋势估测 :从 1 992年到 2 0 0 0年 ,夏季青藏高原紫外辐射增加大约为 1 .3%～ 2 .3% ,可能引起白内障发病率上升大约 0 .8%～ 1 .4% ,皮肤癌上升大约 3.2 %～ 5.4%。     

夏、秋季北极海冰异常与秋、冬季青藏高原极端低温日数的关系及影响机理

利用1979~2012年青藏高原125个基本、基准站观测日最高及最低气温数据、Hadley中心月平均海冰覆盖率资料、ERA-Interim的风场、高度场等再分析资料,根据相关统计分析、合成分析等方法系统地分析了青藏高原地区秋、冬季冷昼和冷夜日数(低温日数)与关键影响海区海冰的关系及影响机理。结果表明,夏、秋季关键海区海冰偏少时,秋、冬季极地和青藏高原地区500 h Pa位势高度减小,中高纬西伯利亚地区位势高度增强,北极至青藏高原有明显由北向南波动通量,高压反气旋系统在西伯利亚地区形成与壮大,青藏高原以北风场呈现明显偏北风,Rossby波在青藏高原及其以北地区呈现由北向南波动形式,青藏高原以北的西风带地区Rossby波东传减缓,导致经向活动加强,北部冷空气易于通过气流向高原侵袭,秋、冬季青藏高原低温日数将偏多。     

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。     

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。     

青藏高原春季不同地区臭氧和大气温度变化趋势的差异性

利用1979—2018年太阳后向散射紫外辐射计SBUV(/2)星下点臭氧遥感资料,结合ERA-Interim和MERRA-2大气温度再分析资料,考察青藏高原区域内拉萨和共和两地春季臭氧和大气温度变化趋势的差异性。结果表明拉萨和共和两个地区的臭氧和大气温度逆转趋势均发生于1999年。对比2008年以来青藏高原整体臭氧总量变化速率（4.5 DU/(10 a)),拉萨臭氧总量变化更快,为5.9 DU/(10 a),共和相对较慢,仅为3.7 DU/(10 a);同时,1999年以来拉萨和共和春季下平流层（100~30 hPa）大气温度分别以0.5~1.4℃/(10 a)和0.01~0.9℃/(10 a)速率增加,上对流层(250~175 hPa)大气温度分别以0.2~1.5℃/(10 a)和0.2~1.2℃/(10 a)速率降低。与2008年以来高原整体大气温度变化相比较,均慢于高原下平流层（125~70 hPa) 1~2℃/(10 a)的增温速率,快于高原上对流层（225~175 hPa）0.4~1.1℃/(10 a)的降温速率。两地臭氧与大气温度的相关系数和回归系数计算结果表明,拉萨和共和两个地区1999年以来春季臭氧恢复速率的不同是导致两地同期下平流层-上对流层温度逆转速率差异的重要因子之一。     

前期印度洋海温异常对夏季高原“湿池”水汽含量的影响及其可能原因

利用Hadley中心提供的逐月海温资料、ERA-Interim再分析资料以及NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的逐月向外长波辐射（OLR）资料探讨了1979~2011年夏季青藏高原“湿池”的水汽含量与前期印度洋海温异常的关系,并对可能的原因进行了分析。结果表明,夏季青藏高原水汽（去趋势）EOF第二模态与前期印度洋海温存在密切的正相关,前期3~4月关键区（5°S~20°N,45°E~75°E）的海温异常可以作为夏季高原水汽的预测信号。在暖水年,赤道附近显著的东风异常对夏季高原水汽输送起到了至关重要的作用。500 hPa上副热带高压显著增强并西移,600 hPa上赤道附近为显著的异常东风,将水汽从西太平洋、南海、孟加拉湾向西输送到印度半岛,并在异常反气旋环流西侧的南风作用下,将水汽带向青藏高原。高层风场上,西太平洋地区辐合,青藏高原上空辐散。以上环流形势表明暖水年夏季青藏高原水汽偏多;冷水年则相反。就影响机制而言,前期春季印度洋海温显著偏暖,引起其上空异常的对流上升运动,驱动异常沃克环流从春到夏显著维持,副热带高压的季节性北跳和异常增强西移,有利于赤道东风异常的增强和西移,并经过水汽输送通道将水汽带向青藏高原上空。     

Evaluation of the trend uncertainty in summer ozone valley over the Tibetan Plateau in three reanalysis datasets

Trend uncertainty in the ozone valley over the Tibetan Plateau (OVTP) and the South Asian high (SAH) during 1979–2009 in ERA-Interim (interim reanalysis data from the ECMWF), JRA-55 (55-yr reanalysis data from the Japan Meteorological Agency), and NCEP-CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) datasets was evaluated. The results showed that the NCEP-CFSR OVTP became strong in the summers of 1979–2009, whereas it became weak according to ERA-Interim and JRA-55. Satellite data merged with TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) and OMI (Ozone Monitoring Instrument) agreed with the OVTP trend of NCEP-CFSR. The OVTP strengthening in NCEP-CFSR may have been caused by SAH intensification, a rising tropopause, and increasing ozone over non-TP (non-Tibetan Plateau) areas (27°–37°N, < 75°E and > 105°E). Analogously, the OVTP weakening in ERA-Interim and JRA-55 may have been affected by weakening SAH, descending tropopause, and decreasing non-TP ozone.     

Air Temperature Changes over the Tibetan Plateau and Other Regions in the Same Latitudes and the Role of Ozone Depletion

Using radiosonde and satellite observations, we investigated the trends of air temperature changes over the Tibetan Plateau （TP） in comparison with those over other regions in the same latitudes from 1979 to 2002. It is shown that Over the TP, the trends of air temperature changes in the upper troposphere to lower stratosphere were out of phase with those in the lower to middle troposphere. Air temperature decreased and a decreasing trend appeared in the upper troposphere to lower stratosphere. The amplitude of the annual or seasonal mean temperature decreases over the TP was larger than that over the whole globe. In the lower to middle troposphere over the TP, temperature increased, and the increasing trend was stronger than that over the non-plateau regions in the same latitudes in the eastern part of China. Meanwhile, an analysis of the satellite observed ozone data in the same period of 1979-2002 shows that over the TP, the total ozone amount declined in all seasons, and the ozone depleted the most compared with the situations in other regions in the same latitudes. It is proposed that the difference between the ozone depletion over the TP and that over other regions in the same latitudes may lead to the difference in air temperature changes. Because of the aggravated depletion of ozone over the TP, less （more） ultraviolet radiation was absorbed in the upper troposphere to lower stratosphere （lower to middle troposphere） over the TP, which favored a stronger cooling in the upper troposphere to lower stratosphere, and an intenser heating in the lower to middle troposphere over the TP. Therefore, the comparatively more depletion of ozone over the TP is possibly a reason for the difference between the air temperature changes over the TP and those over other regions in the same latitudes.     

Formation of the Summertime Ozone Valley over the Tibetan Plateau: The Asian Summer Monsoon and Air Column Variations

The summertime ozone valley over the Tibetan Plateau is formed by two influences,the Asian summer monsoon(ASM) and air column variations.Total ozone over the Tibetan Plateau in summer was ～33 Dobson units(DU) lower than zonal mean values over the ocean at the same latitudes during the study period 2005-2009.Satellite observations of ozone profiles show that ozone concentrations over the ASM region have lower values in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) than over the non-ASM region.This is caused by frequent convective transport of low-ozone air from the lower troposphere to the UTLS region combined with trapping by the South Asian High.This offset contributes to a ～20-DU deficit in the ozone column over the ASM region.In addition,along the same latitude,total ozone changes identically with variations of the terrain height,showing a high correlation with terrain heights over the ASM region,which includes both the Tibetan and Iranian plateaus.This is confirmed by the fact that the Tibetan and Iranian plateaus have very similar vertical distributions of ozone in the UTLS,but they have different terrain heights and different total-column ozone levels.These two factors(lower UTLS ozone and higher terrain height) imply 40 DU in the lower-ozone column,but the Tibetan Plateau ozone column is only ～33 DU lower than that over the non-ASM region.This fact suggests that the lower troposphere has higher ozone concentrations over the ASM region than elsewhere at the same latitude,contributing ～7 DU of total ozone,which is consistent with ozonesonde and satellite observations.     

近60年中国探空观测气温变化趋势及不确定性研究

基于118站探空资料研究了近60年中国850—100 hPa气温变化趋势及季节和区域特征,并通过与1979—2017年卫星微波气温的对比研究了中国探空气温均一化的不确定性。研究表明,1958—2017年中国平均对流层气温呈上升趋势,300 hPa升温最为显著,平流层下层（100 hPa）为降温趋势。冬季对流层上层升温趋势和夏季平流层下层降温趋势较强。1979—2017年较整个时段对流层升温趋势较强,平流层下层降温趋势较弱。青藏高原和西北地区对流层上层升温趋势较强。通过与卫星微波气温和邻近探空站探空气温的对比以及均一化前后日夜气温差值检测出中国探空均一化气温仍残存非均一性问题。由于参照序列的局限性,均一化未能完全去除21世纪最初10年中国探空系统变化造成的对流层中、上层至平流层下层气温系统性下降的影响,导致中国对流层上层升温趋势被低估和平流层下层降温趋势被高估。未来可通过参考卫星微波气温和邻近探空站序列调整非均一性订正顺序并增加合理性检验等方法改进中国探空气温均一化方案。      

INTERCOMPARISON OF OZONE VERTICAL PROFILES BETWEEN ECC OZONESONDE AND BREWER UMKEHR MADE OVER QINGHAI PLATEAU OF CHINA*

From October 1995 to August 1996.a total of 50 ECC(electrochemical concentration cell) ozonesoundings were made in Xining(36.43°N,101.45°E,2296 m ASL)to study the distribution and seasonal characteristics of ozone profile,and intercompare the Brewer Umkehr ozone profiles obtained at Waliguan Baseline Station over the Qinghai Plateau.It was demonstrated that(1) Umkehr produced estimates of the ozone comparing with ECC profiles were accurate to better than 25% in the 20-38 km altitude range,and where 23-33 km region was the most accurate,within about 15% of the ECC ozonesonde:(2)higher differences between Brewer Umkehr and ECC ozonesonde occurred in the troposphere and lower stratosphere;and ozone amounts were overestimated in Umkehr layers 1,2 and 3,and were underestimated in Umkehr layers 6 and 7 by Brewer Umkehr method.     

青藏高原地区大气臭氧变化的研究

文中综述了对青藏高原夏季大气臭氧低值中心的出现和可能形成的机理的一些研究结果。发现了青藏高原在夏季存在大气臭氧总量低值中心的事实 ,研究了该低值中心的背景环流特征 ;证实了青藏高原地区确为对流层与平流层物质输送的通道之一 ,以及它对青藏高原臭氧低值中心形成所起的作用 ;并用数值模拟方法揭示了该低值中心的形成原因。另外用资料证实了青藏高原地区夏季不但存在大气臭氧低值中心 ,而且该低值中心是一个强大气臭氧递减中心的事实。最后介绍了用数值模拟方法来预测青藏高原地区大气臭氧未来变化的趋势。     

全球变暖背景下青藏高原夏季气温在对流层上下反相变化及其与降水和环流的关系

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国596个测站月降水资料,采用线性倾向估计、经验正交函数分解(EOF)、相关分析、合成分析等方法,对青藏高原夏季对流层气温垂直变化及其与降水和环流的关系进行了分析。气温垂直变化特征分析表明:自1971年以来,青藏高原夏季对流层低层至对流层中上部气温呈现显著增暖趋势,对流层上部气温呈现显著变冷趋势,高原对流层低层至中上部气温及对流层上部气温在年际、年代际尺度上均呈较显著负相关,且均存在2~4 a及8~13 a的周期;夏季青藏高原地区沿27.5°N~40°N平均的气温距平垂直分布的EOF分解第一模态特征向量在对流层表现为"下降温上增温"的反相变化,其时间系数呈显著负趋势,且存在1978年及1994年的突变点。高原夏季气温在对流层的上下反相变化与我国夏季降水的关系在年际、年代际尺度上均显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时,我国夏季降水表现为南方型,其中以江南至华南地区降水显著偏多而我国东北地区降水显著偏少为主要分布特征;另外,长江流域的局部地区及我国西北的部分地区降水也明显偏少,而华北东部的局部地区、青藏高原中部及东部地区以及新疆西北部地区降水明显偏多;降水异常分布在年代际尺度上比年际尺度更显著。环流分析显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时东亚中高纬度地区为异常高压控制,中低纬度地区受异常低压影响。环流场与降水分布有较好的配置关系。     

南北极区和青藏高原臭氧变化与中国降水和温度的联系

利用 1 978年 1 1月～ 1 993年 4月TOMS全球臭氧资料和中国地面资料 ,研究了南北极区春季和青藏高原大气臭氧变化与中国降水和温度变化的联系。结果显示 ,南北极区春季和青藏高原冬季臭氧变化与中国的降水和温度变化具有较好的相关性 ,因此可利用大气臭氧变化预测中国部分地区降水和温度变化。