大气对流层平流层交换(STE)研究进展

大气平流层对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)包括平流层向对流层的输送(Stratosphere-Troposphere Transport,STT)和对流层向平流层的输送(Troposphere-to-Stratosphere Transport,TST)2个过程,通常统称为STE交换过程.其对大气的辐射平衡、化学成分具有重要影响.研究STE对于大气化学、气候变化、平流层对流层耦合模式的发展等领域意义重大.对国内外不同尺度STE的观测、模拟与诊断做了评述,讨论了各种尺度STE的机制,比较了不同诊断方法和模式的性能和特点.着重指出目前天气尺度STE的研究虽然比较充分,但在STE过程中,中小尺度混合、湍流混合等物理过程的机制、诊断以及模拟方法的研究还有待提高.中小尺度强对流引起的TST对对流层污染物向平流层的输送作用和影响越来越受到关注.在全球快速城市化的背景下,研究城市群高污染区域强对流天气引起的TST过程及其影响具有重要的科学意义.     

上对流层/下平流层大气垂直结构研究进展

大气上对流层与下平流层区域是对流层与平流层之间的过渡区域,热带对流层顸确定了全球整个平流层的化学边界条件,该区域大气的垂直结构及变化对于平流层一对流层交换和上对流层/下平流层大气成分收支有重要影响;该区域也是大气动力、热力和大气成分结构发生巨大转换的区域,辐射过程、多尺度动力学过程、化学过程和微物理学过程等都起着同样重要的作用,对流层顶变化也是人类活动引起气候变化的一个敏感指示因子,因此关于对流层顶的研究(尤其是其精细结构和过程)重新唤起了人们的关注.针对对流层顶的各种定义(包括热力学、动力学和化学成分)以及它们相互之间的关系、对流层顶是一个面还是层以及对流层与平流层之间的转换特征、对流层顶强逆温层的特征及形成原因等基本科学问题,回顾了近年来的一些重要研究进展.     

平流层爆发性增温中平流层环流及化学成分变化过程研究

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）气象分析场、欧洲空间局ENVISAT/MIPAS卫星观测资料以及平/对流层大气化学输送模式MOZART 3综合分析了2003—2004年冬季北半球爆发性增温事件对于平流层大气环流、物质输送以及对流层顶附近臭氧通量等多方面的影响。结果表明：①本次增温过程持续时间长、强度大,平流层极涡从高层向下逐层分裂,增温效应作用到大气较低层,当纬向东风形成并维持后极涡又自上向下逐层恢复;②SSW过程前后行星波活动频繁,有长时间多次的上传,且以1波作用为主,2波对其进行补充;③在θ PVLAT坐标中分析发现SSW扰动过程中平流层中存在一对向极、向下的传播模态,相应的对流层中有一向赤道的传播模态,不同符号的纬向风、温度异常信号沿这两个模态传播,且上、下层传播模态在时间上存在着一定的联系;④增温过程中行星波活动引起的向极输送以及极区垂直运动的变化,共同影响了平流层的物质输送过程,从而导致北半球平流层N2O、O3、CH4、H2O等微量气体成分的垂直、水平分布发生显著变化;⑤增温过程中活跃的行星波可以造成平流层Brewer Dobson环流增强,同时导致高纬度地区（60~90°N）穿越对流层顶的臭氧通量（Cross Tropopause Ozone Flux, CTOF）显著增强,与行星波相联系的等熵物质运动引起“middleworld”区域内向赤道的臭氧通量也有所增强。     

大气准定常行星波异常传播及其在平流层影响东亚冬季气候中的作用

东亚季风区同时受世界上最广阔的大洋和陆地的影响,这种行星尺度的海陆热力对比以及青藏高原大地形的作用,从而产生很强的行星尺度扰动,并且这种扰动具有准定常的性质。利用再分析资料研究了准定常行星波活动的变化对东亚地区冬季气候异常的影响,主要侧重于年际和季节内时间尺度上的变化。在年际时间尺度上,冬季行星波两支波导的变化存在反相关的振荡关系,这种年际振荡一方面影响了北半球环状模的位相,另外一方面导致了东亚地区的气候异常。当有异常强的低纬波导时,一般对应有西伯利亚高压的减弱和我国东北、华北地区的增温;反之当有异常弱的低纬波导时,我国东北和华北温度则普遍偏低。研究还表明,行星波传播的年际振荡与东亚地区气候异常的关系显著地受到热带平流层准两年周期振荡（QBO）的调制,只是当QBO处于东风位相时,行星波传播的年际振荡才与东亚气候异常有显著的关系。在季节内时间尺度上,准定常行星波的变化与平流层极涡的低频变化密切相关,并且这种平流层极涡的异常通过和行星波的相互作用,可以自上而下影响到对流层的短期气候;平流层极涡异常下传对对流层大气环流有明显的影响,并且这种影响在东亚地区非常显著。由于平流层变化通常维持时间长,并且平流层极涡异常下传领先于对流层,因此这为东亚冬季短期气候异常的预报提供了一个新的预报依据。     

概论N2O大气浓度演变及其大气化学

Ｎ２Ｏ在对流层中是长寿命的痕量温室气体,在平流层,它是破坏Ｏ３层主要痕量气体之一－ＮＯ的生成源。本文主要综述了Ｎ２Ｏ的大气浓度演变,大气寿命,对温室效应的贡献,大气化学等,着重探讨了可能存在的Ｎ２Ｏ大气生成和消耗过程。     

对流层大气氧化性研究进展

对流层大气氧化性是对流层大气自我清洁能力的一个重要指标,对流层中大多数痕量气体都是通过氧化过程清除的.回顾近半个世纪以来对流层大气氧化性的研究历史,对流层大气氧化性的研究无论是从测量技术还是模式研究方面都已取得了一定的进展.工业革命以来,由于人类活动的影响,CO、NOx和碳氢化合物等大气污染物排放增多,使得全球对流层大气OH浓度呈下降趋势,未来对流层大气氧化性的变化很大程度上也取决于这些气体的排放情况.利用全球三维大气化学传输模式MOZART研究中国地区对流层大气OH自由基的分布和变化趋势表明,与全球OH自由基变化趋势不同,近10年来中国东部地区OH自由基浓度趋于增加.未来对流层大气氧化性研究的关键问题仍是OH自由基测量技术的提高问题,OH自由基观测结果是完善对流层光化学机制和改进大气化学模式的先决条件.     

2007/2008年冬季平流层环流异常及平流层—对流层耦合特征

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了2007/2008年冬季平流层环流振荡的过程和异常特征,以及平流层—对流层的环流耦合特征。结果发现：2007/2008年冬季平流层极涡持续偏强,且极涡从12月下旬开始向东亚—大西洋地区偏心发展,同时在欧洲—地中海地区减弱向极区收缩,从而在欧亚地区的平流层高层最早形成“一脊一槽”1波型的环流形势;该平流层的环流异常信号逐步向低层传播;从平流层10 hPa向下传播到对流层中、低层需要约15~20天的时间;此时对流层500 hPa上,与平流层向下传播的信号相对应,呈现为高纬度“西高东低”和副热带“东高西低”的环流异常型,即分别对应着乌拉尔山阻塞高压、鄂霍茨克海低槽以及副热带高压异常偏强和副热带欧亚大陆中西部低槽活动频繁。这种环流异常配置即形成了有利于我国南方降雪持续的大尺度背景条件。进一步研究还发现,平流层异常信号存在由热带向极传播的趋势。2008年1月的平流层极涡振荡正异常所对应的环流异常信号可以追溯到2007年秋季10月份最早出现在热带地区的环流异常信号,该异常信号在向极传播过程中同时向东移动,2008年1月传播到极区,对应极涡振荡的正异常。说明前期平流层的异常信号及其演变,对2008年1月的气候异常具有重要指示意义。     

中层大气模式的应用及发展前景

随着空间探测技术和计算机能力的不断提高,近年来中层大气模式得到了快速的发展。简要概述了中层大气模式的现状及其发展中存在的问题和挑战,同时也阐述了中层大气模式在近年来研究中的一些主要应用和未来的发展前景。目前,完备的基于大气环流模式的中层大气模式大多只包括了对流层和平流层大气,少量的模式可达到中间层和热层大气。这些现有的中层大气模式对平流层的化学过程和一些动力过程都具有了一定的模拟能力,如能较好地模拟出南极臭氧空洞及其时间演变以及热带平流层大气中的准两年和准半年振荡信号。但是不同模式模拟结果之间的差异仍然是显著的,现有的中层大气模式还需要进一步的发展和完善。改进模式的辐射传输方案和重力波参数化方案,实现大气化学过程、动力过程和微物理过程的充分耦合,改善平流层以上的大气化学过程和物理过程在模式中的描述是目前正在进行的工作。中层大气模式目前已开始被广泛应用于大气科学研究的各个方面,进一步发展和完善中层大气模式不仅对天气、气候预报具有重要的意义,对空间科学的研究来讲也是需要的。     

链接热带东印度洋环流的海洋波动桥梁

热带印度洋环流动力研究对认识海盆尺度物质和水体交换、区域乃至全球气候变化具有重要意义,亦服务于人类的生产生活。回顾了近年来基于中国科学院南海海洋研究所热带印度洋观测取得的环流动力方面的研究进展,探讨提出海洋波动桥梁概念,即：赤道波通过水平传播、垂向传播和东边界反射,在赤道上混合层、次表层和中深层调制着赤道流系的生成与变化;随着波动能量在东边界以沿岸开尔文波和反射罗斯贝波的形式往外赤道传输,赤道动力过程亦调节着外赤道的环流结构变化。作为能量传输的十字路口,海洋东边界是环流变化的动力支点。在其支撑下,海洋波动成为环流间重要的能量纽带,贡献于环流的动力联系,是东印度洋环流多尺度变化的重要内因。基于观测,初步探讨了大尺度气候模态等外因对热带东印度洋环流的影响。凝练的海洋波动桥梁动力学框架,为进一步研究热带印度洋的环流的特征、变化及影响提供科学启示。     

末次盛冰期太平洋赤道辐合带对暖池外热带海表温度变化的敏感性

利用美国NCAR CAM3大气环流模式,分析了末次盛冰期（LGM）两个不同的热带海表温度重建方案中,北半球冬季热带中、西太平洋对流活动及大气环流对暖池外（赤道东太平洋和热带大西洋）热带SST异常的敏感性。结果表明：  1）SST异常首先引起大气环流的改变。  赤道东太平洋对流层下沉增强,而作为经向补偿,副热带东太平洋上升运动增强,其中南半球尤为明显,同时南半球热带中、西太平洋上升运动增强,加剧了该区纬向逆时针环流,说明冰期热带海气耦合过程受气候背景场（如SST）影响很大;   2）大气环流格局改变引起热带中西太平洋的大气加热、对流活动、表层风场及降雨的巨大变化。  140°E以西的婆罗洲和菲律宾区域,总的大气加热减少是由于对流与辐射加热减少所致,对应于该区风场辐散和降雨减少;   而140°E以东的南半球热带中、西太平洋,大气吸收热量增加,对流与辐射加热均增强,总降雨量也随之增加,反映该区赤道辐合带南移并增强。该项研究为探索热带太平洋在冰期/间冰期旋回中的古海洋学变化提供了新的数据支撑。此外,不同重建SST对赤道辐合带的影响比较大,因此利用重建SST进行数值模拟或者利用耦合模式研究LGM热带海气相互作用时,应该十分重视全球热带SST分布特征。     

大气中溴的环境地球化学研究进展

溴是大气平流层和对流层中的重要物种,能参与大气中的多种化学过程,对臭氧的损耗影响很大,同时也干扰大气的硫循环和汞循环,在大气化学中起着十分重要的作用.综述了近年来大气对流层和平流层溴的种类和含量、自然来源和人为来源,以及化学性质,并重点总结了活性溴物种BrO在大气中的存在情况及其在臭氧损耗中的作用.最后,提出了目前大气...     

关于平流层异常影响对流层天气系统的研究进展

人们传统上认为大气平流层很少能对对流层产生重要影响，但是，最近几年的观测研究表明这种自上而下的影响是显著的和非常重要的,特别地，近几年关于北极涛动的研究极大推动了这一问题的研究进展。这方面的研究发现平流层异常可以对对流层天气系统产生重要影响，也就是冬季平流层北极涛动（AO）的负异常可以诱发中高纬度地区寒潮天气，而AO的正异常则导致中高纬度地区的温暖晴朗天气。由于观测分析表明平流层AO的异常信号总是领先对流层AO异常，一些学者甚至建议冬季北半球平流层的异常信号可以作为预报对流层天气变化的先行指标，并可以把对流层天气预报的时限提高到3个星期以上。综述这一领域在最近几年的研究进展、阐述平流层异常影响对流层天气系统的物理机制和总结各种不同的学术观点，并对将来研究中应注意的问题提出了建议。     

平流层微量气体变化趋势的研究

采用HALOE提供的1992—2005年的资料,分析了平流层几种微量气体（臭氧、HCl,HF,NO,NO2,水汽和甲烷）的混合比在不同高度、不同纬度带的变化趋势, 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。结果表明,在不同纬度带这些微量气体的变化特征并不相同,在不同高度上他们的变化特征也不大一样。这14年臭氧的变化趋势与其他几种微量气体的变化趋势对比表明,在平流层上层,1990年代中期以后臭氧浓度的恢复比较明显,而且这14年臭氧的变化趋势与HCl、HF和水汽的变化趋势是相反的。在平流层中层臭氧的变化趋势复杂一些,除一些微量成分对它的破坏外,还受到其它因素的影响。但1997—2002年臭氧混合比增大,与HCl、NO,NO2和水汽混合比的减小趋势是相反的,这说明《蒙特利尔条约》及其它环保措施的实施对平流层中层臭氧浓度的恢复也已初见成效。     

对流层活性卤素化学:充满机遇和挑战的研究领域

活性卤素物种(RHS)参与大气对流层中许多化学过程,影响许多重要物种的源和汇,在大气对流层化学中起着十分重要的作用,因此对流层活性卤素化学成为近年来国际大气化学研究的重要前沿研究领域。RHS在对流层的外场观测方法主要包括化学放大、大气压化学电离质谱（APCIMS）、长程差分吸收光谱（DOAS）、雾室和湿法化学分析法、光解法、碳同位素的比率法等。各种观测方法表明大气边界层中存在着不同种类的RHS,特别在海洋边界层、极地边界层和盐湖地区。RHS的浓度有较大的变化范围（10-12~10-10）。RHS可引起一些VOCs的氧化,影响HOx和NOx的反应,减少对流层O3,并对硫的氧化和汞化学有较大的影响。对流层RHS的源主要为有机卤素化合物的排放和海盐气溶胶的释放。在讨论RHS在对流层的循环转化的基础上,归纳总结出一个示意图;提出了现有的主要科学问题,进而展望了今后的研究前景。     

Tectonics and climate

Tectonics and climate are both directly and indirectly related. The direct connection is between uplift, atmospheric circulation, and the hydrologic cycle. The indirect links are via subduction, volcanism, the introduction of gasses into the atmosphere, and through erosion and consumption of atmospheric gases by chemical weathering. Rifting of continental blocks involves broad upwarping followed by subsidence of a central valley and uplift of marginal shoulders. The result is an evolving regional climate which has been repeated many times in the Phanerozoic: first a vapor-trapping arch, followed by a rift valley with fresh-water lakes, culminating in an arid rift bordered by mountains intercepting incoming precipitation. Convergence tectonics affects climate on a larger scale. A mountain range is a barrier to atmospheric circulation, especially if perpendicular to the circulation. It also traps water vapor converting latent to sensible heat. Broad uplift results in a shorter path for both incoming and outgoing radiation resulting in seasonal climate extremes with reversals of atmospheric pressure and enhanced monsoonal circulation. Volcanism affects climate by introducing ash and aerosols into the atmosphere, but unless these are injected into the stratosphere, they have little effect. Stratospheric injection is most likely to occur at high latitudes, where the thickness of the troposphere is minimal. Volcanoes introduce CO₂, a greenhouse gas, into the atmosphere. Geochemical effects of tectonic uplift and unroofing relate to the weathering of silicate rocks, the means by which CO₂ is removed from the atmosphere-ocean system on long-term time scales.     

Future ozone in a changing climate

The stratospheric ozone layer is expected to recover as a result of the regulations of the Montreal Protocol on chlorine and bromine containing ozone-depleting substances (ODSs). Model simulations project a return of global annually averaged total column ozone to 1980 levels before the middle of the 21^st century, well before the ODSs will return to 1980 levels. This earlier ozone return date is due to the effects of rising greenhouse gas (GHG) concentrations. GHGs influence ozone directly by chemical reactions, but also indirectly by changing stratospheric temperature and the Brewer–Dobson circulation. Based on projections of chemistry–climate models, this article summarizes the effects of GHGs on stratospheric and total column ozone in the mid-latitude upper stratosphere, Arctic and Antarctic spring, and the tropics. The sensitivity of future ozone change to the GHG scenario is discussed, as well as the specific role of a future increase in nitrous oxide and methane.     

Variable influence on the equatorial troposphere associated with SSW using ERA-Interim

Sudden stratospheric warming (SSW) events are identified to investigate their influence on the equatorial tropospheric climate. Composite analysis of warming events from Era-Interim (1979–2013) record a cooling of the tropical lower stratosphere with corresponding changes in the mean meridional stratospheric circulation. A cooling of the upper troposphere induces enhanced convective activity near the equatorial region of the Southern Hemisphere and suppressed convective activity in the off-equatorial Northern Hemisphere. After selecting vortex splits, the see-saw pattern of convective activity in the troposphere grows prominent and robust.     

Chlorine in the stratosphere

This paper reviews the various aspects of chlorine compounds in the stratosphere, both their roles as reactants and as tracers of dynamical processes. In the stratosphere, reactive chlorine is released from chlorofluorocarbons and other chlorine-containing organic source gases. To a large extent reactive chlorine is then sequestered in reservoir species ClONO₂ and HCl. Re-activation of chlorine happens predominantly in polar winter vortices by heterogeneous reaction in combination with sunlight. Catalytic cycles involving Cl, ClO, BrO, Cl₂O₂, ClO₂, and others like NO, NO₂, OH, and HO₂ remove odd oxygen (ozone and atomic oxygen) from the atmosphere. Under an ozone hole condition, the ClO dimer cycle is particularly important, while in mid-latitudes the short-lived reservoir HOC1 has some importance. Solar proton events can also affect stratospheric chlorine chemistry, but whether solar protons effectively activate or deactivate chlorine was shown to depend on illumination conditions. The lifetime of chlorofluorocarbons has an impact on the availability of ozone destructing substances in the stratosphere and depends on the Brewer-Dobson circulation which controls at which altitudes and how long an air parcel is exposed to photochemistry. In turn, the chlorine-containing source gases can be used as tracers to constrain the age of stratospheric air and thus to diagnose the Brewer-Dobson circulation. The use of complementary measurement systems was essential to extend our knowledge on chlorine-containing compounds in the stratosphere. ClO is best measured by remote sensing in its rotational bands in the far infrared and microwave region. For HOC1 the far infrared bands are ideal, but some substantial information was also gained with microwave and mid-infrared measurements. ClONO₂ is only measured in the thermal infrared, while HCl has a measurable signal in the microwave, far infrared and mid-infrared regions. The mid-infrared HCl lines, however, are situated at wavelengths where blackbody emission at terrestrial temperatures is so low that infrared measurements of HCl are possible only in solar absorption geometry, but not in thermal emission. Chlorine source gases are most accurately measured by air sampling techniques, while global coverage can only be achieved by satellite-borne thermal infrared measurements. In epistemological terms, research on stratospheric chemistry and particularly the role of chlorine compounds used various scientific concepts from deductive reasoning, falsificationism, abductive reasoning and so-called “puzzle-solving within normal science”. The structuralist theory of science with the concept of non-statement view of theories, however, seems to be best applicable to stratospheric chlorine research of the recent decades.     

Ozone trends in the vertical structure of Upper Troposphere and Lower stratosphere over the Indian monsoon region

Ozone trends in the Upper Troposphere and Lower Stratosphere over the Indian region are investigated using three satellite data sets namely Halogen Occultation Experiment (1993–2005), Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (1993–2005) II, and Aura Microwave Limb Sounder (MLS, 2005–2011). Estimated ozone trends using multi-variate regression analysis are compared with trends at two Indian ozonesonde stations (Delhi, 28°N, 77°E and Pune, 18°N, 73°E), and a 3-D Chemical Transport Model (CTM, SLIMCAT) for the 1993–2005 time period. Overall, all the observational data sets and model simulations indicate significant increasing trend in the upper troposphere (0–2.5 %/year). In the lower stratosphere, estimated trends are slightly positive up to 30 mb and are negative between 30 and 10 mb. Increasing trends in the upper troposphere is probably due to increasing trends in the tropospheric ozone precursor gases (e.g. CO, NO _x , NMHCs). Here, we argue that these contrasting ozone-trend profiles might be partially responsible for insignificant long-term trends in the tropical total column ozone. On seasonal scale, positive trends are observed during all the seasons in the upper troposphere while structure of trend profile varies in lower stratosphere. Seasonal variations of ozone trends and its linkages with stratospheric intrusions and increasing trends in lightning flashes in the troposphere are also discussed.