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。     

平流层准零风层的研究进展

平流层下部20 km高度附近的大气层在特定季节存在下层西风（东风）折转为上层东风（西风）,且南北风分量很小的自然现象,这种纬向风的转换层称为平流层准零风层。平流层准零风层的低风速和风向变化的特点使其成为部署平流层飞艇和高空气球等弱动力或无动力临近空间飞行器的理想环境。针对国内外平流层准零风层的研究成果,归纳总结了平流层准零风层在北半球、中国及重点区域随时间变化的特征;系统分析了热成风原理、平流层准两年振荡、平流层爆发性增温、行星波涡动通量输送、南亚高压和副热带西风急流等因素对平流层准零风层形成的影响机理和特征;对比分析了MST雷达、激光雷达、探空火箭及高空气球等探测方法在平流层准零风层探测中的优缺点和部分探测事实;归纳总结了中层大气模式和数值天气模式在平流层准零风层预报中的优缺点,明确利用数值天气模式是当前开展平流层准零风层预报与气象保障的主要途径,平流层准零风层底高、厚度等诊断方案是定量化研究平流层准零风层精细结构及演变的基础;总结了基于平流层准零风层利用的飞行器工作原理;最后对未来科学研究的重点方向进行了展望。开展平流层准零风层研究进展回顾,对今后深入研究平流层准零风层以及平流层低...     

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。     

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。     

热带大气季节内振荡研究进展——观测、动力机制和数值模拟

热带大气季节内振荡（MJO）是热带大气活动的强信号。对MJO动力机制的探讨，经历了由考虑完全的大气内部过程（波动－CISK理论），到考虑海洋影响的大气过程（WISHE理论），到最新的考虑大气－海洋耦合作用（WCMC模式）的逐步发展、完善的阶段。现阶段大气模式能够模拟MJO的一些基本特征但存在许多缺陷。在大气模式中引入上层海洋的反馈作用，可以有效改善模拟MJO的时空结构。MJO的强度变化、季节特征、传播速度等的精确描述只能借助于海气耦合模式。     

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。     

全球变化条件下的平流层大气长期变化趋势

两个因素将对21世纪平流层气候变化产生重要作用。一个是温室气体增加,另一个是平流层臭氧的可能恢复。温室气体增加的辐射效应一方面造成地面和对流层变暖,另一方面却导致平流层变冷,而臭氧层恢复的辐射效应则导致平流层变暖。在温室气体增加和臭氧恢复这两种相反因素作用下的平流层温度如何变化是所关心的主要问题。为了预估平流层温度在21世纪的变化,使用了辐射—对流模式进行了敏感性实验,另外,也对他人进行的化学—气候耦合模式（CCM）模拟结果进行了分析。这些模拟结果表明,在21世纪平流层中上层（60～1 hPa）将变冷,而下层（150～60 hPa）变暖。这说明在平流层中上层温室气体的冷却效应将起主导作用,而臭氧恢复的加热效应在平流层下层相对更为重要。CCM的模拟结果表明,臭氧恢复最显著的区域在平流层上层（3 hPa附近）,与最大降温区一致,说明温室气体增加将有利于平流层上层臭氧恢复。CCM的模拟结果还表明,平流层两极地区在冬半年存在变暖的现象。根据已有的研究结果,极区变暖与平流层行星波活动增强有关,动力、热力和化学之间的正反馈作用也有可能对极区变暖有重要的贡献。     

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.     

热带平流层准两年振荡对热带对流层顶和深对流活动的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料通过合成分析的方法研究了热带平流层准两年振荡(QBO)影响热带对流层顶及深对流活动的基本特征及可能的物理机制。研究发现,QBO对对流层顶和大气射出长波辐射(OLR)的影响存在明显的季节和空间上的差异。QBO对对流层顶和OLR的影响在冬、秋季最大,春、夏季相对较弱。与QBO造成的对流层顶高度和温度异常所不同是,QBO造成的OLR异常并没有呈现出一样的沿热带的带状分布特征,OLR异常沿赤道区域有正有负。另外,QBO对OLR的影响主要在热带对流活跃区域,尤其是在印度尼西亚和西太平洋区域,QBO东风位相下的对流活动要强于QBO西风位相下的对流活动。QBO造成的OLR异常和对流层顶异常在水平分布上有显著的差异,表明QBO对对流层顶的影响主要是与QBO风切变的异常有关,QBO影响热带深对流活动进而影响对流层顶温度的作用是次要的。进一步研究QBO影响对流活动可能的机制发现,QBO造成的浮力频率异常和对流层有效位能(CAPE)异常与OLR异常在水平分布上有较一致的变化,说明QBO不仅通过调节对流层顶高度和温度影响热带的深对流活动,还可以通过调节对流层的静力稳定度、CAPE来影响热带地区深对流活动。     

The Chelyabinsk Meteorite as a multiple source of acoustic and seismic waves

Shock waves and impact of the Chelyabinsk Meteorite fragments on the ground initiated various waves in the atmosphere and the earth. Three different sources of seismic and infrasound waves were found by arrival time and azimuth of seismic and infrasound waves recorded by the International Monitoring System.     

Transparency change of the ionosphere for cosmic radio waves caused by acoustic pulse of ultra low frequency range

The simulation of the passage from the lithosphere through the atmosphere to the ionosphere of acoustic waves produced by seismic eruption or explosion shows that there is an acoustic coupling among these layers. This in turn is the cause of change in the transparency of the ionosphere for cosmic radio waves. Underground displacements produce Very Low (VLF) and Extremely Low Frequency (ELF) acoustic waves. In their passage through the lithosphere, the VLF wave is subject to nonlinearity that leads to frequency down-conversion, namely, increasing the ELF acoustic component at the Earth's surface. In turn, the nonlinear propagation of ELF acoustic wave in the atmosphere and the ionosphere leads to the emergence of ultra low frequency (ULF) acoustic waves in the ionosphere. An ultra low frequency acoustic wave (ULF) brings influence into the density of F-layer of the ionosphere and causes the transparency change of the ionosphere for cosmic radio waves.     

Planetary waves

Planetary or Rossby waves, though probably unimportant in the fluid interior of the Earth, are of interest to earth scientists in general, because of their pervasive role in the general circulation of oceans and atmospheres. The present review does not presuppose any special knowledge of geophysical fluid dynamics. Following a recapitulation of some general wave concepts, it defines absolute vorticity and its role as a restoring force in rotatory motion. The quasi-geostrophic character, the westward propagation and the dispersion of planetary waves is then discussed, as is the difference between shear waves and waves with vertically uniform motion. A last section deals briefly with the influence of planetary wave dynamics on climatic patterns in the atmosphere and in the oceans.     

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。     

北黄海地球化学勘探及含油气远景预测

根据海面低层大气中烃类异常和海底沉积物中微生物地球化学异常检测结果，结合区域地质及钻井资料，可以将北黄海盆地划分为东、中、西3个含油气远景区，其中，呈近南北向展布的中部区偏南部，低层大气中甲烷含量为连续高值，分布均匀且离散度较小，海底微生物异常强度最大，含油气远景最好；东部区低层大气中甲烷含量为中-高值，海底微生物异常强度次之，含油气远景较好；西部区低层大气中甲烷呈零星高值出现，海底微生物异常强度较弱，含油气远景较差。     

华北地区大气水汽含量特征及其变化趋势

使用美国国家环境保护委员会/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)1948-2003年再分析格点资料,研究了华北地区大气中水汽含量的时空分布特征、沿375°N不同经度和沿115°E不同纬度大气中水汽含量的年变化、大气中水汽含量的变化趋势。分析结果表明:①华北地区大气中水汽含量主要集中在东部和南部,西部和北部水汽含量较少;②华北地区大气中水汽含量夏季最多,冬季最少;③华北地区大气中水汽含量自20世纪50年代末至80年代中期呈持续下降趋势。大气水汽含量高值期出现在20世纪40年代末至70年代中期。70年代中期至21世纪初期,大气水汽含量距平基本处于0线以下,为低值期;④华北地区大气水汽含量的年际波动变化与厄尔尼诺(ElNino)与南方涛动(ENSO)事件有很好的相关性。     

黑河流域陆地—大气相互作用研究的几点思考

陆地和大气之间是相互作用、相互影响的,不仅陆面分布与地表过程对大气变化有着响应过程,而且陆面物理过程、地表特征分布对大气过程也有着重要影响。我国西北地区地形分布极不均匀,是水资源变化和气候变化的敏感区与脆弱地区。这里,由于海拔高度起伏造就了以水为主线的上游山区冰雪、冻土—中游森林、绿洲—下游戈壁荒漠的多个自然景观带共存的内陆河流域,是开展陆—气相互作用研究的理想场所。文章集中黑河流域水循环过程、冰雪/冻土与大气相互作用、降水异质性、人类活动影响以及尺度等问题,阐述了流域研究现状以及研究热点,指出发挥各学科优势,将大尺度的大气过程与中间尺度和小尺度的陆面水文/生态过程结合,建立流域尺度大气—水文—生态过程真正的双向耦合模式,不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响,同时探讨陆面小尺度过程对大气的反馈机理,探索流域尺度的水循环过程和驱动机理,为水资源合理利用提供理论基础。     

The effect of acoustic waves on spectral-line profiles in the solar atmosphere: Observations and theory

The fine structure of the FeI λ 532.4185-nm line of neutral iron is studied with high spatial (0.5″) and temporal (9.3 s) resolution using observations of a quiet region at the center of the solar disk. The character of the line asymmetry depends strongly on the nature of the velocity field, i.e., on whether it is due to convective or wave motions. The magnitude of the asymmetry due to acoustic waves is comparable to that due to convective motions. The propagation of acoustic waves in moving granules and intergranular lanes is studied by solving a system of hydrodynamical equations in a three-dimensional model for the solar atmosphere. The temporal variations in the bisector of the line synthesized in a non-LTE approximation agree well with the observational data.     

Assessment of the CO<Subscript>2</Subscript> fluxes between the ocean and the atmosphere in the eastern part of the Laptev Sea in the ice-free period

The carbonate system of waters of the inner, middle, and outer shelves was studied for a long period in the eastern part of the Laptev Sea. It is shown that the inner and middle shelves is a heterotrophic province and is a source of CO₂ to the atmosphere during August–September. The average CO₂ flux is 7.9 mmol m^–2 day^–1 and during one month waters of inner and middle shelves release into the atmosphere up to 0.7 Tg of carbon (C). The outer part of the shelf absorbs up to ~0.1 Tg C at an average rate of 3.9 mmol m^–2 day^–1 during the month. Generally, the ice-free zone of the eastern shelf of the Laptev Sea is a source of CO₂ in the studied season: the amount of C released into the atmosphere within a month is ~0.6 Tg.