我国对流层大气臭氧的数值模拟

本文建立了一个用于对流层大气臭氧模拟的三维欧拉模式,针对影响臭氧光化学转化的各种因素及我国城市光化学污染的特点,模式中简化了光化学项的计算。根据实际观测资料,提出了模拟云雾对臭氧影响的参数化方法,并确定了云雾作用系数,通过模式的数值模拟,得出了我国对流层大气臭氧,特别是近地面层大气臭氧的分布状况、我国城市光化学污染的分布特征以及它们的季节变化规律.     

长江三角洲地区对流层臭氧的变化趋势

根据TOR卫星数据分析,我国长江三角洲地区对流层O3柱含量的长期变化就全年和大多数月份而言均为增长趋势,1978-2000年间其年均值的增长趋势为0.82 DU/10 a。这种长期变化趋势所引起的气候效应及其对大气氧化性的影响值得进一步研究。结果表明,长江三角洲地区对流层O3柱含量的季节变化与该地区的临安区域大气本底站的地面O3季节变化有着显著的相关关系,临安站的观测数据具有区域代表性。     

对流层臭氧影响植被研究进展:观测、参数化方案及应用

对流层臭氧(O_3)作为最重要的大气污染物之一,对植物的形态特征和生理生化指标有着重要影响;并通过作用于陆面植被间接改变全球和区域的碳循环以及气候和环境。本文系统地回顾了对流层臭氧影响陆面植被的观测事实,主要包括其对光合作用、气孔导度、叶面积、生物量、产量等方面的影响;归纳和分析了常用的O_3暴露指数(ozone exposure index)和O_3影响植被的参数化方案的优缺点;并介绍这些参数化方案应用于生态模式和地球系统模式,模拟O_3通过作用于陆面植被对碳、水、能量通量和状态的影响。最后探讨了O_3影响植被在观测、参数化方案及其模拟应用方面亟需解决的问题以及未来发展方向。     

我国对流层臭氧增加对气温的影响

利用耦台的区域气候模式和大气化学模式模拟对流层臭氧的产生、分布和对辐射传输、地表温度、气温等的影响。通过对比模拟发现：对流层中臭氧的增加基本使大气顶晴空辐射强迫为正；对流层中的臭氧含量变化能影响云量且进一步影响温度。由于对流层臭氧增加导致的晴空辐射强迫在4月份最大、1月份最小。     

中国地区对流层臭氧变化和分布的数值研究

利用三维中尺度非静力模式ＭＭ５和化学模式,对１９９４年８月１６～１８日,１９９５年１月７～９日冬夏两个不同时期中国大陆大气对流层臭氧及其前体物质的分布进行了数值模拟。同时深入地分析了青藏高原地区夏季对流层臭氧的分布。模拟结果地面臭氧和ＮＯｘ的分布与观测结果基本一致,人类活动和光化过程是决定地面臭氧和ＮＯｘ的主要因子。对流层臭氧浓度的分布与气流的辐合辐散存在较好的对应关系,辐合区臭氧浓度较高,辐散区臭氧浓度较低。夏季,青藏高原中低空存在很强的辐合气流,使周边臭氧向高原辐合;而高原高空,受南亚高压控制存在很强的反气旋环流,臭氧由高原向周边辐散。冬季,受西风气流控制,臭氧分布表征大尺度特征。西风急流区臭氧浓度偏低,而急流两侧臭氧浓度偏高。     

新冠疫情影响下全球对流层臭氧变化特征研究进展

自2020年新冠疫情(COVID-19)爆发以来,各地进行了不同程度的人员流动限制或封控,致使全球范围内氮氧化物(NO_x)、二氧化硫(SO₂)、一氧化氮(CO)、细颗粒物(PM2.5)等大气污染物浓度均大幅度降低,而作为二次污染物的臭氧(O₃)在各地区却表现出复杂的变化特征,成为研究热点。本研究总结了近两年该方向的研究成果,阐明了COVID-19期间对流层O₃及其前体物的变化特征、变化机制及其可能存在的潜在环境效应。COVID-19严控期,全球人为NO_x排放下量降了至少15%,特别是高人为活动影响区,下降了18%～25%,部分高污染地区(挥发性有机物敏感区)近地层NO_x的减少量达50%以上。NO_x的减少导致NO对O₃的滴定作用减弱,使得该类高污染地区O₃增加(10%～50%)。而偏远地区及自由对流层O₃主要受NO_x控制,NO_x...     

平流层臭氧变化对对流层气候影响的研究进展

平流层对对流层的作用是准确评估、预测对流层气候变化的一个重要方面。其中平流层成分尤其是臭氧的变化,可以改变平流层乃至对流层的辐射平衡,从而影响平流层、对流层的热动力过程。本文从辐射、动力2个角度介绍了平流层臭氧影响对流层气候变化的若干研究进展。平流层臭氧可以通过长短波辐射的方式对对流层大气造成辐射强迫,利用大气化学气候模式可以定量计算平流层臭氧变化引起的辐射强迫,但是辐射强迫的估算受模式中辐射传输模块本身缺陷的影响存在不确定性。动力方面,平流层臭氧变化产生的辐射效应可以改变温度的垂直和经向梯度,造成波折射指数的变化,进而影响平流层甚至对流层内波的折射与反射,通过上对流层下平流层区域内的波—流相互作用,对对流层气候产生影响。另外,南极臭氧损耗可通过大气环状模影响冬春季中高纬度对流层的天气气候,但是其影响的强度大小以及物理机制仍需进一步的确认。值得注意的是,北极平流层臭氧的变化与北半球中高纬度气候变化之间的关系相比南半球要更加复杂,需要更为深入的研究。     

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。     

热带南大西洋对流层臭氧极大值的气象环境

在南非西部的对流层观测到臭氧的极大值．为研究臭氧极大值的气象环境，此文描述了南大西洋１０月的气候流型，并利用欧洲中期天气预报中心的分析场及高分辨率谱模式预报场对１９８９年１０月中的６天做个例分析。考察了水平和垂直运动，并给出了从臭氧极大值区域开始的三维后向轨迹。把臭氧的初始纬向对称分布作为被动示踪物，然后由全球模式预报的三维气流进行平流。被动示踪物模拟的结果表明，仅靠三维平流的作用就可能在观测的地区产生臭氧的极大值。在巴西上空，如果是由对流过程将生物量燃烧的生成物带到对流层高层，大约用５天时间可以向东传到臭氧特征层．在热带南大西洋显著的下沉区表明，平流层的影响也是产生臭氧极大值的一个因素。行星尺度和瞬变天气尺度的环流在臭氧传输过程中都起重要作用、总之，看来对流层臭氧的极大值是水平和垂直平流、来自生物量燃烧区的传输以及平流层的影响共同作用的结果。     

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.     

利用卫星资料分析对流层臭氧柱总量分布特征及其可能的原因

利用卫星资料计算得到的对流层臭氧柱总量数据分析了近20年来全球对流层臭氧柱总量的全球分布特征,并对我国对流层臭氧的季节变化做了研究。利用对流层污染测量仪（MOPITT）的CO和全球臭氧监测仪（GOME）和大气制图扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）的NO2数据分析了关于对流层臭氧的分布特征及其原因。得出中高纬度地区对流层臭氧浓度存在规律的年内变化,对流层臭氧高浓度值的分布及变化与人类活动有密切关切。     

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%。     

2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

利用国产GPSO3臭氧探空系统观测的大气臭氧探空资料和NCEP再分析资料,结合对天气形势、大气环流背景、高空位涡变化及对流层顶高度扰动的分析,深入研究了2008年冬季北京地区10~14 km高度范围内持续出现的臭氧次峰值及大气臭氧含量异常现象。结果表明:在2008年我国南方雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布持续出现次峰值现象及臭氧含量异常的主要原因是平流层空气强烈下沉运动及其与对流层的交换作用,而引起这种下沉运动及平流层-对流层交换则是由于该阶段特殊的天气背景,乌拉尔阻塞高压长时间维持,贝加尔湖到巴尔喀什湖一带横槽稳定存在,里海以东切断低压长期维持,造成冷空气长时间、稳定地南下影响北京上空臭氧的垂直分布。加之副热带急流的出现,北京正处于其入口区左侧,其上空有强烈的辐合下沉运动,有利于平流层空气向下输送。此次臭氧次峰值及臭氧含量异常的现象很好地说明,在冷空气天气过程的影响下,北京地区上空的平流层空气运动及其与对流层的交换十分活跃。     

东亚地区平流层、对流层交换对臭氧分布影响的模拟研究

首先将区域酸沉降模式(RADM)进行改造,加入平流层化学模块以替代对流层模块.然后用MM5单向耦合改造后的化学模式M-RADM,对东亚地区一次切断低压(2000年4月8～12日)引起的对流层顶折叠对上对流层、下平流层臭氧分布形式的影响进行模拟.结果显示:(1)随着高空槽的发展与切断,高空槽的底部及切断低压四周臭氧有显著增加.对流层顶折叠使高空臭氧向下输送,这种向下的输送可以到达对流层中部,对上对流层的臭氧影响最大.(2)模式可以成功地模拟出在北京地区探测到的臭氧垂直廓线的双峰结构.250 hPa处的臭氧分压比背景值增加近5倍.模拟表明改造后的区域化学模式M-RADM可以用于研究天气过程引起的对流层顶附近臭氧的演变情况.(3)上对流层臭氧分布形势的变化主要是由动力过程中的水平平流作用引起的,但是对流层顶附近臭氧的化学过程是不可忽略的.     

对流层顶研究回顾

大气急流、飞机颠簸、臭氧层顶等重要物理、化学现象均与对流层顶的位置、强度及其变动密切相关,因此在研究自由大气的气候和大气环流时,作为对流层与平流层过渡层的对流层顶是非常重要的,对流层顶研究已成为当今大气科学的研究热点之一。对近几十年来对流层顶研究领域的有关研究作了简要回顾,主要从对流层顶的分布特征、对流层顶要素变化以及对流层顶与臭氧的关系等几个方面进行综述。在此基础上,总结出对流层顶研究遇到的几个困难。     

2001年春季临安地区对流层臭氧异常增加的一次过程分析

2001年春季在临安(30.30°N,119.75°E)进行的臭氧垂直探测发现,从3月25到31日有一次明显的臭氧异常增加过程,其中尤以29日和30日对流层上层的臭氧异常增加最具代表性.结合分析地面及高空气象要素演变和高空位势涡度的变化表明,这是一次显著的平流层空气由上向下穿过对流层顶深入对流层的下传过程,此平流层对流层交换过程与冷空气南下的天气过程和副热带急流、极锋急流移动造成的辐合下沉运动有着密切的联系.     

卫星观测的中国地区1979—2005年对流层臭氧变化趋势

利用卫星数据分析了我国全境及不同区域对流层臭氧(O3)柱含量1979—2005年全年和不同季节的长期变化趋势,及不同季节对流层O3柱含量与南方涛动指数的关系。结果表明,对流层O3柱含量在夏季有微弱的上升趋势,其他季节呈下降趋势,但总体变化趋势并不显著;在珠三角和四川盆地地区四季总体呈下降趋势;在华北地区除了冬季之外,其他季节以及全年平均均为增长趋势,最高的增长率出现在夏季,达到1.10DU/10a。南方涛动强度的变化与我国一些地区的对流层O3变化呈显著相关,但华北地区对流层O3的增长趋势与大气环流变化的关系不明显。     

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.     

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。     

光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨

应用大气光化学模式研究了日最大臭氧体积分数及其出现时刻与其前体物NMHC、NOx体积分数及NMHC／NOx比值的关系。结果表明，影响日最大臭氧体积分数（ψ03max）脊线位置（EKMA图，Empirical Kinetic Modeling Approach）的关键因子是NMHC成份组成比例；日臭氧体积分数达到最大值需要的时间（τ03max）与NMHC／NOx比值及NMHC成份组成比例有关，与NMHC、NOx体积分数关系不大。此外，利用该结果解释了近20a北京日最大臭氧体积分数出现时刻具有不断提前的变化趋势的原因。