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。     

江淮梅雨期平流层—对流层物质交换过程的个例分析

利用MERRA再分析资料,选取2007年江淮梅雨作为研究个例,通过对上对流层、下平流层(UTLS)区域3种化学示踪物(臭氧、一氧化碳和水汽)及位涡的水平与垂直分布变化的分析,探讨梅雨发生前后梅雨区上空的平流层—对流层物质交换(STE)特征。研究表明,梅雨期存在由对流层顶折卷造成的跨越对流层顶向下的物质传输和对流活动引起的物质向上传输。入梅前,主要是由对流层顶折卷造成的物质向下传输(至少能达到300 h Pa),这一过程导致对流层中上层存在高浓度臭氧及一个干层;随后,伴随梅雨的发生,对流活动频繁出现,对流层顶开始抬升,在入梅第二天已经恢复到对流层顶折卷过程发生之前的高度,对流层内的高浓度臭氧和干层也随对流层顶折卷的东移而移出梅雨区。还通过分析梅雨区臭氧和整个亚洲夏季风区臭氧的相对变化量发现,整个梅雨期的STE为物质的向下传输,在UTLS区,梅雨区对亚洲夏季风区的STE贡献为跨越对流层顶向下传输。     

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.     

1979～2020年北极和青藏高原臭氧低值区的动力输送特征比较

基于ERA5月平均再分析资料,利用Lorenz环流分解方法从定常和瞬变以及基流和涡旋的角度对比了北极与青藏高原臭氧低值区的动力输送特征。结果表明：动力总输送在两地上平流层作用最强,均使其臭氧浓度降低,且定常输送均强于瞬变输送,纬向与经向输送的作用均大致相反。然而,动力输送在北极地区的作用强度远大于青藏高原地区。北极地区纬向输送使得平流层中上层臭氧浓度降低,平流层下层臭氧浓度升高,经向输送的作用与之相反且强度明显偏弱,二者均主要作用于上平流层。青藏高原地区纬向和经向输送除在上平流层均使得臭氧浓度降低外,二者作用大致相反且强度相当,输送大值区在垂直方向上存在双中心结构,分别位于上平流层与上对流层—下平流层（Upper Troposphere–Lower Stratosphere,简称UTLS）区。两地区纬向和经向输送的差异均主要由定常涡旋输送所造成。青藏高原地区定常与瞬变输送的强度差异没有北极地区大。此外,两地定常和瞬变输送中涡旋对臭氧纬向平均的输送均起到主要作用,体现出涡旋输送在两地臭氧浓度变化的动力输送过程中发挥着至关重要的作用。     

上对流层-下平流层交换过程研究的进展与展望

上对流层和下平流层(UTLS)区域的高度范围大致为5～20 km.UTLS区域大气成分的分布及变化对于认识气候长期变化也极为重要,因为该区域的臭氧是一种有效的温室气体,其中的水汽、卷云和气溶胶对太阳短波辐射和地球长波辐射有很强的调制作用,因而对于天气和气候变化产生不可忽略的辐射强迫作用; UTLS区域中,还有航空业的飞机排放,强对流云云中与云上闪电产生相当量的NOx,这些都对UTLS区域乃至更高及更低层大气的化学成分与分布产生重大影响.该文介绍上对流层和下平流层区域的交换过程研究的意义和手段,同时介绍有关研究的进展,重点回顾近年来国内一些学者开展的工作.另外,还列举一些研究问题和方向,最后重点展望青藏高原上空上对流层-下平流层区域的研究,因为该地区UTLS交换过程不仅具有显著区域特征,而且在全球平流层-对流层交换中可能有重要贡献.     

Calculation of stratosphere–troposphere exchange in East Asia cut-off lows:cases from the Lagrangian perspective

本文使用三维非绝热朗格朗日轨迹模式OFFLINE3,对春末夏初东亚地区的切断低压所主导的双向平流层-对流层交换(STE)进行定量计算。通过对10个东亚地区切断低压的识别、计算、分析,发现切断低压附近发生平流层向对流层质量通量(STT)与对流层向平流层质量通量(TST)量级相当,但是分布范围不同:STT出现在低压中心西南部,最大通量位置出现在低压中心东南,TST最大值出现在槽前,并且从低压中心向外STT与TST交替分布。从本文所取的切断低压个例而言,切断低压产生的STT质量通量量级为10-4 kg m-2 s-1,促成的STE的净输送方向为从平流层向对流层,量级为10-4 kg m-2 s-1,比全球平均STE质量通量大1–2个量级。     

东亚地区一次切断低压引起的平流层、对流层交换数值模拟研究

用中尺度模式(MM5)模拟研究东亚地区(网格中心45°N,120°E)一次强切断低压过程(2000年4月8日～12日)引起的平流层、对流层交换.用Wei公式计算此次过程由平流层到对流层的净交换量为5.0×1014 kg,平均交换通量为-0.72×10-3 kg m-2 s-1.地面锋与高空锋的相互作用,在急流入口处和高空锋区出现对流层顶折叠,并引起平流层、对流层物质交换,其中空气的水平运动起主要作用.利用历史天气图统计东亚地区(20～70°N,80～180°E)切断低压的年平均个数为60,占北半球极区类型切断低压的52%.由此,推断东亚地区的平流层、对流层交换对整个北半球的平流层、对流层交换贡献很大.     

利用探空资料验证GOME卫星臭氧数据

利用1996年3月-2003年6月部分时段拉萨、西宁、北京3个站的臭氧探空资料验证了GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）卫星臭氧廓线及对流层臭氧柱总量。对比结果表明:在对流层中下层,拉萨和西宁两地GOME与探空的平均偏差小于5%,北京地区平均偏差小于10%;在对流层上层/平流层下层,拉萨和西宁平均偏差小于10%,北京小于20%;在平流层中上层3个站的平均偏差均小于5%。在对流层上层/平流层下层区域,GOME与臭氧探空的平均偏差在北京明显高于拉萨和西宁。3个地区对流层柱总量的平均偏差都在10%以内,表明该资料可用于研究我国对流层臭氧总量的变化规律。同时段的GOME最低层（0~2.5km）月平均臭氧浓度对比结果显示,GOME结果同地面臭氧观测值有很好的相关性,GOME臭氧浓度反映了拉萨、瓦里关、临安地面臭氧浓度的主要变化特征。     

大气臭氧垂直分布变化的模拟研究

利用包括垂直平流、扩散和化学过程的一维平流层—对流层的大气化学模式，通过增加NOx的地面源，发现由于NOx地面源的增强，引起对流层下部臭氧浓度增加，夏季臭氧浓度的增加远大于冬季；通过扩散系数和垂直风速的敏感性试验比较，看出由平流层向对流层输送臭氧的过程中，平流过程的影响可能更重要。     

WACCM3对夏季青藏高原臭氧谷双心结构的模拟性能评估!

利用全大气气候通用模式WACCM3对青藏高原夏季臭氧谷(OV)的双心结构进行了模拟。通过模式输出资料和ERA-interim再分析资料、MLS卫星资料的对比分析,对模式模拟性能进行了评估。结果表明:WACCM3能模拟出青藏高原夏季OV的双心结构,尤其对上对流层下平流层区(UTLS)的OV中心位置模拟较好,强度偏强。平流层上部的OV模拟较差,中心偏东,强度偏强。因为WACCM3对夏季高原邻近地区上空UTLS区的环流尤其是南亚高压模拟较好,而UTLS区的臭氧损耗的主要原因是动力输送作用,所以模拟效果好。上部OV模拟较差的原因主要是环流场模拟不佳导致了氯化物和氮氧化物的分布模拟较差。     

臭氧变化的气候效应——一个回顾

一、引言臭氧-气候问题在近五年内已经引起学者们的广泛注意,其主要原因是人们揭示了这样的可能性:人类活动可以明显地改变现有的大气臭氧浓度。而且,如Ramanathan所总结的,一些研究已经指出:太阳活动可以引起中层大气(即25公里以上的气层)中的臭氧浓度发生较大变化。本文将讨论由于臭氧浓度的波动和变化所能造成对对流层-平流层气候的可能影响。对流层臭氧的变化可以直接通过改变原来的对流层辐射增温率而影响气候,另一方面,平流层中的臭氧变化通过平流层和对流层之间的辐射与动力耦合机制,影响对流层的气候。首先,我们定性阐述这些相关机制的特征;然后,给出臭氧含量变化的各种类型,最后,归纳出考虑了臭氧含量变化之气候效应的模式。     

华南地区春季平流层入侵对对流层低层臭氧影响的模拟研究

利用中尺度大气化学模式WRF/Chem对2013年3月6日华南地区一次平流层入侵事件及其对对流层低层臭氧的影响进行模拟研究。通过加入UBC（Upper Boundary Condition）上边界处理方案,弥补WRF/Chem模式未考虑平流层臭氧化学反应的不足。结合臭氧探空廓线资料、地面O₃、CO、NO_x、相对湿度、温度和风速等观测资料以及再分析资料对模拟结果进行定量评估,结果表明模式能较为真实地模拟本次平流层入侵过程。模拟分析进一步揭示:（1）副热带高空急流是本次平流层入侵的主要原因。当华南地区处在副热带急流入口区左侧下沉区域时,平流层入侵将富含臭氧的干燥空气输送到对流层中低层。（2）本次平流层入侵对对流层低层臭氧收支有重要影响,导致香港地区近地层臭氧体积混合比浓度明显上升,如塔门站夜间臭氧浓度升高21.3 ppb（1 ppb=1×10-9）。地面气象场和化学物种的分析进一步确认了平流层入侵的贡献。（3）采用动力学对流层顶高度时零维箱式模型和Wei公式计算得到的平流层入侵通量相当,分别为-1.42×10-3 kg m-2 s-1和-1.59×10-3 kg m-2 s-1,这一结果与前人研究相吻合,且与采用热力学对流层顶高度计算所得到的结果具有可比性。     

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%。     

1997年和2011年春季北极臭氧损耗事件的对比分析

采用SLIMCAT化学传输模式以及再分析资料,对比分析了1997和2011年北极地区平流层臭氧异常偏低事件及其成因。结果表明,1997和2011年3月北极地区大气臭氧柱总量（TCO）异常值都达到了约-80 DU,并且在30-200 hPa（中下平流层）区域的大气臭氧柱总量异常约占整层大气臭氧柱总量异常的80%。分析表明发生在这两年的极端臭氧偏低事件均可能是由于上一年冬季的拉尼娜事件导致上传的行星波减少,使得北极极涡加强,平流层温度异常偏低,生成了更多极地云,引起更强的臭氧化学损耗导致的。对比这两年的大气臭氧柱总量变化发现,2011年的柱总量减少得更快。2011年北极地区上对流层下平流层（UTLS）区域臭氧下降要明显强于1997年,其主要原因应该是2010-2011冬季的拉尼娜活动更强,北太平洋海温更高,进一步减弱阿留申低压和平流层波活动。这导致2011年极涡温度异常偏低更强烈,形成了更多的极地平流层云甚至出现了第二类极地平流层云,最终加速该年春季的臭氧化学损耗引起的。     

基于探空资料的北京地区大气臭氧垂直分布特征

利用2002年9月至2012年12月北京地区臭氧探空资料分析了大气臭氧的垂直分布特征,重点分析了对流层顶附近区域臭氧的季节变化与变率。结果表明:北京地区对流层臭氧的垂直分布主要表现为随高度递增的特征;臭氧的平均浓度夏季最高,冬季最低,春季和秋季相当,各季节的臭氧浓度在不同高度范围内略有差别。在对流层上层至平流层下层(8—15 km),臭氧浓度的垂直分布与平均浓度受对流层顶高度的影响显著。基于对流层顶相对高度坐标的分析表明,对流层顶下方1—3 km高度的臭氧仍保持了对流层臭氧的垂直分布特征;而在对流层顶高度附近,各季节臭氧浓度均随高度显著增加;由于垂直增速有显著的季节差异,导致臭氧平均浓度在对流层顶上方1—3 km出现明显变化。臭氧浓度归一化标准差表明:在对流层低层,大气臭氧浓度的变率在冬季最强,秋季、春季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱;在对流层顶附近,大气臭氧浓度的变率在春季最强,冬季、秋季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱,其中冬季和春季的强臭氧变率可能与对流层顶附近活跃的大气波动及对流层顶高度的频繁扰动密切联系。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟北大核心CSCD

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

东亚季风及台风过程与臭氧含量变化的关系分析

文中用2001~2015年东亚区域的气压场和对流层顶臭氧含量的资料,选用并计算了最能代表东亚地区季风活动的两种指数,应用统计分析和个例分析的方法,对东亚地域内季风运动及台风过程与臭氧浓度变化的相关性进行了分析。得到如下结论:东亚的夏季风强度指数SMC与对流层顶臭氧含量两者在40°~50°N的高纬度地区有明显的正相关关系,赤道附近存在着负相关区。东亚IWT冬季风指数与对流层顶臭氧含量在南海—西北太平洋的海域有很好的正相关。在对流层上层受台风中心强上升气流影响最频繁的地区臭氧浓度低,而受到台风外围下沉气流影响最多的地区臭氧浓度高。      

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。     

青藏高原地区一次强对流过程中UTLS大气成分分析

青藏高原是对流层水汽和污染物进入平流层的一个重要通道,这些大气成分会对全球气候产生重要影响。利用MLS探测资料和ERA-Interim资料,对2012年7月5日发生在青藏高原中部的一次强对流活动中对流层上部平流层下部(UTLS)H_2O、O_3、CO和IWC的分布特点进行分析,并通过Wei公式估算穿越对流层顶的臭氧和水汽通量。分析结果表明:(1)O_3混合比在100hPa附近相对多年平均略微增加,从0.3×10~(-6)(V)增加到0.9×10~(-6)(V);CO混合比在150hPa以下最大值增加了0.08×10~(-6)(V);H_2O混合比在215hPa附近增加了80×10~(-6)(V);IWC在对流过程中增加明显,在215hPa处的含量最大达到了0.027g/m~3,比多年平均值增加2倍多。(2)对流活动开始前,向上穿过对流层顶的运动逐渐增强,且总的臭氧和水汽通量输送主要由垂直方向的瞬时运动变化贡献。因此高原上的强对流活动对对流层低层大气的抬升作用会使UTLS的大气成分发生相应变化。