青藏高原夏季臭氧低谷形成的机理-臭氧输送和化学过程

利用三维化学输送模式(OSLO CTM2)模拟青藏高原夏季臭氧低谷。结果表明：在青藏高原夏季臭氧低谷的形成和变化过程中，动力输送过程起着最主要作用，化学过程部分补偿了输送过程引起的臭氧减少。在动力输送过程中，水平输送在5月份是造成臭氧减少的主要原因，可在6月和7月成为使臭氧增加；垂直平流的作用不断增强，在6月和7月成为臭氧减少的主要因素；对流输送的作用在7月份大幅增加，其引起的臭氧减少可以与净的变化相比，其作用也不可忽视。气相的化学过程引起的臭氧增加的量值有时超过了臭氧的净变化的大小，因此它也起着重要作用。     

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。     

青藏高原臭氧谷极端事件的定义及其特征

利用1979—2016年ERA-interim逐日再分析资料,定义了青藏高原臭氧谷(Ozone Valley over the Tibetan Plateau,OVTP)极端和普通强(弱)事件,并讨论了其特征。结果表明:1) OVTP极端强事件在夏秋季节多发,10月最多,频率达2. 0%; OVTP普通强事件在春夏季多发,7月最多,频率达1. 7%。OVTP极端弱事件在秋冬季多发,12月最多,频率达3. 8%; OVTP普通弱事件在冬季多发,1月最多,频率达2. 0%。2) OVTP极端强事件出现频率显著增加(0. 004%·a~(-1)),极端弱事件出现频率显著减少(-0. 015%·a~(-1))。OVTP普通事件的变化均不显著。3) OVTP极端强事件的面积和强度均在秋季最大,10月达到最大值,面积为4. 3×10~5km~2,强度为1. 5×10~5t; OVTP普通强事件的面积和强度均在夏季最大,7月达到峰值,面积为1. 7×105km~2,强度为4. 1×10~3t。OVTP极端弱事件的面积和强度在春夏较小,4月达到最小值,面积为3. 2×10~4km~2,强度为1. 1×10~2t; OVTP普通弱事件的面积和强度在春夏秋均较小,4月和10月达到极小值,4月面积为2. 5×10~4km~2,强度为68 t,10月面积为2. 2×10~4km~2,强度为97t。4) OVTP极端和普通强事件的面积(强度)均呈显著增大(增强)趋势,极端强事件的面积达2. 5×10~2km~2·a~(-1),强度达2. 5×10~2t·a~(-1),普通强事件的面积达4. 5×10~2km~2·a~(-1),强度达4. 5 t·a~(-1)。极端和普通弱事件的面积(强度)均呈显著减小(减弱)趋势,极端弱事件的面积达-1. 7×10~4km~2·a~(-1),强度达-7. 0×10~3t·a~(-1),普通弱事件的面积达-2. 3×10~3km~2·a~(-1),强度达-2. 7×102t·a~(-1)。     

南亚高压对青藏高原臭氧谷的动力作用

利用臭氧观测光谱仪/太阳紫外线后向散射仪(TOMS/SBUV)的臭氧总量资料和SAGEⅡ臭氧廓线资料计算了青藏高原区纬向偏差(一个量减去该量的纬圈平均值,定义为该量的纬向偏差)臭氧总量的逐月变化和高原区150-50 hPa高度纬向偏差臭氧量的变化,二者相关显著,相关系数为0.977.由于在150-50 hPa高度,夏季青藏高原臭氧谷最强,南亚高压最活跃,因此,青藏高原臭氧谷与南亚高压可能存在联系.在运行WACCM3模式时,将青藏高原地形高度削减至1500 m,在150-50 hPa高度南亚高压和青藏高原臭氧谷仍存在;该高度上南亚高压强度变小,青藏高原臭氧谷也减弱;南亚高压季节移动发生改变,青藏高原臭氧谷季节变化也随之改变.因此,推测南亚高压可能对青藏高原臭氧谷有重要作用.接着分析了模式输出的青藏高原区经向、纬向和垂直方向的臭氧输送.在南亚高压季节变化的不同阶段和不同方向上,环流对青藏高原臭氧谷的作用明显不同.150-50 hPa,南亚高压上高原时,纬(经)向输送使青藏高原臭氧谷加深(变浅),垂直输送在低(高)层使青藏高原臭氧谷加深(变浅),总的动力作用使青藏高原臭氧谷减弱;南亚高压稳定在高原上空时,纬(经)向输送使青藏高原臭氧谷变浅(加深),垂直输送在中(底和顶)层使青藏高原臭氧谷加深(变浅),总的动力作用使青藏高原臭氧谷加深;在南亚高压从高原撤退时,纬(经)向作用使青藏高原臭氧谷加深(变浅),垂直作用使青藏高原臭氧谷变浅,总的动力作用使青藏高原臭氧谷中(底和顶)层加深;当南亚高压移至热带太平洋时,南亚高压对高原区臭氧影响较弱.     

青藏高原夏季对流云微物理特征和降水形成机制

青藏高原对我国天气、气候和水循环过程有重要影响。利用第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）2014年7月在那曲地区的飞机观测数据,研究青藏高原夏季对流云和降水的微物理特征及降水形成机制。飞机探测的云系主要为初生或发展阶段的冰水混合云,云滴数浓度低于平原、海洋地区1~2个量级,云内存在大量大云滴和雨滴,过冷水含量高。大粒子（D≥50 μm）数浓度量级为100~101 L-1,云内上升气流速度集中在1~4 m·s-1。青藏高原云滴谱主要呈双峰型,云内冰相粒子多为密实、不透明的霰粒子,云内凇附过程显著。云内暖雨过程产生的大云滴和雨滴有利于冰相过程,尤其是凇附过程的产生,使得青藏高原云更易产生降水。此外,残留云系与对流云有着较为类似的微物理特征。     

盛夏青藏高原上空高压形成和维持的动力机制

本文首先分析了盛夏青藏高原上空出现的一种不同于平均状态的所谓“上高下高”结构,即100hPa到500hPa各层等压面上都有高压存在。并指出这种高压过程的形成和维持是黄河上游地区和西北地区东部干旱少雨的典型环流型。然后,用简单的定常正压线性模式讨论了高压过程在高原上空形成和维持的动力机制,分析结论与中美高原试验资料和高原台站常规资料等实况演变比较一致。     

夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布的观测研究

对流层臭氧垂直分布变化对气候环境有重要的影响,然而观测数据一直较为稀缺。利用2016年7月下旬—8月青海省格尔木市对流层臭氧探空观测资料开展夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布变化特征及其形成机制的大气背景研究。结果表明,在大气背景的转换下对流层臭氧垂直分布整体上呈现高（低）臭氧与低（高）水汽和高（低）位势涡度的对应。除7月25—27日高空低压槽过境导致的平流层向下输送使对流层臭氧浓度升高明显外,阻塞暖高压反气旋和源自青藏高原主体地区的强对流天气过境也对对流层臭氧分布有影响:阻塞暖高压在观测点东北部形成后导致7月31日至8月8日格尔木对流层连续出现罕见东风,但对流层臭氧浓度仅在8月2日因东北—西南方向反气旋切变而出现较高值,其中6 km高度以下则因为东风输送而出现高臭氧、高比湿的污染性气团;强对流天气过境影响使得8月12—14日10 km高度以上出现臭氧最低值和比湿最高值。与西宁历史夏季（1996年7—8月初）臭氧探空测值比较,格尔木对流层臭氧浓度8月偏低,该特征与季风影响青藏高原纬度最高地区所在月份一致。与林芝（2014年7月）、那曲（2011年7月末—8月中旬）和拉萨（1998年8月）历史夏季臭氧探空测值比较发现,纬度效应对青藏高原地区对流层臭氧浓度有影响。      

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析，研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的 ＥＮＳＯ信号，并与同纬度无山区及赤道地区进行比较。研究指出：在 Ｅ１ Ｎｉｎｏ年（ＳＯＩ指数为负）青藏高原臭氧总量增加，在 Ｌａ Ｎｉｎａ年（ＳＯＩ指数为正）青藏高原臭氧总量减小。本文同时讨论了与ＥＮＳＯ事件有关的大气环流物质输送。     

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析,研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的ENSO信号,并与同纬度无山区及赤道地区进行比较.研究指出:在ElNino年(南方涛动指数为负),青藏高原臭氧总量偏大,在LaNina年(南方涛动指数为正),青藏高原臭氧总量偏小.同时讨论了与ENSO事件有关的大气环流物质输送.     

拉萨地区1998年夏季臭氧总量及垂直廓线的观测研究

该文根据1998年6~10月上旬在拉萨地区进行的臭氧总量及臭氧垂直廓线的观测结果, 并结合同期同纬度其他两个臭氧站数据资料, 证实了以拉萨地区为代表的青藏高原在夏季存在“臭氧低谷”的现象.分析表明, 地基和卫星观测的臭氧总量有一定误差. Umkehr观测反演结果表明夏季拉萨地区平流层臭氧分布和同纬度其他地区相比略有不同; 在对流层, 探空资料显示了该地区对流层臭氧有低值分布的特征.     

Evaluating the Ozone Valley over the Tibetan Plateau in CMIP6 Models

Total column ozone (TCO) over the Tibetan Plateau (TP) is lower than that over other regions at the same latitude, particularly in summer. This feature is known as the “TP ozone valley”. This study evaluates long-term changes in TCO and the ozone valley over the TP from 1984 to 2100 using Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). The TP ozone valley consists of two low centers, one is located in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), and the other is in the middle and upper stratosphere. Overall, the CMIP6 models simulate the low ozone center in the UTLS well and capture the spatial characteristics and seasonal cycle of the TP ozone valley, with spatial correlation coefficients between the modeled TCO and the Multi Sensor Reanalysis version 2 (MSR2) TCO observations greater than 0.8 for all CMIP6 models. Further analysis reveals that models which use fully coupled and online stratospheric chemistry schemes simulate the anticorrelation between the 150 hPa geopotential height and zonal anomaly of TCO over the TP better than models without interactive chemistry schemes. This suggests that coupled chemical-radiative-dynamical processes play a key role in the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models underestimate the low center in the middle and upper stratosphere when compared with the Microwave Limb Sounder (MLS) observations. However, the bias in the middle and upper stratospheric ozone simulations has a marginal effect on the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models predict the TP ozone valley in summer will deepen in the future.     

Features of ozone mini-hole events over the Tibetan Plateau

Based on TOMS total ozone data and SCIAMACHY ozone profile data, climatology of the ozone minihole events over the Tibetan Plateau and ozone vertical structure variations during an ozone mini-hole event in December 2003 are analyzed. The analyses show that before 1990 ozone mini-hole events only occurred in November–December of 1987 but that the number of events increases after 1990. These events only occur from October through February, with maximum occurrence frequency in December. During the event in Dec...     

非均相化学过程在青藏高原臭氧低谷形成中的作用

分析SAGE II资料发现:青藏高原对流层顶最高不超过17.6 km,夏季平均在17 km以下:来自对流层中低层的物质很少能被输送到17.5 km以上,来自对流层中低层的输送不会长时间持续地影响17.5 km以上的区域。青藏高原以及同纬度地区在15 20 km高度温度低于210 K,非均相化学反应可能在此起着重要作用。夏季青藏高原臭氧低谷的形成高度主要是15—20km,而且是长时间持续性的。分析结果显示:15—20km非均相化学过程在夏季青藏高原臭氧低谷的形成中可能起重要作用,特别在17.5—20km高度其所起的作用可能是主要的;而在17.5 km以下,从以往的研究可以知道青藏高原的动力和热力作用对夏季青藏高原臭氧低谷的形成起着主要作用。在春季和秋季,青藏高原上15—20km的臭氧"亏损"也可能是由于非均相化学过程造成的,使得青藏高原臭氧低谷每年从4月持续到10月。并且,影响非均相化学过程的主导因素可能是温度。     

Study on Ozone Change over the Tibetan Plateau

This paper reviewed the main results with respect to the discovery of low center of total column ozone (TCO) over the Tibetan Plateau (TP) in summer, and its formation mechanism. Some important advances are summarized as follows: The fact is discovered that there is a TCO low center over the TP in summer, and the features of the background circulation over the TP are analyzed; it is confirmed that the TP is a pathway of mass exchange between the troposphere and stratosphere, and it influences the TCO low center over the TP in summer; models reproduce the TCO low center over the TP in summer, and the formation mechanism is explored; in addition, the analyses and diagnoses of the observation data indicate that not only there is the TCO low center over the TP in summer, but also TCO decrease trend over the TP is one of the strong centers of TCO decrease trend in the same latitude; finally, the model predicts the future TCO change over the TP.     

夏季青藏高原对流层温度与西北太平洋副热带地区降水的关系

利用1979—2016年CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project)的降水数据以及ERA-Interim再分析资料,通过统计方法研究了夏季青藏高原地区对流层中上层温度年际变率与同期西北太平洋副热带地区降水的关系及其相关的物理过程。结果表明,在年际变化尺度上,夏季高原对流层温度与同期西北太平洋副热带地区降水存在显著的正相关,即当高原对流层温度偏高时,西北太平洋副热带区域的降水偏多,反之亦然。分析研究指出,当夏季高原对流层温度偏高时,高原上空南亚高压显著增强并且向东扩展至日本地区,高原北部对流层出现异常的上升运动,这一异常上升气流随着高度增加逐渐北偏,并在中高纬度地区沿着异常西风气流向东扩展至日本地区,随后向南下沉至日本南部;受该异常下沉运动影响,日本南部对流层低层出现异常反气旋,其东侧的异常北风与西北太平洋低层的异常气旋、反气旋环流存在紧密联系。西北太平洋地区这种异常环流特征为西北太平洋副热带区域的降水提供了有利的动力和水汽条件,从而使该区域降水增多。     

青藏高原、中国东部及北美副热带地区夏季降水系统发生频次的TRMM资料分析

利用1998—2011年夏季（6—8月）TRMM卫星资料分析青藏高原（TP）、中国东部（EC）及北美副热带西部（WNA）和东部（ENA）降水系统的发生频次,定义降水系统为TRMM测雨雷达观测到近地面有降水的相邻像元组成的个体,即RPF （Radar Precipitation Feature）,将RPF分为全体RPF、大面积RPF（面积＞1000 km2）和小面积RPF（面积不＜400 km2）3组,对比分析四个区域内各组的RPF个数发生频次和RPF像元个数发生频次,主要结果如下：（1）全体RPF的个数发生频次在青藏高原地区最高,北美东部地区最低;全体RPF的降水像元个数发生频次在中国东部最高,青藏高原最低。（2）四个区域内RPF发生频次的日变化主要为单峰结构,峰值出现在当地午后至傍晚,且大面积RPF的峰值时间晚于小面积RPF的;中国东部地区RPF降水像元个数发生频次则具有双峰结构。（3）RPF降水像元个数发生频次的分析结果与以往基于地面观测降水量的分析结果相似。     

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.