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。     

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。     

青藏高原深对流及其在对流层—平流层物质输送中作用的研究进展

深对流能够向上对流层—下平流层（UTLS）输送大量水汽和污染物,对对流层顶的辐射平衡、平流层的臭氧恢复以及全球气候变化都有着重要的影响。近年来,一系列重要的观测事实发现,青藏高原和亚洲季风区是对流层向平流层物质输送（TST）的重要窗口。本文介绍了近年来取得的一些主要进展和成果,包括:（1）通过卫星观测在青藏高原—亚洲季风区上空发现水汽、气溶胶的极大值区和臭氧的极小值区;（2）深对流活动的主要观测途径和通过卫星观测识别深对流的方法;（3）青藏高原深对流向平流层物质输送的物理过程;（4）青藏高原深对流与亚洲季风区、热带海洋地区深对流的结构差异以及不同环境场对深对流物质输送过程的影响。     

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。     

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。     

基于DART +WACCM模式搭建的平流层同化、天气预报和气候预测模型研究

本论文基于WACCM（Whole Atmosphere Community Climate Model）模式最新版本WACCM6和DART（Data Assimilation Research TestBed）同化工具最新版本Manhattan,开发了中高层大气温度、臭氧和水汽卫星资料的同化接口,搭建了一个包含完整平流层过程的数值同化、天气预报和短期气候预测模型（此后简称模型）;本模型对2020年3～4月平流层大气变化进行了同化观测资料的模拟,并以同化试验输出的分析场作为初值,对5～6月的平流层大气进行了0～30天天气尺度预报以及31～60天短期气候尺度预测的回报试验。结果表明:本模型能较好地重现2020年3、4月北极平流层出现的大规模臭氧损耗事件随时间的演变特征,模拟结果和Microwave Limb Sounder（MLS）卫星观测结果很接近;而未进行同化的模拟试验,虽然可以模拟出北极臭氧损耗现象,但是模拟的臭氧损耗规模相比MLS卫星观测结果要低很多;利用同化试验4月末输出的分析场作为初值,预报的5月北极平流层臭氧体积混合比变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5,预测的6月北极平流层臭氧变化只在10～30 hPa之间的区域,与观测之间的差异达到了1 ppm（ppm=10?6）。本模型不但改善了北极平流层化学成分变化的模拟,也显著地提升了北极平流层温度和环流的模拟。本模型同化模拟的3～4月、预报预测的5～6月北极平流层温度和纬向风变化与Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2 （MERRA2）再分析资料结果具有很好的一致性,仅在北极平流层顶部,预报预测的温度和纬向风分别与再分析资料之间的均方根误差（RMSE）约为3 K和4 m s?1。未进行同化的试验模拟的3～4月、预报预测的5～6月北极平流层的温度和纬向风与MERRA2再分析资料之间的RMSE在大部分区域都达到6 K及5 m s?1以上。从全球范围来看,本模型对平流层中低层模拟性能改善最为显著,其预报预测结果与观测值之间的差异,比未进行同化试验的结果,减少了50%以上。     

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

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。     

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%。     

一次南疆强沙尘暴沙尘向平流层上传的事实及模拟

利用NCEP客观分析资料、卫星观测资料和中尺度化学模式(WRF-Chem),对2007年4月17日发生在青藏高原(下称高原)北侧塔克拉玛干沙漠地区的一次沙尘过程进行分析,研究了高原及附近地区沙尘气溶胶从地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制,以及不同粒径沙尘粒子在传输中的差异。结果表明,沙尘粒子的垂直传输高度与背景水平风场的垂直分布特征密切相关,在没有云微物理过程参与的情况下,当高原上空出现深厚南北风交汇,形成穿透对流层顶的上升运动时,源于塔克拉玛干沙漠地区的沙尘气溶胶粒子,能到达高原上空,在辐合上升运动的作用下传输至下平流层,且具有明显的倾斜向上传输的特征。进一步分析表明,到达平流层下层的沙尘在空间上并不与地面沙尘源的位置相匹配。不同粒径的沙尘粒子的传输表现出不同的特征,粒径小的沙尘气溶胶粒子更容易在上升气流的作用下传至下平流层,而粒径8.0μm的沙尘粒子则在重力沉降作用影响下无法传至下平流层。敏感性数值试验结果表明,降低高原地形会使得高原上空沙尘气溶胶粒子向南和向上的传输变弱。     

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.     

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

臭氧洞的形成及防治

大气中臭氧非常稀薄，每１０００万空气分子中平均大约有３个臭氧分子。尽管臭氧量很小但在大气中却超着极其重要的作用。大部分臭氧（大约９０％）存在于地球表面以上大约１０～５０ｋｍ气层中，大气的这一区域称为平流层。平流层臭氧通常称为“臭氧层”，其他臭氧存在于对流层（自地表向上约１０ｋｍ处）。     

1998年青藏高原臭氧低值中心异常及其背景环流场的分析

采用TOMS和SAGE II臭氧卫星观测资料,对1998年青藏高原臭氧低值中心异常变化的过程和垂直结构进行了分析。为了探讨1998年这个低值中心出现异常的原因,利用NCEP/NCAR再分析资料,通过1998年高原附近上空位势场和位温的变化,分析了1998年臭氧低值中心异常期间高原上空对流层上层到平流层下层的流场和垂直运动的变化特征。结果表明,1998年11月,青藏高原上空对流顶比正常年份高,无论是对流层上层还是平流层下层,上升运动都比正常年份强。同时高原上空南亚高压也比正常年份强,于是使得1998年高原上空的强臭氧低值中心一直维持到11月。     

大西洋阻塞高压上层冷中心的成因

基于ERA-40再分析资料以及多尺度子空间变换和多尺度能量分析方法,探讨了大西洋阻塞高压平流层底部冷中心的形成机制,发现该冷中心形成的根本原因为16 d以下(高频尺度)和64 d以上过程(基本气流)向阻高尺度有效位能的正则传输,所获得有效位能在阻高尺度内被输运到西北和东南侧,并转换成动能,起到使阻高强度增加或者维持的作用。这种过程在西北侧表现得尤为明显,这可能是阻高形态不断向西北侧扩展的原因。在传统的认知中,大气有效位能从大尺度向小尺度传输,但本研究发现,阻高发生时,有效位能在平流层底部的传输方向表现为从高频尺度和基本气流尺度同时向阻高尺度传输。此外,前人的研究表明,阻高发展加强之后对流层中阻高动能向有效位能转化使得阻高消亡,而本文的分析表明两种能量的转换方向在平流层底部完全相反——由有效位能向动能转换,起到了使阻高加强或维持的作用。最近的研究表明对流层顶附近的动力学对于阻高的发展和维持非常重要,上述发现增进了对这些动力学深层的了解。     

冬季平流层热源及其对环流的影响

本文采用一个可用于大气定常波数值试验的线性化原始方程三维谱模式,研究了平流层环流对平流层内各种定常大尺度加热分布的响应.相对于北半球冬季纬向对称的基本状态,讨论了大尺度加热分布对冬季平流层大尺度运动的影响.发现平流层大气除受到对流层的热力强迫作用外,还将受到平流层内热源的影响,由于这种热力强迫作用,在平流层出现了1-2波的环流,但对对流层的环流影响却不大.引入臭氧加热率,使我们进一步证实了臭氧做为平流层中重要的增温因子所起的作用.数值试验的结果表明,臭氧对平流层环流的形成和维持,有着重要的贡献.     

青藏高原臭氧谷的分布及其与太阳辐射的关系

使用2005—2015年夏季Aura卫星微波临边探测器(MLS)逐日臭氧观测资料,讨论了夏季青藏高原臭氧低值区的三维分布。研究发现,青藏高原臭氧不仅在对流层顶附近存在着臭氧低值区,而且在平流层上层(20~1 hPa)也存在显著的低值区。高原区上空50%以上的臭氧存在于21.5~1.2 hPa的范围内,因此平流层上层高原臭氧低值对高原臭氧谷来说也很重要。使用合成分析法对MLS夏季北半球昼夜臭氧进行研究,结果表明该低值区仅存在于白天。根据高原区平流层上层臭氧模拟数据的集合经验模态分解,得到IMF4的平均频率为0.09,平均周期为11.1年,正好对应太阳活动最强的周期。说明太阳辐射是影响高原平流层上层臭氧低值中心的一个因素。     

北半球环状模波流相互作用动力学研究进展

总结了国内外学者对于北半球环状模（NAM：Northern Hemisphere Annular Mode）及其活动中心形成原因的研究成果。主要从NAM的天气、气候影响,波流相互作用原理对NAM形成的解释,NAM在北太平洋、北大西洋和北极3个区域活动中心的天气尺度波和行星尺度波活动等方面论述。NAM在对流层的变化与天气尺度波有关,北太平洋和北大西洋两个活动中心是天气尺度波活跃的区域,其峰值区表现为风暴轴,其中北大西洋天气尺度波破碎过程会使得NAM指数急剧变化。NAM在平流层的变化和准定常行星波关系密切,冬季准定常行星波会上传并与高纬平流层纬向流发生相互作用,从而引起北极极涡发生改变。准定常行星波将NAM 3个活动中心有机联系起来：对流层准定常行星波的纬向传播会影响北太平洋风暴轴的位置,而风暴轴的变化会影响下游北大西洋波破碎过程,同时准定常行星波的上传可以影响极涡活动。     

北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化

利用高分辨率的再分析资料ERA40，分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明，对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层，定常波在该区域长年向北输送纬向动量，且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外，在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南，其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层，中心位置相对固定，强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定，但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层，定常波在该区域长年向北输送西风动量，中心位置非常稳定，而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致，并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度，并主导了输送中心的南北移动；后者的作用很小，除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础，而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。     

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。