近30年青藏高原臭氧总量亏损的可能原因及其与对流层顶高度的联系

基于总臭氧测绘光谱计TOMS和太阳向后紫外线散射仪SBUV结合得到的30年(1979-2008年)全球月平均臭氧总量资料,首先分析了近30年青藏高原(下称高原)上空臭氧总量的下降趋势,然后讨论了高原动力抬升作用对臭氧总量的影响,最后探讨了高原臭氧总量亏损与高原对流层顶高度的联系。结果表明,高原臭氧总量及其下降趋势均存在着明显的季节差异,与同纬度非高原区相比,高原地区各月的臭氧总量均偏低,特别是在3-9月臭氧亏损严重;近30年高原地区臭氧总量在各季节均呈现出下降趋势,除了秋季外,其下降幅度均超过同纬度其他地区;春、夏季高原动力抬升有利于对流层低浓度的臭氧含量向平流层输送,从而导致高原臭氧总量的减少。近30年春、夏季高原臭氧总量亏损与夏季高原第二对流层顶高度的抬升存在着密切关系。     

青藏高原两类对流层顶高度的季节变化特征

根据青藏高原地区14个探空站近30 a（1979—2008年）的对流层顶逐日观测资料,分析了该地区上空热带对流层顶（第二对流层顶）和极地对流层顶（第一对流层顶）出现的频率及高度的季节变化特征。结果表明：（1）高原全年均可观测到第二对流层顶,其中在暖季（6—10月）第二对流层顶占绝对主导地位,而在其余月份则以复合对流层顶为主;（2）两类对流层顶高度在季节变化上存在着明显的差异,第一对流层顶高度在春秋（夏冬）季偏高（低）,第二对流层顶高度在春夏（秋冬）季偏高（低）,即第一（二）对流层顶高度的年变化曲线呈双（单）峰型;（3）两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,第一（二）对流层顶高度除秋季存在准3.6 a（6 a）的周期变化外,其余季节均具有4.5~6 a（2~4 a）的振荡周期;（4）近30 a来高原第一（二）对流层顶主要表现出下降（上升）的趋势,尤其是第二对流层顶高度在冬、春季存在着明显的上升趋势。     

甘肃省对流层顶高度的季节变化特征分析

根据甘肃省8个探空站25年(1980—2004年)的对流层顶观测资料,分析了第一对流层顶和第二对流层顶高度的季节变化特征,结果表明:(1)全省各站全年各月均可观测到复合对流层顶,两类对流层顶存在着明显的季节差异,冬(夏)季以第一(二)对流层顶为主。(2)第一对流层顶的平均高度在春、秋(冬、夏)季相对较高(低),年变化曲线呈双峰型;第二对流层顶的平均高度在春、夏(秋、冬)季相对较高(低),年变化表现出单峰型。(3)两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,除秋季外,各个季节第一(二)对流层顶普遍存在5～6 a(准3 a)的周期振荡。(4)近25年来甘肃省两类对流层顶主要以上升趋势为主,特别是在夏季两类对流层顶高度均存在明显的上升趋势。     

青藏高原及附近区域穿越对流层顶的质量和臭氧通量研究

利用等熵坐标下的Wei公式对青藏高原及附近地区穿越动力学和热力学定义下对流层顶的质量和臭氧通量的时空分布变化进行了计算分析。结果表明,采用这两种定义下的对流层顶时,穿越对流层顶的质量和臭氧通量都表现出在热带纬度带为TST通量,到了副热带则转换为STT通量。由于热力学定义下的对流层顶位置稍高,造成了穿越热力学对流层顶的质量和臭氧通量变化幅度大于动力学对流层顶的情况。另外,还发现在所研究的区域穿越对流层顶质量和臭氧通量交换具有明显的年代际变化特征,在1958—2001年时段内交换是先减弱后增强。青藏高原南部及南侧地区向上的质量和臭氧输送经历了逐渐减弱过程,青藏高原北部地区向下的质量和臭氧通量交换也表现为逐渐减弱的过程,这些区域作为通量输送的通道作用是在减弱的。而接近青藏高原西北侧的塔里木盆地附近的向上输送则是逐渐加强的,表明这一区域交换通道作用在青藏高原及附近地区的质量和臭氧交换过程中起着越来越重要的作用。     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

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。     

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.     

青藏高原两类对流层顶频率的季节分布特征及其与同纬度地区的差异

基于1979~2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法,计算出北半球两类对流层顶(热带对流层顶和极地对流层顶)频率数据。对比分析了青藏高原与同纬度地区两类对流层顶频率在季节变化上的差异,并讨论了青藏高原两类对流层顶频率分布与高空温度的关系。结果表明:1)依据温度递减率插值法计算出的再分析两类对流层顶频率可以反映青藏高原两类对流层顶频率季节变化特征:热带对流层顶全年频率高,冷、暖季节差异不明显;极地对流层顶盛夏频率极低,冷、暖季节差异明显。与极地对流层顶频率相比,青藏高原热带对流层顶频率的可信度更高。2)青藏高原和同纬度地区热带(极地)对流层顶频率在暖季增加(减少),在冷季减少(增加)。相比同纬度地区,青藏高原热带(极地)对流层顶频率在冬季偏少(多),其他季节偏多(少)。青藏高原两类对流层顶频率等值线的梯度更大,表明青藏高原对流层顶更易断裂。3)青藏高原两类对流层顶频率与高空温度关系密切。青藏高原对流层中上层(平流层下部)温度升高(降低),有利于青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少,反之亦然。     

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.     

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。      

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

1998年夏季青藏高原及其邻近地区地面总热源季节变化特征及其与西太平洋副热带地区对流的关系

利用98’TIPEX实验资料、1998年5-8月青藏高原6个自动热量平衡站(AWS)资料、青藏高原常规观测资料、中国300多个站的逐日降水资料、国家卫星中心接收的1998年5-8月OLR和日本GMS的TBB资料,研究了1998年5-8月青藏高原及其邻近地区逐日地面总热源的季节变化特征及其与西太平洋副热带地区对流的关系。结果表明:高原地面总热源与高原雨季开始有密切关系,高原雨季开始以后,高原平均的地面总热源明显减小;高原平均的地面总热源与20—30°N附近的西太平洋副热带地区的TBB有很好的负相关关系,表明高原地面总热源可以通过某种机制影响副热带地区的对流。     

青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶质量通量的时空演变特征

利用1958~2001年ECMWF资料, 根据Wei公式估算了青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶的质量通量 (CTF), 分析了CTF的时空分布特征。分析结果表明: (1) CTF分布呈现纬向型, 在副热带西风急流北侧即对流层顶断裂带中存在东西向的TST (对流层向平流层输送)[CD*2]STT (平流层向对流层输送)[CD*2]TST的波列结构 (水平输送项决定), 而南侧分布决定于垂直输送项。 (2) 在80°E~105°E范围内, 冬春季节, 青藏高原南部及其以南区域为TST, 北部为STT; 夏秋季节, 整个区域几乎由TST所控制。西风急流南侧的CTF主要决定于垂直项, 而北侧主要决定于水平项, 再往北, 垂直项与水平项贡献相当。 (3) 青藏高原与孟加拉湾区域平均CTF在所有季节均为TST, 即有从对流层到平流层净的向上输送, 2月强度最大, 7月为另一个极大值; 两个极大值有不同的产生机制, 后者决定于垂直项, 而前者由水平项决定。 (4) 青藏高原 (及孟加拉湾) 区域年平均CTF在1958~2001年之间的变化趋势在1982年左右出现一个转折: 1982年之前, CTF为递减过程; 而之后CTF为相对较强的增长。上述结果表明: 尽管冬季高原上空为下沉气流, 但高原上空的水平输送项有很强的向上贡献, 这与丛春华等 (2003) 得出的STT不一致。但需要指出的是, 根据Wei公式计算的CTF, 〖JP2〗尤其在急流附近, 对资料中存在的误差十分敏感 (Gettleman等, 2000), 因此青藏高原主体上空在冬季是STT还是TST, 有待于进一步的分析研究。     

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...     

Dynamic Effects of the South Asian High on the Ozone Valley over the Tibetan Plateau

In this study, the TOMS/SBUV (Total Ozone Mapping Spectrometer/Solar Backscatter Ultraviolet Radiometer) data and SAGE (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) II data were employed to calculate the monthly total zonal ozone deviations over the Tibetan Plateau and the 150?C50-hPa zonal ozone variations. The results show that there is a significant correlation between the two, with a correlation coefficient of 0.977. From 150 to 50 hPa, the ozone valley over the Tibetan Plateau (OVTP) becomes the strongest based on the SAGE II data, and the South Asian high (SAH) is the most active according to the 40-yr reanalysis data of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ERA40), so a correlation between the SAH and the OVTP may exist. The WACCM3 (Whole Atmosphere Community Climate Model version 3) simulation results show that both SAH and OVTP could still present within 150?C50 hPa with reduced strength even when the height of the Tibetan Plateau was cut down to 1500 m. It is also shown that the seasonal variation of SAH would result in a matched seasonal variation of the OVTP, which suggests a meaningful effect of SAH on the OVTP. Meanwhile, it is found that the atmospheric circulation would impose different effects on the OVTP, depending on the SAH??s evolution stages and movement directions. At 150?C50 hPa, as the SAH approaches the plateau, the SAH zonal (meridional) transport would make the OVTP deeper (shallower), while the vertical transport of ozone produces a deeper (shallower) OVTP at the lower (higher) level; the combined dynamic effects lead to a weakened OVTP. When the SAH stabilizes over the plateau, the zonal (meridional) transport results in a shallower (deeper) OVTP while the vertical transport would create a deeper (shallower) OVTP at the middle (bottom and top) levels; the combined dynamic effects produce a deeper OVTP. As the SAH retreats from the plateau, the OVTP becomes deeper (shallower) under the zonal (meridional) effect or shallower under the vertical effect; the combined dynamic effects contribute to a deeper (shallower) OVTP at the middle (bottom and top) levels. The SAH would have a weak effect on the OVTP over the plateau when positioned over the tropical Pacific.     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

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)。     

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.