低纬地区平流层准零风层时空分布特征分析

利用ERA-Interim逐日再分析资料,使用EOF（Empirical Orthogonal Function）等统计方法,分析了中国低纬地区平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）的时空分布特征,旨在为平流层飞艇寻找合适的运行区域及时段。低纬地区QZWL主要受到热带平流层大气环流季节性变化和平流层准两年振荡（Quasi-BiennialOscillation,QBO）的影响。在二者共同作用下,低纬地区QZWL高概率带可分为南北两支:“北支”出现在10月至次年4月间,QBO东风位相时期,“北支”中心纬度基本维持在20°N附近,西风位相时期,“北支”中心纬度随高度降低南移明显;“南支”仅出现在QBO西风位相期间,5~11月在5°N附近,其余时段与“北支”合并,可以认为是“北支”向南延伸。通过对比海口站和南沙站Weibull概率密度函数与风速资料的拟合结果,表明Weibull分布可以很好拟合不同QBO位相下平流层逐月风速频率分布,根据Weibull分布计算特定的累积概率风速值,可以作为选取适宜平流层飞艇运行的低风速风场的判据。海口站30~50 hPa高度11月至次年4月、南沙站50~70 hPa高度QBO西风位相时期全年均较为适合平流层飞艇运行。     

平流层准零风层统计特征及准两年周期振荡对其影响分析

根据形成机制的不同将平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）划分为由平流层准两年周期振荡（Quasi-Biennial Oscillation,QBO）各高度处于不同位相形成的第一类QZWL和由于平流层低层经向温度梯度逆转而形成的第二类QZWL;利用ERA-40再分析资料分析了两类QZWL在不同季节中空间结构的变化规律,讨论了平流层QBO对两类QZWL年际变化产生的影响。研究结果表明：第一类QZWL集中出现在冬季赤道附近地区,第二类QZWL在夏季热带外地区和冬季20°N～40°N太平洋地区上空;QZWL夏季高度比冬季低约3 km,夏季QZWL出现高度比冬季稳定,约在50～70 hPa之间;由于受到QBO的直接影响,第一类QZWL出现的高度和纬度范围存在明显的年际变化,第二类QZWL受到QBO的影响主要体现在QBO西风位相年和东风位相年相比,冬季20°N～40°N范围内存在第二类QZWL的概率较高。     

NOx的准两年周期变化及其与臭氧准两年周期振荡的关系Ⅰ.资料分析

利用1992～2000年HALOE的观测资料,分析了平流层NPx(这里是指NO和NO2)混合比的垂直经向分布结构、季节变化和年际变化,并与O3混合比的年际变化进行比较.结果表明:(1)在各纬度平流层NOx混合比的垂直结构基本相似,从平流层下层向上随高度增加,分别在1～2hPa(NO)和5～10 hPa(NO2)达到极大值,再向上NOx混合比随高度减小.另外,NO混合比在1.0×l0-5hPa高度附近还有一个极值区.在平流层下层,它们的极值区下方,NOx混合比基本从热带向两极增大.NO混合比在平流层位于1～2 hPa之间有一个高值区,在1.0×10-5hPa附近还有一个更大的极值.而NO2只有一个浓度高值区,位置在5～10 hPa.(2)NOx混合比在中低纬的高度分布和经向分布上都存在准两年周期振荡(简称QBO).NO2的QBO较NO更明显,赤道上空的NOx的QBO最明显,北半球NOx的QBO较南半球更明显,而20～5hPa的NOx的QBO又较其他气层更明显.(3)在热带30 km以上,NOx的QBO与O3混合比的QBO位相相反;而中纬地区及30 km以下的热带,它们有一个位相差,但不完全相反.     

准两年振荡对大气中微量气体分布的影响

NCAR的包含化学、辐射、动力相互作用的两维模式（SOCRATES）移植回国后进行了初步的模拟试验,用以研究某些对环境问题重要的微量气体的化学、辐射、动力传输过程。在不考虑极地平流层云和气溶胶表面非均相化学等情况下,模式积分多年,计算结果稳定,模拟的风场、温度场显示出正常的季节变化,模拟的微量气体分布与卫星实测资料对照,结果也比较一致。为了探讨热带平流层风场的准两年周期振荡（QBO）对平流层微量气体分布的影响,我们做了QBO强迫的数值试验,即在模式中加入QBO强迫,并与不考虑QBO强迫的模拟结果对比。结果表明,QBO与其相关的次级环流所引起动力输送的变化,使平流层微量气体分布发生变化。     

NO_x的准两年周期变化及其与臭氧准两年周期振荡的关系 I.资料分析

利用 1 992～ 2 0 0 0年HALOE的观测资料 ,分析了平流层NOx (这里是指NO和NO2 )混合比的垂直经向分布结构、季节变化和年际变化 ,并与O3混合比的年际变化进行比较。结果表明 :( 1 )在各纬度平流层NOx混合比的垂直结构基本相似 ,从平流层下层向上随高度增加 ,分别在 1～ 2hPa (NO)和 5～ 1 0hPa (NO2 )达到极大值 ,再向上NOx混合比随高度减小。另外 ,NO混合比在 1 0× 1 0 - 5hPa高度附近还有一个极值区。在平流层下层 ,它们的极值区下方 ,NOx混合比基本从热带向两极增大。NO混合比在平流层位于 1～ 2hPa之间有一个高值区 ,在 1 0× 1 0 - 5hPa附近还有一个更大的极值。而NO2 只有一个浓度高值区 ,位置在 5～ 1 0hPa。 ( 2 )NOx混合比在中低纬的高度分布和经向分布上都存在准两年周期振荡(简称QBO)。NO2 的QBO较NO更明显 ,赤道上空的NOx的QBO最明显 ,北半球NOx 的QBO较南半球更明显 ,而 2 0～ 5hPa的NOx的QBO又较其他气层更明显。 ( 3)在热带 30km以上 ,NOx的QBO与O3混合比的QBO位相相反 ;而中纬地区及 30km以下的热带 ,它们有一个位相差 ,但不完全相反     

准两年振荡及其对东亚大气环流和气候的影响

通过多年资料分析,本文研究了平流层准两年振荡(QBO)的演变特征及其对东亚及西太平洋地区大气环流和气候变化的影响.结果表明,平流层QBO的演变特征是:东风向西风转换最早出现在印度洋赤道地区;西风向东风转换最早出现在美洲和西太平洋赤道地区.中国东部降水量、气温以及西太平洋副高和东亚急流都有准两年周期变化,并同平流层QBO有密切关系;平流层QBO对西太平洋台风活动也有一定影响,QBO的西风位相期西太平洋台风偏少.另外,ENSO对于平流层QBO有明显影响,一般在ENSO发生之后,QBO的西风位相期持续时间缩短.     

热带平流层与对流层之间相互作用的研究进展

以热带平流层和对流层大气中的准两年振荡和ENSO现象,以及热带平流层和对流层交换（STE）过程为主轴,介绍了热带平流层和对流层大气相互作用方面的一些研究进展。众多的研究结果表明,平流层准两年振荡（QBO）和对流层准两年振荡（TBO）存在潜在联系,但二者之间相互作用的物理机制还不是很清晰。QBO对平流层大气中化学成分的空间分布具有显著的影响,但其中的化学-辐射-动力反馈作用目前还未得到充分的研究。以往的研究提供了ENSO影响热带平流层大气令人信服的证据,但影响的程度和范围还未形成一个共识,其中一个原因是平流层内的ENSO信号受到火山喷发和太阳活动的干扰。一些研究指出ENSO事件通过改变行星波的强度和传播对极地平流层大气产生影响,而平流层过程也会对ENSO的发生、发展和演变产生影响,但其可靠性需要进一步的确证。目前,一个较一致的结论是全球变暖会导致热带上涌增强,STE加快。然而,影响热带STE的大气过程较多,特别是季风系统和热带深对流系统对STE的贡献还需要深入的分析研究。      

中部型ENSO和平流层准两年振荡对冬季北半球平流层臭氧的联合调制作用

利用观测和再分析资料通过合成分析方法,研究了中部型ENSO和平流层准两年振荡（QBO）对冬季北半球平流层臭氧的独立影响和联合调制作用。研究表明,北半球平流层臭氧在中部型厄尔尼诺年增加,而在中部型拉尼娜年减少;准两年振荡东风位相年份,北半球平流层臭氧增加,准两年振荡西风位相结果则相反。相比之下,北半球中、高纬度平流层臭氧异常对准两年振荡活动的响应明显小于其对ENSO活动的响应。进一步研究发现,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件引起的北半球平流层臭氧的增加,而减弱中部型拉尼娜事件造成的平流层臭氧的减少。在准两年振荡西风位相下,中部型厄尔尼诺事件仅导致北半球平流层臭氧含量少量升高,而中部型拉尼娜事件期间臭氧会大幅度减少。因此,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件对北半球平流层臭氧的影响,而减弱中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。准两年振荡西风位相会减弱中部型厄尔尼诺而加强中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。      

热带平流层臭氧准两年周期振荡的特征及数值模拟

利用HALOE的观测资料、对热带地区平流层臭氧垂直分布的年际变化及其准两年周期振荡（QBO）进行研究，并同赤道上空平均的纬向风场的准两年周期振荡进行了模拟研究。资料分析结果表明，平流层臭氧浓度高值区的位置在南北方向上和垂直方向上的有明显的准两年周期，臭氧浓度高值中心的南北移动和上下移动又引起局地臭氧总量的周期性变化和准两年周期振荡南北半球不对称。而臭氧浓度中心位置的准两年周期变化与赤道上空平均纬向风的准两年周期振荡密切相关。资料分析还表明，赤道上空平流层中臭氧浓度QBO的位相随高度变化多次。模拟试验表明，纬向风QBO引起垂直经圈环流的变化，在平流层有三对余差环流圈。它们对O3在不同纬度和高度的输送是引起O3准两年周期振荡的重要动力原因。其中，余差环流在平流层中层（25－35km)的环流圈起着重要的作用。     

NO_x的准两年周期变化及其与臭氧准两年周期振荡的关系 II.模拟研究

利用NCAR的包含化学、辐射、动力相互作用的二维模式就纬向风的准两年周期振荡 (简称QBO)对平流层微量元素分布的影响进行数值模拟试验。模拟中 ,输入纬向风QBO的值 ,计算出NOx、臭氧浓度和各种气象要素的垂直经向分布 ,并与不考虑QBO强迫的数值模拟结果进行对比。在第I部分HALOE资料分析的基础上 ,进一步讨论了在纬向风QBO的影响下NOx浓度垂直分布的变化及其准两年周期振荡 ,并研究了NOx的QBO与臭氧QBO的关系。结果表明 :模拟六年平均的NOx混合比分布与观测结果基本一致 ,并且在纬向风场QBO强迫下 ,NOx混合比扰动有明显的准两年周期振荡 ;与臭氧的QBO比较 ,发现在2 8km以下 ,NOx的QBO与臭氧QBO同位相 ,而在 2 8km以上 ,它们则是反位相 ,与HALOE资料的观测结果基本吻合。文中对模拟得到的由于风场QBO引起的余差环流输送作用做了进一步的分析 ,并讨论了在不同高度的气层中余差环流的输送作用与NOx破坏作用在臭氧QBO形成中的相对重要性     

HCl Quasi-Biennial Oscillation in the Stratosphere and a Comparison with Ozone QBO

1. Introduction The quasi-biennial oscillation (QBO) of the mean zonal wind in the equatorial stratosphere was discov- ered by Reed et al. (1961) and Veryard and Ebdon (1961). Later, Funk and Garnham (1962) and Ra- manathan (1963) were the first to descri…     

Connection of stratospheric QBO with global atmospheric general circulation and tropical SST. Part I: methodology and composite life cycle

The stratospheric quasi-biennial oscillation (QBO) and its association with the interannual variability in the stratosphere and troposphere, as well as in tropical sea surface temperature anomalies (SSTA), are examined in the context of a QBO life cycle. The analysis is based on the ERA40 and NCEP/NCAR reanalyses, radiosonde observations at Singapore, and other observation-based datasets. Both reanalyses reproduce the QBO life cycle and its associated variability in the stratosphere reasonably well, except that some long-term changes are detected only in the NCEP/NCAR reanalysis. In order to separate QBO from variability on other time scales and to eliminate the long-term changes, a scale separation technique [Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD)] is applied to the raw data. The QBO component of zonal wind anomalies at 30?hPa, extracted using the EEMD method, is defined as a QBO index. Using this index, the QBO life cycle composites of stratosphere and troposphere variables, as well as SSTA, are constructed and examined. The composite features in the stratosphere are generally consistent with previous investigations. The correlations between the QBO and tropical Pacific SSTA depend on the phase in a QBO life cycle. On average, cold (warm) SSTA peaks about half a year after the maximum westerlies (easterlies) at 30?hPa. The connection of the QBO with the troposphere seems to be associated with the differences of temperature anomalies between the stratosphere and troposphere. While the anomalies in the stratosphere propagate downward systematically, some anomalies in the troposphere develop and expand vertically. Therefore, it is possible that the temperature difference between the troposphere and stratosphere may alter the atmospheric stability and tropical deep convection, which modulates the Walker circulation and SSTA in the equatorial Pacific Ocean.     

A comparison of reanalyses in the tropical stratosphere. Part 2: the quasi-biennial oscillation

 Reanalysis datasets potentially offer the opportunity to examine the tropical quasi-biennial oscillation (QBO) in greater detail than in the past, including the associated meridional circulation and the links with other parts of the atmosphere. For such studies to be useful, the QBO represented by the reanalyses should be realistic. In this work, the QBO in the ERA and NCEP reanalyses is validated against rawinsonde observations from Singapore. Monthly mean data are used. In the lower stratosphere (at 50 hPa and 30 hPa) the ERA QBO is reasonable, although the wind extrema in both phases are too weak and the vertical shear and the temperature anomalies are too small. The NCEP QBO is weaker still. At 10 hPa neither reanalysis system performs well, both systems failing to reproduce the westerlies, possibly because of the proximity of the upper boundary. The Singapore wind is representative of the zonal means in the reanalyses. The weak wind extrema in the reanalyses would not support a wave-mean flow interaction theory of the QBO, because a large portion of the gravity wave spectrum which would be absorbed in reality would be transmitted beyond 10 hPa. The stronger shear zones captured in the ERA data are associated with larger, more realistic temperature perturbations near 30 hPa. The northward velocities in the NCEP data show a more realistic structure than in the ERA reanalysis, where they are dominated by a vertical “gridpoint wave” structure in the lowermost stratosphere. Despite the shortcomings of the reanalyses, the high correlations of the wind at 30 hPa and 50 hPa with the observations at Singapore mean that the reanalyses could potentially be used to examine the effects of the QBO away from the tropical stratosphere. Future reanalyses need to take full account of the wind shears evident in the rawinsonde observations and use models with an adequate resolution to capture these vertical scales. Received: 23 June 1997/Accepted 17 December 1998     

我国东部夏季一次强对流活动过程中对流层上部大气成分变化的分析

利用星载微波临边遥感探测结果,对2006年6月28～29日江淮地区的一次强对流天气过程中对流层上部一氧化碳 (CO) 、臭氧 (O₃) 、水汽 (H₂O) 和冰水含量 (IWC) 的分布特点进行了研究.强对流天气过程前后的对比分析表明,CO混合比增大,在200 hPa处增加了0.12 ppm (1 ppm=10-6);O₃混合比减小,在70 hPa处减少了0.30 ppm;H₂O混合比在250 hPa处增加了400 ppm;IWC在强降水发生之前有大幅增长,在200 hPa处最大含量可达0.03 g/m3.CO和O₃含量与垂直运动速度两者的相关变化表明,对流垂直输送作用可能是造成对流层上层和平流层低层大气成分变化的机制之一.而H₂O和IWC含量的增加主要局限于对流层顶以下,这表明对流层上部水物质的质量和形态是由垂直输送作用和对流系统内部的微物理过程共同决定的.     

赤道平流层QBO与我国7月雨型的关联

根据1953～1991年赤道平流层纬向风资料分析,得出我国东部地区7月份主要雨带位置与赤道平流层30～50 hPa平均纬向风准两年振荡（以下简称赤道平流层QBO）有较好的关联。在西风位相条件下,我国7月主要雨带位置较偏北;在东风位相条件下,我国7月主要雨带位置易偏南。它们之间的关系主要是通过对对流层环流的影响相联系的。利用赤道平流层纬向风的变化规律并结合冬季北太平洋对流层环流特征,对我国7月主要雨带类型的预报,有一定实用意义。     

赤道低平流层纬向风垂直切变与ENSO变率的关系

利用NCEP／NCAR 40a再分析资料研究了赤道低平流层纬向风垂直切变与ENSO变率间的关系。结果得出，赤道低平流层纬向风的垂直切变呈现明显的准两年振荡，SOI和Nino3区SSTA的准两年周期成分与赤道低平流层纬向风垂直切变分别呈现反位相和同位相关系。赤道低平流层西（东）风切变位相时，OLR、1000hPa高度，2000hPa高度和温度、850hPa温度等要素的距平分布与其在El Nino(La Nina)时段的分布相似。     

Nonlinear relation of the Arctic oscillation with the quasi-biennial oscillation

A nonlinear principal component analysis (NLPCA) is applied to a set of monthly mean time series from January 1956 to December 2007 consisting of the Arctic oscillation (AO) index derived from 1,000-hPa geopotential height anomalies poleward of 20°N latitude and the zonal winds observed at seven pressure levels between 10 and 70?hPa in the equatorial stratosphere to investigate the relation of the AO with the quasi-biennial oscillation (QBO). The NLPCA is conducted using a new, compact neural network model. The NLPCA modeling of the dataset of the AO index and QBO winds offers a clear picture of the relation between the two oscillations. In particular, the phase of covariation of the oscillations defined by the two nonlinear principal components of the dataset progresses with a predominant 28.4-month periodicity. This predominant cycle is modulated by an 11-year cycle. The variation of the AO index with the QBO phase also shows that the average AO index is positive when the westerly QBO phase descends past 30?hPa and, conversely, the average AO index is negative when the easterly QBO phase descends past 30?hPa. This relationship is evident during the boreal cold season from November to April but non-existent during the boreal warm season from May to October.