平流层臭氧季节变化的动力和光化学作用之比较

1992年到2005年的HALOE资料显示, 在臭氧光化损耗中, ClOx 和NOx 的贡献大小和作用位置有所差异。SOCRATES3模式模拟表明, 两半球夏季高纬极区的臭氧减少, 主要是NOx的化学贡献; 北极春季和南极冬季副极地臭氧的变化, 主要是动力输送引起。南、北极春季臭氧减少的化学机制也有所不同, 南极春季的臭氧耗损包括极区内ClOx 的异相化学作用和副极区NOx的化学作用; 北极春季的臭氧耗损主要以NOx 和ClOx 的气相化学作用为主, 其中NOx 的作用更大。动力和光化学在臭氧变化中的贡献表明, 整个中低平流层及低纬平流层高层的动力输送贡献可达到45%, 而高纬平流层中上层, 化学作用贡献在65%以上。     

基于RAMS/CFORS II模式一次低空核试验放射性烟云扩散的数值模拟

采用RAMS/CFORS II模式模拟了一次低空核试验烟云的传输和沉降过程。CFORS II模式是在RAMS/CFORS模式的基础上开发的,可用于对核试验放射性烟云长距离输送和沉降过程的模拟研究。模拟表明：对流层中低层的低压槽系统对本次低空核试验烟云的水平传输和垂直扩散起着重要的影响作用;烟云的长距离传输速度呈现出随高度递减而减小的趋势,在6 000 m以上,烟云在爆后48 h即东移入海,6 000 m以下,烟云在中国大陆的扩散和沉降维持了5 d以上;爆后2天内以大粒子沉降为主,其后以小粒子沉降为主,小粒子的放射性远小于大粒子,在爆后第4天,放射性沉降就减小了3个量级,而小粒子的沉降范围是大粒子的5倍以上。通过模拟和观测对比表明,模拟结果基本符合实际烟云的传输和沉降态势。     

基于RAMS/CFORS Ⅱ模式一次低空核试验放射性烟云扩散的数值模拟

采用RAMS／CFORS Ⅱ模式模拟了一次低空核试验烟云的传输和沉降过程。CFORS Ⅱ模式是在RAMS／CFORS模式的基础上开发的,可用于对核试验放射性烟云长距离输送和沉降过程的模拟研究。模拟表明：对流层中低层的低压槽系统对本次低空核试验烟云的水平传输和垂直扩散起着重要的影响作用;烟云的长距离传输速度呈现出随高度递减而减小的趋势,在6000m以上,烟云在爆后48h即东移入海,6000m以下,烟云在中国大陆的扩散和沉降维持了5d以上;爆后2天内以大粒子沉降为主,其后以小粒子沉降为主,小粒子的放射性远小于大粒子,在爆后第4天,放射性沉降就减小了3个量级,而小粒子的沉降范围是大粒子的5倍以上。通过模拟和观测对比表明,模拟结果基本符合实际烟云的传输和沉降态势。     

南极大陆沿岸地面臭氧损耗事件的研究

利用南极大陆沿岸中山站2008-2013年的地面臭氧连续观测数据和相关资料,对地面臭氧损耗事件（ODE）进行研究。结果显示,春季南极中山站常发生臭氧损耗事件。在该事件发生期间,气象要素有明显的突变过程,包括气温明显下降,风向由偏东风转变为偏北风,风速随之下降。来自海冰区的偏北风增多,风速很小,使臭氧浓度维持在较低水平。地面臭氧损耗事件主要与南极沿岸海冰区的活性溴（BrO）浓度有关。春季南极大陆沿岸海冰冻融过程中形成的冰间水道和冰间湖,在低温的作用下会再次冻结,形成薄冰和霜花。卫星资料能够观测到薄冰区释放的活化海盐溴高浓度区,活性溴与臭氧发生化学反应形成地面臭氧损耗事件。臭氧损耗现象是在未受到人为影响的自然状态下发生的,与中高纬度地区光化学反应导致臭氧消耗有所不同。      

北极极涡对极地平流层臭氧变化的影响研究

利用1981—2011年TOMS卫星逐月TCO资料、NASA极涡面积监测逐日资料及1979—2012年ERA-Interim再分析逐日资料,通过异常增加个例分析研究了北极极涡对极地平流层臭氧含量的影响。结果表明:1984年和1989年2月北极极涡分别表现为偏移型和分裂型,由于中高纬向极地输运的行星波的增强导致极地平流层极涡减弱,使得这2年3月初极涡提前崩溃,进而引起极区温度升高,原本在2月形成的极地平流层云(PSCs)消失,臭氧化学损耗减弱。由于高浓度臭氧从中纬输送到极区,导致这2年3月北极区臭氧柱总量(TCO)异常偏高。值得注意的是,尽管1984年和1989年整个冬季极涡面积都相对较大,但由于3月初极涡的提前崩溃使得这2年臭氧迅速恢复,且极涡的持续时间比极涡面积对臭氧的影响更大。     

北极臭氧损耗对东亚中高纬地区初春地面气温影响的转折点分析

利用奇异值分解、合成分析和变点检测等统计方法,集中分析了北极臭氧损耗对东亚中高纬度地区初春地面气温的影响。结果表明:(1)受北极臭氧损耗影响而气温变化显著的区域为东亚中高纬度地区,与臭氧损耗关系最密切的地面气温空间模态是以贝加尔湖西北为中心的暖异常。(2)北极臭氧损耗对地面气温的影响不仅仅体现在空间上,还体现在时间上。除了贝加尔湖西北—东西伯利亚大片区域外,我国华北和西北也存在显著的负异常提前进入暖季。(3)臭氧损耗对关键区域的气温突变点影响的幅度很大,约在3～5天,这对复杂的3月气温短期预测起到重要的参考意义。     

中国及邻近地区污染排放对对流层臭氧变化与辐射影响的研究

利用双向耦合的区域气候模式和大气化学模式系统, 研究了中国与邻近地区人为污染排放引起对流层臭氧变化和产生的辐射强迫.结果表明, 污染排放对对流层臭氧含量的影响有明显的季节变化, 对北方的影响不如南方显著, 西部的季节变化稳定且小于东部, 内陆污染地区各季节臭氧柱含量的变化量均较高.对整个模拟区域而言, 臭氧变化量的年平均值为30.928 DU, 春季最大为32.168 DU, 而空间分布变化在12～38 DU之间.臭氧变化量对北方地区辐射的影响较小, 而对低纬和华东地区影响较大, 臭氧变化量引起的晴空地气系统短波辐射强迫、长波辐射强迫的平均值分别是0.185 W·m-2和0.464 W·m-2, 标准化短波辐射强迫与净辐射强迫值为0.006 W·m-2·DU-1和0.021 W·m-2·DU-1.气候反馈过程对对流层臭氧含量的影响范围在-0.470～0.752 DU之间, 包含气候反馈过程的区域年平均臭氧变化量是30.942 DU.在气候反馈条件下, 臭氧变化量的短波和长波辐射强迫分别是0.249 W·m-2及 0.482 W·m-2, 标准化的短波与净辐射强迫值为0.008 W·m-2·DU-1和0.024 W·m-2·DU-1.臭氧变化量导致地表温度的变化范围在±0.80 K之间.     

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,Nested Air Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况.模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论; 在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据; 利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大; 发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟; 研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律.在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究.系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报.未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统.     

南极臭氧洞计算机模拟

一维时空光化学模式引进垂直运动及离子反应生成的氮氧(NOx)、氢氧(HOx)化合物。模式中采用1978到1983年期间的太阳紫外辐射通量及南极73度的纬向八月份平均温度。 计算结果表明:春季南极出现臭氧洞,主要是第21太阳黑子周峰值期太阳紫外辐射减少造成的。其次,在太阳黑子周峰值期伴随多次大的太阳质子事件,产生大量氮氧、氢氧化合物。在极区太阳质子事件产生的化合物催化破坏平流层臭氧可持续几天至几年。 南极冬春季节强大的下降垂直运动是南极臭氧洞形成发展极其重要的局部动力条件,特别是在极夜期间。太阳升起后,垂直运动的影响不明显。 南极臭氧洞的形成主要是通过光化变化过程,动力过程是其局部的充要条件,人为活动产生的含氯化合物对低层大气臭氧的直接破坏不可忽视。基于上述论点,可以预期进入第22太阳黑子周期,南极及全球大气臭氧的分布状态将会改变,大自然本身自复。     

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.     

北极平流层冬季早期变暖的GCM模拟研究

观测表明北极平流层自20世纪70年代末以来在冬季早期 (11～12月) 存在变暖的趋势。为了验证该趋势是否是由于海面温度 (SST) 升高造成的, 我们使用观测的全球SST强迫一个全球大气环流模式 (AGCM)。集合模拟的结果表明, 在SST强迫下, 北极平流层呈现统计显著的变暖趋势, 极地对流层也有相对较弱的变暖趋势, 但统计显著性较低。通过对模拟的位势高度进行经验正交函数 (EOF) 分析, 我们发现北半球位势高度第一模态 (EOF1) 的空间结构非常类似于北极涛动 (AO) 或北半球环状模 (NAM), 其平流层主分量时间序列在冬季早期呈现统计显著的负趋势。与负的AO趋势相对应的是, 对流层高纬度和平流层中高纬度波动增强, 说明极区变暖是由于波动增强产生的极区绝热加热增强造成的。另外, 模拟的结果还表明北极平流层不仅在冬季早期出现变暖的趋势, 在冬季晚期 (2～3月) 北极平流层低层也出现弱的变暖趋势。SST强迫导致北极平流层冬季变暖不利于异相臭氧化学反应的发生, 这对极地平流层臭氧恢复有着重要意义。     

极区大气臭氧变化对中国气候影响的数值模拟

首先利用TOMS资料分析了南北极区大气臭氧总量的季节变化特征。结果表明 ,南北极区的臭氧减少都是春季下降最快 ,然后通过数值试验得到 ,极区大气臭氧减少将造成高低层温度差值分布大致相反 ,由于臭氧减少也将使我国的大气环流形势和降水分布特征发生改变。在我国的不同区域 ,各气象要素的变化也具有不同特征。     

利用次网格技术模拟华东地区大气硫氮沉降

采用数值模拟方法,在区域酸性沉降模式系统中引入次网格处理技术。通过4种次网格方案模拟结果的相互比较,选择最优方案,然后利用最优次网格方案,选取华东地区为例,进一步模拟研究大气硫氮沉降的空间分布。结果表明,就干沉积速率而言,以细网格方案(水平分辨率25 km)为参照,采用次网格方案比粗网格方案(水平分辨率75 km)有明显改进,其中“次网格风速与摩擦速度之积为常数”为最优次网格方案。华东地区硫的年总沉降量是1.92 mt(1 mt=106ton),氮的年总沉降量是0.65mt。华东地区硫化物(SO2、硫酸盐SO42-)干沉降量占总沉降量的49%,氮化物(NO、NO2、硝酸盐NO3-)干沉降量占总沉降量的80%,可见干沉降在大气沉降中具有重要地位。华东地区总的大气硫、氮沉降量中,70%以上到达有植被覆盖的土壤生态系统,这将对农田、草地和森林的硫素和氮素平衡有重要影响。此外,华东部分地区的硫沉降已经超过了临界负荷,而氮沉降尚未出现超临界负荷的现象。     

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。      

“暖北极—冷欧亚”模态的年代际变化及其与北大西洋海温的联系

本文利用美国航空航天局戈达德空间研究所地表气温、美国国家海洋和大气局—环境科学协作研究所20世纪再分析资料,以及第六次国际耦合模式比较计划的多模式Historical试验结果,去除外强迫影响后,研究1910/1911～2019/2020年冬季（DJF）欧亚中高纬地区“暖北极—冷欧亚”（WACE）模态的年代际变化特征及其物理原因。结果表明:WACE具有显著的年代际变化,在WACE正位相时期,乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于热量向极区输送使得极区出现异常暖平流,且水汽向极区输送导致极区水汽辐合,向下长波辐射增加,另外对流活动增强导致潜热释放,进而极区温度上升。与此同时,极涡及欧亚大陆西风减弱且乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于冷空气侵袭欧亚大陆造成异常冷平流,且欧亚地区水汽辐散,向下长波辐射减少,对流活动减弱进而潜热释放减少,导致欧亚大陆温度降低。最后利用CAM3.0大气环流模式模拟了北大西洋海温正异常对WACE的影响,模式结果与统计结果相符合,进一步说明了北大西洋海温正异常可以通过强迫低层与高层大气环流异常,导致极区水汽辐合,欧亚大陆水汽辐散,进而影响WACE的年代际变化。     

福建省硫沉降量变化的分析与比较

应用中国科学院大气物理研究所建立的三维欧拉污染物输送模式模拟了1995、2000、2002年福建省本省排放源造成的和邻近省份排放源向其输送的硫沉降量,结果表明,福建省接收的硫沉降量有一半以上是由周围省份的远距离输送造成的。进而分析了每年4个季节硫沉降的变化特点,并结合福建省气象条件给出理论解释。最后,把这3年福建省SO2及SO42-年沉降量和各季节沉降量分别作了比较,结果显示,造成福建省SO2沉降的主要来源是本省的排放源,而SO42-沉降中外来源占很大比例,超过了50%。     

北半球中高纬地区冬季大气臭氧与极涡强度关系

为全面了解冬季北半球中高纬度地区臭氧与同期北极极涡强度变化的相关关系,利用1979年1月至2011年12月欧洲中心再分析资料,选取了4个关键区(北极、东亚、北美和西欧),采用相关分析和E-P通量计算方法,分析了两者之间的相关关系并进行了机制研究。结果表明:(1)冬季北极平流层臭氧总量与极涡强度的负相关关系较好;(2)当极涡强(弱)年,极圈内和外围的北美部分地区臭氧总量显著减少(增加);(3)极涡强度弱时,上传到平流层的涡动热通量强,北半球中高纬地区E-P通量散度辐合增强,剩余环流加强,将导致该地区得到低纬高浓度臭氧的补充而使得臭氧含量增多;(4)1979-2011年上传到中高纬平流层的波动通量增加,造成极区温度增加,进而抑制非均相反应发生而使得极区臭氧含量增加。     

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.     

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。     

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。