基于微波探测资料的全球大气亮温长期变化趋势研究

本文使用1978—2013年美国大气海洋局NOAA研发的STAR V3.0版本的MSU/AMSUA逐月亮温格点数据,引入集合经验模式分解(EEMD)方法,研究了高空大气亮温的非线性变化趋势,尤其注重亮温气候趋势的时间演变特征,并与传统线性回归(CLR)方法做了对比研究。结果表明,在全球对流层增温、平流层降温的大背景下,基于EEMD的亮温非线性趋势演变特征表现为:近10 a对流层中、高层全球平均增暖趋势放缓,甚至出现轻微的降温趋势;北半球对流层增暖首先出现在北极,随后向低纬度方向延伸。北极对流层增暖向上影响高层大气,最高可以扩展到平流层低层。南半球对流层中低纬度地区受北半球大气影响也出现增温。另外,近10 a南极地区出现显著的独立增温现象。平流层变冷北半球最早从中纬度地区开始发生,变冷逐渐增强的同时向极地和低纬度两侧扩张。南极上空平流层大气早期也出现显著变冷,然而随着2000年以后南极大范围增暖,平流层变冷逐渐转移到中低纬地区。     

南半球臭氧变化气候效应的数值模拟

采用一个陆气耦合的９层谱模式模拟了南半球臭氧减少所产生的气候效应。数值试验结果表明,南半球臭氧的减少不仅对南半球温度场的 大气环流有影响,而且对北半球的温度场结构和大气环汉也有一定的影响。其气候效应具有全球性。南半球臭氧减少总体上可以使平流层中层以上大气降温、平流层低层增温、对流层顶附近降温。此外,在北半球冬半年期间,南半球臭氧的减少可使南北半球的副热带西风急流都减弱,极锋急流都增强;在北半球夏半     

冬半年平流层中部环流的变化及其爆发性增温现象

本文利用1958—1961年冬半年资料对平流层中部的冬季环流作了综合性的研究。讨论了平流层环流分型问题、年际变化问题、平流层环流周期性变化问题以及平流层爆发性增温和环流演变关系问题,得到以下主要结果: 1.冬季平流层环流型式比较简单而且稳定,环流可以分为A,B,C,D,E_1和E_2型(图1—4)。其中A,B型平均周期在20—22天左右,且出现的日数占总的统计日数的四分之三左右。E_1和E_2是环流转变时期的过渡型,平均周期约8—10天。 2.冬季平流层环流年际变化较大,但其变化和对流层环流变化有相当好的对应性。 3.冬季平流层的环流和气温有11天左右的周期性变化。这种周期性变化可能是与平流层的阿留申高压周期性地加强减弱和周期性伸缩有关。对流层环流和温度可能也有11天左右的周期性变化,并和平流层周期性变化相对应。因而这种周期性变化可能是地球大气本身固有的振荡。 4.就固定地区而言,北半球爆发性增温的变温中心常起源阿拉斯加、堪察加、欧洲和大西洋中部四个地区,而爆发性增温经常在西伯利亚东部、欧洲、北美东北部和格陵兰地区出现。就环流系统而言,爆发性增温变温中心常起源于高压的东北和西北二侧,而在平流层急流的外侧发展,在原来冷区或槽区引起爆发性增温。爆发性增温依变温中心移动路径不同,而和     

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。     

南北半球大气定常波的相互对应关系

本文利用NCEP／NCAR的月平均高度场资料，计算了全球各层月平均纬向偏差，分析结果表明，在对流层普遍存在着南北半球的奇对称现象，在4月和10月，这种对称性特别明显；在对流层低层，南半球的定常波动强度明显大于北半球，但在对流层中层，北半球的波动强度明显大于南半球，且南北半球都在冬季时达到最大振幅，在南半球全年和北半球的冬季，极区附近偶板子特征明显，在上半年，北半球偶板子按逆时针转动，而南半球则顺时针转动，在下半年，则情况相反。     

全球变暖背景下东亚对流层顶高度演变特征的研究

研究了1948～2004年东亚增暖背景下对流层顶高度的演变特征，重点分析对流层温度、平流层中下部温度与对流层顶高度变化之间的关系。结果表明：东亚地区对流层顶高度在1970年代后呈现波动上升趋势，其上升趋势不如南半球显著；东亚对流层温度与对流层顶高度呈显著正相关，特别是对流层中上部温度与对流层顶高度的正相关最显著，这说明对流层中上部的增温对对流层顶高度的抬升贡献较大；东亚平流层中下层温度与对流层顶高度基本呈显著负相关，70hPa层上的负相关最显著；近20年来东亚对流层温度上升了约0．2℃，平流层中下部温度下降了约1．2℃，对流顶高度上升了约86m，对流层的增暖和平流层的冷却作用共同导致了东亚对流层顶高度的变化。     

基于探空资料的北京地区大气臭氧垂直分布特征

利用2002年9月至2012年12月北京地区臭氧探空资料分析了大气臭氧的垂直分布特征,重点分析了对流层顶附近区域臭氧的季节变化与变率。结果表明:北京地区对流层臭氧的垂直分布主要表现为随高度递增的特征;臭氧的平均浓度夏季最高,冬季最低,春季和秋季相当,各季节的臭氧浓度在不同高度范围内略有差别。在对流层上层至平流层下层(8—15 km),臭氧浓度的垂直分布与平均浓度受对流层顶高度的影响显著。基于对流层顶相对高度坐标的分析表明,对流层顶下方1—3 km高度的臭氧仍保持了对流层臭氧的垂直分布特征;而在对流层顶高度附近,各季节臭氧浓度均随高度显著增加;由于垂直增速有显著的季节差异,导致臭氧平均浓度在对流层顶上方1—3 km出现明显变化。臭氧浓度归一化标准差表明:在对流层低层,大气臭氧浓度的变率在冬季最强,秋季、春季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱;在对流层顶附近,大气臭氧浓度的变率在春季最强,冬季、秋季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱,其中冬季和春季的强臭氧变率可能与对流层顶附近活跃的大气波动及对流层顶高度的频繁扰动密切联系。     

1958—1986年中国对流层和平流层低层的温度变化

北半球地面平均温度变化的总趋势是,1940年左右增暖达到了峰值,继之变冷直到60年代中期,此后从1970年左右又转入了一个新的增暖期。50年代至70年代北半球自由大气,特别是对流层下半部,温度变化趋势大体与地面温度变化趋势一致。由于一些作者使用的是格点资料,对精度有一定的影响,因此各个结果之间有相当差异。J.K.Angell和J.Korshover 1975年以来直接使用探空站资料研究全球各纬带自由大气的温度变化,其近期的研究结果指出,1958年开始的地面和对流层的十年降温已为此后的升温所抵消,1981年的温度已超过了1958—1959年;1960—1985年北半球对流层和地面温度变化的总趋势是增暖的,对流层顶和平流层低层则是变冷的。中国区域内自由大气和地面温度变化如何?本文在这方面作了探讨,发现了一些有意义的结果。     

低层平流层高低压中心的分布特征

本应用德国自由柏林大学气象研究所的北半球平流层资料，分析了多年各月平均图上的高低压中心，然后统计在各纬带和在各区块上的频数，得到两个主要结果：（１）北半球低层平流高压中心在夏季经常出现于极圈，而低压中心在冬季也经常出现于极圈，连同大规模东西风风系的转换，两形成强烈的反相季变；（２）高压中心在冬季还经常出现于太平洋等地区。这说明地表海陆分布的热力不均匀，在紧贴着对流层低层的平流层里也有所反映。     

近6a东北地区大气臭氧总量变化特征及其与气温的关系

利用TOMS大气臭氧总量格点资料分析了东北地区近6a(1996年8月—2002年7月)臭氧的分布特征、季节变化、变化趋势及其对气温变化的影响,并与1979—1992年的变化情况作了对比分析。结果表明:东北地区处于北半球大气臭氧高值中心的边缘,臭氧总量呈随纬度增加的分布形式,近6a区域年均值为361Du;冬春季总量较大、夏秋季较小,其中8月最小,3月最大;1979—1992年臭氧存在明显的下降趋势(冬季最为显著),下降趋势高纬大于低纬,近6a整个区域没有系统性下降趋势;1979—1992年对流层中下部显著变暖、对流层上层和平流层低层显著变冷,且变暖率与变冷率均随纬度增高而加大,而近6a气温变幅很小,这与臭氧变化趋势基本对应,表明臭氧的辐射加热是影响平流层低层、对流层高层温度场的重要因素,同时它对对流层低层气温的影响值得进一步关注。     

近6 a东北地区大气臭氧总量变化特征及其与气温的关系

利用TOMS大气臭氧总量格点资料分析了东北地区近6a(1996年8月-2002年7月)臭氧的分布特征、季节变化、变化趋势及其对气温变化的影响，并与1979—1992年的变化情况作了对比分析。结果表明：东北地区处于北半球大气臭氧高值中心的边缘，臭氧总量呈随纬度增加的分布形式，近6a区域年均值为361Du；冬春季总量较大、夏秋季较小，其中8月最小，3月最大；1979—1992年臭氧存在明显的下降趋势(冬季最为显著)，下降趋势高纬大于低纬，近6a整个区域没有系统性下降趋势；1979—1992年对流层中下部显著变暖、对流层上层和平流层低层显著变冷，且变暖率与变冷率均随纬度增高而加大，而近6a气温变幅很小，这与臭氧变化趋势基本对应，表明臭氧的辐射加热是影响平流层低层、对流层高层温度场的重要因素，同时它对对流层低层气温的影响值得进一步关注。     

20世纪两次全球增暖事件的比较

20世纪20年代和70年代全球出现了两次突变增暖,本文分析比较了这两次全球增暖的起源地,空间分布特点,影响范围,以及北半球增温和降温最大地区的气温变化与其相对应的大气环流变化的联系等.发现,第一次全球增暖始于北半球新地岛西北、冰岛及以北的极地地区,主要增暖区在北大西洋、格陵兰岛、冰岛和北半球中、高纬大陆地区,主要增暖季节是夏季.第二次全球增暖最早可能始于南半球南印度洋海盆及南极大陆地区,增暖中心有明显向北半球方向移动的倾向并广泛影响到全球热带、副热带海洋,没有明显的区域和季节增暖差异;北半球第二次增暖比南半球约晚10年,主要增温区在东亚大陆和北美西部,主要增暖季节在冬季.分析还发现,20世纪北半球增暖最强的东亚大陆、北美西北部和降温显著的冰岛、格陵兰岛、北大西洋以及中北太平洋等地的气温变化与其相应的大气环流系统的异常变化关系密切.     

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明:高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。     

1979年以来南极平流层冬季变暖

极地气候比其他区域有着更为显著的变化,这不仅反映在极地近地面和对流层,也同样反映在平流层。使用NCEP/NCAR、NCEP/DOE和ERA40月平均再分析资料,研究了南极平流层温度和位势高度的年代际变化趋势。结果表明,自1979年以来在冬季南极平流层存在变暖的趋势。分析NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析资料的结果是变暖主要出现在7—10月,最大增温位于30hPa,27a(1979—2005年)的最大增温幅度超过7℃。分析ERA40的结果是变暖主要出现在6—9月,较NCEP/NCAR和NCEP/DOE早1个月,最大增温位于平流层上层(5和3hPa),23a(1979—2001年)的最大增温幅度超过10℃。在平流层高层,最大增温位于极区中心;在平流层中低层,最大增温位于极区外围偏向澳大利亚一侧。伴随着温度的升高,南极平流层的位势高度也存在升高的趋势。在NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析资料中,最大位势高度升高位于10hPa,27a里的升高幅度超过450m。ERA40给出的结果相对弱一些,23a里的最大升高幅度接近300m。进一步的计算结果表明,进入南半球平流层的波动通量也有增加的趋势,可能是平流层波动增强导致了向南极的残余环流增强,与之相关的极圈内下沉运动也随之增强,下沉运动产生绝热加热,从而造成南极平流层增温和位势高度升高。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

2000年北半球平流层、对流层质量交换的季节变化

用2000年NCEP资料,P坐标下Wei公式诊断北半球平流层、对流层交换的季节变化.主要结论:(1)热带西太平洋是物质由对流层向平流层输送的主要通道,并有明显的季节性东西移动.由于2000年赤道辐合带偏弱,因此秋季通量最大.(2)中高纬度地区同时存在向上、向下的通量,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送.一年中冬春季向下的输送强,夏秋季较弱,其季节变化与大尺度环流的季节性变化一致.(3)东亚地区存在很强的平流层向下输送,且中心位置移动不大.只占北半球5.6%面积的东亚其年净交换量竟占北半球的29%,这说明东亚地区的平流层与对流层之间的质量交换对北半球平流层、对流层交换研究的重要性.     

气溶胶对青藏高原气候变化影响的数值模拟分析

利用美国大气研究中心(NCAR)提供的2组数值试验结果对比,分析了只考虑温室气体增加(1%CO2试验)和综合考虑大气温室气体与气溶胶持续增加(50yrs试验)条件下,青藏高原地区地表温度、积雪深度及其他气候要素的变化,并在此基础上探讨了大气气溶胶含量变化对高原气候变化的可能影响.分析结果表明:只考虑大气CO2含量每年增加1%的变化时,青藏高原相对邻近地区地表温度显著增加,春、夏、秋及冬季地表温度线性增温率均表现出随着海拔高度升高而增强.例如,在海拔1.5～2 km,3～3.5 km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.29 ℃/10 a,0.36 ℃/10 a和0.50 ℃/10 a.在温室气体引起的高原增暖过程中地表积雪深度普遍降低,且高海拔地区的积雪减少愈加明显.当综合考虑气溶胶和温室气体含量共同增加时,青藏高原地表增暖相对偏弱,春、夏和秋季增温也随海拔高度上升而加强,但冬季地面增温幅度随海拔上升反而下降,海拔1.5～2 km,3～3.5km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.02 ℃/10 a,-0.03 ℃/10 a和-0.13 ℃/10 a.对比分析发现,大气气溶胶增加造成青藏高原冬季增温不明显甚至出现变冷趋势,地面积雪也随之增多,这可能歪曲了青藏高原地区气候变暖对海拔高度的依赖性.     

北半球极区平流层冬季12月与1—2月气候变化形势的对比

根据1980—2000年ERA-Interim再分析的风场和温度场资料,计算12月与1—2月北半球行星波的EP通量及其散度,并按冬季不同月份分析了平流层整层温度和风场从20世纪80年代到90年代变化的特征及其与行星波活动变化的关系。结果表明,12月高纬度地区中低平流层呈增温趋势;而1—2月温度变化呈冷却趋势。在12月中高纬度中上平流层纬向风明显减速;而在1—2月高纬度中高平流层,随着纬度和高度的增加,纬向风呈明显加速趋势。冬季北半球行星波主要沿低纬度和极地波导两支波导向上传播。但是,12月行星波沿低纬度波导的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播则明显增强。而1—2月行星波沿低纬度波导的传播明显增强,沿极地波导向平流层的传播则减弱。因此,北半球极区平流层1980—2000年间12月与1—2月波流相互作用的年代际变化形势趋于相反,有必要针对冬季不同月份分开进行讨论。     

南极对流层-平流层下部气候变化特征及其原因

利用南极16站30余年地面至30hPa10层月平均气温距平序列资料,采用最大熵功率谱方法,研究了南极对流层至平流层下部气候变化的长期趋势和周期性特征,并讨论了平流层(对流层)气候变化与南极臭氧总量(南半球500hPa环流)变化之间的联系。指出:南极气温具有明显的长期趋势和周期性变化;平流层下部显着变冷、对流层增暖,变化最大层高度在100、700hPa,最大降冷速率远大于增暖速率,气层稳定度趋于减弱;30、50hPa气温具有准两年周期,100hPa上下具有显着的年周期,对流层是以3.5年甚低频周期为主;对流层顶气温无显着趋势变化和周期性变化;南极最大臭氧层高度显着变冷与近15年来臭氧层损耗有关。南半球对流层中部极涡及绕极气流减弱是南极对流层气候变暖的直接原因。     

全球不同纬度带平均有效位能的季节急变

利用1980～1988年ECMWF的资料，计算了对流层500 hPa、300 hPa和平流层100 hPa逐日和月平均的纬向平均有效位能（PZ），分析其季节过渡，比较不同纬度带的季节性急变。结果表明，在4月和10月附近，各纬度带上均可出现PZ的急变。而且用逐日资料还可分析出6月急变。在北半球对流层高层（100 hPa）PZ的季节性急变不如低层（500 hPa）明显，而在南半球PZ的季节性急变与北半球相反，高层比低层明显。