青藏高原及周边UTLS水汽时空特征的多源资料对比

利用Aura卫星微波临边观测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)数据,评估了ERA-I、MERRA、JRA-55、CFSR和NCEP2等5套再分析资料的水汽数据在青藏高原及周边上对流层-下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)的质量,然后选取其中质量较好的两套水汽数据,分析它们对青藏高原及周边UTLS水汽的时空分布和演变的表征能力。结果表明,与MLS数据相比,5套再分析资料中在UTLS普遍偏湿,最大偏湿在上对流层215 hPa,约为165%,而在下平流层,ERA-I和MERRA与MLS的差异相对较小。总的来看,ERA-I和MERRA表征的水汽与MLS更为接近。进一步的对比表明,ERA-I和MERRA中青藏高原及周边水汽含量的时空分布与MLS较为接近,夏季能够表征青藏高原在纬向和经向上的水汽高值区,冬季能够表征对流层顶、西风急流中心附近的水汽梯度带,而且MERRA的结果要好于ERA-I。ERA-I、MERRA和MLS中青藏高原地区的水汽季节演变都表现为冬季1-2月水汽含量低,夏季7-8月水汽含量高,水汽的季节变化在200~300 hPa最大。MLS资料显示,在青藏高原地区对流层顶附近,存在随时间向上向极的水汽传输信号。相较而言,ERA-I对向上水汽传输信号的表征更好,而MERRA对下平流层(100 hPa)向极水汽传输信号的表征更好。     

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)。     

上对流层-下平流层交换过程研究的进展与展望

上对流层和下平流层(UTLS)区域的高度范围大致为5～20 km.UTLS区域大气成分的分布及变化对于认识气候长期变化也极为重要,因为该区域的臭氧是一种有效的温室气体,其中的水汽、卷云和气溶胶对太阳短波辐射和地球长波辐射有很强的调制作用,因而对于天气和气候变化产生不可忽略的辐射强迫作用; UTLS区域中,还有航空业的飞机排放,强对流云云中与云上闪电产生相当量的NOx,这些都对UTLS区域乃至更高及更低层大气的化学成分与分布产生重大影响.该文介绍上对流层和下平流层区域的交换过程研究的意义和手段,同时介绍有关研究的进展,重点回顾近年来国内一些学者开展的工作.另外,还列举一些研究问题和方向,最后重点展望青藏高原上空上对流层-下平流层区域的研究,因为该地区UTLS交换过程不仅具有显著区域特征,而且在全球平流层-对流层交换中可能有重要贡献.     

青藏高原大气热力异常对西风急流的影响

本文基于NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了对流层上层200 hPa纬向西风的时空变化特征,并通过EOF分解得到一个表征西风急流位置的指数(Westerly Jet Position Index,WJPI);同时基于对流层中上层(500～200 hPa)温度纬向偏差,构建了一个描述青藏高原(简称高原)大气热力特征的指标(Plateau Atmosphere Heating Index,PAHI),定量分析了该指数与西风急流位置的关系。结果表明:由冬到夏西风急流轴不断北抬西伸,风速逐渐减小;各季西风急流轴均处于西风变率的小值区,表明各季急流均轴的位置较稳定。各季PAHI与200 hPa纬向风的显著正相关区均分布在高原北侧,即高原PAHI增强时,其北侧西风增强,南侧西风减弱,对流层上层西风急流北移;各季WJPI与PAHI之间均存在显著相关,表明PAHI异常对西风急流位置的变化有重要作用。     

青藏高原红原站平流层下部重力波观测特征分析

利用位处青藏高原的红原探空站2008年5月垂直高分辨率的无线电探空资料分析了其上空下平流层(19～26 km)重力波的波动特性.结果表明:重力波的垂直波长主要集中在2～4 km之间,平均值约为2.9 km;水平波长主要集中在100～600 km之间,平均值约为311 km;固有频率主要集中在1.5f～3.5f(f为科氏...     

青藏高原大气臭氧研究

总结了国内外有关青藏高原大气臭氧方面开展的研究工作，并简要地介绍了1996－1999年利用NILUV观测仪器在拉萨地区进行臭氧和紫外辐射观测的初步结论。     

藏北高原五道梁地区的气溶胶特征

通过对藏北高原五道梁地区的大气气溶胶光学厚度分析发现,该地区气溶胶光学厚度有明显的日变化及季节变化特征,气溶胶光学厚度增大时月平均气温与年平均气温减小。     

CHARACTERISTICS OF UT/LS CARBON MONOXIDE INTRASEASONAL OSCILLATIONS AND THEIR IMPACT FACTORS OVER THE TIBETAN PLATEAU AND ITS ADJACENT AREAS IN SUMMER

The study presented herein investigated the main characteristics of carbon monoxideintraseasonal variability and evaluated its possible impact factors using the upper troposphere and lowerstratosphere (UT/LS) Aura Microwave Limb Sounder (MLS) observations over Tibetan Plateau and itsadjacent areas in summer (June to August) of 2005 and 2006. Observations show a persistent constituentextreme extending up into the UT/LS throughout summer, as well as a temporally reversed phase variationbetween the carbon monoxide and ozone in UT/LS. The intraseasonal oscillations (ISOs) of carbonmonoxide during summer are investigated by using methods of wavelet and band pass filter analysis. It isfound that ISOs over the Tibetan Plateau have periods of 10 to 20 days and 30 to 60 days. The formermainly appeared in upper troposphere while the latter in lower stratosphere. Further analysis shows thatthese two periods of ISOs in UT/LS are mainly in phase to the activities of convection over the south of theplateau and the variation of South Asia High, respectively. The above two factors and their dynamicalcoupling may be responsible for the tracer ISOs at different levels.     

Evaluating the Ozone Valley over the Tibetan Plateau in CMIP6 Models

Total column ozone (TCO) over the Tibetan Plateau (TP) is lower than that over other regions at the same latitude, particularly in summer. This feature is known as the “TP ozone valley”. This study evaluates long-term changes in TCO and the ozone valley over the TP from 1984 to 2100 using Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). The TP ozone valley consists of two low centers, one is located in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), and the other is in the middle and upper stratosphere. Overall, the CMIP6 models simulate the low ozone center in the UTLS well and capture the spatial characteristics and seasonal cycle of the TP ozone valley, with spatial correlation coefficients between the modeled TCO and the Multi Sensor Reanalysis version 2 (MSR2) TCO observations greater than 0.8 for all CMIP6 models. Further analysis reveals that models which use fully coupled and online stratospheric chemistry schemes simulate the anticorrelation between the 150 hPa geopotential height and zonal anomaly of TCO over the TP better than models without interactive chemistry schemes. This suggests that coupled chemical-radiative-dynamical processes play a key role in the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models underestimate the low center in the middle and upper stratosphere when compared with the Microwave Limb Sounder (MLS) observations. However, the bias in the middle and upper stratospheric ozone simulations has a marginal effect on the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models predict the TP ozone valley in summer will deepen in the future.     

The impact of cut-off lows on ozone in the upper troposphere and lower stratosphere over Changchun from ozonesonde observations

In situ measurements of the vertical structure of ozone were made in Changchun(43.53?N, 125.13?E), China, by the Institute of Atmosphere Physics, in the summers of 2010–13. Analysis of the 89 validated ozone profiles shows the variation of ozone concentration in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) caused by cut-off lows(COLs) over Changchun. During the COL events, an increase of the ozone concentration and a lower height of the tropopause are observed.Backward simulations with a trajectory model show that the ozone-rich airmass brought by the COL is from Siberia. A case study proves that stratosphere–troposphere exchange(STE) occurs in the COL. The ozone-rich air mass transported from the stratosphere to the troposphere first becomes unstable, then loses its high ozone concentration. This process usually happens during the decay stage of COLs. In order to understand the influence of COLs on the ozone in the UTLS, statistical analysis of the ozone profiles within COLs, and other profiles, are employed. The results indicate that the ozone concentrations of the in-COL profiles are significantly higher than those of the other profiles between ±4 km around the tropopause. The COLs induce an increase in UTLS column ozone by 32% on average. Meanwhile, the COLs depress the lapse-rate tropopause(LRT)/dynamical tropopause height by 1.4/1.7 km and cause the atmosphere above the tropopause to be less stable. The influence of COLs is durable because the increased ozone concentration lasts at least one day after the COL has passed over Changchun. Furthermore, the relative coefficient between LRT height and lower stratosphere(LS) column ozone is-0.62,which implies a positive correlation between COL strength and LS ozone concentration.     

青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系

根据1979-2008年青藏高原地区14个探空站对流层项气压资料以及同期各标准等压面上的温度资料,分析了不同季节高原上空两类对流层顶高度与高空各层温度之间的关系;在此基础上,结合同期的NCEP／NCAR月平均再分析资料以及NASA提供的TOMS／SBUV月平均臭氧总量资料,分别讨论了高原上升运动以及高原臭氧总量与对流层顸高度的耦合关系。结果表明：高原第一（二）对流层顶高度全年处在300～200hPa（100hPa附近）高度,在季节变化、年际变化以及长期变化趋势上,两类对流层顸高度与各自对应高度层上的温度存在着密切的反相变化关系,当对流层顶高度偏高（低）时,相应高度上的温度偏低（高）。上升运动有助于两类对流层顶高度的抬升,尤其是当高空200（100）hPa附近有上升运动时,有利于第一（二）对流层项高度抬升。各季节高原臭氧总量与第二对流层顶高度均呈显著的负相关关系,当臭氧含量减少（增加）时,该对流层顶高度将偏高（偏低）,近年来伴随着高原臭氧总量的减少,高原第二对流层顸高度出现了明显的抬升。     

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%。     

青藏高原和北美夏季臭氧谷垂直结构和形成机制的比较

利用MLS卫星资料和ERA-Interim再分析资料,比较了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直结构和形成机制。结果如下:青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在两个低值中心,一个中心位于对流层顶附近,强度约为-15 DU,形成原因主要为水平幅散,另一个中心位于上平流层,强度约为-1 DU,形成原因可能为光化学反应参与的氯自由基的催化损耗。北美夏季臭氧谷仅存在一个低值中心,位于对流层顶附近,该中心强度约为-5 DU,其形成的主要原因是水平辐散。     

青藏高原春夏季对流层温度异常特征

利用NCEP/NCAR再分析资料,在揭示青藏高原对流层中上层(500~200hPa)温度变化特征的基础上,通过比较与同纬度地区对流层中上层温度的差异,从温度纬向偏差角度定义了一个高原热力指数(TDI),并分析了该指数在春夏季的多时间尺度变化特征。结果表明:1由春到夏,亚洲对流层中上层的暖中心经历了从西太平洋西进到大陆,并逐渐发展控制整个东亚地区,之后东退的过程。春季扰动温度暖中心由我国华南地区逐渐西移至高原南部,中心强度逐渐增大,夏季扰动中心稳定在青藏高原南部;2TDI的年变化曲线呈现出明显的单峰型特征,表明高原的热力作用从4月开始明显增强,并在7月达到最大,9月后又迅速减弱;3各月TDI的最高值、最低值和平均值均表现出夏季大冬季小的特征,夏季TDI变幅明显小于其他季节;4TDI具有明显的年际变化,但春(夏)季该指数存在一定(明显)的月际差异,且无明显的线性变化趋势。     

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.     

青藏高原东南侧南风的季节演变特征分析

通过对观测资料的诊断分析,发现青藏高原（下称高原）东南侧存在一个常年南风区,无论是气候平均场还是年际变化的主要模态,该地区均表现为常年经向风分量维持南风,这与东亚典型的季风气候是矛盾的;然而,它同时具有显著的季节变化特征,早在2月就出现了季节性的南风增强,是东亚地区大气环流形势由冬转夏的＂敏感区＂;并且在3月底4月初及...     

青藏高原臭氧低值中心的变化与我国气候的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料、GPCP降水资料以及我国160个台站的降水资料, 研究了青藏高原臭氧低值中心偏强年和偏弱年的气候差异。结果表明，5～7月平均的青藏高原臭氧总量变化与我国当年夏季、冬季以及第二年春季的气温和降水等有明显的相关关系:在臭氧低值中心偏强年夏季, 中国绝大部分地区地面气温比多年平均偏高, 长江以南地区降水偏多, 长江以北大部分地区降水偏少, 尤其是长江中下游和黄河中下游之间的地面降水偏少特别明显。在臭氧低值中心偏强年冬季和次年春季, 中国大部分地区冬季风比多年平均弱, 使得绝大部分地区地面气温偏高。臭氧低值中心偏弱年的情况基本上与偏强年相反。因此, 青藏高原上空臭氧低值中心的变化在气候预测中是一个值得重视的因子。     

未来百年夏季青藏高原臭氧变化趋势及可能机制

利用全大气气候通用模式(WACCM3)对政府间气候变化专门委员会排放情景特别报告中2001年到2099年A1B、A2、B1三种排放情景进行了模拟,分析了三种排放情景下青藏高原地区未来百年臭氧总量在夏季(6—8月)的变化趋势及引起该变化的可能机制。结果表明:在三种排放情景下未来百年夏季高原区臭氧总量均呈现增长趋势,其中A2情景下臭氧增长最快,B1情景下增长最慢,但相对于同纬度其他地区,高原区的臭氧总量增长较慢,即高原区臭氧谷加深。高原区高空污染物的减少以及局域Hadley环流的减弱是未来高原区臭氧总量增加的原因;而南亚高压的增强,以及与之相对应的辐散增强则可能是高原区臭氧谷继续加深的原因。     

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。     

近30年青藏高原上空大气温度变化特征

根据青藏高原地区16个探空站近30a (1979~2008年)的月平均温度资料对该地区高空年、季平均温度演变特征进行了分析。结果表明:(1)高原上空年、季平均温度均具有较高的空间一致性,其中夏季的一致性特征最弱;(2)高原上空250hPa层及以下和50hPa层及以上平均温度的季节变化特征为冬季最冷、夏季最热,100~70hPa层与其相反;(3)近30a来高原地区对流层中上层(500~250hPa)年平均温度是上升的,对流层上层至平流层下层(150hPa层及以上)以降温为主,高层的降温普遍始于1984年,且变冷显著。