南北极区冬春季节大气平流层CO次峰现象

ACE-FTS（加拿大“大气化学实验”的傅里叶变换光谱仪）和Aura-MLS（美国Aura卫星的微波临边探测器）卫星CO观测资料的分析结果显示,南北半球极区大气平流层中部,于当地冬末春初季节存在明显的CO浓度垂直分布次峰值现象。应用观测密度较大、范围覆盖较广的Aura-MLS卫星资料,通过对冬春季节极区CO浓度的季节内变化进行分析后发现,冬季来自大气中间层富含CO的空气能够逐渐下沉并进入到平流层中部,在冬末春初时节,平流层上部的CO浓度快速下降,而平流层中部的CO浓度变化则较慢,从而使大气平流层中CO浓度呈现悬球状的空间分布结构,卫星观测廓线资料分析结果则呈现出次峰值现象。相应的同化气象数据MERRA的风场资料和Aura-MLS卫星观测OH资料分析结果表明,垂直输送的减弱、水平交换的加强和OH浓度的回升可能是导致平流层上部CO浓度快速减少的原因,而在平流层中部极低的OH浓度以及极弱的水平交换使CO保持较长的化学寿命,并使这一现象得以从晚冬维持到春季。     

东亚太平洋地区近地面臭氧的季节和年际变化特征及其与东亚季风的关系

利用东亚清洁背景站近地面臭氧观测资料,结合风场和降水资料,分析东亚各地区臭氧的多年季节变化特征,并探讨东亚太平洋地区臭氧的季节和年际变化与季风的关系以及影响近地层臭氧的主要因子。结果表明：东亚大部分地区与北半球背景站观测一致,近地层臭氧季节变化表现为春季最高、夏季最低的特征;但在东亚中纬度33～43°N,臭氧表现为夏季最高,而在东亚20°N以南地区臭氧则表现为冬末、春初最高。东亚太平洋沿岸近地面臭氧的季节变化主要受东亚冬、夏季风环流的季节变化控制。该地区不同纬度上春季峰值出现时间的差异与亚洲大陆春季不同时期污染物输送路径的差异有关。对东亚太平洋沿岸对流层顶附近位势涡度、高空急流和垂直环流季节变化的分析表明,冬春季可能是平流层向对流层输送的最强期,对近地面臭氧贡献最大。初夏至秋季（5-11月）,平流层向对流层输送较弱,对近地面臭氧贡献较小。东亚太平洋地区夏季风爆发的时间和强度以及季风环流型的年际差异是导致该地区春、夏季臭氧年际变化的主要原因;而季风降水和云带位置以及平流层一对流层交换是造成臭氧年际变化的其他原因。     

利用卫星大气成分资料分析夏季亚洲季风区平流层-对流层输送特征

首先利用臭氧探空资料验证了Aura-MLS卫星反演臭氧产品在青藏高原地区的可信度, 然后基于2005年和2006年夏季的数据产品确定了亚洲季风区夏季对流层向平流层的输送通道。结果表明, 青藏高原及其周边区域上对流层－下平流层（UT/LS）中, 一氧化碳(CO)和臭氧（O3）浓度散点分布大体上呈现出典型的“L”型分布, 夏季季节内变化反相关特征表现最明显的高度位于150 hPa附近。从时间变化上看, 7月份相关系数最大, 说明该月份对流层－平流层物质交换最为强烈。100 hPa高度位于对流层顶高度以上, 具有对流层特性的大气主要分布在青藏高原东南侧、 孟加拉湾、 印度半岛、 阿拉伯海以及阿拉伯半岛等区域上空, 说明该区域可能是亚洲季风区夏季对流层向平流层物质输送的一个主要通道。     

2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

利用国产GPSO3臭氧探空系统观测的大气臭氧探空资料和NCEP再分析资料,结合对天气形势、大气环流背景、高空位涡变化及对流层顶高度扰动的分析,深入研究了2008年冬季北京地区10~14 km高度范围内持续出现的臭氧次峰值及大气臭氧含量异常现象。结果表明:在2008年我国南方雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布持续出现次峰值现象及臭氧含量异常的主要原因是平流层空气强烈下沉运动及其与对流层的交换作用,而引起这种下沉运动及平流层-对流层交换则是由于该阶段特殊的天气背景,乌拉尔阻塞高压长时间维持,贝加尔湖到巴尔喀什湖一带横槽稳定存在,里海以东切断低压长期维持,造成冷空气长时间、稳定地南下影响北京上空臭氧的垂直分布。加之副热带急流的出现,北京正处于其入口区左侧,其上空有强烈的辐合下沉运动,有利于平流层空气向下输送。此次臭氧次峰值及臭氧含量异常的现象很好地说明,在冷空气天气过程的影响下,北京地区上空的平流层空气运动及其与对流层的交换十分活跃。     

热带平流层CO浓度准两年振荡的位相变化特征

利用2005~2014年10年的卫星微波临边探测仪（MLS）资料分析了热带平流层一氧化碳（CO）体积混合比的年际变率,发现热带平流层CO浓度的准两年振荡（QBO）在30 hPa高度附近存在明显的位相变化特征。大气化学气候模式模拟结果表明,热带平流层CO的准两年振荡信号是化学和动力过程共同作用的结果,而动力作用主要是QBO引起的次级经向环流引起的物质传输。化学和动力过程共同作用导致热带平流层CO浓度的垂直梯度在30 hPa高度处发生反转,进而产生一氧化碳QBO信号的位相变化。此外,化学气候模式模拟结果还表明,与CO有关的化学过程不但可以减弱一氧化碳QBO信号的振幅,还可以在热带30~10 hPa高度范围内造成一氧化碳QBO和纬向风QBO信号之间约3个月的时间差。     

平流层行星波对CH4季节变率的影响

分析了1992-2000年各季节卤素掩星试验(Halogen Oceultation Experiment)HAOLE的CH4混合比资料,并用美国国家大气研究中心(the National Center for Atmospheric Research)NCAR的平流层二维模式(Simulation of Chemistry,Radiation,and Transport of Environmentally important Species)SOCARTES研究了CH4在冬、夏季节变率与平流层行星波对CH4浓度输送之间的关系,结果表明:观测和模拟的CH4混合比季节变化都很明显,而模拟的CH4浓度季节变率比观测值小30%～60%.分析结果还表明,模式中行星波引起的CH4浓度变化主要贡献于30 km以下的季节变率.比较了模拟和观测的行星波对CH4的输送结果,结果显示模式明显低估了行星波的输送,这也是模式中季节变率比观测偏小的一个主要原因.     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟北大核心CSCD

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

青藏高原上空H2O和CH4的分布和变化趋势分析

采用UARS卫星1993—2004年卤素掩星试验的观测资料(HALOE),分析了青藏高原(下称高原)上空大气中H2O和CH4的分布和季节变化,也与同纬度其它地区作对比,找出它们的差异,并分析了H2O和CH4的多年变化趋势。结果表明:高原上空H2O混合比在对流层上层随高度迅速减少,在对流层顶和平流层底达到极小值,平流层里水汽混合比随高度增加。高原上空CH4混合比从140 hPa直至1 hPa随高度递减。在对流层上部和平流层下部H2O和CH4混合比季节差异最明显。高原上空H2O和CH4混合比与同纬度带其它地区相比有不少差异,这种差异在对流层上部和平流层下部更明显。分析还表明:高原上空对流层上部和平流层下部H2O和CH4的分布明显受到高原热力作用引起的垂直运动的影响,高原区域是平流层和对流层交换的活跃区。平流层中上层H2O和CH4的关系很密切,其原因主要是在平流层中上层CH4很容易被氧化成H2O。趋势分析表明,在对流层顶附近,水汽在1993—2004年呈下降趋势,而CH4在1998年以前和2001年以后也呈下降趋势;平流层中层1993—2000年H2O混合比呈增加趋势,CH4呈下降趋势,2000—2004年H2O混合比呈下降趋势,而CH4呈增加趋势。     

HALOE资料揭示的热带平流层CH4时空变化特征

中层大气微量成分的分布和变化是中层大气研究的重要问题之一,但是长期以来中层大气的资料非常少。卤素掩星试验（HALOE）对中层大气多种微量气体进行观测,形成中层大气多种微量元素的空间分布和时间演变资料组,这是对中层大气微量气体含量资料的极大补充。作者利用1992～2003年HALOE资料分析热带地区（20°S～20°N）平均的CH4的垂直分布和时间演变特征。结果表明:热带平流层CH4混合比在平流层下层有较充分的混合;热带平流层CH4混合比的季节变化明显,在平流层中上层以年循环为主,而在平流层下部以半年变化为主;热带平流层CH4混合比的年际变化主要有准2年和准5年振荡。       

北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究

使用1979～2005年NCEP/NCAR 再分析数据,分析了北半球平流层中低层（300 hPa至10 hPa）纬向风的季节转换规律,并采用二维空间场相似性方法确定了平流层的季节过渡日期。分析表明,平流层大气环流基本为冬夏二元状态,冬夏转换具有突变性;其季节过渡在纬向是接近同步进行的,而在经向则有时间差异,无论是冬夏转换还是夏冬转换高纬都要早于低纬。在平流层中部（10～70 hPa）季节过渡是自上而向下进行的;而在平流层下部（100～200 hPa）季节过渡的上下传递关系则比较复杂,在不同的纬度带有不同的表现。在北半球热带外地区,平流层中部东风期的起止日期与相似性方法计算得到的平流层季节过渡日期之间具有较好的对应关系,在东风期之前和之后往往各存在持续10天左右的零风—弱风期。     

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。     

利用MOPITT资料分析亚洲地区对流层CO的时空分布特征

目前CO的模式模拟结果与实际观测存在着很大的差别,需要结合观测资料的分析研究来验证和改善模式能力。而南亚地区源汇的复杂性和站点观测资料的严重不足,使得对该地区CO分布与变化特征的认识更为有限。本文尝试使用2000~2011年MOPITT卫星资料,分析该地区CO的气候态空间分布特征,并结合再分析风场和卫星出射长波辐射资料,对大气运动影响CO分布进行探讨。主要结论是:1)南亚对流层中上层四季都存在CO高浓度带,其位置随着季节有南北变化,其中夏季高值带范围最小,但极值最大。2)在南亚季风区东侧,夏季对流层CO垂直廓线呈连续的高值分布,而在西侧对流层中上层出现孤立的高值分布,验证了东风急流的水平输送效果。3)CO浓度的季节变化在南北(27.5°N/12.5°S)纬度基本反相,并且在12年内500 h Pa高度上呈减少趋势,而在300 h Pa高度上有增加趋势。4)南亚中上对流层CO浓度值的分布和赤道附近垂直风场之间存在较好的相关性,对于该区域CO的来源问题提供了一个新的研究方向。     

大气中一氧化碳浓度变化的模拟研究

应用全球二维大气化学模式,模拟了CO、CH4和OH自由基等成分自工业革命到2020年的长期变化.模拟的全球CO平均体积分数在1840年、1991年和2020年分别为27×10-6、76×10-6和105×10-6.从1840到1991年,OH自由基数浓度从7.17×105个分子/cm3下降到5.79×105个分子/cm3,降低了19%.模拟的CH4长期变化与冰芯资料相符.模拟的20世纪80年代CO体积分数年增长率为1.03%～1.06%.大气中CO在20世纪90年代前是增长的,而到90年代初观测到CO体积分数突然下降.应用二维大气化学模式对此原因进行了模拟研究,结果表明,CO排放源的减少是CO体积分数下降的主要因子,平流层臭氧减少是另一个重要因子.尽管CO排放源的减少对大气CH4增长率的变化有较大影响,而CH4排放源减少对CO体积分数变化却几乎没有影响.     

强对流天气对O3和CO的垂直输送作用

利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料,取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料,对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O₃和CO浓度垂直分布变化进行对比,考察强对流性天气发生对O₃和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O₃和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积,从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生,飞机进入对流云上层时,O₃浓度和CO浓度升高,O₃和CO浓度变率增大,在对流层上部浓度出现峰值;当飞机飞出对流云时,O₃和CO浓度相对较低,在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O₃和CO浓度相对较小,浓度变率也较小,无峰值产生。分析表明:O₃和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切,且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。     

7个CMIP5模式的平流层、对流层温度趋势与SSU/MSU观测资料的对比

采用1979—2005年美国大气海洋局(NOAA)的卫星观测资料和IPCC第5次全球气候变化比较试验(CMIP5)的模式资料,对全球对流层和平流层近26 a的气温趋势进行了研究。结果表明,CMIP5模拟的全球平均大气温度趋势与观测结果较一致,能够再现平流层冷却和对流层增温等特点,但是在气温趋势的经纬度分布上,模式资料与观测资料间存在较大差异,同时模式间也存在明显的不一致。与观测资料相比,CMIP5模式资料低估了平流层在热带地区的降温速率,而且明显高估了对流层中部到平流层下层的南极区域的降温趋势。不同CMIP5模式间的最大标准方差出现在平流层的南北极区域,但是在对流层所有纬度上标准方差都保持着较小值。     

欧洲中心臭氧再分析资料与HALOE观测资料的对比分析

利用欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）的ERA40计划中给出的臭氧再分析资料,与卤素掩星试验（Halogen Occultation Experiment,HA-LOE）观测资料进行了对比,在季节、年际变化上估计了HALOE臭氧资料噪音—信号比,结果表明,在季节和年际尺度上,HALOE臭氧资料在平流层大部分地区都有显著的信号。ECMWF臭氧资料与HALOE资料的对比结果指出,ERA40的臭氧再分析资料在季节变化上非常接近卫星观测资料;在年际尺度上,ECMWF臭氧资料在热带平流层中部的变化偏弱,而在中低层中纬度的变化偏强。     

MOPITT观测的CO分布规律及与瓦里关地面观测结果的比较

利用TERRA/MOPITT仪器测量的2000年3月—2004年5月的CO数据, 分析了CO的时空分布特征及其变化趋势, 并且与美国国家海洋大气管理局气候监测与诊断实验室 (CMDL/NOAA) 在瓦里关站的CO观测结果进行比较和验证。结果表明: CO的高值区在北半球主要位于东亚、西欧和北美, 而在南半球主要位于非洲中西部和南美洲的赤道地区; CO的分布随季节变化显著, 春季北半球的CO浓度最高, 而秋季南半球的CO浓度偏高; 东亚的CO高值区主要是位于中国东部沿海地区和日本列岛一带。对于北京和瓦里关CO的趋势分析明表:这两个地区的CO浓度在这4年内都是呈上升趋势。结合CMDL的观测资料与卫星观测结果进行比较和检验发现, 瓦里关站卫星观测结果和CMDL的结果在时间序列的变化趋势一致, 卫星柱总量的观测数据和CMDL数据的相关性非常好。     

MOPITT观测的CO分布规律及与瓦里关地面观测结果的比较

利用TERRA/MOPITT仪器测量的2000年3月—2004年5月的CO数据,分析了CO的时空分布特征及其变化趋势,并且与美国国家海洋大气管理局气候监测与诊断实验室(CMDL/NOAA)在瓦里关站的CO观测结果进行比较和验证。结果表明:CO的高值区在北半球主要位于东亚、西欧和北美,而在南半球主要位于非洲中西部和南美洲的赤道地区;CO的分布随季节变化显著,春季北半球的CO浓度最高,而秋季南半球的CO浓度偏高;东亚的CO高值区主要是位于中国东部沿海地区和日本列岛一带。对于北京和瓦里关CO的趋势分析明表:这两个地区的CO浓度在这4年内都是呈上升趋势。结合CMDL的观测资料与卫星观测结果进行比较和检验发现,瓦里关站卫星观测结果和CMDL的结果在时间序列的变化趋势一致,卫星柱总量的观测数据和CMDL数据的相关性非常好。     

基于DART +WACCM模式搭建的平流层同化、天气预报和气候预测模型研究

本论文基于WACCM（Whole Atmosphere Community Climate Model）模式最新版本WACCM6和DART（Data Assimilation Research TestBed）同化工具最新版本Manhattan,开发了中高层大气温度、臭氧和水汽卫星资料的同化接口,搭建了一个包含完整平流层过程的数值同化、天气预报和短期气候预测模型（此后简称模型）;本模型对2020年3～4月平流层大气变化进行了同化观测资料的模拟,并以同化试验输出的分析场作为初值,对5～6月的平流层大气进行了0～30天天气尺度预报以及31～60天短期气候尺度预测的回报试验。结果表明:本模型能较好地重现2020年3、4月北极平流层出现的大规模臭氧损耗事件随时间的演变特征,模拟结果和Microwave Limb Sounder（MLS）卫星观测结果很接近;而未进行同化的模拟试验,虽然可以模拟出北极臭氧损耗现象,但是模拟的臭氧损耗规模相比MLS卫星观测结果要低很多;利用同化试验4月末输出的分析场作为初值,预报的5月北极平流层臭氧体积混合比变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5,预测的6月北极平流层臭氧变化只在10～30 hPa之间的区域,与观测之间的差异达到了1 ppm（ppm=10?6）。本模型不但改善了北极平流层化学成分变化的模拟,也显著地提升了北极平流层温度和环流的模拟。本模型同化模拟的3～4月、预报预测的5～6月北极平流层温度和纬向风变化与Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2 （MERRA2）再分析资料结果具有很好的一致性,仅在北极平流层顶部,预报预测的温度和纬向风分别与再分析资料之间的均方根误差（RMSE）约为3 K和4 m s?1。未进行同化的试验模拟的3～4月、预报预测的5～6月北极平流层的温度和纬向风与MERRA2再分析资料之间的RMSE在大部分区域都达到6 K及5 m s?1以上。从全球范围来看,本模型对平流层中低层模拟性能改善最为显著,其预报预测结果与观测值之间的差异,比未进行同化试验的结果,减少了50%以上。