拉萨地区1998年夏季臭氧总量及垂直廓线的观测研究

该文根据1998年6~10月上旬在拉萨地区进行的臭氧总量及臭氧垂直廓线的观测结果, 并结合同期同纬度其他两个臭氧站数据资料, 证实了以拉萨地区为代表的青藏高原在夏季存在“臭氧低谷”的现象.分析表明, 地基和卫星观测的臭氧总量有一定误差. Umkehr观测反演结果表明夏季拉萨地区平流层臭氧分布和同纬度其他地区相比略有不同; 在对流层, 探空资料显示了该地区对流层臭氧有低值分布的特征.     

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。     

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。     

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。      

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

青藏高原臭氧的准两年振荡

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析,研究了青藏高原上空臭氧的季节和年际变化.通过分析青藏高原地区臭氧准两年振荡(QBO),并与同纬度无山区及赤道地区臭氧QBO进行比较,指出:青藏高原臭氧QBO的平均周期为29个月,平均振幅为8DU.青藏高原臭氧QBO变化位相与热带平流层纬向风场QBO相反,即热带平流层纬向西风时,青藏高原上空臭氧总量偏小,东风时臭氧总量偏大.还讨论了与青藏高原臭氧QBO相关的大气环流物质输送理论.     

平流层大气臭氧含量变化特征

利用卫星观测臭氧总含量TOMS(第7版)资料,分析了平流层臭氧含量的变化特征,结果表明,全球臭氧总含量呈下降趋势,准两年振荡是臭氧变化中除年周期外的最显著的变化周期.     

利用SAGEⅡ遥感分析我国上空平流层臭氧的分布和变化特征

根据1984～1992年的SAGEⅡ观测资料，对平流层臭氧(O3)进行了反演，分析了我国三个纬度区域(20°～50°N)的平流层O3分布和变化特征，得到了可作为参考模式的多年平均的平流层O3总量季节变化曲线和4个月份的垂直分布廓线。     

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。     

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。     

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。     

Slowing down of the summer Southern Hemisphere Annular Mode trend against the background of ozone recovery

20世纪末期,南半球热带外地区经历了显著的气候变化,包括夏季南半球环状模(SAM)的显著上升趋势,伴随着南极半岛的增暖和别林斯高晋海的海冰融化.这些趋势主要是由20世纪末期南极平流层臭氧消耗所驱动的.本文发现,自2001年左右以来,在南极平流层臭氧恢复的背景下,观测到的夏季SAM的上升趋势已经趋于平缓,验证了前人利用数值模拟预测的夏季SAM上升趋势减缓现象.与SAM在臭氧恢复后趋势只减缓但没有逆转不同,南极地表气温和海冰的趋势发生了逆转.南极半岛由变暖趋势转为降温趋势,别林斯高晋海域的海冰由融化趋势转为增多趋势.     

利用探空资料验证GOME卫星臭氧数据

利用1996年3月-2003年6月部分时段拉萨、西宁、北京3个站的臭氧探空资料验证了GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）卫星臭氧廓线及对流层臭氧柱总量。对比结果表明:在对流层中下层,拉萨和西宁两地GOME与探空的平均偏差小于5%,北京地区平均偏差小于10%;在对流层上层/平流层下层,拉萨和西宁平均偏差小于10%,北京小于20%;在平流层中上层3个站的平均偏差均小于5%。在对流层上层/平流层下层区域,GOME与臭氧探空的平均偏差在北京明显高于拉萨和西宁。3个地区对流层柱总量的平均偏差都在10%以内,表明该资料可用于研究我国对流层臭氧总量的变化规律。同时段的GOME最低层（0~2.5km）月平均臭氧浓度对比结果显示,GOME结果同地面臭氧观测值有很好的相关性,GOME臭氧浓度反映了拉萨、瓦里关、临安地面臭氧浓度的主要变化特征。     

平流层大气臭氧含量变化特征

利用卫星观测臭氧总含量TOMS（第7版）资料，分析了平流层臭氧含量的变化特征，结果表明，全球臭氧总含量呈下降趋势，准两年振荡是臭氧变化中除年周期外的最显著的变化周期。     

日本臭氧总量与高空观测资料之间的关系

已经研究了日本五个站的1979年1月到1993年4月期间臭氧总量与标准等压面高度、气温的相关系数。统计上已经证实，在Sapporo,Tateno和Nemuro等站5年期间冬季（1－3月），在Kagoshima和Haha等站的1980年9月到1981年8月期间，臭氧总量随着高度降低而增加，在250毫巴以上的高度，臭氧总量随着温度升高而增加，在300毫巴以下的高度，臭氧总量是随着温度降低而增加。通常观测到在槽线周围，特别是在槽线西侧是臭氧总量高值区。此外，根据Sapporo站1971年到1983年期间1月份资料推测，月平均臭氧总量与10年平均值相比，这大的正距平值是与平流层里阿留申反气旋加强有关。     

火山气溶胶对北京地区臭氧总量变化趋势的影响

分析了1979～1995年北京地区臭氧总量的变化趋势、1980～1994年整层气溶胶光学厚度和1981～1985、1990～1994年平流层气溶胶光学厚度。分析依据的数据资料来自Dobson仪器所观测的臭氧总量资料和太阳辐射表提供的气溶胶光学厚度资料。结果表明,1979～1995年期间北京地区臭氧总量年变化率为-0.269%,1982～1985、1991～1994年间臭氧总量年变化率分别高达-0.954%和-1.439%。这说明厄尔奇琼火山和皮纳图博火山爆发对臭氧总量减少可能起到重要作用。     

热带南大西洋对流层臭氧极大值的气象环境

在南非西部的对流层观测到臭氧的极大值．为研究臭氧极大值的气象环境，此文描述了南大西洋１０月的气候流型，并利用欧洲中期天气预报中心的分析场及高分辨率谱模式预报场对１９８９年１０月中的６天做个例分析。考察了水平和垂直运动，并给出了从臭氧极大值区域开始的三维后向轨迹。把臭氧的初始纬向对称分布作为被动示踪物，然后由全球模式预报的三维气流进行平流。被动示踪物模拟的结果表明，仅靠三维平流的作用就可能在观测的地区产生臭氧的极大值。在巴西上空，如果是由对流过程将生物量燃烧的生成物带到对流层高层，大约用５天时间可以向东传到臭氧特征层．在热带南大西洋显著的下沉区表明，平流层的影响也是产生臭氧极大值的一个因素。行星尺度和瞬变天气尺度的环流在臭氧传输过程中都起重要作用、总之，看来对流层臭氧的极大值是水平和垂直平流、来自生物量燃烧区的传输以及平流层的影响共同作用的结果。     

紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧

我们研制了一台紫外差分吸收（UV-DIAL）激光雷达,用于18～45 km高度的平流层臭氧垂直廓线的长期监测。位于合肥的这一激光雷达于1996年8月全面建成并投入常规运行。本文将给出该激光雷达系统的结构和平流层臭氧测量数据处理。给出的一些测量结果和与其他手段测量结果的对比表明,该激光雷达对平流层臭氧能够进行可靠的测量。     

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。     

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。