青藏高原春季不同地区臭氧和大气温度变化趋势的差异性

利用1979—2018年太阳后向散射紫外辐射计SBUV(/2)星下点臭氧遥感资料,结合ERA-Interim和MERRA-2大气温度再分析资料,考察青藏高原区域内拉萨和共和两地春季臭氧和大气温度变化趋势的差异性。结果表明拉萨和共和两个地区的臭氧和大气温度逆转趋势均发生于1999年。对比2008年以来青藏高原整体臭氧总量变化速率（4.5 DU/(10 a)),拉萨臭氧总量变化更快,为5.9 DU/(10 a),共和相对较慢,仅为3.7 DU/(10 a);同时,1999年以来拉萨和共和春季下平流层（100~30 hPa）大气温度分别以0.5~1.4℃/(10 a)和0.01~0.9℃/(10 a)速率增加,上对流层(250~175 hPa)大气温度分别以0.2~1.5℃/(10 a)和0.2~1.2℃/(10 a)速率降低。与2008年以来高原整体大气温度变化相比较,均慢于高原下平流层（125~70 hPa) 1~2℃/(10 a)的增温速率,快于高原上对流层（225~175 hPa）0.4~1.1℃/(10 a)的降温速率。两地臭氧与大气温度的相关系数和回归系数计算结果表明,拉萨和共和两个地区1999年以来春季臭氧恢复速率的不同是导致两地同期下平流层-上对流层温度逆转速率差异的重要因子之一。     

2008年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系

利用ERA-Interim和MERRA-2再分析资料,考察1980—2017年青藏高原大气温度变化趋势和规律,年、季、月不同时间尺度分析结果均揭示2008年以来青藏高原春季大气温度变化呈现逆转趋势：高原上空平流层下部150~50 hPa呈现明显的增温趋势（1.0~2.7℃/10a),对流层上部300~175 hPa呈现明显的降温趋势（-3.1~-1.0℃/10a),这与此前的大气温度变化趋势完全相反。利用TOMS和OMI卫星臭氧遥感资料,考察同期青藏高原臭氧总量变化特征,表明2008年以来青藏高原臭氧总量也表现出逆转的增加趋势,与大气温度逆转趋势吻合,从冬末至春季各月均有显著增加趋势,尤以5月臭氧总量增加速率最大,达13.7 DU/10a。青藏高原春季大气温度变化趋势与同期臭氧总量变化特征紧密相关,2008年后臭氧总量的快速恢复可能是引起大气温度逆转趋势的一个重要影响因素。     

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。     

近30年青藏高原臭氧总量亏损的可能原因及其与对流层顶高度的联系

基于总臭氧测绘光谱计TOMS和太阳向后紫外线散射仪SBUV结合得到的30年(1979-2008年)全球月平均臭氧总量资料,首先分析了近30年青藏高原(下称高原)上空臭氧总量的下降趋势,然后讨论了高原动力抬升作用对臭氧总量的影响,最后探讨了高原臭氧总量亏损与高原对流层顶高度的联系。结果表明,高原臭氧总量及其下降趋势均存在着明显的季节差异,与同纬度非高原区相比,高原地区各月的臭氧总量均偏低,特别是在3-9月臭氧亏损严重;近30年高原地区臭氧总量在各季节均呈现出下降趋势,除了秋季外,其下降幅度均超过同纬度其他地区;春、夏季高原动力抬升有利于对流层低浓度的臭氧含量向平流层输送,从而导致高原臭氧总量的减少。近30年春、夏季高原臭氧总量亏损与夏季高原第二对流层顶高度的抬升存在着密切关系。     

近33 a来北半球大气臭氧的变化趋势研究

利用ECMWF的再分析资料,研究近33 a来北半球臭氧的变化趋势。研究表明:⑴ 1979—2011年北半球4个关键区（北极、东亚、北美和西欧）的臭氧总量呈减少趋势,但减少的趋势已经减缓;⑵ 最近19 a来,北半球4个关键区臭氧都有微弱回升的趋势,回升趋势最大在东亚地区,达到0.057 9 DU/a;⑶ 自1993、1994年以来,北半球4个关键区的冬季臭氧总量都为显著的上升趋势,上升趋势最大在北极地区,为1.157 7 DU/a;⑷ 前期(1979—1994年)四个季节的北半球中高纬基本上都为下降趋势,春季俄罗斯中北部地区下降趋势最大,为4.5 DU/a,而在后期(1994—2011年)冬季挪威、瑞典、芬兰及其周边的挪威海和格陵兰海区域上升趋势最大,为1.8 DU/a;⑸ 北半球4个关键区的下降趋势最大的层次都是10 hPa,北美地区下降速率最快,为1.641×10-8/a,而这4个区上升趋势最大的层次是3 hPa,北极地区上升速率最快,为3.843×10-8/a。      

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。     

近66a中国地区对流层顶温度时空变化特征及其与大气臭氧柱总量关系

利用NCEP/NCAR提供的1950—2015年对流层顶温度月平均资料及ECWMF提供的1979—2015年大气臭氧柱总量月平均资料,运用经验正交函数分解方法(EOF),对近66 a中国地区上空对流层顶温度的时空演变特征进行分析,并进一步探讨1979年后对流层顶温度与大气臭氧柱总量的关系。结果表明:(1)中国地区对流层顶温度随纬度升高而升高,呈现明显的纬向分布特征,近66 a对流层顶温度以-0.09℃·(10 a)~(-1)的速率下降。(2)春、冬季对流层顶温度EOF1均表现为南北反位相变化,夏、秋季均表现为全场同位相变化,这种春季与冬季、夏季与秋季主要模态较为一致的时空分布特征与大气臭氧柱总量的季节分布有很好的相关性;除夏季外,其余季节对流层顶温度EOF2表现为弱的南北两端与中部地区反位相变化特征。(3)对流层顶温度与大气臭氧柱总量之间呈显著负相关关系,相关系数为-0.724,大气臭氧柱总量由1990年代中期之前的显著损耗转变为之后的逐渐恢复,对应同期对流层顶温度表现为从偏高到偏低的转变。     

西南地区臭氧空间分布及变化趋势

本文利用2003年1月—2012年12月的MSR2臭氧总量月平均资料对四川盆地(28～31°N,104～106°E)、青藏高原(27～37°N,80～95°E)、云贵高原(23～27°N,98～106°E)3个区域的臭氧总量空间分布及变化趋势进行了对比分析。得到了以下结论,四川盆地常年存在臭氧总量最大值,青藏高原次之,云贵高原最低。在2003—2012年这10 a间西南地区臭氧总量总体呈上升趋势,这同全球臭氧总量近几十年的变化趋势相一致,其中上升趋势云贵高原四川盆地青藏高原。西南地区在这十年间分别出现了臭氧总量最小值年(2008年)和臭氧总量最大值年(2010年),其中青藏高原还出现了一个臭氧总量最小值年(2004年)。就臭氧总量季节变化而言,在2003—2012年10 a间西南地区臭氧总量在春季存在最大值,但是青藏高原的臭氧总量在秋季存在最小值,而四川盆地和云贵高原的臭氧总量在冬季存在最小值。     

我国臭氧总量的时空分布特征

根据臭氧总量的地理分布特征,把我国划分成7个区域,利用卫星观测的TOMS和SBUV资料对这7个区域上空的臭氧总量多年(1979—2003年)的纬向偏差分布、年际变化、周期分布等特征进行了分析。结果表明,东部地区的臭氧总量常年大于西部地区的臭氧总量,青藏高原、西北高原与东部同纬度地区相比,在夏季差别最大,冬季最小。四川盆地上空的臭氧总量常年比周围地区要高。研究还表明,每个区域都存在准2 a、4~5 a和8~10 a的周期振荡。     

卫星观测的中国地区1979—2005年对流层臭氧变化趋势

利用卫星数据分析了我国全境及不同区域对流层臭氧(O3)柱含量1979—2005年全年和不同季节的长期变化趋势,及不同季节对流层O3柱含量与南方涛动指数的关系。结果表明,对流层O3柱含量在夏季有微弱的上升趋势,其他季节呈下降趋势,但总体变化趋势并不显著;在珠三角和四川盆地地区四季总体呈下降趋势;在华北地区除了冬季之外,其他季节以及全年平均均为增长趋势,最高的增长率出现在夏季,达到1.10DU/10a。南方涛动强度的变化与我国一些地区的对流层O3变化呈显著相关,但华北地区对流层O3的增长趋势与大气环流变化的关系不明显。     

长江三角洲地区对流层臭氧的变化趋势

根据TOR卫星数据分析,我国长江三角洲地区对流层O3柱含量的长期变化就全年和大多数月份而言均为增长趋势,1978-2000年间其年均值的增长趋势为0.82 DU/10 a。这种长期变化趋势所引起的气候效应及其对大气氧化性的影响值得进一步研究。结果表明,长江三角洲地区对流层O3柱含量的季节变化与该地区的临安区域大气本底站的地面O3季节变化有着显著的相关关系,临安站的观测数据具有区域代表性。     

长江三角洲地区对流层臭氧的变化趋势

Analysis of tropospheric ozone residual (TOR) data from satellite measurements indicates an increasing trend of tropospheric ozone over the Yangtze Delta region of China. The increasing trend can be derived both from the annual mean TOR and from the monthly mean TOR except for January and March. The increase rate of the decadal mean TOR was 0.82 DU during 1978-2000. The impact of this long-term trend on the climate and atmospheric oxidizing capacity over the region should be further studied. Data comparison shows a significant correlation between the TOR and surface ozone data collected at Lin'an background station in the Yangtze Delta region, suggesting an internal connection between both quantities.     

The Tibetan Ozone Low and Its Long-Term Variation During 1979–2010

A Tibetan ozone low was found in the 1990s after the Antarctic ozone hole.Whether this ozone low has been recovering from the beginning of the 2000s following the global ozone recovery is an intriguing topic.With the most recent merged TOMS/SBUV(Total Ozone Mapping Spectrometer/Solar Backscatter Ultra Violet) ozone data,the Tibetan ozone low and its long-term variation during 1979-2010 are analyzed using a statistical regression model that includes the seasonal cycle,solar cycle,quasi-biennial oscillation(QBO),ENSO signal,and trends.The results show that the Tibetan ozone low maintains and may become more severe on average during 1979-2010,compared with its mean state in the periods before 2000,possibly caused by the stronger downward trend of total ozone concentration over the Tibet.Compared with the ozone variation over the non-Tibetan region along the same latitudes,the Tibetan ozone has a larger downward trend during 1979-2010,with a maximum value of-0.40±0.10 DU yr 1 in January,which suggests the strengthening of the Tibetan ozone low in contrast to the recovery of global ozone.Regression analyses show that the QBO signal plays an important role in determining the total ozone variation over the Tibet.In addition,the long-term ozone variation over the Tibetan region is largely affected by the thermal-dynamical proxies such as the lower stratospheric temperature,with its contribution reaching around 10% of the total ozone change,which is greatly different from that over the non-Tibetan region.     

青藏高原大气科学试验研究进展

该文对半个世纪以来, 我国气象工作者在青藏高原研究, 特别是1979年和1998年两次大规模青藏高原大气科学试验科学成果进行了全面回顾, 给出近年来青藏高原研究许多有重要价值的研究成果, 可概要地归纳为以下几个方面:两次青藏高原大气科学试验在青藏高原边界层研究、对流特征研究方面取得新进展, 发现许多新的观测事实。证明青藏高原也可能是低频振荡源地。试验发现青藏高原摩擦层风的Ekman螺线及热力混合层特征, 发现青藏高原上对流边界层高度可达2200 m, 湍流边界层高度比平原地区明显偏高; 研究给出了青藏高原近地层与边界层动力、热力结构及其湍流、对流云特征可构成青藏高原地区边界层的综合物理图像。追踪分析研究发现, 连续成串从青藏高原中部或东部发生、发展的对流云团族呈显著东移的特征, 认为长江暴雨洪水的初始对流云系统可追溯到青藏高原; 研究发现, 在适当的云天条件下, 在青藏高原上可观测到极大的太阳总辐射、有效辐射和地表净辐射。青藏高原地面反照率的变化产生热源、热汇的区域影响效应, 这种源汇带来季节性和区域性的变化将进一步影响到大气中长波波形的季节尺度变化, 研究还强调指出青藏高原雪盖的年度变化的反馈作用表现对行星尺度环流特征的影响, 在热带洋面也产生对SST异常的相互作用与影响; 青藏高原与亚洲季风系统影响研究取得显著进展; 研究发现, 青藏高原“感热气泵” (SHAP) 的有效工作导致了青藏高原地区由冬到夏大气环流的突变及南亚高压的突然北跳, 并维持着亚洲季风期; 研究揭示出青藏高原周边“大三角”区域是影响我国长江中下游暴雨的水汽输送关键区, 揭示在青藏高原地区及其东部水汽输送的“转运站”特征。水汽流向东的“转运”效应对长江梅雨期洪涝形成甚为重要; 青藏高原大气物质输送及其臭氧异常特征研究取得进展, 研究发现夏季在青藏高原上大气臭氧总量有一明显的低值中心存在, 并且发现拉萨的臭氧递减趋势比我国东部同纬度地区大, 而拉萨位于青藏高原臭氧低值中心的区域。     

Formation of the Summertime Ozone Valley over the Tibetan Plateau: The Asian Summer Monsoon and Air Column Variations

The summertime ozone valley over the Tibetan Plateau is formed by two influences,the Asian summer monsoon(ASM) and air column variations.Total ozone over the Tibetan Plateau in summer was ～33 Dobson units(DU) lower than zonal mean values over the ocean at the same latitudes during the study period 2005-2009.Satellite observations of ozone profiles show that ozone concentrations over the ASM region have lower values in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) than over the non-ASM region.This is caused by frequent convective transport of low-ozone air from the lower troposphere to the UTLS region combined with trapping by the South Asian High.This offset contributes to a ～20-DU deficit in the ozone column over the ASM region.In addition,along the same latitude,total ozone changes identically with variations of the terrain height,showing a high correlation with terrain heights over the ASM region,which includes both the Tibetan and Iranian plateaus.This is confirmed by the fact that the Tibetan and Iranian plateaus have very similar vertical distributions of ozone in the UTLS,but they have different terrain heights and different total-column ozone levels.These two factors(lower UTLS ozone and higher terrain height) imply 40 DU in the lower-ozone column,but the Tibetan Plateau ozone column is only ～33 DU lower than that over the non-ASM region.This fact suggests that the lower troposphere has higher ozone concentrations over the ASM region than elsewhere at the same latitude,contributing ～7 DU of total ozone,which is consistent with ozonesonde and satellite observations.     

利用卫星资料分析对流层臭氧柱总量分布特征及其可能的原因

利用卫星资料计算得到的对流层臭氧柱总量数据分析了近20年来全球对流层臭氧柱总量的全球分布特征，并对我国对流层臭氧的季节变化做了研究。利用对流层污染测量仪（MOPITT）的CO和全球臭氧监测仪（GOME）和大气制图扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）的NO₂数据分析了关于对流层臭氧的分布特征及其原因。得出中高纬度地区对流层臭氧浓度存在规律的年内变化，对流层臭氧高浓度值的分布及变化与人类活动有密切关切。     

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。