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。     

沿120°E中纬度对流层—平流层下部气候变化及与臭氧变化的联系

利用1958~1995年海拉尔、沈阳、南京三地区地面至30 hPa标准层月平均气温资料,研究了近40年沿120°E、30°~50°N区域气候变率随高度、纬度和季节的分布特征,前、后两个20年气候变率的变动及其与亚欧不同地区臭氧变化的联系。结果指出：近20年来,该区域对流层中下部变暖速率随纬度显著增大,尤其在冬季;200 hPa以上变冷速率亦随高度及纬度显著增大,尤其在冬、春季。而前、后两个20年,高、低层气候变化趋势截然相反,这是一种年代际尺度气候变化。三地区各季节平流层下部变冷率（对流层中下部变暖率）随纬度增高而加大与邻近同纬带地区臭氧减少率随纬度增高而加大的现象基本对应,表明平流层下部因臭氧减少引起的辐射加热减少,可能是支配我国东部平流层下部变冷率（对流层中下部变暖率）随纬度增高而显著加大的一个重要因子。     

平流层臭氧变化对对流层气候影响的研究进展

平流层对对流层的作用是准确评估、预测对流层气候变化的一个重要方面。其中平流层成分尤其是臭氧的变化,可以改变平流层乃至对流层的辐射平衡,从而影响平流层、对流层的热动力过程。本文从辐射、动力2个角度介绍了平流层臭氧影响对流层气候变化的若干研究进展。平流层臭氧可以通过长短波辐射的方式对对流层大气造成辐射强迫,利用大气化学气候模式可以定量计算平流层臭氧变化引起的辐射强迫,但是辐射强迫的估算受模式中辐射传输模块本身缺陷的影响存在不确定性。动力方面,平流层臭氧变化产生的辐射效应可以改变温度的垂直和经向梯度,造成波折射指数的变化,进而影响平流层甚至对流层内波的折射与反射,通过上对流层下平流层区域内的波—流相互作用,对对流层气候产生影响。另外,南极臭氧损耗可通过大气环状模影响冬春季中高纬度对流层的天气气候,但是其影响的强度大小以及物理机制仍需进一步的确认。值得注意的是,北极平流层臭氧的变化与北半球中高纬度气候变化之间的关系相比南半球要更加复杂,需要更为深入的研究。     

拉萨和南京大气层下部的气候变化及其与环境因子的联系

利用１９５８－１９９５年拉萨,南京地区地面至３０ｈＰａ标准等压面上月平均气温资料,研究了青藏高原主体东部的拉萨地区上空若干气候特征以及月,季,年平均气候变率随高度分布特点,并与同纬带长江三角洲的南京地区作了比较。     

北京地区对流层顶变化及其对上对流层/下平流层区域臭氧变化的影响

根据2001～2003年期间获得的大气臭氧探空资料,揭示了北京地区上空对流层顶高度的某些变化特征及其对上对流层(UT)和下平流层(LS)区域内大气臭氧含量变化的影响.结果显示:北京地区上空对流层顶高度的平均值约11.1 km,其变化范围为7.7～14.4 km,臭氧层顶始终处在对流层顶下方约0.9 km高度处.对流层顶高度变化与臭氧总量变化之间的关系相对较弱.通常情况下,LS中的臭氧积分量明显高于UT中的相应值,并且二者呈相反的季节变化特征.北京地区上空仲夏和初秋季节第一对流层顶出现的频数明显减少,在第一对流层顶消失的情况下,LS中的臭氧积分量明显减少,而UT中的臭氧积分量明显增加,臭氧量减少最多发生在200～100 hPa层次中,而臭氧量增幅最大的层次是400～250 hPa.     

南极臭氧的短期气候变化特征

利用1957～1992年南极地区大气臭氧总量地面观测站资料，对南极地区臭氧的时空变化特征进行了研究。结果表明，虽然近35年来南极地区的大气臭氧有较明显的减小趋势，但在不同地区、时段和季节，其变化趋势也不同。近年来南极地区大气臭氧的显著亏损，主要是由南极臭氧洞的形成和发展所造成的。南极地区的大气臭氧存在明显的年振荡、准20个月和准30个月的振荡周期。臭氧变化与天文日照、平流层温度场、平流层冰晶云及人类活动排放到大气中的氟氯烃和溴化烃等污染物质有关。     

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。     

东亚地区平流层、对流层交换对臭氧分布影响的模拟研究

首先将区域酸沉降模式(RADM)进行改造,加入平流层化学模块以替代对流层模块.然后用MM5单向耦合改造后的化学模式M-RADM,对东亚地区一次切断低压(2000年4月8～12日)引起的对流层顶折叠对上对流层、下平流层臭氧分布形式的影响进行模拟.结果显示:(1)随着高空槽的发展与切断,高空槽的底部及切断低压四周臭氧有显著增加.对流层顶折叠使高空臭氧向下输送,这种向下的输送可以到达对流层中部,对上对流层的臭氧影响最大.(2)模式可以成功地模拟出在北京地区探测到的臭氧垂直廓线的双峰结构.250 hPa处的臭氧分压比背景值增加近5倍.模拟表明改造后的区域化学模式M-RADM可以用于研究天气过程引起的对流层顶附近臭氧的演变情况.(3)上对流层臭氧分布形势的变化主要是由动力过程中的水平平流作用引起的,但是对流层顶附近臭氧的化学过程是不可忽略的.     

平流层环状模的分类特征及其与对流层的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程的差异及其与对流层的关系.结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层.在S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,最显著的特征是对流层与平流层呈相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动特征.在D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,平流层中低层与高层呈现反位相的距平分布,在对流层中低层,温度和位势高度的距平场呈现无规则的分布.     

南极气候变化的季节特征

利用１９６２－１９９３年南极１６站地面至３０ｈＰａ１０个标准层上月平均温度，南极臭氧总量以及２８００ＭＨＺ太阳通量资料，采用最大熵功率变方法，研究了各季中月南极诸高度气候的线性趋势变化，熵谱特征及其可能原因。     

青藏高原地区上对流层—下平流层区域水汽分布和变化特征

利用2005-2008年青藏高原(下称高原)地区微波临边探测器MLS(Microwave Limb Sounder)、高光谱分辨率大气红外探测仪AIRS(Atmosphere Infrared Sounder)、ECMWF的ERA-Interim资料,以及NCEP/NCAR再分析数据和NOAA HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)轨迹模式资料,讨论了高原上空对流层顶附近的水汽分布和变化特征及高原上空平流层与对流层之间的物质交换。结果表明,3-4月高原南侧对流层顶附近100 hPa存在一个水汽低值带,而7-8月和9-10月此处存在一个明显的水汽高值区。3-4月夏季风未发展之前,受高原大地形抬升和西风气流的影响,高原以南地区存在对流层与平流层的物质交换,而215 hPa的高原中部地区(80°E-90°E)则由于空气的下沉运动将上层的干空气向下输送而出现一个水汽低值中心。7-8月,受印度夏季风和高原上空反气旋式环流的影响,高原上空有明显的水汽穿过对流层顶向平流层输送,反气旋环流中心的水汽经过2~4天的上升过程可以从对流层进入平流层。高原及其以东、以西地区的水汽在对流层顶附近的季节变化基本一致,100 hPa三个不同区域的水汽在3月达到最低。     

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。     

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。     

南极气候变化的季节特征

利用1962～1993年南极16站地面至30hPa10个标准层上月平均温度、南极臭氧总量以及2800MHz太阳通量资料,采用最大熵功率谱方法,研究了各季中月南极诸高度气候的线性趋势变化、熵谱特征及其可能原因。结果显示:南极平流层气温(臭氧总量)在各月均呈变冷(减少)趋势,10月100hPa气温(臭氧总量)10年的变率最大达-1.8℃(-14.8%).南极对流层气温(2800MHz太阳通量)在各月均呈显著增暖(增强)趋势,1月500hPa气温(太阳通量)10年的变率高达0.4℃(22.1个单位).各月太阳通量均呈显著的3年及9～10年甚低频-年代际周期变化。而对流层850～500hPa气温变化熵谱仅在7月具有相应的特征,南极对流层顶气温在各季中月均无显著的趋势变化及周期性变化。提出南极春季臭氧的显著减少及夏季太阳通量的增强是平流层显著变冷及对流层变暖的重要原因;南极夏季对流层显著增暖导致南极大陆边缘部分冰雪消融,可能是近年来全球海平面升高的重要原因之一。     

对流层及平流层低层全球动能的季节性急变

利用１９８０－１９８８年ＥＣＭＷＦ的资料，分析对流层５００ｈＰａ，３００ｈＰａ和平流层低层１００ｈＰａ全球范围的纬向平均动能和涡动动能的季节过渡，比较不同层次不同纬度带动能模态的季节性急变，得到如下结论：（１）北半球热带与温带各层次的ＫＺ都有季节性急变，发生在３－４月和１０月附近，而南半球仅在热带有急变。（２）北半球热带地区ＫＺ在６月还有一次季节性急变，出现有１００ｈＰａ和５００ｈＰａ．（３）１０     

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.     

1979—2011年热带对流层顶高度线性趋势变化的因子贡献及其年际变率成因探讨

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料分析了近30年(1979—2011年)热带(0~360 °E,20 °S~20 °N)对流层顶高度变化,结果显示其高度有明显的线性上升趋势,近30年气压下降了3.5 hPa。其中对流、臭氧和对流层温度的贡献分别为13.3%、27.26%和57.31%。在去除线性趋势后,热带对流层顶气压表现出了显著的年际变率,主要周期峰值为18.2、28.6和40个月。其中臭氧和热带对流层温度都对18.2个月的周期有贡献,而臭氧和热带对流层温度18.2个月的周期很可能是由北半球的季风环流引起的;28.6个月的周期主要源于臭氧总量的准两年周期变化,而后者是由热带平流层低层纬向风场的准两年振荡引起的;热带对流层顶气压40个月的周期似乎源于ENSO循环引起的对流层温度变化。      

热带平流层与对流层之间相互作用的研究进展

以热带平流层和对流层大气中的准两年振荡和ENSO现象,以及热带平流层和对流层交换（STE）过程为主轴,介绍了热带平流层和对流层大气相互作用方面的一些研究进展。众多的研究结果表明,平流层准两年振荡（QBO）和对流层准两年振荡（TBO）存在潜在联系,但二者之间相互作用的物理机制还不是很清晰。QBO对平流层大气中化学成分的空间分布具有显著的影响,但其中的化学-辐射-动力反馈作用目前还未得到充分的研究。以往的研究提供了ENSO影响热带平流层大气令人信服的证据,但影响的程度和范围还未形成一个共识,其中一个原因是平流层内的ENSO信号受到火山喷发和太阳活动的干扰。一些研究指出ENSO事件通过改变行星波的强度和传播对极地平流层大气产生影响,而平流层过程也会对ENSO的发生、发展和演变产生影响,但其可靠性需要进一步的确证。目前,一个较一致的结论是全球变暖会导致热带上涌增强,STE加快。然而,影响热带STE的大气过程较多,特别是季风系统和热带深对流系统对STE的贡献还需要深入的分析研究。      

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。