南极大气和空间物理过程对全球变化的响应研究

我院承担了该专题的2个子专题：“南极冰雪与大气相互作用过程和辐射特征的观测研究”和“南极臭氧和紫外辐射的监测和变化机制研究”。1999年的研究进展如下：1）对南极中山站用Brewer臭氧光谱仪观测得到的1993－1998年臭氧总量和紫外辐射的分析结果表明,春季出现臭氧低于200     

爱护臭氧 保护人类

大气中的臭氧大部分集中在 1 0～ 5 0 km的大气层中 ,其中 2 0～ 3 0 km臭氧含量最高 ,也称为臭氧层。臭氧能强烈吸收太阳紫外线辐射。由于臭氧能把大部分太阳紫外线辐射吸收掉 ,使地球上的生物免受过多紫外线的伤害 ,所以人们把臭氧看作是地球的“保护伞”。自 2 0世纪 70年代中期以来 ,在南极的大气观测中发现 ,其上空 1 0～ 1 0 km处的平流层中下层 ,春季的臭氧含量在逐年减少。 1 985年英国科学家在南极考察时发现 ,臭氧含量降低了 5 0 %左右 ,面积足有美国领土大的“臭氧洞”。伴随着全球臭氧层厚度的下降 ,南极臭氧洞的面积有逐年扩大…     

南极的臭氧洞

据南极昭和站和哈利湾等测站的观测报告,从1980年前后起,南极地区10月的臭氧总量一直在减少。人们把这种臭氧的减少叫作臭氧洞,这一现象的发现,不仅在科研人员中间,而且在世界范围内都引起关注。     

春季南极昭和站上空增温与臭氧含量和分布的关系

本文利用南极昭和站1966—1979年的臭氧和高空气象资料,讨论了春季南极大气爆发性增温及其与臭氧总量、臭氧分压垂直分布的关系,发现如下事实:1.平流层爆发性增温与臭氧总量突变有三种类型,即一次突变型,两次突变型和一次突变与一次缓变混合型;2.平流层爆发性增温3—5天后,对流层上部也有一次剧烈升温;3.增温过程自平流层上部向对流层下传时,伴随着臭氧分压增压中心逐渐向下传递;在平流层各等压面上,臭氧分压变化与气温变化值之间有较好的正相关,相关系数为0.85.     

南极臭氧洞的发现、研究和启示

回顾了南极臭氧洞的发现过程,评述了南极臭氧洞形成和发展的机制、以及南北极臭氧变化的差异,讨论了南极臭氧洞的发现和研究带来的启示。研究指出,目前只是在南极春季出现了臭氧洞,北极并没有出现过臭氧洞。在当前大气环境被污染的情况下,极地大气臭氧亏损的程度将更多地随大气环流,特别是极地涡旋中的低温状况而发生变化。     

极区大气臭氧总量变化特征及其对大气温度的影响

利用ＴＯＭＳ资料分析了南北极区大气臭氧总量的多年趋势变化,年际变化,季节变化及周期性变化特征。结果表明,近十余年来南北极区大气臭氧总量都是下降的,并且存在转折现象,但两者具有不同的多年变化特征和地理分布特征;南北极区的臭氧减少都是春季下降最快;南北极区存在不同的周期振荡现象,南极地区比北极地区表现出更强的周期振荡特征．     

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。     

南极春季臭氧的TOVS反演及其与BREWER观测的比较

通过改进臭氧的统计反演算法，从NOAA卫星的TOVS资料中提取了1993年南极臭氧洞期间中山站上空大气臭氧含量的资料。本文的结果与NOAA的TOVS臭氧产品以及中山站的Brewer观测进行了比较。尽管3种资料对在臭氧洞期间臭氧含量的显著减少这一特征上相当一致，但此项结果相对于Brewer观测，其均方根误差29 DU，优于NOAA的业务反演产品。此外，还初步讨论了这两种反演的误差特征。     

南极大陆沿岸地面臭氧损耗事件的研究

利用南极大陆沿岸中山站2008-2013年的地面臭氧连续观测数据和相关资料,对地面臭氧损耗事件（ODE）进行研究。结果显示,春季南极中山站常发生臭氧损耗事件。在该事件发生期间,气象要素有明显的突变过程,包括气温明显下降,风向由偏东风转变为偏北风,风速随之下降。来自海冰区的偏北风增多,风速很小,使臭氧浓度维持在较低水平。地面臭氧损耗事件主要与南极沿岸海冰区的活性溴（BrO）浓度有关。春季南极大陆沿岸海冰冻融过程中形成的冰间水道和冰间湖,在低温的作用下会再次冻结,形成薄冰和霜花。卫星资料能够观测到薄冰区释放的活化海盐溴高浓度区,活性溴与臭氧发生化学反应形成地面臭氧损耗事件。臭氧损耗现象是在未受到人为影响的自然状态下发生的,与中高纬度地区光化学反应导致臭氧消耗有所不同。      

平流层臭氧季节变化的动力和光化学作用之比较

1992年到2005年的HALOE资料显示, 在臭氧光化损耗中, ClOx 和NOx 的贡献大小和作用位置有所差异。SOCRATES3模式模拟表明, 两半球夏季高纬极区的臭氧减少, 主要是NOx的化学贡献; 北极春季和南极冬季副极地臭氧的变化, 主要是动力输送引起。南、北极春季臭氧减少的化学机制也有所不同, 南极春季的臭氧耗损包括极区内ClOx 的异相化学作用和副极区NOx的化学作用; 北极春季的臭氧耗损主要以NOx 和ClOx 的气相化学作用为主, 其中NOx 的作用更大。动力和光化学在臭氧变化中的贡献表明, 整个中低平流层及低纬平流层高层的动力输送贡献可达到45%, 而高纬平流层中上层, 化学作用贡献在65%以上。     

南极臭氧洞的影响因子和变化趋势

利用卫星和台站观测的南极臭氧资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了南极臭氧近年来的变化特征和影响因子,探讨了南极臭氧洞期间中山站臭氧突变过程与大气动力的作用。结果显示,平流层氯和溴的卤化物当量（EESC）和平流层温度是影响南极臭氧洞面积的关键因子。臭氧总量与EESC和平流层温度均具有显著相关,表明两站虽然都位于臭氧洞边缘,EESC和平流层温度对臭氧总量的变化仍然可以起决定性的作用,同时也验证了EESC参数在东南极大陆沿岸具有适用性。 EESC的年代际变化与臭氧变化趋势相似,臭氧的年际变化与平流层温度关系密切。回归结果表明,2010年后臭氧洞面积逐渐减小,在2070年左右可能恢复到1980年前的水平,但其结果存在很大的不确定性。     

南极臭氧洞与南极涡旋的变化——IAP模式的试验结果

通过对IAP9层全球大气环流模式试验结果的分析,讨论了1987年南极臭氧洞对平流层大气辐射加热率和温、压、风场的影响。结果表明,南半球高纬和极地平流层臭氧含量的耗损,使该地区辐射加热率明显减小,气温明显下降,等压面明显下降,南极涡旋明显加强,说明南极春季涡旋的强弱与该地区臭氧含量及其热状况有密切关系。     

南极春季臭氧的减少——臭氧洞

一、前言人们通过地面陶普生观测网和人造卫星在世界范围内连续对臭氧层进行了长期观测,发现了臭氧层的人为改变这一问题,其变动情况正成为许多研究人员的兴趣中心。作为本文的主题——南极春季臭氧减少的现象(所谓的臭氧洞)是在极地这一观测上易于被人们忽视的地方发现的。极地本来观测站     

地面臭氧观测

近年来认识到近地面层系统地观测臭氧可与对流层上部臭氧观测联系在一起,从而给出大气中臭氧的总收支,为大气本底污染监测内容之一;山地与平原观测记录之比较,也是很有价值的。地面臭氧观测基准站和区域站的臭氧取样及分析方法指南,可参见世界气象组织业务手册(WMO Operations Manual)第299号出版物。加拿大大气环境局“世界臭氧资料中心”正作出安排,将世界各地未污染地点的地面臭     

近20年来中国极地大气科学研究进展

南极、北极和青藏高原是地球上的 3大气候敏感地区 ,是多个国际计划研究全球变化的关键地区。中国的南极和北极实地考察研究 ,分别始于 2 0世纪 80和 90年代 ,起步较晚 ,但近 2 0余年来有较大的进展。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。讫今为止 ,中国已组织了 2 0次南极考察和 3次北极考察 ,建立了中国南极长城站、中山站和北极黄河站等 3个常年科学考察站 ;进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、高层大气物理、冰雪和大气化学等观测 ,获得了较为系统的极地大气科学第一手资料 ;开展了有关极地与全球变化的研究 ,取得了新的进展。南极地区大气温度、臭氧和海冰的气候变化在时间和空间上都是多样的。南极地区的增暖主要发生在南极半岛地区 ,在南极大陆主体并不明显 ,近 10余年来还有降温趋势。中国南极长城站和中山站的观测资料也证实了这一点。此外 ,还揭示了南极半岛西侧和罗斯海外围的海冰变化具有“翘翘板”特征 ,由此定义的南极涛动指数可用来讨论南极海冰状况和海冰关键区的活动 ;用实地考察资料研究了极地不同下垫面的近地面物理和海 -冰 -气相互作用特征 ,给出了边界层特征参数 ;讨论了极地天气气候和大气环境特征及其对东亚大气环流和中国天气气候的影响 ;利用     

极地大气科学与全球变化研究进展

南极和北极是地球上的气候敏感地区, 也是多个国际科学计划研究全球气候变化的关键地区。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。中国气象科学研究院的极地大气科学考察与研究始于20世纪80年代, 25年来有较大进展。中国气象科学研究院参加了我国组织的23次南极考察、2次北冰洋考察和3次北极考察; 承担了南极长城站和中山站、北极黄河站气象业务建设和维持, 以及中-澳合作南极冰盖3个无人自动气象站工作; 进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、冰雪和大气化学等观测, 获得了较为系统的极地大气环境资料。开展了有关极地大气科学与全球变化的研究, 在极地天气气候特征及气候变化时空多样性、极地海冰变化和南极海冰涛动、极地近地面物理特征和海-冰-气相互作用、中山站臭氧变化特征及南极臭氧洞和大气化学、气候代用资料获取和古气候环境以及极地大气环境变化对东亚环流和中国天气气候影响等方面的研究取得了新进展。中国极地大气科学正积极通过多学科交叉、走国际合作道路, 努力提高对极地在全球变化中作用的认识水平, 并积极探索极地变化对我国气候、环境的影响。     

大尺度山地上空的臭氧低值及地面加热

首次利用Ｎｉｍｂｕｓ－７卫星上搭载的臭氧观测光谱仪（ＴＯＭＳ）资料,分析研究了大尺度山地（青藏高原、洛基山脉和安第斯山脉）上空臭氧总量的分布和季节变化规律,指出了大尺度山地对大气臭氧的减少作用。从全球大气臭氧总量分布和纬向偏差分布可以看出：在上述３个大尺度山地上空均存在着明显的臭氧低值扰动,该扰动区夏季强于冬季。在这３个区域中,青藏高原上空的臭氧低值扰动为最强。分析同时指出：上述大尺度山地上空臭氧季节变化的极小值在秋季,极大值在春季。但上述地区臭氧总量与同纬度其它地区臭氧总量的偏差在春季或初夏达到极小值。为分析这种大尺度山地对臭氧减少作用的原因,本文分析了青藏高原地面热源与臭氧总量的关系,指出：大尺度山地表面对大气的加热与该地区臭氧减少之间存在着良好的反相关;在地面对大气的感热加热、潜热加热和有效长波辐射加热中,以感热加热与臭氧减少的关系为最好。     

南极长城站大气臭氧和NO2的观测研究

在中国第五次南极考察社长城站的科学研究活动中,开展了与南极臭氧洞有关的大气臭氧和NO_2柱含量的观测。观测采用地面吸收光谱的原理进行。从1988年12月到1989年2月的观测结果表明,长城站区臭氧柱含量平均值为341DU,与常年平均结果相当。NO_2的平均柱含量为2.16×10~(18)cm~(-2)。无论是臭氧或NO_2的柱含量都有明显的日变化。     

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。     

青藏高原瓦里关地区大气臭氧柱总量及UV—B观测结果的特征分析

利用Brewer臭氧分光光谱仪对青藏高原东北部瓦里关地区的大气臭氧柱总量及太阳紫外B生物有效辐射剂量进行了连续的观测。通过对1996-1996年的资料分析表明：该地区的臭氧柱总量具有明显的年季变化特征，并存在着减少的趋势，与TOMS卫星的观测结果相一致；臭氧垂直廓线的Umkehr反演得出这一地区的臭氧数密度最大值出现在20-30km处，冬春季的高度低于夏季；太阳紫外B生物有效辐射剂量夏季最高可达0．4W／m^2。