关于中层大气动力学的研究进展

中层大气(Middle Atmosphere)是近十多年来广泛使用的一个新名词。它是指从对流层顶到湍流层顶约100km之间的大气层。它由平流层、中间层(Mesosphere)与热层下层所组成,占据着大气总量约20％左右。中层大气与对流层大气不同,它没有水蒸汽的凝结,不与海洋及地表直接进行交换,不直接受到地形的作用,因此,就会产生中层大气固有的大气环流。但是,由于中层大气位于对流层之上,这样在对流层产生的波动有些会传播到中间层,如在对流层由于大尺度地形和海陆纬向分布的不均匀性所产生的行星波可以传播到平流层与中间层;并且,由于波在传播中,它的能量密度是守恒的,     

科威特油井大火对环境造成的影响

经卫星观测资料修正过的模式计算结果表明,科威特油井燃烧产生的绝大部分烟尘将保持在对流层低层几公里高度以内的大气中.烟云之下,日照强度大幅度减少,烟源周围200公里范围内,白天气温下降10℃左右.距科威特1000-2000公里范围内的地区,将有酸雨和光化学烟雾现象出现.但亚洲夏季季风的变化不会超过年际自然变率,平流层臭氧浓度也不会受到影响.     

二氧化碳与气候：云变化机制

云分布的变化会对气候变化产生一个重要反馈。大气环流模式模拟表明在气候变暖时高云向上移动,自由对流层云总的说来减少。高云的移动可能是由对流层顶的向上移动引起的。据认为相对湿度及下部云量的减少可以归因于较暖气候条件下垂直运动的厚度增加,并且由于比湿增加大气辐射冷却也会向上移动。关于大气环流模式响应的诊断研究结果与这种机制是一致的。     

对流层大气的负熵流和熵产生

将原始熵平衡方程应用于大气系统，详细计算了对流层大气平均状态下的负熵流和熵产生及其各项分量，得出了它们之间的一些数量关系，并应用熵理论初步解释了大气运动的某些规律，对于天气预报和气候变化的研究具有一定参考意义。     

我国对流层大气臭氧的数值模拟

本文建立了一个用于对流层大气臭氧模拟的三维欧拉模式,针对影响臭氧光化学转化的各种因素及我国城市光化学污染的特点,模式中简化了光化学项的计算。根据实际观测资料,提出了模拟云雾对臭氧影响的参数化方法,并确定了云雾作用系数,通过模式的数值模拟,得出了我国对流层大气臭氧,特别是近地面层大气臭氧的分布状况、我国城市光化学污染的分布特征以及它们的季节变化规律.     

对流层上层副热带高压的东西振荡

本文用低谱途径,将二层准地转模式化为一个八维的强迫耗散的非线性系统。沿南北方向除赤道与极地之间的热力强迫外,模式还包含近似描述增温的副热带大陆与其南面海洋之间热力差异的强迫参数θ_c.在θ_c的一定范围内,模式大气显示出多平衡态特征,它们分别对应于对流层上层副热带高压的东部型和西部型流型。θ_c越过临界值后,模式大气又显示出多周期态特征,它们分别对应于对流层上层副热带高压的不同形式的东西振荡。     

对流层顶研究回顾

大气急流、飞机颠簸、臭氧层顶等重要物理、化学现象均与对流层顶的位置、强度及其变动密切相关,因此在研究自由大气的气候和大气环流时,作为对流层与平流层过渡层的对流层顶是非常重要的,对流层顶研究已成为当今大气科学的研究热点之一。对近几十年来对流层顶研究领域的有关研究作了简要回顾,主要从对流层顶的分布特征、对流层顶要素变化以及对流层顶与臭氧的关系等几个方面进行综述。在此基础上,总结出对流层顶研究遇到的几个困难。     

全球大气能量演变及其与太阳活动的关系

利用1979—2010年间的JRA-25再分析资料、太阳常数观测资料,重现了1979—2010年间的各能量的时间序列,并对整层大气、对流层大气和平流层大气这3个大气层能量的演变规律及其与太阳活动的关系进行了分析。结果表明:(1)整层大气的总能量和对流层大气的总能量,两者都存在一个显著的3.7 a的周期;而平流层大气的总能量具有一个显著的11~22 a的振荡周期;平流层大气对太阳活动的响应,与对流层大气对太阳活动的响应有所不同:平流层大气的总能量的变化略落后于太阳常数的变化,但是整层大气和对流层大气的总能量的变化均是超前于太阳常数的变化。(2)整层大气、对流层大气和平流层大气这3个层次的总能量和太阳常数分别具有显著的4~11 a的共振周期、5.5~7.3 a的共振周期和3.7~11 a的共振周期。     

青藏高原地面-对流层系统的能量收支

利用CCM3中的辐射模式CRM，计算了1月和7月地－气系统、地面－对流层系统和地面辐射能收支，研究了青藏高原地面－对流层系统辐射能收支的冬、夏季节特征及其与地面和地－气系统辐射能收支的关系，并与东部平原地区和高原北侧干旱地区比较。文中还讨论了云和高原冬季地面积雪对辐射能收支的影响，比较了大气辐射加热和地面感热通量对夏季高原对流层大气加热的贡献。     

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。      

中国对流层大气辐射平衡

本文根据辐射传输理论和某些物理近似,提出一个计算对流层大气辐射平衡的半经验半理论的气候学方法。使用十年平均气候资料,计算了我国对流层大气的辐射平衡及其有关分量,给出了这些量的分布特征,并简要讨论了影响我国对流层大气辐射平衡的主要因子。     

夏季风爆发前后中国区域对流层顶高度变化特征

利用2008—2014年全国高垂直分辨率的L波段探空资料,统计分析了东亚夏季风爆发前后我国不同区域对流层顶高度变化特征。研究表明:夏季风爆发后,对流层顶高值区向北推进,最大值位于青藏高原南部及其东南部地区;对流层顶高度的向南梯度和向东梯度大值区均由爆发前的30°~40°N北移至40°~50°N;受地面加热和垂直运动的影响,中国东北部和中东部在夏季风爆发后对流层升温,平流层-对流层过渡层降温,大气温度梯度增加,对流层顶上升,其中中国东北部在夏季风爆发前,大气温度廓线为双峰结构,易出现双对流层顶,第一对流层顶较低;中国南部整层大气温度廓线在夏季风爆发后略有增加,对流层顶有所下降。     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

中国东部地区夏季对流层大气辐射加热的研究

应用TOVS资料及MORTRAN3模式，研究中国东部夏季对流层的太阳短波辐射和红外辐射对大气的加热状况。考虑不同纬度，不同大气状况下12个站点43个样本的太阳加热率和红外冷却率情况，分析发现：在夏季的对流层，太阳加热率随着距地面的高度增加而减小，它的大小及变化率与纬度、天顶角及当时大气的状况有关，同时，太阳加热率也存在日变化。红外冷却率在对流层中、高层有极小值，它的大小及变化率与当时的大气状况及纬度有关。将本文的结果与前人的结论及实况相比较，发现本文较为真实地反映了中国东部地区夏季对流层的辐射加热情况，利用卫星资料计算的结果基本可信，     

大气中的硫及其在酸雨中的作用

一、引言由于人类活动使硫化物散发到大气中,已被认为是一个重大的环境污染问题。以二氧化硫和硫酸盐形式出现的硫污染已达全球性规模。硫酸盐是对流层和平流层中遍及全球的大气微粒成分,降水中的大部分酸性是由它引起的。由于在总含硫量中,人类的影响已占到较大部分,尤其在大工业中心的下风方更是如此,所以人们愈来愈重视它的影响。     

基于探空资料的北京地区大气臭氧垂直分布特征

利用2002年9月至2012年12月北京地区臭氧探空资料分析了大气臭氧的垂直分布特征,重点分析了对流层顶附近区域臭氧的季节变化与变率。结果表明:北京地区对流层臭氧的垂直分布主要表现为随高度递增的特征;臭氧的平均浓度夏季最高,冬季最低,春季和秋季相当,各季节的臭氧浓度在不同高度范围内略有差别。在对流层上层至平流层下层(8—15 km),臭氧浓度的垂直分布与平均浓度受对流层顶高度的影响显著。基于对流层顶相对高度坐标的分析表明,对流层顶下方1—3 km高度的臭氧仍保持了对流层臭氧的垂直分布特征;而在对流层顶高度附近,各季节臭氧浓度均随高度显著增加;由于垂直增速有显著的季节差异,导致臭氧平均浓度在对流层顶上方1—3 km出现明显变化。臭氧浓度归一化标准差表明:在对流层低层,大气臭氧浓度的变率在冬季最强,秋季、春季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱;在对流层顶附近,大气臭氧浓度的变率在春季最强,冬季、秋季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱,其中冬季和春季的强臭氧变率可能与对流层顶附近活跃的大气波动及对流层顶高度的频繁扰动密切联系。     

由TES反演的大气水汽中δD的时空分布特征

水汽在大气中的输送具有空间上和时间上的连续性.利用水汽同位素可以更全面地分析水汽的来源、路径、水循环中各分量的再分配和补给形式,更深入地了解水循环中各种空间和时间尺度下水汽的连续变化特征和历史.本研究利用对流层发射光谱仪(TES)反演的825-100 hPa层间7个等压面上HDO和H2O数据分析了对流层不同层次大气水汽中δD的时空分布规律以及水汽中δD与大气湿度、大气温度的关系,探讨了水汽同位素与降水同位素的关系以及大尺度水循环过程对水汽同位素的可能影响.结果显示,在空间分布上,对流层大气中水汽δD具有非常明显的带状分布,水汽中δD的分布与可降水量的分布存在很好的对应关系;水汽中δD随垂直气压呈对数型递减,平均递减率由赤道向高纬度减小、陆地向海洋减小.在时间变化上,大气水汽中δD的季节变化存在地域性差别.在中低纬度陆地,水汽中δD的季节变化明显,且与可降水量的季节变化相对应;在中高纬度的许多地区,夏季水汽中δD小于冬季.对流层水汽中δD的空间分布和季节变化具有一致性特点,上对流层和下平流层间水汽中δD的空间分布和季节性变化特点与对流层相反.对流层大气水汽中的δD与层间平均温度和可降水量的相关关系具有相似的分布形势.与降水中的稳定同位素相比,水汽中的稳定同位素在空间分布、季节变化、与温度和湿度的关系上存在某些差异,反映二者在受稳定同位素分馏的影响和水循环中大气环流类型的影响方面存在明显差别.     

平流层与中间层大气动力学的研究

平流层与中间层位于对流层顶之上到80公里左右的高度,它占据着大气总量的20%左右。它的变化直接影响着对流层大气的运动,因此,要搞清楚对流层的气候形成及中、长期天气过程的物理机制,就必须研究平流层与中间层大气环流及其形成的物理机制。 由于平流层含有臭氧,它吸收着太阳辐射中的紫外线,形成了以平流层顶为中心的高温层;并且,平流层及中层大气与对流层大气不同,它没有水蒸汽的凝结,不与海洋及地表     

南亚高压对亚洲季风区夏季对流层上层水汽异常分布的动力效应

正确认识对流层上层水汽以及其他大气痕量成分的分布和形成机理对于正确认识全球气候变化具有重要的意义.已有的研究说明亚洲季风区为全球的一个特殊的区域.基于最新的卫星微波临边探测仪(EOS-MLS)资料,首先定性地分析了亚洲季风区对流层上层水汽分布异常特征,然后,利用2005年夏季NCEP/NCAR的GFS资料和大气拉格朗日...     

平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究:进展与问题

本文综述了近年来关于平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用动力过程的研究进展,特别是回顾了近年来关于平流层大气环流和行星波动力学、热带平流层大气波动及其与基本气流相互作用、平流层大气环流变异对对流层环流和气候变异的影响及其动力过程、平流层大气数值模拟以及在全球变暖背景下平流层大气的长期演变趋势预估等的研究进展。最近的研究揭示了大气准定常行星波传播波导的振荡现象、重力波在热带平流层准两年振荡和全球物质输送中的作用、平流层长期的变冷趋势变化、平流层在对流层天气和气候变化中的作用等现象,表明了平流层大气动力学研究的重要性。平流层大气动力学的深入研究,以及对数值模式中平流层模拟性能的提高,最终都会推动整个大气科学和气候变化研究的进一步发展。