An Empirical Model for Estimating the Zonal Mean Aerosol Extinction Profiles from SAGE II Measurements

This paper presents an empirical model for estimating the zonal mean aerosol extinction profiles in the stratosphere over 10°-wide latitude bands between 60°S and 60°N, on the basis of Stratospheric Aerosol and Gas Experiment（SAGE） II aerosol extinction measurements at 1.02, 0.525, and 0.452 μm during the volcanically quiescent period between 1998–2004. First, an empirical model is developed for calculating the stratospheric aerosol extinction profiles at 1.02 μm. Then, starting from the 1.02 μm extinction profile and an exponential spectral dependence, an empirical algorithm is developed that allows the aerosol extinction profiles at other wavelengths to be calculated. Comparisons of the model-calculated aerosol extinction profiles at the wavelengths of 1.02, 0.525, and 0.452 μm and the SAGE II measurements show that the model-calculated aerosol extinction coefficients conform well with the SAGE II values, with the relative differences generally being within 15% from 2 km above the tropopause to 40 km. The model-calculated stratospheric aerosol optical depths at the three wavelengths are also in good agreement with the corresponding optical depths derived from the SAGE II measurements, with the relative differences being within 0.9% for all latitude bands. This paper provides a useful tool in simulating zonal mean aerosol extinction profiles, which can be used as representative background stratospheric aerosols in view of atmospheric modeling and remote sensing retrievals.     

教学应赋予地理问题以现实意义

每个地理教师都知道,地理课应当和生活体验、社会信息相融合。然而现实的地理课上难免老生常谈：当我们习惯了讲大气分层时举一个飞机在平流层飞行的例子、讲台风特点时列一个最近发生的台风名称、讲等高线时引一组等高线平面图及其相对应的立体地形图的同时,我们是否会意识到可能深陷于另一个版本的照本宣科？     

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温（SSW）是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一. SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目：“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.     

夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的特征分析

青藏高原为亚洲季风区的典型代表区域,研究其水汽进入平流层的过程和机理对认识全球气候和大气环境变化具有一定的现实意义. 本文基于中尺度气象模式(WRF)的模拟输出结果(2006年8月20日至8月26)驱动拉格朗日大气输送模式FLEXPART,通过追踪并解析气块的三维轨迹以及温度、湿度等相关物理量的相关变化特征,初步分析了夏季青藏高原地区近地层-对流层-平流层的水汽输送特征. 研究结果表明,源于高原地区近地层的水汽在进入平流层的过程中受南亚高压影响下的大尺度环流和中小尺度对流的共同影响.首先,在对流抬升作用下,气块在短时间内(24 h)可抬升到9~12 km的高度,然后在南亚高压闭合环流影响下,相当部分气块在反气旋的东南侧穿越对流层顶进入平流层中,并继续向低纬热带平流层输送,进而参与全球对流层-平流层的水汽循环过程. 在对流抬升高度上气块位置位于高原的西北侧,然而气块拉格朗日温度最小值主要分布于高原南侧,两个位置上气块的平均位温差值可达15~35 K,这种显著的温度差异将导致气块进入平流层时"脱水". 比较而言,夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的多寡主要和大尺度汽流的垂直输送有关,而深对流的作用相对较弱.     

两个大气环流模式SAMIL和BCC_AGCM对北半球冬季极涡振荡的模拟对比

基于与NCEP再分析资料的比较, 本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式BCC_AGCM的1950～1999年的AMIP试验模拟数据, 对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基本型以及环流振荡的主导模态。对冬季气候平均态的模拟, 两个模式模拟的热带—热带外温度梯度均偏大, 极夜急流偏强, 极涡偏冷偏强;100～20 hPa平均位势高度场谐波分析表明两个模式模 拟的行星波偏弱;气候平均的10 hPa极夜急流均存在1个月的季节漂移, 200 hPa副热带西风急流较NCEP偏弱。两个模式模拟的环流变化的主导模态均代表极涡振荡, SAMIL极涡振荡的强度大于BCC_AGCM, BCC_AGCM极涡振荡的频率要高于SAMIL。连续功率谱分析表明, NCEP资料中极涡振荡存在4.6个月的显著周期, 相应地, SAMIL中为5.5个月的显著周期, BCC_AGCM中为4.8个月。NCEP资料中的极涡振荡主要发生在12～3月, SAMIL模拟的极涡振荡主要发生在2～3月, BCC_AGCM模拟的极涡振荡主要发生在2～4月。     

典型东北冷涡个例的平流层-对流层交换过程数值模拟研究

利用中尺度模式WRF对发生于2010年6月19~23日的我国东北地区一次典型冷涡过程开展高垂直分辨率数值模拟研究.在模式结果再现此次东北冷涡基本特征的基础上,进一步用Wei公式考察该冷涡引起的平流层-对流层质量交换的时空分布特征.分析结果表明,此次冷涡过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效应表现为平流层向对流层的净输送.在冷涡形成前期,即大型槽脊发展阶段,已经存在活跃的交换.在冷涡活动的整个过程中,槽后和冷涡移动方向的后部主要表现为空气质量由平流层向对流层的输送,而在槽前和冷涡移动方向的前部主要表现为由对流层向平流层的输送.这种空间分布形态主要是由对流层顶变化项决定,但由于其引起的向上、向下交换量作用相抵消,因此它对净交换量的贡献很小,而对此次过程净交换的贡献起决定性作用的是水平运动项.冷涡活动区域平均的总交换通量随时间的变化特征表现为三段:(1)在冷涡形成前期,存在较强的平流层空气向对流层输送过程;(2)随着冷涡的形成发展,总通量表现为TST-STT-TST波动趋势;(3)冷涡发展后期,又表现为平流层空气向对流层输送.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

2003-2011年平流层顶抬升事件的SABER/TIMED观测

利用2003-2011年的SABER/TIMED温度数据观测发现,在2006年、2009年和2010年北半球高纬（70°N）的冬季（1-3月）发生了“平流层顶抬升”.在这3次事件中,1月末-2月初的~50 km和~80 km高度处分别出现了温度的极大值~260 K和~230 K,即平流层顶的高度突然由原来的50 km左右上升至80 km左右,这就是平流层顶抬升事件;随着时间的推移,抬升的平流层顶的高度逐渐下降直至恢复到原有位置,与此同时其温度由~230 K上升至~260 K.值得注意的是,虽然在极区的每年冬天都发生平流层突然增温事件,但是只在伴随着极涡分裂的平流层突然增温事件后出现平流层顶抬升.此外,在发生平流层顶抬升事件的冬季里,高纬的重力波活动在1月末-2月初的~80 km高度处突然增强,对应着平流层顶的抬升时间和高度;在2月份之后,重力波活动在75 km以下逐渐增强、在75 km以上逐渐减弱,同时抬升的平流层顶也不断下降.通过重力波活动与平流层顶抬升事件的相关性分析,表明重力波活动可能对平流层顶的抬升有重要影响.     

Interannual variability of the winter stratospheric polar vortex in the Northern Hemisphere and their relations to QBO and ENSO

We investigated the interannual variations of the winter stratospheric polar vortex in this paper. EOF analysis shows that two modes of variability dominate the stratospheric polar vortex on interannual timescales. The leading mode (EOF1) reflects the intensity variation of the polar vortex and is characterized by a geopotential height seesaw between the polar region and the mid-latitudes. The second one (EOF2) exhibits variation in the zonal asymmetric part of the polar vortex, which mainly describes the stationary planetary wave activity. As the strongest interannual variation signal in the atmosphere, the QBO has been shown to influence mainly the strength of the polar vortex. On the other hand, the ENSO cycle, as the strongest interannual variation signal in the ocean, has been shown to be mainly associated with the variation of stationary planetary wave activity in the stratosphere. Possible influences of the stratospheric polar vortex on the tropospheric circulation are also discussed in this paper.     

Stratospheric Temperature Changes and Ozone Recovery in the 21st Century

Increasing greenhouse gases and likely ozone recovery will be the two most important factors influencing changes in stratospheric temperatures in the 21st century. The radiative effect of increasing greenhouse gases will cause cooling in the stratosphere, while ozone recovery will lead to stratospheric warming. To investigate how stratospheric temperatures change under the two opposite forcings in the 21st century, we use observed ozone and reanalysis data as well as simulation results from four coupled oceanic and atmo- spheric general circulation models （GISS-ER, GFDL-CM20, NCAR-CCSM3, and UKMO-HadCM3） used in the IPCC （Intergovernment Panel for Climate Change） Fourth Assessment Report （AR4）. Observational analysis shows that total column ozone and lower stratospheric temperatures all show increasing in the past 10 years, while middle stratospheric temperatures demonstrate cooling. IPCC AR4 simulations show that greenhouse forcing alone will lead to stratospheric cooling. However, with forcing of both increasing greenhouse gases and ozone recovery, the middle stratosphere will be cooled, while the lower stratosphere will be warmed. Warming magnitudes vary from one model to another. UKMO-HadCM3 generates relatively strong warming for all three greenhouse scenarios, and warming extends to 40 hPa. GFDL-CM20 and NCAR-CCSM3 produce weak warming, and warming mainly exists at lower levels, below about 60 hPa. In addition, we also discuss the effect of temperature changes on ozone recovery.