东亚地区平流层臭氧变化特征及其与温度场的相关分析

臭氧是影响平流层温度变化的主要因素,作者利用NCEP的臭氧与温度的再分析资料,分析了东亚地区1979—2008年平流层各层臭氧与温度的变化趋势以及二者的相关关系.分析结果表明,平流层各层次臭氧与温度的变化趋势大致相同,有较强的相关关系.为了更好地分析二者的相关关系,进行了平流层3个层次(100、70、50 hPa)欧亚大陆O3场与东亚温度场的奇异值分解(SVD)分析.结果显示,3个层次上第1奇异向量的方差贡献都达到90%以上,可见3个层次第1奇异向量对应的SVD模态是最主要的模态,代表了此两要素场相互作用的主要特征,即①欧亚大陆上西风带行星波影响区域对应的臭氧含量高,则行星波东亚大槽上空平流层温度偏高,反之则偏低;②欧亚大陆上热带东风急流区域对应的臭氧含量低,则台湾以南-南海区域上空平流层温度偏低,反之则偏高;③同时发现平流层中低层的大型经向环流在影响中-低纬地区臭氧分布的过程中起了一定作用.     

南极高空臭氧含量减少对平流层温度场影响的数值模拟

目的对比研究南极大陆高空臭氧含量对全球平流层大气温度场的影响。方法应用改进后的CCM1(R15L12)模式,以国家气象中心1991年1月16日的全球客观分析资料为初始场,积分到1998年7月31日。结果平流层上、中、下部温度下降的趋势均较为明显,同时部分区域温度略有增高,这在北半球更为显著。结论整体而言臭氧减少可造成平流层各层的温度降低,从而影响到平流层的大气环流及输送过程。     

全球平流层、对流层质量交换的季节变化特征

用1958年到2001年44 a ECMWF资料,P坐标系下Wei公式诊断了全球对流层、平流层交换的季节变化.结果表明:印尼、孟加拉湾以及南美中西海岸附近是物质由对流层向平流层输送的主要通道.中高纬度地区同时存在向上、向下的通量,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送.一年中,秋、冬季向下的输送强,春、夏季较弱.东亚地区存在很强的平流层向下的输送,且中心位置移动不大;只占北半球5.6%面积的东亚,其多年平均质量净交换量却占到北半球的15.83%,这说明东亚地区对流层与平流层之间的质量交换对北半球乃至全球对流层、平流层交换研究的重要性.从1958年到2001年,穿越对流层顶的空气都是更多地从平流层进入对流层,这与同化数据本身存在系统性偏差以及对流层顶高度44a来始终升高有关.南、北半球质量交换量以及质量交换通量对所占纬度带的贡献都是从赤道向两极逐渐增大,且北半球的贡献比南半球要大得多.高纬度地区单位面积上的质量交换量以及质量交换通量比低纬度要大,说明高纬度地区质量交换的效率要比低纬度更高.     

北半球平流层气候异常变化探索

本文利用逐次滤波法分析北半球平流层气候异常变化。结果表明，北半球10～20km高空气候存在尺度为20年左右的年代际变化，年代际变化对气候的方差贡献率达到20％；火山活动能引起平流层较大幅度增温，对高空气候异常变化的方差贡献率超过了20％；平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期，分析是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应，其方差贡献率达到5％；海温场异常是北半球10～20km高空气候异常变化十分重要的影响因子，其影响程度达到总的异常变化的9％。     

CO2浓度和太阳活动对北半球夏季平流层中部气温异常变化的影响

通过逐次滤波法和对比分析可知,北半球夏季7月高空10hPa持续增暖过程是以CO2为主的温室气体增加、火山活动和太阳活动共同引起的,具体表现为：（1）CO2浓度增加趋势与北半球7月平流层10hPa升温趋势基本一致．但是北半球7月10hPa升温过程不像CO2浓度一样线性增加,其中还伴随几次降温波动,最显著的一次是20世纪60年代末至70年代末,90年代中期以前的降温过程也比较清楚．分析认为,这是火山活动和太阳活动引起的．（2）太阳磁场磁性指数曲线与滤除CO2影响的北半球10hPa大气温度距平曲线变化趋势也基本一致,波峰波谷基本对应并且超前一些,就是说太阳北半球黑子群N极前导时期,即太阳磁场南向时期与北半球平流层增温时期对应．太阳北半球黑子群S极前导时期,即太阳磁场北向时期与北半球平流层降温时期对应,显示出太阳磁场方向变化对北半球平流层气温变化的重要影响．（3）谱分析结果表明,滤除趋势变化和准22年周期的7月北半球平流层中层10hPa大气温度具有显著的准11年周期,其方差贡献率1．5％．（4）分析表明CO2浓度变化与太阳磁场强度和磁场方向变化对于平流层中层10hPa温度变化的影响方差贡献率达到58％,是10hPa温度变化的决定性因素．其中CO2影响方差贡献率37％,太阳磁场强度和磁场方向变化方差贡献率21％．     

海温季节和年际变化对东亚区域气候变率模拟的影响

利用P-σ区域气候模式通过数值试验分析和探讨了海温季节变化和年际变化对东亚地区气候变率模拟的影响．数值分析试验结果发现，实际海温强迫下模拟的500hPa高度场年际变率较有或没有海温季节变化强迫模拟的结果在冬夏两季基本上是增强的，海温的年际变化对模拟500hPa高度场年际变率是尤为重要的．海温的季节变化强迫使得模拟的500hPa高度场在冬季增强，夏季减弱，且在高纬度地区变化幅度较大．海温的年际和季节变化使得东亚地区的500hPa温度在冬季升高，而夏季在低纬度地区的温度降低，其中在华南沿海、南海北部和盂加拉湾地区降低最甚，高纬地区变化不明显．此外，海温的季节和年际变化强迫对华南地区降水率差值的影响远比对长江中下游地区明显．     

利用探空资料对对流层-平流层热力结构的分析

利用16个探空站近6年的高分辨率探空资料,采用经验正交函数和数值积分等方法,分析了对流层、对流层顶和平流层下层的温度层结特征,主要得出以下结论:①对流层顶温度年变幅最小,对流层上层和平流层下层(包括对流层顶)与对流层中低层具有相反的温度变化趋势.②不同地区对流层顶高度表现为随纬度升高而降低的规律,平均每升高1°对流层顶高度下降44 m,同纬度高原地区对流层顶高度高于平原地区.③各站对流层平均温度总体表现为单峰型结构,与地面温度的季节变化特征相同,只是年较差小于地面.④对流层顶高度与对流层平均温度具有显著的正相关关系,对流层增温时对流层顶高度升高,对流层顶高度主要取决于对流层热力状况.     

CO2浓度和太阳活动对北半球夏季平流层中部气温异常变化的影响

通过逐次滤波法和对比分析可知,北半球夏季7月高空10 hPa持续增暖过程是以CO2为主的温室气体增加、火山活动和太阳活动共同引起的,具体表现为:(1)CO2浓度增加趋势与北半球7月平流层10hPa升温趋势基本一致.但是北半球7月10 hPa升温过程不像CO2浓度一样线性增加,其中还伴随几次降温波动,最显著的一次是20世纪60年代末至70年代末,90年代中期以前的降温过程也比较清楚.分析认为,这是火山活动和太阳活动引起的. (2)太阳磁场磁性指数曲线与滤除CO2影响的北半球10 hPa大气温度距平曲线变化趋势也基本一致,波峰波谷基本对应并且超前一些,就是说太阳北半球黑子群N极前导时期,即太阳磁场南向时期与北半球平流层增温时期对应.太阳北半球黑子群S极前导时期,即太阳磁场北向时期与北半球平流层降温时期对应,显示出太阳磁场方向变化对北半球平流层气温变化的重要影响. (3)谱分析结果表明,滤除趋势变化和准22年周期的7月北半球平流层中层10 hPa大气温度具有显著的准11年周期,其方差贡献率1.5%. (4)分析表明CO2浓度变化与太阳磁场强度和磁场方向变化对于平流层中层10 hPa温度变化的影响方差贡献率达到58%,是10 hPa温度变化的决定性因素.其中CO2影响方差贡献率37%,太阳磁场强度和磁场方向变化方差贡献率21%.     

CMIP5模拟的平流层21世纪温度变化趋势

21世纪平流层气候变化主要由两个因素所决定,一个是臭氧层恢复造成的变暖,另一个是温室气体增加造成的变冷。针对在这两种相反的辐射效应作用下,平流层气温如何变化这一重要问题, 使用CMIP5未来情景模拟试验的结果, 对2006-2100年间的平流层温度的变化趋势进行分析。结果表明, 臭氧恢复的增温效应在平流层低层起主导作用, 而温室气体增加的冷却效应在平流层高层起主导作用, 因此, 平流层低层(70 hPa 以下)呈变暖趋势, 而平流层中高层呈变冷趋势。通过对包含完整平流层的气候模式(高顶模式)和只包含部分平流层的气候模式(低顶模式)预估的温度趋势的差异进行分析, 发现高顶模式预估的变暖趋势大于低顶模式的结果, 这意味着模式是否包含完整平流层有可能对预估的平流层和对流层未来气候变化有重要影响。     

1979-2011年东亚地区大气臭氧层变化趋势分析

 采用1979—2011年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim的臭氧总量资料和分层资料,利用气候倾向率、Mann-Kendall检验等方法,分析了东亚地区臭氧总量及对流层、平流层臭氧的变化趋势.研究结果表明：①1979—2011年东亚地区臭氧总量总体来看呈现下降趋势.进一步将所考时段分为2期来看,臭氧总量在II期(1994—2011)稍有上升趋势,但尚未达到Ⅰ期(1979—1993)的平均臭氧总量水平,故认为东亚地区臭氧总量在21世纪初的恢复尚不明显;②东亚臭氧总量33年中的突变点是1984年,显著下降时间是1986年以后;③对东亚对流层-平流层的4个代表层的研究发现,4个层次的臭氧质量分数年际变化均呈下降趋势,其中臭氧质量分数下降速率最快的层次是10hPa,从低层到高层,臭氧质量分数的下降速率呈现“快-慢-快”的变化特点.     

亚印太交汇区低纬上空不同层次大气臭氧的时空变化分析

 利用ECMWF 195709~200208共45a的多层臭氧质量混合比月平均资料,详细分析了亚印太交汇区(AIPO)低纬地带上空平流层、对流层各层次上臭氧浓度的分布特征.结果表明:①区域上空对流层、平流层及臭氧总量大尺度特征均显著,纬度带分布特征明显;②对流层和平流层臭氧各个季节变化趋势相反,平流层臭氧和臭氧总量各个季节变化趋势一致;同一层次夏季臭氧浓度变化趋势与其他3个季节变化趋势相反;③区域上空20~3hPa是臭氧浓度的高值区,50~30hPa臭氧平均变化幅度最大;④对流层臭氧距平变化在整个高度上较为一致,正、负距平随季节绕赤道做南、北半球摆动,且存在季节性突变;⑤赤道上空有明显从平流层上层随季节逐渐往较低层传播的臭氧正负距平现象.     

平流层Brunt-Vaisala频率的分布特征

讨论了Brunt-Vaisala频率的重要性,并利用NCEP/NCAR再分析资料和HALOE资料分析了平流层中它的空间分布和时间变化特征.结果表明:从对流层到平流层Brunt-Vaisala频率在垂直方向上有明显的变化,特别是在低纬度地区,它在对流层向上迅速增加,在平流层向上减小;在平流层下层,它随着纬度的增加而减小,在平流层则经向分布比较均匀;在陆地上空Brunt-Vaisala频率的垂直梯度明显大于海洋上空,且出现高值中心;无论在对流层还是在平流层,Brunt-Vaisala频率冬季的值皆大于夏季的值;该频率也有准两年周期的变化.作为一个例子,我们运用实际计算出的Brunt-Vaisala频率对行星波垂直传播的影响进行了初步的讨论.     

Ozone vertical variations during a typhoon derived from the OMI observations and reanalysis data

Typhoon is considered to play a key role in the dynamical exchange processes taking place between the troposphere and stratosphere. In this paper, the impact of typhoon on the ozone distribution in the upper troposphere and middle stratosphere is investigated using ozone profiles measured by Aura’s Ozone Monitoring Instrument and meteorological fields from reanalysis data. During the passage of Typhoon Hai-Tang in 2005 over the western North Pacific, low values of ozone column above 200 hPa and ozone mixing ratio between the upper troposphere and the middle stratosphere (from 200 to 50 hPa) are observed right above the typhoon’s track, a result due to the strong upward propagation of air associated with overshooting convection in typhoon. A comparative analysis of different stages of Hai-Tang suggests that in the region where typhoon has higher intensity the troposphere-to-stratosphere transport is enhanced. These results indicated that the typhoon has a significant impact on the ozone variation in the upper troposphere and the middle stratosphere.     

Positive feedback of winter ocean-atmosphere interaction in Northwest Pacific

Associated with East Asia Trough in the upper layer in winter, the Aleutian Low is the predominant atmos- pheric activity center in North Pacific. Previous re- searches on interannual or decadal variability of Aleu- tian Low[1―4] found that the Aleutian …     

Response of the East Asian climate system to water and heat changes of global frozen soil using NCAR CAM model

Under the condition of land-atmosphere heat and water conservation, a set of sensitive numerical experiments are set up to investigate the response of the East Asian climate system to global frozen soil change. This is done by introducing the supercooled soil water process into the Community Land Model (CLM3.0), which has been coupled to the National Center of Atmospheric Research Community Atmosphere Model (CAM3.1). Results show that:(1) The ratio between soil ice and soil water in CLM3.0 is clearly changed by the supercooled soil water process. Ground surface temperature and soil temperature are also affected. (2) The Eurasian (including East Asian) climate system is sensitive to changes of heat and water in frozen soil regions. In January, the Aleutian low sea level pressure circulation is strengthened, Ural blocking high at 500 hPa weakened, and East Asian trough weakened. In July, sea level pressure over the Aleutian Islands region is significantly reduced; there are negative anomalies of 500 hPa geopotential height over the East Asian mainland, and positive anomalies over the East Asian ocean. (3) In January, the southerly component of the 850 hPa wind field over East Asia increases, indicating a weakened winter monsoon. In July, cyclonic anomalies appear on the East Asian mainland while there are anticyclonic anomalies over the ocean, reflective of a strengthened east coast summer monsoon. (4) Summer rainfall in East Asia changed significantly, including substantial precipitation increase on the southern Qinghai-Tibet Plateau, central Yangtze River Basin, and northeast China. Summer rainfall significantly decreased in south China and Hainan Island, but slightly decreased in central and north China. Further analysis showed considerable upper air motion along ~30°N latitude, with substantial descent of air at its north and south sides. Warm and humid air from the Northeast Pacific converged with cold air from northern land areas, representing the main cause of the precipitation anomalies.     

大气对流层顶的臭氧时空分布变化

 利用1958~2001年的臭氧垂直分布和NCEP资料,计算出全球对流层顶的气候场,并对其空间分布、季节、年际和年代际演变进行了分析.结果表明:①对流层顶臭氧质量比呈纬向分布的特征明显,南北半球中纬度和南极为高值区,赤道和北极为低值区,且与对流层顶高度和温度场有对应关系;②从400~70 hPa的温度和臭氧质量比垂直经向剖面中,显现出对流层顶的上层和下层由于具有不同的物理和化学过程导致垂直分布存在差异;③对流层顶臭氧质量比纬向距平场的年代际变率具有不同位相的时空演变尺度,南半球的时空差异比北半球大,南极最不稳定,低纬和赤道地区幅度变化较小,但时间尺度较大;④极地各季节对流层顶的臭氧分布和高度场特征相似,低纬则与温度场分布较一致;⑤对流层顶断裂带中臭氧质量比最大值出现在春季,秋季为最小值,其对应的纬度存在明显的季节空间经向波动,夏季达到最高纬度,冬季到达最低纬度;⑥对流层顶臭氧质量比纬向距平的季节变率表现出准半年变化趋势,且两半球变化趋势相反.     

西南秋季降水及其影响要素的气候变化特征

利用西南片区1960—2009年50个气象站的逐日降水和NCEP/NCAR再分析资料,采用谐波分析、双谐样条插值和相关分析等方法,分析该地区近50a秋季降水及其影响因素的气候变化特征.分析结果表明:西南片区秋季降水量呈现减少的趋势,其中降水的年际变化占主要地位,2009年秋季降水量达到50a以来最小值,是线性减少趋势、年际和年代际变化共同作用的结果;各影响因素在不同层次上的气候变化及其与降水的相关性程度各不相同;西南片区秋季地面气温具有显著的增暖趋势,其序列与降水的相关性不显著;对流层中层气压500hPa的秋季温度没有增暖的趋势,与降水的相关性很好,呈显著的负相关,相关系数达到-0.34;气压600hPa的比湿具有线性减少的趋势,与降水呈正相关性,相关系数为0.30;气压700hPa的水平散度没有线性趋势变化,与降水存在显著的负相关.西南片区2009年秋季降水异常空间型与气压500hPa的温度异常偏高型、气压600hPa的比湿异常偏小型和气压700hPa水平散度异常偏强型的相似系数分别为-0.95,0.85和-0.46.该地区2009年秋季降水异常偏少是热力和动力因素共同作用的结果,但热力因素的影响大于动力因素的影响.     

宁夏冬季气温变化与大气环流异常的关系

利用1961~2015年冬季(12月到次年2月)宁夏20个气象站月平均气温资料,NCEP/NCAR发布的500 h Pa位势高度场和海平面气压场,200 h Pa、850 h Pa风场月平均再分析资料,运用线性倾向估计、M-K法及合成分析等方法,在研究宁夏冬季平均气温的年际变化及年代际变化特征的基础上,分突变前后的冷、暖期时段进一步分析大气环流场不同影响因子与宁夏冬季气温异常的关系,揭示宁夏冬季气温异常的成因。结果表明:(1)宁夏冬季平均气温由冷变暖的趋势非常显著,在1985年之前为冷期,1985年以后为暖期;冬季平均气温年代际变化在20世纪增暖趋势显著,21世纪后上升趋势趋于平缓。(2)不仅500 h Pa位势高度场的乌拉尔山高压脊和西太平洋副高是影响宁夏冬季气温异常的主要系统,海平面气压场的西伯利亚高压也是影响宁夏冬季气温异常的关键系统;高低空的偏北气流和偏南暖湿气流异常流场也对宁夏冬季气温变化造成一定影响。