卫星实测臭氧总量资料在区域气候模拟中的应用研究

 将卫星观测的TOMS臭氧总量资料应用于区域气候模拟中,在不同纬度的地区采用随季节变化的臭氧总量.以中国地区为例,对比模拟了考虑臭氧随季节、纬度变化和模式原有的固定臭氧值对气候的不同影响.结果发现:对区域气候模式RegCM2而言,用于研究中国地区时,模式中的臭氧总量比实际状况偏大,利用实测臭氧资料后能产生负的晴空辐射强迫,并引起云量变化,导致地表温度变化.     

东亚低纬地区大气臭氧时空分布特征

利用1979～1992年和1997～2008年2个时间段(分别称为Ⅰ期和Ⅱ期)的TOMS臭氧总量月平均网格资料,对东亚低纬地区大气臭氧的分布变化和纬度带特征进行了较为详细的对比研究.结果表明:①Ⅱ期较Ⅰ期区域大气臭氧浓度水平整体降低;区域臭氧浓度普遍低于同纬度其它区域,受地形和环流影响显著;②Ⅰ期和Ⅱ期区域平均及纬带平均臭氧浓度均表现为不同的季节和年际变化特征,南北有别,近赤道纬带和较高纬带有异;③Ⅰ期和Ⅱ期区域平均臭氧浓度时间序列除典型的年变化周期外,还有略低于QBO振荡的1.3～2.3a主周期,而区域赤道纬度带臭氧浓度QBO振荡却特别明显.值得注意的是,该1.3～2.3a主周期呈现区域南北半球部分的跷跷板式强弱振荡.     

青藏高原臭氧亏损变化及其对太阳活动的响应

基于ECMWF的37a(1979—2015年)和NASA的30a(1979—2008年)TOMS/SBUV月平均臭氧总量资料,分析了青藏高原(以下简称高原)臭氧总量及其亏损的多时间尺度演变特征,讨论了太阳辐射通量对高原臭氧总量亏损的影响.结果表明:37 a来高原臭氧总量呈现一致的下降趋势,且春、冬季的下降趋势更为显著,表明高原臭氧总量的下降趋势强于非高原区;1979—2015年各季高原臭氧总量的下降幅度明显小于1979—2008年的下降幅度,表明近年来高原臭氧总量的下降趋势有所减缓;各季高原臭氧总量及亏损存在显著的准11a振荡周期,春季和夏季高原臭氧总量亏损的高低值年对应并落后于太阳辐射通量的峰谷期.     

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.     

北半球Hadley环流与臭氧气候演变规律及其相互关系

 利用欧洲中心(ECMWF)1957年9月到2002年8月共540月的ERA-40的经向风和臭氧质量混合比月平均资料,通过定义一系列Hadley环流指数来分析研究Hadley环流与臭氧的气候演变规律及其相互关系.分析指出:①在定义的几个Hadley环流指数中,北半球Hadley环流强度指数(NHCI)与臭氧的相关最好,全球Hadley环流指数(HCI)次之.因此进一步运用功率谱和凝聚谱方法对NHCI与臭氧的变化做出周期分析;②南半球臭氧的时间序列与Hadley环流各指数的相关关系最好,赤道次之,北半球相对小一些;③NHCI与臭氧之间的相关关系总体表现为明显的纬度带分布,说明了不同的纬度,平均经圈环流(MMC)对臭氧的输送作用不同.④NHCI与臭氧的季节变化都十分显著,二者之间有很多显著的共振周期,最突出的约为5~6个月,1 a的共振周期是各自变化的显著周期.臭氧的变化落后于NHCI振荡,且不同的纬度带落后时间长度不同.     

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.     

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.     

我国极端降水过程频数时空变化的季节差异

利用我国586个气象测站的逐日降水资料,在对每个站点极端降水过程阈值进行科学界定的基础上,揭示了近45年我国年和各季极端降水过程频数的线性变化趋势及其年际、年代际变化特征.结果表明：我国年和季节极端降水过程频数主要为趋势性变化,不同地区不同季节趋势性变化差异显著,极端降水量在降水总量的趋势变化中占主导地位 长江中下游、西北地区北部和西南地区西部年极端降水过程频数呈现趋势性增加,而我国华北等地区呈现趋势性减少,并且主要反映的是夏季的特征 年和季节极端降水过程频数具有明显不同的年际和年代际变化特征 我国各季极端降水过程时空变化异常型明显不同,但与极端日降水的时空变化是一致的.     

卫星遥感监测大气臭氧总量分布和变化

 利用卫星紫外仪器TOMS、OMI和TOU的臭氧总量数据(1979-2014年),研究了全球及关键地区臭氧总量的分布及变化。讨论了南北半球臭氧总量分布和变化的差异,探讨了影响臭氧分布和变化的可能因子。重点分析了中国区域、青藏高原和极地的臭氧变化,并利用FY-3数据对南极臭氧洞和北极臭氧低值进行了监测。结果表明,臭氧总量的分布和变化在中高纬度地区具有很强的不均匀性,极地臭氧损耗依然明显,青藏高原的臭氧增长大于同纬度其他地区,其机制更加复杂。     

MSR资料中臭氧层演变及恢复趋势的分析

 利用一种新的全球臭氧总量再分析(MSR)数据,分析了1978—2008年臭氧总量的时空演变趋势.结果发现:全球平均臭氧总量变化在1996年以前主要表现为显著的下降,其后下降趋势变缓,进入WMO所规定臭氧恢复第1阶段的变化模式.前期臭氧下降趋势为-1.037 4×10^-4 cm/月,后期减小为-3.750 0×10^-6cm/月;1996年以前全球臭氧总量为普遍减少,显著区域主要集中在北半球中纬度和南半球中高纬度,1996年以后在60°S~30°N间和北美北部及其以东海域出现有大面积的臭氧总量增加的区域,臭氧增加和减少的量均较少;不同地区臭氧总量的变化均不相同,青藏高原为持续减少转为略有增加,赤道西太平洋由基本不变转为增加,南极从急剧减少转为略有增加.     

对流层顶大气臭氧的季节变化研究

 采用季节划分和季节突变的概念、理论及方法,对44a(1958~2001年)的大气臭氧资料及对流层顶气压场资料进行了计算,并分析了对流层顶大气臭氧的季节变化.结果发现对流层顶大气臭氧的季节变化在全球大部分区域中的突变性都比较明显,表明对流层顶大气臭氧的季节变化受到上对流层和下平流层中多种因素的影响.通过分析还发现,利用曾庆存所定义的参数R_W(t)及有关的一些概念和方法确能很好地反映对流层顶大气臭氧的季节变化.     

我国供水和用水结构的年际变化分析

文章根据《中国统计年鉴2013》数据资料,定量分析我国供水和用水结构在2000-2012年的年际变化特征以及地域变化的特点。研究结果表明:1)我国水资源总量充足,但人均占有量少,地区差异大,呈现出南方多于北方的局面;2)供水构成的年际变化中供水总量和地表水呈现出逐年递增的趋势,但地下水开采量较为平稳;3)用水总量、工业用水和生活用水基本呈现持续增加的年际变化特点,农业用水先降后升但变化幅度不大,生态用水平稳变化;4)提出重点打造节水农业,开展工业节水模式,提高居民生活节水意识等科学合理利用水资源的建议。     

天然温带典型草原N2O和CH4通量的时间变化特征

以内蒙古温带半干旱典型草原类型羊草草原土壤为主要研究对象,利用静态箱技术在野外连续多年原位观测草地N2O和CH4排放通量.通过对1995,1998,1999,2001,2002和2003年的野外观测资料的数据分析,发现温带半干旱典型草原N2O通量的日变化特征明显,草原植物的不同生长阶段对其具有显著的影响;CH4通量的日变化没有明显的规律性特征,植物生长状态对其影响不明显,但对于草地吸收CH4的日较差有显著的影响.多年观测资料显示:我国温带草地N2O通量的排放峰值在四季中均有可能出现,低值通常出现在冬季,不同实验年份,不同季节都有出现N2O吸收通量的可能性,N2O季节通量的变化形式多样,通常是春、夏季较高,冬季最低.CH4通量季节变化规律相对明显,其峰值主要出现在春季,冬季较低.在不同的季节都观测到CH4的排放通量,这同草地出现N2O的吸收通量一样不影响温带草地作为N2O源和CH4汇的功能.N2O较CH4通量的年际变化显著,两者年通量的变异系数分别是71.6%和18.7%,5个实验观测年(跨9个年度),N2O和CH4年通量的平均值分别是:(1.14±0.82)kg·hm-2·a-1和(-3.52±0.66)kg·hm-2·a-1.统计分析结果表明:只有CH4的季节通量与降雨量之间存在显著线性关系.以此估算我国温带草地N2O和CH4年排放总量分别是:以氮计0.23 Tg和以碳计-0.83Tg,分别是全球温带草地N2O排放总量的23%以及全球土壤吸收CH4总量的11%.     

东亚地区大气环流活动与臭氧总量变化关系分析

利用欧洲中心(ECMWF)再分析资料及NOAA的南方涛动指数(SOI)等数据,分析了1984—2014年北太平洋涛动指数(NPOI)、南方涛动指数的变化趋势,以及各指数与东亚地区臭氧总量变化之间的相关关系.结果表明:1北太平洋涛动指数近31a呈现下降趋势,北太平洋涛动对东亚地区臭氧总量的变化有一定的影响.2南方涛动则主要是通过2个事件,即厄尔尼诺事件和拉尼娜事件来影响副高的强度,进而使得东亚地区臭氧总量发生变化.     

老哈河流域水文要素变化研究

对老哈河流域近50a的水文要素进行了年际变化、年代际变化和线性变化趋势的研究,结果表明:(a)年降雨量的年际变化幅度最均匀、离散度最小,而年径流深和年径流系数的年际变化不均匀、离散度大.降雨量是影响径流的主要因素,但并不是唯一因素,在某些年份径流还受到其他因素的强烈干扰.另外,年径流深不仅受年降雨总量的影响,也受降雨的年内时空分布的影响.(b)从20世纪60年代到21世纪初,各要素的年代际变化不一致:年降雨量变化为少-多-少-多-少,年径流深和年径流系数变化为多-少-少-多-少.年降雨量年代际距平变化最小,变化幅度较平缓,而年径流深和年径流系数的年代际变化都比年降雨量的年代际变化大得多.(c)降雨量没有明显的增减变化,而径流却具有显著的减少趋势,其中年径流深通过了95%的置信度检验,年径流系数通过了99%的置信度检验.分析结果表明,径流的变化除了受降雨量的影响之外,还可能受气温变化和人类活动等其他因素的影响.     

基于多卫星融合数据的海平面特征分析

利用1993—2008年法国空间局的AVISO多卫星融合高度计资料,采用随机动态、EOF等方法分析全球海平面变化的长期趋势、变化幅度以及季节变化的空间分布特征.结果表明:(a)1993—2008年间太平洋海平面呈西升东降的形态,印度洋绝大部分海区海平面呈上升趋势,大西洋除湾流流域外的其他海区海平面的长期趋势以上升为主;(b)全球海平面变化存在显著的年变化和半年变化等季节信号,无论是半球平均还是洋盆平均,北半球海平面季节变化的振幅明显大于南半球,中纬度海区季节变化的振幅最大;(c)北印度洋海平面季节变化的振幅高于同纬度带的北太平洋和北大西洋;(d)太平洋、印度洋、大西洋三大洋受西边界流、赤道流系等强流影响的海域海平面变化幅度大于周围海域;(e)赤道海域各大洋东、西边界和大洋内区海平面变化不同步,可能受赤道海洋波动的影响较大;(f)厄尔尼诺年,西太平洋暖池和赤道太平洋中部海平面明显降低,赤道东太平洋海域海平面明显升高,赤道印度洋海域东、西边界的海平面变化与其相反.     

安西极旱荒漠自然保护区植物群落的季节变化和年际变化以及气候对变化的影响

在安西极旱荒漠自然保护区的典型植物群落中选取6个平行样方,连续3年调查植物数量、盖度和物种数量的季节变化和年际变化以及气候对植物群落季节变化和年际变化的影响。结果显示：植物群落物种数量和植株数量的季节变化主要是由一年生草本植物的季节变化引起的,而多年生灌木盖度的季节变化是植物群落盖度变化的主要原因。植物群落物种数量、植株数量和盖度的年际变化主要源于一年生草本植物物种数量、植株数量和盖度的变化。植物群落物种数量、植株数量和盖度的季节变化与降雨量和气温的变化正相关,而年际变化与降雨量和气温的变化关系不大。因此,降雨和气温仅影响荒漠植物群落结构的季节变化,而对年际变化影响不大。在气候条件变化较小的范围内,荒漠植物群落结构保持相对稳定的结构。     

大洋暖池特征变化和成因的研究

根据ＣＯＡＤＳ资料研究了大洋暖池的季节性和年际变化特征及成因,暖池面积和中心的季节变化与太阳辐射的季节变化有关,而面积的年际变化最高值在ＥｌＮｉｎｏ年,选取海域越小且越靠近暖池中心,海温季节变化越小,暖池温度年际变化与面积年际变化有很好的正相关关系,太阳辐射和风场是形成大洋暖池的重要因素。     

大气对流层顶热量收支变化的时空结构研究

 利用1948~2006年NCEP/NCAR的温度场、风场和对流层顶气压场的逐日资料,对全球对流层顶热量收支及其方差进行了计算.通过对计算结果的分析发现:①南北两半球对流层顶断裂区附近以及青藏高原是对流层顶热量收支变化的显著区域,南半球纬向平均加热率随纬度的波动比北半球剧烈;②赤道附近对流层顶的热量收支处于相对的准平衡态,而加热率突变性最强的区域位于海陆交界的洋面上空;③全球对流层顶的平均热量收支是处于大气冷却为主的热力学状态结构中,而且平均加热强度的主要年代际演变呈现出整体降低的趋势,年际变化则具有显著的QBO现象;④南北半球对流层顶正负加热率存在着随季节变化的空间波列结构,夏季加热率的经向梯度较弱,而冬季经向梯度增强并具有多样性;⑤对流层顶断裂带所在区域为加热率方差常年显著的带状区域,方差的高值带随着季节的转换存在着南北向的移动和东西向的伸缩现象,冬季是对流层顶空间热量收支变化最活跃的季节.     

青藏高原和伊朗高原上空臭氧变化特征及其与南亚高压的关系

采用TOMS、HALOE和SAGEⅡ臭氧卫星观测资料,对青藏高原上空臭氧的垂直结构和变化特征以及伊朗高原臭氧低值中心做了相应的研究,并且对两个高原臭氧低值中心进行了对比.结果表明:夏季伊朗高原同青藏高原一样存在臭氧低值中心;青藏高原和伊朗高原上空臭氧含量的变化与同纬度带其他地区相比,在12～22km或120～30 hPa这个气层中减少最明显,在此气层中伊朗高原上臭氧的减少比青藏高原上的更厉害.进一步采用NCEP/NCAR再分析资料分析了亚洲上空位势场和位温的变化及其与臭氧变化的关系,结果显示青藏高原和伊朗高原上空臭氧含量的变化和南亚高压有着密切的关系.南亚高压正好处在青藏高原和伊朗高原上空,夏季当南亚高压中心偏伊朗高原时,伊朗高原上空臭氧总量比多年平均值低,6、7月份随南亚高压中心位置的变化,伊朗高原上空臭氧总量变化明显,而青藏高原上空臭氧总量变化不是很明显.利用此区域夏季等位温面的变化对上述关系的机理进行了初步的探讨.