南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

南半球平流层极涡崩溃早晚年环流异常特征

极涡崩溃是平流层大气环流一个重要的变化过程,本文利用31年的再分析资料研究了南半球平流层极涡崩溃早晚年的异常特征.研究结果表明,南半球平流层极涡崩溃偏早年极涡崩溃前后平流层环流场异常表现为整层一致的变化,即都为正温度异常、正位势高度异常和负纬向风异常;而南半球平流层极涡崩溃偏晚年极涡崩溃前后平流层环流场异常的整层一致性的变化不典型,而在符号上与极涡崩溃偏早年的异常相反.与北半球平流层极涡崩溃前后环流异常相反明显不同,南半球平流层极涡崩溃偏早或偏晚年在极涡崩溃前后的环流异常保持相同的性质.进一步分析表明行星波活动在南极极涡的崩溃过程中起到了重要作用,极涡崩溃早年上传行星波比极涡崩溃晚年强,并且持续时间长.通过波流相互作用,行星波的异常使得极涡崩溃早年和晚年10月的平流层高纬地区分别为位势高度正异常和负异常,环流异常持续保持可能最终影响了南半球平流层极涡的崩溃时间.分析显示南半球极涡崩溃偏晚与La Niña事件之间可能存在一定的联系,但在极涡崩溃偏早年与赤道太平洋海表温度异常(SSTA)并无明显关系.     

东亚一次典型切断低压引起的平流层空气深入侵过程的分析

利用ERA-Interim再分析资料、卫星资料以及轨迹模式,对2010年6月19-23日东亚夏季一次典型切断低压（COL）过程中的动力、热力及化学结构进行了分析,并详细分析了平流层空气深入侵过程和路径.AIRS臭氧资料与臭氧探空资料分析表明,在COL发展成熟阶段,由极区高位势涡度、高臭氧库区脱离出来的空气在COL的中心形成一个局地高位势涡度与高臭氧浓度区域,并在对流层中上部出现臭氧次峰结构.前向轨迹模式模拟结果表明：COL形成前期,高空槽加深,槽后偏北风急流可以引起极区下平流层空气向中纬度对流层中低层侵入,从而使对流层中低层臭氧浓度升高;COL发展成熟阶段,可以引起平流层空气的＂旋转式＂入侵.最后,应用后向轨迹模式对成熟阶段COL内部及周围空气块源地做进一步模拟分析.结果表明：（1）COL中心高浓度臭氧空气块源地有两个,一是中西伯利亚北部上空的副极地涡旋,这部分气块对COL中心的高臭氧浓度起主要作用;二是90°E以西,50°N附近的温带急流轴左侧的气旋式风速切变区.（2）COL周围低臭氧浓度的气块源地也有两个,一是COL底部臭氧浓度相对较低的空气块主要来自急流轴右侧反气旋式风速切变区,以平流运动为主;二是COL前部及后部的空气块主要来自COL南侧低层暖区,以上升运动为主.     

北半球平流层极涡崩溃过程的动力诊断分析

极地气候变化研究, 特别是极地在气候变化中作用的研究, 现在已经成为国际重要的研究领域, 是2007~2008年开展的“国际气候年”的核心研究问题. 针对以前研究中北半球平流层极涡崩溃时间的分歧, 首先确定了北半球平流层极涡在春季的崩溃时间, 并分析了在平流层极涡崩溃过程中的环流演变和波动活动特征. 分析表明北半球平流层极涡的平均崩溃时间为4月10日左右, 极涡崩溃时间的年际变化比较大, 最早和最晚的崩溃时间跨度达到两个月. 长期趋势表明20世纪90年代以来极涡持续时间增长. 对极涡崩溃异常早年和异常晚年的合成分析显示极涡崩溃过程在早晚年有不同的特征. 极涡崩溃早年, 平流层极涡在3月中旬只有一次快速的衰减过程, 这次过程主要与对流层上传的行星尺度波动异常有关; 而极涡崩溃异常晚年一般有两次衰减过程, 第一次衰减为一次快速过程, 对应有异常的波动活动, 和平流层的爆发性增温有关. 第二次过程则是一次慢过程, 此次过程不伴随异常的波动活动, 主要是非绝热过程起作用. 进一步对极涡崩溃异常早晚年大气低层环流异常的研究表明, 极涡崩溃早晚年低层温度场和位势高度场的异常上有明显不同, 这表明平流层极涡的崩溃伴随有上下层的动力耦合过程.     

COSMIC数据验证AMSU平流层低层观测的初步分析结果

基于Global Positioning System (GPS)掩星数据在平流层具有较高准确性、稳定性的优势,本文尝试用新一代GPS掩星观测——the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC)资料验证不同卫星平台上先进的微波探测仪（AMSU）的平流层观测结果.通过COSMIC大气温度廓线与AMSU辐射传输模式结合,得到模拟亮温,然后与AMSU平流层观测进行匹配比较.分析表明GPS掩星数据能够作为一个相对独立的参量检验NOAA15、16、18卫星平台内部的偏差.通过一年数据的比较验证,初步显示不同卫星平台的AMSU观测亮温在平流层低层都偏低,并且NOAA18平台的亮温偏低程度明显大于NOAA15、16.AMSU亮温偏差在极地冬季较为显著,尤其南极地区NOAA18的偏差幅度达到1.8 K.结合24小时内AMSU观测亮温偏差变化及其样本分布特征,可以看到明显的太阳辐射差异可能是导致AMSU观测亮温在极地偏差显著的主要原因.     

热带太平洋外海气耦合作用对东亚夏季风年代际变化的可能影响

利用1950—2000年逐月观测的热带太平洋海表温度分别驱动NCAR CCM3全球大气环流模式以及该模式耦合SOM(Slab Ocean Model)混合层海洋模式进行长时间积分试验,将两组试验结果相减来研究热带太平洋外海气耦合作用对20世纪70年代中后期东亚夏季风年代际变化的可能影响.模拟结果表明:热带太平洋外的海气耦合作用使得孟加拉湾、南海附近存在反气旋环流异常,导致我国东部存在偏南风异常,从而引起东亚夏季风年代际增强.其中热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风年代际增强有一定影响.     

AIRS卫星温度和臭氧廓线在南极的验证分析

利用2008年中山站、Amundesen-Scott(SouthPole)站和Neumayer站为期一年的温度和臭氧探空数据,对AIRS第六版温度和臭氧垂直廓线产品在南极的精度进行了验证.结果表明,AIRS温度与探空温度总体上具有显著的一致性,其中对流层偏差最小(RMSe2℃),近地面温度由于受到下垫面影响偏差略大(RMSe～2℃),平流层偏差较大(2℃RMSe3℃),AIRS温度平均低于探空观测且受季节变化影响显著,秋冬季偏差整体上高于春夏季.AIRS臭氧反演精度在平流层(RMSe～25%)要优于对流层(RMSe～30%),RMSe最大值出现在UT-LS区域(可达40%)且在"臭氧洞"期间明显增大.AIRS产品精度在南极沿岸和内陆存在差异,由于南极地区探空资料较少且主要位于沿海,故在南极内陆地区进行探空观测对于提高卫星资料精度,改善该区域天气预报能力具有重大意义.     

南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势

南极冰盖物质平衡对全球海平面变化影响巨大,提高南极冰盖物质平衡估算精度对实现全球海平面变化趋势准确预测至关重要.卫星遥感技术的发展,特别是极地卫星对南极冰盖系统监测能力的提升,有助于认识、保护和利用南极,解决极地科学国际前沿难题.揭示南极冰盖对全球气候环境的响应及其反馈机制,对深化人类对南极的科学认知也具有重要意义.本文首先系统总结了用于南极冰盖监测卫星的发展现状及现有的卫星遥感数据产品序列,然后讨论了运用遥感卫星监测南极物质平衡的主要方法和研究进展,并对南极卫星遥感技术的最新进展进行了分析.最后在我国极地遥感卫星发展方面提出了建议,旨在进一步提升我国对极地冰盖变化和全球海平面上升的长期观测及预测能力,为相关应对策略的制定提供有力的科学支撑.     

厄尔尼诺衰亡年间南亚夏季风在印度洋对西北太平洋遥强迫中的作用

已有的大量研究给出了印度洋增暖的气候效应,特别是对于西北太平洋反气旋异常的影响.本文利用观测数据和耦合数值模式进一步分析了厄尔尼诺衰亡年印度洋增暖的气候效应,研究了印度洋海温异常与西北太平洋反气旋异常之间的遥强迫形成条件,提出印度洋背景风场的季节性转换对印度洋增暖效应的关键作用.结果表明,只有在有利的背景风场下,即南亚夏季季风完全爆发时,才更有利于印度洋增暖效应的充分体现.可能是由于Kelvin波-Ekman辐散机制,在北印度洋异常增暖所导致的大气热源异常的东侧低层大气中产生了明显的东风异常,这一东风异常对西北太平洋产生遥强迫,使西北太平洋的反气旋异常加强并维持到厄尔尼诺衰亡年夏季.这对于东亚夏季季风的年变率机制研究及预测有着重要意义.     

地球三极200hPa温度的协同变化特征

地球的三极,即北极、南极和第三极(即青藏高原及其周围地区),拥有地球上最大储量的淡水资源.地球三极均对气候的变化响应敏感,然而三极气候变化之间的关联,特别是南极和第三极之间的关联却知之甚少.在200hPa高度,夏季气温在地球三极的上空最高,且受地表条件影响较小,可能反映出大尺度的气候动态关联特征.地球三极的温度在年代际时间尺度(10~100年)上表现出同相变化特征,北极和南极上空200hPa处的温度与布鲁尔-多布森环流(BDC)显著相关,这可能是由于布鲁尔-多布森环流将平流层臭氧向南北极输送,并同步加热了南北极200hPa处的空气.我们发现在第三极的对流层顶变暖增强了向两极的,特别是向南极的,布鲁尔-多布森环流输送,由此将第三极的气候与南北极气候联系起来.此外,太平洋年代际涛动(IPO)也显示出与三极200hPa处温度的关联.