双差分吸收激光雷达:-种能有效减小气溶胶对臭氧测量影响的方法

文中提出了一种新的激光雷达测量臭氧的方法：双差分吸收方法。理论分析和数值模拟表明这种方法可以有效减小气溶胶消光和后向散射对臭氧测量的影响，从而使激光雷达在气溶胶影响严重地区测量的臭氧精度比传统差分吸收激光雷达大大提高。利用（２８９，３１３；２７７．１，２９９．１ｎｍ）或（２６８．４，２８９；２７７．１，２９９．１ｎｍ）４波长进行双差分吸收可以用于对流层大气气溶胶含量丰富或分布不均匀地区臭氧的测量。利用（２９９．１，３４１．５；３０８，３５３ｎｍ）４波长进行双差分吸收可以对火山爆发后平流层臭氧进行较精确的测量。     

用多波长激光雷达同时测量平流层气溶胶层

自从六十年代以来,激光雷达就用于遥感研究大气中的各种现象,尤其是对于平流层气溶胶的监测,激光雷达是很有用的,而且根据激光雷达的测量,已经报道了许多有意义的结果,例如:1) 由于强烈的火山爆发,平流层气溶胶层的增强,2) 增强的气溶胶层的衰变过程,3) 平流层气溶胶含量的季节性变化,4) 平流层气溶胶粒子大小的垂直     

21世纪平流层温度变化和臭氧恢复

温室气体增加和可能的臭氧恢复将是影响21世纪平流层温度变化的两个主要因素。温室气体增加的辐射效应将导致平流层变冷,而臭氧恢复将导致平流层变暖。为探讨平流层温度在这两种相反因素作用下的变化趋势,研究中使用了观测的臭氧和温度资料以及4个有代表性的IPCC-AR4海气耦合的全球环流模式的模拟结果(GISS-ER、GFDL-CM20、NCAR-CC-SM3和UKMO-HadCM3)。观测分析结果表明,在近10年来臭氧柱含量和平流层低层温度均有升高的趋势,平流层中层温度仍然延续20世纪后20年的变冷趋势。IPCC-AR4的模拟结果表明,单纯温室气体增加将造成平流层变冷。可是,在同时考虑温室气体增加和臭氧层恢复的情况下,模拟结果表明平流层中上层仍将维持变冷的趋势,而下层则存在变暖的趋势,但几个模式给出的变暖趋势有差别。UKMO-HadCM3给出的模拟结果是在3种温室气体排放情况下平流层低层均呈现较强的变暖趋势,变暖的层次可达40hPa;GFDL-CM20和NCAR-CCSM3给出的变暖趋势较弱一些,并且变暖主要位于60hPa以下的层次。     

中部型ENSO和平流层准两年振荡对冬季北半球平流层臭氧的联合调制作用

利用观测和再分析资料通过合成分析方法,研究了中部型ENSO和平流层准两年振荡（QBO）对冬季北半球平流层臭氧的独立影响和联合调制作用。研究表明,北半球平流层臭氧在中部型厄尔尼诺年增加,而在中部型拉尼娜年减少;准两年振荡东风位相年份,北半球平流层臭氧增加,准两年振荡西风位相结果则相反。相比之下,北半球中、高纬度平流层臭氧异常对准两年振荡活动的响应明显小于其对ENSO活动的响应。进一步研究发现,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件引起的北半球平流层臭氧的增加,而减弱中部型拉尼娜事件造成的平流层臭氧的减少。在准两年振荡西风位相下,中部型厄尔尼诺事件仅导致北半球平流层臭氧含量少量升高,而中部型拉尼娜事件期间臭氧会大幅度减少。因此,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件对北半球平流层臭氧的影响,而减弱中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。准两年振荡西风位相会减弱中部型厄尔尼诺而加强中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。      

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

平流层臭氧变化对大气加热率及到达地面紫外辐射的影响

平流层臭氧的变化对平流层的温度结构，整个大气环流以及到达地面的紫外辐射均有影响。本文采用一个计算臭氧吸收太阳辐射的参数化方法和有关资料，研究了臭氧变化对大气最大加热率和到达地面的紫外辐射通量密度的影响情况。文中给出的参数化方法可直接应用于大气环流模式计算臭氧吸收太阳辐射的加热率。     

南极臭氧洞与南极涡旋的变化——IAP模式的试验结果

通过对IAP9层全球大气环流模式试验结果的分析,讨论了1987年南极臭氧洞对平流层大气辐射加热率和温、压、风场的影响。结果表明,南半球高纬和极地平流层臭氧含量的耗损,使该地区辐射加热率明显减小,气温明显下降,等压面明显下降,南极涡旋明显加强,说明南极春季涡旋的强弱与该地区臭氧含量及其热状况有密切关系。     

南极臭氧洞的影响因子和变化趋势

利用卫星和台站观测的南极臭氧资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了南极臭氧近年来的变化特征和影响因子,探讨了南极臭氧洞期间中山站臭氧突变过程与大气动力的作用。结果显示,平流层氯和溴的卤化物当量（EESC）和平流层温度是影响南极臭氧洞面积的关键因子。臭氧总量与EESC和平流层温度均具有显著相关,表明两站虽然都位于臭氧洞边缘,EESC和平流层温度对臭氧总量的变化仍然可以起决定性的作用,同时也验证了EESC参数在东南极大陆沿岸具有适用性。 EESC的年代际变化与臭氧变化趋势相似,臭氧的年际变化与平流层温度关系密切。回归结果表明,2010年后臭氧洞面积逐渐减小,在2070年左右可能恢复到1980年前的水平,但其结果存在很大的不确定性。     

华南地区春季平流层入侵对对流层低层臭氧影响的模拟研究

利用中尺度大气化学模式WRF/Chem对2013年3月6日华南地区一次平流层入侵事件及其对对流层低层臭氧的影响进行模拟研究。通过加入UBC（Upper Boundary Condition）上边界处理方案,弥补WRF/Chem模式未考虑平流层臭氧化学反应的不足。结合臭氧探空廓线资料、地面O₃、CO、NO_x、相对湿度、温度和风速等观测资料以及再分析资料对模拟结果进行定量评估,结果表明模式能较为真实地模拟本次平流层入侵过程。模拟分析进一步揭示:（1）副热带高空急流是本次平流层入侵的主要原因。当华南地区处在副热带急流入口区左侧下沉区域时,平流层入侵将富含臭氧的干燥空气输送到对流层中低层。（2）本次平流层入侵对对流层低层臭氧收支有重要影响,导致香港地区近地层臭氧体积混合比浓度明显上升,如塔门站夜间臭氧浓度升高21.3 ppb（1 ppb=1×10-9）。地面气象场和化学物种的分析进一步确认了平流层入侵的贡献。（3）采用动力学对流层顶高度时零维箱式模型和Wei公式计算得到的平流层入侵通量相当,分别为-1.42×10-3 kg m-2 s-1和-1.59×10-3 kg m-2 s-1,这一结果与前人研究相吻合,且与采用热力学对流层顶高度计算所得到的结果具有可比性。     

欧洲中心臭氧再分析资料与HALOE观测资料的对比分析

利用欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）的ERA40计划中给出的臭氧再分析资料,与卤素掩星试验（Halogen Occultation Experiment,HA-LOE）观测资料进行了对比,在季节、年际变化上估计了HALOE臭氧资料噪音—信号比,结果表明,在季节和年际尺度上,HALOE臭氧资料在平流层大部分地区都有显著的信号。ECMWF臭氧资料与HALOE资料的对比结果指出,ERA40的臭氧再分析资料在季节变化上非常接近卫星观测资料;在年际尺度上,ECMWF臭氧资料在热带平流层中部的变化偏弱,而在中低层中纬度的变化偏强。