全球对流层顶气压场和温度场的时空演变结构特征

 利用1948~2004年共57年的对流层顶气压场和温度场资料,对全球对流层顶平均温压场的空间分布结构、年际和年代际变化以及季节变化进行了分析.结果表明:①热带对流层顶和极地对流层顶的平均气压场的空间位置和热状况大致吻合,并存在空间波动性,两半球对流层顶的温压场具有显著的非对称性;②对流层顶的纬向气压与温度距平场都具有不同尺度的年际和年代际变化,两极地区对流层顶的温压场最不稳定,两半球中纬度地区的时间演变尺度存在明显差异.对流层顶断裂带及其对应温度的时空波动存在反位相关系,20世纪70年代末温度出现突变现象,此时对流层顶断裂带迅速向南部空间移动;③不同季节对流层顶的温压场都将进行空间结构的调整,两者之间存在着季节变化的协调性,但北半球较南半球的演变过程复杂;④对流层顶温压场纬向距平的季节变率可划分为5个位相不同的时空波动区域,构成了气压场和温度场的经向型相关结构.北极地区气压场变化有超前于温度场变化的趋势,对流层顶断裂带的温度季节变化存在着双峰波动结构.冬半年断裂区的地理位置较夏半年稳定,气压场和温度场的最大季节变程均发生在南极.     

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.     

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.     

全球对流层顶温度场演变的气候学特征分析

 利用经验正交函数分解(EOF)方法对57 a(1948~2004年)NCEP/NCAR全球对流层顶月平均温度场进行分析,并讨论了57 a的主要特征向量空间分布及其对应的时间系数的演变,结果分析表明:第1模态的时空分布特征能够较好地反映对流层顶温度场结构的分布状况,且具有明显的季节变化;南北半球的温度场的空间分布结构不太一致,南半球纬向分布较为平稳,而北半球经向和纬向活动都比较强,且有明显的温度槽脊结构;南北半球的极地对流层顶温度结构在不同的季节有不同的变化趋势;南北半球热带对流层的第1模态温度场全年具有整体一致型分布;温度场各个季节的时间系数变化具有明显的多时间尺度特征.     

穿越东亚不同定义对流层顶质量和臭氧通量的分析

选取动力学和热力学定义的对流层顶作为平流层和对流层之间的分界,并利用等熵坐标下的Wei公式对东亚地区穿越对流层顶的质量和臭氧通量进行了分析,结果发现对流层顶的选择对于研究平流层与对流层交换方面的作用至关重要.东亚地区质量和臭氧通量交换在整体上具有明显的年代际变化特征,1958～2001年近44a的通量交换距平变化可以分为3个比较稳定的时段:即1958～1971,1972～1985和1986～2001年.在这3个时段中,通量交换距平分布表现为"负正负"的变化趋势,说明在东亚地区质量和臭氧净通量交换情况为先增强后减弱.东亚地区平流层和对流层之间质量和臭氧交换正距平区在东北平原和华北平原附近经历了一个逐渐增强的变化过程,表明这些区域在东亚地区平流层和对流层之间的质量和臭氧通量交换中扮演着越来越重要的角色.     

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.     

东亚对流层顶逆温层各要素的时空分布特征

利用2007年1月—2013年12月的COSMIC掩星观测的温度廓线资料,分析了东亚地区对流层顶逆温层各要素的时空分布特征.结果表明,在东亚对流层顶逆温层(TIL)是普遍存在的现象,TIL有着一致的纬向结构,热带和温带间TIL有着显著差异,TIL各要素在40°N以南和以北表现出相反的季节变化特征;在热带海洋地区TIL薄而强,中高纬TIL结构表现出"对流层顶断裂"特征,在该区域内TIL更深而强度较弱.     

对流层垂直臭氧分布变化量对生物质燃烧响应的模拟研究

 采用区域气候模式与大气化学模式相连接的模式系统,模拟研究了对流层垂直臭氧分布变化量对东南亚生物质燃烧排放源强变化的响应程度.结果表明,源区对流层臭氧垂直积分浓度对燃烧源强变化十分敏感,下游区次之.特别是在对流层的中低层影响最显著,但对源区臭氧的贡献比下游区要大得多.在对流层中高层,源区和下游区受影响程度相当.对流层低层源区臭氧增加的时间超前下游区,超前的时间随高度的增加而减小,而在对流层中层出现滞后现象,到对流层高层臭氧最大值出现的时间相同.     

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.     

平流层大气中HCl分布特征及其与臭氧分布的关系

根据卤素掩星试验(HALOE)提供的卫星数据，论文研究了平流层微量气体HCl的分布特征及其与臭氧分布的关系，得到如下结果：HCl混合比垂直方向随高度增加，并在平流层稳定在10^-9的量级；在10hPa以下的气层中，在同一等压面上，高纬地区的HCl混合比明显大于低纬地区，且南北半球相对赤道近似对称分布；而HCl在10hPa以上的分布就比较均匀．此外HCl的分布还随季节变化，相对于赤道有南北回归的移动．HCl混合比的年际变化分为两个阶段：在1992-1996年间，是整个大气中HCl含量增长相对较快的阶段；在1997～2001年间，大气中HCl相对稳定并保持着较高的含量．此外，平流层HCl混合比分布与其臭氧混合比分布也有很好的相关性．     

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.     

大气对流层顶位温与高度的变化分析

 利用1948~2006年共59 a的NCEP/NCAR温度场、气压场、位势高度场的逐日资料,对全球对流层顶的位温及其高度进行计算,并对其结果进行了分析.结果表明:①对流层顶位温的变化在310~380 K,其中副热带位温最高,而两极位温最低.大陆上空对流层顶位温的空间尺度较小,海洋上空为较大的空间尺度.②1948~2006年的59 a里对流层顶位温,总体上呈现出大陆区域位温下降,海洋区域位温上升的变化趋势,且在6~8月青藏高原及其以东的大陆区域和南极洲对流层顶位温下降趋势明显,12月至次年2月在30°S附近南印度洋和南太平洋海域对流层顶位温上升趋势明显.③全球对流层顶高度在10~17 km范围内,两极最低.两半球的高度升高与降低均同步.两半球存在准半年的位相差异.热带对流层顶多呈现上升趋势,极地对流层顶则多呈现下降趋势.与位温相同的是,陆地上的对流层顶高度下降,海洋上的对流层顶高度上升.     

Propagation of planetary-scale zonal mean wind anomalies and polar oscillations

Global atmospheric variables can be physically decomposed into four components:(1) the zonal time averaged climate symmetric component,(2) the time averaged climate asymmetric,(3) the zonal-mean transient symmetric anomaly,and (4) the transient asymmetric anomaly.This study analyzes the relationships between the intra-seasonal and inter-annual variability of planetary scale decomposed zonal and meridional winds in the tropopause,and oscillations such as those from the El Ni o-Southern Oscillation (ENSO),the Arctic Oscillation (AO) and the Antarctic Oscillation (AAO).The tropical inter-annual zonal mean wind anomalies in the tropopause are linked with the ENSO cycle and can propagate into the subtropics,mid-latitudes,and polar front regions via abnormal meridional vertical cells.Similarly,tropical intra-seasonal (40-60-d) zonal wind anomalies can reach the subtropics and mid-latitudes.The polar intra-seasonal zonal wind anomalies in the tropopause can propagate toward high-latitude areas.Thus,the AO and the AAO are the result of the interaction and propagation of these planetary scale zonal wind anomalies.     

An estimation of ozone flux in a stratosphere-troposphere exchange event

A new method based on mass fluxes and observed ozone profiles was developed to estimate crosstropopause ozone flux. Using this method, we estimated the cross-tropopause ozone flux in a stratospheric-tropospheric exchange event that occurred over East Asia in March 2001.The result revealed that the ozone flux across the tropopause in this event was an order of magnitude higher than the global and hemispheric average. Compared to the traditional method using a linear relationship between ozone mixing ratio and potential vorticity near the tropopause, the cross-tropopause ozone flux evaluated with ozonesonde data was somewhat higher, although the orders of the two values were the same.     

Detection of human influence on twentieth-century precipitation trends

Human influence on climate has been detected in surface air temperature, sea level pressure, free atmospheric temperature, tropopause height and ocean heat content. Human-induced changes have not, however, previously been detected in precipitation at the global scale, partly because changes in precipitation in different regions cancel each other out and thereby reduce the strength of the global average signal. Models suggest that anthropogenic forcing should have caused a small increase in global mean precipitation and a latitudinal redistribution of precipitation, increasing precipitation at high latitudes, decreasing precipitation at sub-tropical latitudes, and possibly changing the distribution of precipitation within the tropics by shifting the position of the Intertropical Convergence Zone. Here we compare observed changes in land precipitation during the twentieth century averaged over latitudinal bands with changes simulated by fourteen climate models. We show that anthropogenic forcing has had a detectable influence on observed changes in average precipitation within latitudinal bands, and that these changes cannot be explained by internal climate variability or natural forcing. We estimate that anthropogenic forcing contributed significantly to observed increases in precipitation in the Northern Hemisphere mid-latitudes, drying in the Northern Hemisphere subtropics and tropics, and moistening in the Southern Hemisphere subtropics and deep tropics. The observed changes, which are larger than estimated from model simulations, may have already had significant effects on ecosystems, agriculture and human health in regions that are sensitive to changes in precipitation, such as the Sahel.