北极对流层大气能量变化特征及趋势

在北极快速变化背景下,北极对流层大气的温度和湿度不断增加,提示北极对流层大气基本状态可能发生变化。作为大气基本状态的度量,北极对流层大气能量是否发生变化,以及发生何种变化,是北极研究者关心的重要科学问题。本文基于对北极对流层大气地-气能量交换、侧边界能量交换和大气能量变化研究的简要回顾,给出了北极对流层大气能量变化及趋势的物理图像和基本数据。以上研究表明,(1)北极下垫面向对流层大气的能量输送不断增加,夏季中高纬度向北极对流层大气的能量输送也在增加,从能量收支的角度提示北极对流层大气能量增加的可能性;(2)采用再分析资料的最新研究也表明,近数十年来,北极对流层大气能量不断增加,大气基本状态正在发生显著的变化。

珠穆朗玛峰北坡局地环流日变化的观测研究

青藏高原地-气间的物质／能量交换是高原与全球大气系统相联系的重要纽带。陡峭的地形和强烈的地表差异在高原山区形成特殊的局地大气环流系统，在地气交换中起着重要作用。为研究珠峰北坡的局地环流系统，于2006年5～6月问在珠峰北坡绒布河谷实施强化观测实验HEST2006，对该地区的局地环流以及辐射和热力状况进行观测，分析了该地区局地环流的日变化过程，包括：（1）地面风场的分布和变化；（2）风场垂直结构；（3）垂直运动及可能的驱动机制。研究表明，该地区局地大气环流是由地形与地表状态调整的大气辐射加热和冷却所驱动，包含多种不同的山地环流成分，与典型山谷风环流不同，具有很强的特殊性，对地气间的交换有重要影响。

HEST2007珠峰北坡风廓线观测研究

为了研究青藏高原南部喜马拉雅山区局地大气环流系统,继2006年HEST2006大气科学实验之后,2007年中国科学院大气物理研究所和中国科学院青藏高原研究所在珠穆朗玛峰北坡实施HEST2007综合观测。本文使用该观测实验中LAP-3000风廓线仪获得的绒布河谷内三维风场观测资料,并结合地面辐射资料,分析研究了该地区观测期间局地大气环流的日变化和逐日变化过程。研究表明,该地区局地环流系统,特别是沿河谷的轴向风,与其上空西风环流间存在非常紧密的联系,这种联系似乎与不同天气条件下喜马拉雅山区的大气辐射状况有关,即高层西风环流较强的阶段,地面辐射较强,激发出的局地环流也较强,反之亦然。

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析，研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的 ＥＮＳＯ信号，并与同纬度无山区及赤道地区进行比较。研究指出：在Ｅｌ Ｎｉｎｏ年（南方涛动指数为负），青藏高原臭氧总量偏大，在 Ｌａ Ｎｉｎａ年（南方涛动指数为正），青藏高原臭氧总量偏小。同时讨论了与ＥＮＳＯ事件有关的大气环流物质输送。

北大西洋臭氧极小值和北太平洋极大值及其相互关系

利用1979-2002年TOMS卫星观测资料，采用臭氧总量纬向偏差和区域强迫的分析方法，研究北大西洋东北部大气臭氧低值与北太平洋西北部臭氧高值的季节变化过程和相互关系。研究表明，（1）北大西洋东北部存在一个大气臭氧极小值，年平均臭氧总量比纬向平均值低20DU以上，冬季低50DU以上；北太平洋西北部存在一个大气臭氧极大值，年平均臭氧总量比纬向平均值高35DU以上，冬季高70DU以上。（2）上述两个地区大气臭氧的季节变化具有很强的区域特征，区域大气动力学输送和化学过程对上述两个地区大气臭氧季节变化的强迫分别为50．3％和42．6％。（3）上述两个地区大气臭氧纬向偏差的季节变化间存在很好的反相关，相关系数达到-0．98，说明其臭氧区域强迫之间存在良好的关系。

大尺度山地上空的臭氧低值及地面加热

首次利用Ｎｉｍｂｕｓ－７卫星上搭载的臭氧观测光谱仪（ＴＯＭＳ）资料，分析研究了大尺度山地（青藏高原、洛基山脉和安第斯山脉）上空臭氧总量的分布和季节变化规律，指出了大尺度山地对大气臭氧的减少作用。从全球大气臭氧总量分布和纬向偏差分布可以看出：在上述３个大尺度山地上空均存在着明显的臭氧低值扰动，该扰动区夏季强于冬季。在这３个区域中，青藏高原上空的臭氧低值扰动为最强。分析同时指出：上述大尺度山地上空臭氧季节变化的极小值在秋季，极大值在春季。但上述地区臭氧总量与同纬度其它地区臭氧总量的偏差在春季或初夏达到极小值。为分析这种大尺度山地对臭氧减少作用的原因，本文分析了青藏高原地面热源与臭氧总量的关系，指出：大尺度山地表面对大气的加热与该地区臭氧减少之间存在着良好的反相关；在地面对大气的感热加热、潜热加热和有效长波辐射加热中，以感热加热与臭氧减少的关系为最好。

60～70~oS臭氧总量的QBO和ENSO信号

本文利用Ｎｉｍｂｕｓ－７上搭载的臭氧总量观测光谱仪（ＴＯＭＳ）得到的６０～７０ｏＳ纬圈中臭氧总量资料，分析研究了该地区臭氧总量准两年振荡（ＱＢＯ）和ＥＮＳＯ信号的纬向分布，指出在该纬圈臭氧总量的长期变化中包含着的ＱＢＯ和ＥＮＳＯ信号。同时，本文还分析研究了沿纬圈分布的大气臭氧总量季节变化和长期变化趋势，指出在该纬圈各个季节中臭氧总量呈下降趋势，以６０～１００ｏＷ十月份的下降最大，达到－９．３ＤＵ／ａ。研究同时表明：臭氧总量季节变化、长期变化趋势、以及ＱＢＯ信号的纬向分布都在西南极上空出现异常。本文对此进行了讨论。

大尺度山地上空臭氧亏损及其变化趋势

通过对卫星资料的分析,揭示了全球大尺度山地上空有大气臭氧亏损,其极大值出现在春季或初夏,线性回归分析表明:在1979～1991年中,全球大尺度山地上空的臭氧总量呈下降趋势。

斯堪的纳维亚臭氧亏损和物质输送

冬季在北极的斯堪的纳维亚地区存在一个明显的臭氧亏损区，亏损区的中心值达－５０ＤＵ。对臭氧亏损和地面温度进行相关分析后指出：斯堪的纳维亚地区的臭氧亏损和该地区地面温度和地面热通量关系极其密切，进一步分析物质的向上输送表明冬季斯堪的纳维亚地区的臭氧亏损可能是由于地面加热引发的物质抬升所造成的。

斯堪的纳维亚臭氧亏损及其可能机制

卫星资料分析表明:北极地区的一个重要臭氧亏损区域位于斯堪的纳维亚(Scandinavia)上空,冬季臭氧总量亏损为50 DU,相当于当地臭氧总量的15％。研究表明:冬季北大西洋暖流向北输送热量造成斯堪的纳维亚附近的高海温是该地区臭氧局地亏损的原因。冬季北大西洋东部的高海温对大气进行局地加热,使得整层物质抬升,进而在 330 K等熵面高度附近造成臭氧辐散,使得该区域整层大气臭氧总量减少。

1988年8月下旬南极平流层暴发性增温及其与臭氧的关系

本文利用昭和基地(69°00′S,39°35′E)的探空和臭氧原始资料,分析研究了1988年8月下旬的一次南极平流层暴发性增温过程。本文分析了这一增温过程中的臭氧总量、30hPa气温、增温率及西风风速的变化关系。发现在这次南极冬季平流层暴发性增温中30hPa气温、30hPa西风风速与臭氧总量之间存在着非常好的正相关,同时发现臭氧总量的变化与30hPa增温率的变化之间存在着滞后关系。而在平流层发生暴发性增温之前,在对流层有一次大的西风扰动。由此,可以认为这次平流层暴发性增温的原因可能是对流层西风扰动引起的行星波上传,而臭氧的加热不可能是这次平流层暴发性增温的原因。

大气中的臭氧及大尺度山地对它的影响

大气中的臭氧 臭氧是地球大气中的一种痕量气体,它在整层大气柱中的平均含量约为300多普森单位。如果将整层大气柱中的臭氧在常温下压缩到地面气压时,它的厚度约为3毫米。通常大气中臭氧在垂直分布上的极大值在平流层中下层(距地面约25—30公里高),由此向高空和地面方向臭氧含量都逐渐减少。 同二氧化碳一样,臭氧也是一种温室气体,它可以吸收太阳光中的短波辐射和地气系统的长波辐射。

珠穆朗玛峰地区大气气溶胶元素成分的监测及分析

对珠穆朗玛峰地区大气气溶胶化学元素成分进行了观测和分析。初步分析结果表明 ,珠峰地区大气气溶胶以Al、Ca、Si、K、Fe等地壳元素为主 ,地壳元素占总元素浓度的 82 %以上。S、Pb等与人类活动影响有关的污染元素含量很低。元素S浓度为 91.64ng·m-3,元素Pb浓度仅为 2 .93ng·m-3,接近于格陵兰地区的浓度。从气溶胶富集因子来看 ,来自地壳成分元素的富集因子要小于北京地区。而As、Pb等与人类活动有关的气溶胶元素的富集因子也比北京地区低得多。研究表明 ,人类活动对珠峰地区的影响很小。

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质/能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。

中国山地环境气象研究进展

中国山地环境气象学是研究中国山地与大气、自然环境之间相互作用的一门交叉学科。近数十年来,中国山地环境气象研究进展迅速。1960年以来,大气物理研究所多次参加中国科学院组织的山地综合科学考察,多学科的相互交叉促进了中国山地环境气象的研究,特别是在珠穆朗玛峰、天山托木尔峰和横断山脉山地环境气象、雅鲁藏布大峡谷环境气象研究等方面进展较快。为监测全球环境气象变化,中国气象局在青藏高原上设立了环境气象监测站。此外,在利用臭氧卫星资料研究青藏高原与臭氧分布、准两年振荡(QBO)信号、ENSO信号的关系方面也颇有进展。

WRF模式中边界层参数化方案在藏东南复杂下垫面适用性研究

藏东南地区是青藏高原山地复杂下垫面的典型代表,其边界层大气过程异常复杂,给数值模拟和预报带来较大困难。大气边界层参数化方案的选取关系到能否正确模拟和预报局地大气过程。本研究采用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对藏东南林芝地区对流和稳定边界层大气过程进行模拟,与2013年夏季"藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验"资料对比,研究ACM2,Boulac,M YJ,QNSE和YSU5种边界层参数化方案在青藏高原复杂下垫面的适用性。结果表明:对于水汽混合比垂直结构的模拟,Boulac和MYJ方案分别在模拟对流边界层和稳定边界层时能力最优。ACM 2方案最适宜藏东南复杂下垫面条件下的位温和风速垂直分布的模拟。各边界层参数化方案模拟对流边界层高度均较实际观测偏低,其中,QNSE方案模拟的边界层高度最接近观测。同一种边界层参数化方案对于夜间稳定边界层和正午对流边界层的模拟能力也不相同。该地区边界层风场受地形影响显著,风速较小,模拟的近地层风场较观测偏弱,MYJ和QNSE方案对近地层风场的模拟效果较好。

珠峰绒布河谷大气边界层结构的数值模拟

利用中尺度气象模式RAMS对2006年6月12～16日珠峰绒布河谷地区大气边界层结构进行了模拟，并将模拟的风温时空分布与风廓线仪LAP3000的观测资料进行了对比分析。结果表明，绒布河谷地区的局地环流具有明显的日变化（午后至夜间盛行山风，可持续12h，且风速较大；在山风盛行期间，山风的影响高度可达400700m左右），其中下垫面不均匀性导致的温度差异是引起局地环流的主要因素；RAMS模式较好地反映了绒布河谷地区局地环流的时空变化特征。

珠穆朗玛峰北坡山谷太阳辐射和大气的特征与分析

2006年5月27日～6月30日HEST2006大气科学实验对珠峰北坡山谷的辐射（总辐射、净辐射）和温、湿度、风等进行了综合观测。沿珠峰北坡山谷布设了3个观测站，3个测站的辐射、温度、风都表现出明显的日变化规律，它们在08：00或09：00（地方时，下同）达到极大值。3个测站总辐射和净辐射的日变化都比较一致。从日变化最大值出现的时间来看，各站的辐射通量早于气温，气温早于风速。3个测站中任意2站之间辐射（总辐射、净辐射）最大值之比与温度和风速最大值之比均比较接近。因辐射状况、地形结构、大气温度等不同，远离珠峰区域的风一天之内多次改变风向，靠近珠峰区域则24h都为南风。珠峰北坡山谷不同区域风向风速变化存在明显时差，南风强于北风，且持续时间长。研究表明，辐射能量对于珠峰北坡大气运动具有重要的驱动作用，是控制和改变其大气运动方式最基本、最重要的因子。净辐射在不同区域风向转变或风速变化过程中起着决定性的作用。

青藏高原珠峰绒布河谷地区近地层湍流输送特征

利用2006年6月和2007年6月中国科学院HEST大气科学实验在珠峰绒布河谷地区获取的近地层湍流观测资料,分析了近地层湍流谱特征和方差统计特征,讨论了上下2层(2 m和8 m)基本气象要素和湍流通量的日变化特征。结果表明,珠峰地区湍流能谱基本上符合Monin-Obukov相似性理论在惯性副区的变化规律;由于山谷复杂地形和下垫面的影响,湍流方差统计值均小于高原其它地方;珠峰地区近地层感热通量白天下层大于上层,夜间相反;潜热通量一天内基本上上层大于下层。

南亚夏季风对珠穆朗玛峰北坡地面风场的影响

喜马拉雅山区毗邻南亚季风区，其陡峭的地形和复杂的地表状态在强烈太阳辐射条件下形成了特殊的局地环流系统。为了正确理解该环流系统与南亚天气气候过程的可能关联，本文利用HEST2006珠穆朗玛峰绒布河谷强化实验期间获得的2006年5～6月的地面观测资料和实时的大气环流资料，对该地区地面风场与南亚夏季风的关系进行了研究。研究表明，南亚夏季风间歇期，喜马拉雅山区以晴空天气为主，太阳辐射强烈，绒布河谷地区地面盛行沿河谷方向的偏南下行气流；南亚夏季风强盛期，喜马拉雅山区多为云雨天气，太阳辐射减弱，地面风场强度明显减弱。结果表明，喜马拉雅山地区山谷内部的地面环流系统几乎不受其高层大气环流的影响，而与太阳辐射通量及南亚夏季风指数关系密切。因此，我们认为南亚夏季风对喜马拉雅山区地面环流的影响，主要是通过改变该地区的大气热力和辐射状况完成的。