南京地区臭氧总量变化与对流层顶高度的相关性研究

基于南京国家气象探空站2021年11月24日至2022年11月6日每周三14时开展的臭氧探空观测与地面臭氧激光雷达垂直观测,开展同层高度数据对比分析,并结合臭氧探空仪的基本信息特征,计算臭氧总量,分析对流层顶高度与臭氧总量的相关关系。结果表明,在400~500 m高度以下,两种臭氧垂直观测数据的吻合度较高,相关系数可达0.95以上,两者比值基本维持在1附近,且具有相同的上升趋势。而在此高度以上,两者的偏差逐渐增大,探空数值明显偏大,两者的比值波动也逐渐增大;南京地区臭氧总量与对流层顶高度呈显著正相关,相对变率分析发现臭氧总量比对流层顶高度变化得更为强烈,且交叉谱分析进一步证实臭氧总量的变化超前于对流层顶高度,臭氧总量发生改变时,会造成对流层顶高度发生相应变化。

甘肃省对流层顶高度的季节变化特征分析

根据甘肃省8个探空站25年(1980—2004年)的对流层顶观测资料,分析了第一对流层顶和第二对流层顶高度的季节变化特征,结果表明:(1)全省各站全年各月均可观测到复合对流层顶,两类对流层顶存在着明显的季节差异,冬(夏)季以第一(二)对流层顶为主。(2)第一对流层顶的平均高度在春、秋(冬、夏)季相对较高(低),年变化曲线呈双峰型;第二对流层顶的平均高度在春、夏(秋、冬)季相对较高(低),年变化表现出单峰型。(3)两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,除秋季外,各个季节第一(二)对流层顶普遍存在5～6 a(准3 a)的周期振荡。(4)近25年来甘肃省两类对流层顶主要以上升趋势为主,特别是在夏季两类对流层顶高度均存在明显的上升趋势。

近30年青藏高原臭氧总量亏损的可能原因及其与对流层顶高度的联系

基于总臭氧测绘光谱计TOMS和太阳向后紫外线散射仪SBUV结合得到的30年(1979-2008年)全球月平均臭氧总量资料,首先分析了近30年青藏高原(下称高原)上空臭氧总量的下降趋势,然后讨论了高原动力抬升作用对臭氧总量的影响,最后探讨了高原臭氧总量亏损与高原对流层顶高度的联系。结果表明,高原臭氧总量及其下降趋势均存在着明显的季节差异,与同纬度非高原区相比,高原地区各月的臭氧总量均偏低,特别是在3-9月臭氧亏损严重;近30年高原地区臭氧总量在各季节均呈现出下降趋势,除了秋季外,其下降幅度均超过同纬度其他地区;春、夏季高原动力抬升有利于对流层低浓度的臭氧含量向平流层输送,从而导致高原臭氧总量的减少。近30年春、夏季高原臭氧总量亏损与夏季高原第二对流层顶高度的抬升存在着密切关系。

全球变暖背景下东亚对流层顶高度演变特征的研究

研究了1948～2004年东亚增暖背景下对流层顶高度的演变特征,重点分析对流层温度、平流层中下部温度与对流层顶高度变化之间的关系。结果表明:东亚地区对流层顶高度在1970年代后呈现波动上升趋势,其上升趋势不如南半球显著;东亚对流层温度与对流层顶高度呈显著正相关,特别是对流层中上部温度与对流层顶高度的正相关最显著,这说明对流层中上部的增温对对流层顶高度的抬升贡献较大;东亚平流层中下层温度与对流层顶高度基本呈显著负相关,70 hPa层上的负相关最显著;近20年来东亚对流层温度上升了约0.2℃,平流层中下部温度下降了约1.2℃,对流顶高度上升了约86 m,对流层的增暖和平流层的冷却作用共同导致了东亚对流层顶高度的变化。

青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系

根据1979—2008年青藏高原地区14个探空站对流层顶气压资料以及同期各标准等压面上的温度资料,分析了不同季节高原上空两类对流层顶高度与高空各层温度之间的关系;在此基础上,结合同期的NCEP/NCAR月平均再分析资料以及NASA提供的TOMS/SBUV月平均臭氧总量资料,分别讨论了高原上升运动以及高原臭氧总量与对流层顶高度的耦合关系。结果表明:高原第一(二)对流层顶高度全年处在300～200hPa(100hPa附近)高度,在季节变化、年际变化以及长期变化趋势上,两类对流层顶高度与各自对应高度层上的温度存在着密切的反相变化关系,当对流层顶高度偏高(低)时,相应高度上的温度偏低(高)。上升运动有助于两类对流层顶高度的抬升,尤其是当高空200(100)hPa附近有上升运动时,有利于第一(二)对流层顶高度抬升。各季节高原臭氧总量与第二对流层顶高度均呈显著的负相关关系,当臭氧含量减少(增加)时,该对流层顶高度将偏高(偏低),近年来伴随着高原臭氧总量的减少,高原第二对流层顶高度出现了明显的抬升。

近51年我国对流层顶高度的变化特征

利用NCEP/NCAR的对流层顶气压多年月平均和逐月平均再分析资料,运用EOF和REOF方法对近51年中国对流层顶高度的空间分布和时间演变特征进行了详细分析。结果表明,中国地区热带对流层顶(第二对流层顶)和极地对流层顶(第一对流层顶)的边界线,2月最南,8月最北,较高的热带对流层顶从2月开始,逐渐北进,8月到达最北界(44°N附近),然后开始南退,2月其北界处于最南端,在29°～30°N附近;我国29°～44°N之间的中纬度地区,对流层顶高度的年变化幅度较大;对流层顶高度场有三种主要的模态:第一种为全区一致的偏高(偏低)型;第二种为南高(低)北低(高)的南北相反分布型;第三种为南北地区-中部地区相反分布型。对对流层顶高度场进行REOF分解可将中国地区分为6个气候分区,即华南区、新疆区、东北区、华北区、长江流域区和青藏高原区,各区对流层顶高度最大值一般都出现在夏季,最小值出现在冬季,只有华南区的最大值出现在春季,最小值出现在夏季。中国地区对流层顶高度的年际变化和长期趋势具有十分明显的区域性。

新疆1960-1999年第一对流层顶高度变化及其突变分析

采用1960-1999年新疆12个探空站逐日观测资料,按气候特点把新疆划分为阿尔泰山、天山南坡、天山北坡和昆仑山4个区域进行研究。分析了40 a来新疆第一对流层顶年平均高度变化空间分布差异,用Mann-Kendall法和移动t检验法进行了突变检验。结果表明:1960年以来,新疆第一对流层顶年平均高度总体为上升趋势,期间经历了两升两降的变化,较为突出的是1987-1999年的明显上升过程。年代际变化上,20世纪60年代到70年代初第一对流层顶高度有所下降,70、80和90年代的30 a则明显上升,累计上升了百米之多。新疆阿尔泰山、天山南坡和北坡分别于1972、1973和1976 年发生了均值突变,昆仑山未发生显著气候突变。尽管存在差异,但在80年代末期至1999年各地呈现的上升趋势却具一致性。

30年来对流层顶高度变化特征研究

利用NCEP/NCAR的每日四次的再分析资料,研究了1989~2018年全球对流层顶高度的分布及演变特征。研究发现,全球对流层顶高度呈现出从低纬度地区到高纬度地区不规则降低的趋势。在低纬度地区对流层顶高度全年变化不大,且高度明显低于高纬度地区,中纬度地区对流层顶高度有较大的变化;在120°E,对流层顶高度存在明显的梯度大值区且其位置呈现一定的季节变化规律;在对流层顶高度年际变化最为明显的东亚区域,12月至次年3月的对流层顶高度逐渐降低,且波动较大,5~9月高度逐渐增加;在中纬度地区(30°N-50°N)对流层顶高度全年存在波动且较为剧烈。

基于掩星数据的全球对流层顶年际特性分析

对流层作为人类生产生活不可或缺的一部分,是人们进行气象研究、科学生产的重要对象,对流层和平流层的过渡区域为对流层顶,对流层顶是人类研究对流层变化的重要参考指标。COSMIC无线电掩星星座作为一种新兴的低轨掩星星座,利用遥测GNSS信号来获取相应的空间大气参数,成为大气探测以及空间探测的重要手段。本文利用COSMIC的WetPrf产品数据,对全球对流层顶的高度及温度参数进行了反演,并根据不同的年际变化分析了其参数振荡特点。结果表明,在大时间尺度上对流层顶高度以温度及呈现规律性的年际振荡,南半球变化范围明显高于北半球。

利用COSMIC数据分析全球对流层顶温度和高度的变化特性

利用COSMIC卫星无线电掩星观测的温度数据分析了全球范围的对流层顶参量的变化特性. COSMIC多颗卫星连续观测的温度数据有很好的全球覆盖和很好的垂直分辨率,是分析全球范围对流层顶变化的重要探测数据.经过数据筛选,得到日平均温度的全年分布数据.采用大气温度递减率判据得到对流层顶温度和对流层顶高度的全球分布和变化.结果表明,全球范围内的对流层顶温度和对流层顶高度分布的基本结果与利用无线电探空资料和欧洲气象局再分析数据得到的结果基本一致;对流层顶温度和对流层顶高度呈现明显的季节变化,赤道附近和中纬度地区的对流层顶高度变化与高纬地区的对流层顶高度变化出现反相;对流层顶温度和高度的变化呈现明显的南北半球不对称性.

华南地区对流层顶和边界层顶高度特征分析

利用华南地区14个站点2010年1月1日至2015年12月31日六年逐日的L波段探空资料,对华南地区对流层顶、边界层顶的时空分布特征及其高度的变化特征进行分析。结果表明,华南地区平均对流层顶高度5月最高,8月最低,对流层顶的变化与夏季风爆发的时间节点有较好的对应;平均边界层顶高度3月最高,8月最低,沿海站点与内陆站点边界层顶高度变化规律明显不同;华南地区四季的平均边界层高度的空间分布与对流层顶高度的空间分布反相,西沙上空与广西西北部两块区域始终存在极值中心。

对流层顶变化对上对流层/下平流层臭氧分布的影响

上对流层和下平流层(UT/LS),位于8—25km高度之间,是大气中一个很特殊的区域。大部分的臭氧分布在下平流层,在下平流层臭氧的含量发生一个很小的变化,就会对气候和地面的紫外辐射产生很大的影响。而作为气象参数的对流层顶,是充分混合、缺乏臭氧的上对流层和层结稳定、臭氧丰富的下平流层之间的边界或过渡层,其变化对臭氧总量和分布有直接和明显的影响。本文使用二维模式模拟研究对流层顶变化对臭氧在UT/LS分布的影响。模拟结果表明对流层顶的季节变化对UT/LS的臭氧分布有明显的影响,臭氧的局地变化可以超过10％。在冬季北半球中纬度对流层顶高度升高1km时,模式结果表明对臭氧分布的影响比较显著,局地变化可超过6％,但是对臭氧总量的影响较小,变化不超过5DU,小于观测资料统计分析的结果。

我国气候变暖特征及其与对流层顶的关系

对我国1980～2007年120个观测站的探空资料进行处理后,分别计算得出对流层顶高度、对流层温度和平流层低层温度。在对温室效应引起我国气温变化进行研究的同时,重点分析对流层温度和平流层低层温度与对流层顶高度变化之间的关系。结果表明:全球性温室气体的排放导致我国对流层温度1980～2007年增加了近3.9℃,其中夏季增温较冬季明显,而平流层低层温度则呈降低趋势,降幅约7.0℃;28 a来我国对流层顶高度总体上升约45 m,高度变化范围在8～16 km左右;从平均对流层顶高度的年变化看来,对流层顶高度与平流层低层温度呈负相关,与对流层温度呈正相关,且存在季节差异。对流层的增暖和平流层的冷却作用共同导致了我国对流层顶高度的变化。

2004-2011年安庆地区对流层顶的特征分析

通过对安庆地区2004-2011年逐日07:00和19:00定时观测探空资料分析,讨论了当地对流层顶的要素统计特征,结果表明:第一对流层顶于7,8,9月出现极少或没有,月平均温度极值相差大,其高度和温度有良好的对应关系,且有明显的季节变化特征;第二对流层顶每月均能观测到,月平均温度极值相差比较小,没有明显的季节变化特征。

利用FY-3C卫星GNSS掩星数据分析中国区域对流层顶参数变化

使用FY-3C气象卫星GNSS掩星数据反演得到2017-03-01~2018-02-28大气温度廓线,并估计对流层顶高度变化;然后利用探空气球数据和ERA5模型数据进行验证;最后以2°×2°的空间分辨率将中国区域划分为608个网格,针对每一个单元格,分别计算对流层顶参数,建立格网模型,分析中国区域对流层顶参数的时空分布特征。结果表明,对流层顶参数随纬度具有明显的分带特征,在经度上变化并不明显,表现为南北区域不对称、东西区域较为对称的现象;对流层顶参数具有明显的季节性变化特征。

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征。结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,均方根误差为0.672 km。受热力学因素影响,青藏高原对流层顶在夏季最高,在冬季和春季最低。从冬季到夏季,对流层顶断裂带的位置也逐渐北抬。春季、冬季和秋季,受赤道热源影响,从低纬到高纬,在对流层中低层中等熵面逐渐抬升、水汽混合比逐渐下降。夏季,在热源引起的深对流和季风产生的水平输送作用下,青藏高原上空出现了水汽的高值区。

平凉一次暴雨前对流层顶异常特征分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,以2016年7月18日出现在平凉的区域性暴雨为例,分析暴雨发生前对流层顶高度、温度以及各高度的垂直速度、位涡、风场变化特征。结果表明,暴雨发生前4 d至前2 d对流层顶高度有明显的下降,并于暴雨发生前2 d降至最低,最低为14.6 km,相反地,对流层顶温度在暴雨发生前5 d至前2 d开始上升,并于暴雨发生前2 d升至最高,可达-65.6℃。对流层顶高度在暴雨发生前2 d的空间形变主要体现在南北方向上,高度的经向梯度变化比纬向梯度变化明显;从纬向看,暴雨发生前2 d,2 PVU等位涡线可以向下发展至380 hPa附近,凹陷最明显,即暴雨发生前2 d平凉地区对流层顶会出现折卷现象,暴雨发生当天,上升运动最强盛,最大垂直速度可达-0.3 Pa/s;对流层顶高度下降主要原因是由高层向下侵入的高位涡冷空气及对流层顶折卷过程影响。以上结果表明,对流层顶附近异常信号对暴雨预测有较好的指示意义。

L波段二次测风雷达对流层顶气象要素分析

对济南2005~2014年L波段二次测风雷达探测到的对流层顶高度及温度资料进行分析,结果表明,在自动探测及资料处理方法一致的情况下,济南地区对流层顶高度、温度有明显的季节变化,第一对流层顶的季节变化较第二对流层顶明显;年际变化统计分析表明,10年来第一、第二对流层顶高度、温度均出现下降趋势,整体下降幅度较小,与全国对流层顶前期变化升高的趋势有所不同;近10年济南地区主要是以第二对流层顶为主,第一对流层顶夏季出现频率较少;第一对流层顶高度的变化范围为5 334~14 200 m,平均10 984m;第二对流层顶高度变化范围为13 334~21 905 m,平均16 185 m;第一对流层顶温度变化范围为-72.0^-20.9℃,平均-55.4℃,第二对流层顶温度变化范围为-80.9^-51.5℃,平均-65.0℃。

2006年湖北宜昌地区对流层特征分析

利用2006年湖北省宜昌市高空观象台基于GFE(L)1型二次测风雷达观测的高空探测资料,分析了该地区对流层顶高度、对流层内温度、风等要素的季节特征。分析结果表明:这些要素显现出明显的季节差异,对流层顶高度在冬季最高,春、夏、秋依次减小;对流层顶温度夏季最低,冬季最高,春秋介于两者之间;对流层内的温度变化主要受太阳短波辐射的影响,不仅有明显的季节变化,且日变化显著;对流层的底层风速基本在10 m/s以内,风速随高度递增,春秋冬季在12 km左右达到一个极值;近地面风向变化大,以上的对流层内夏季变化大,春秋冬盛行西风。

夏季西南极探空观测以及南极大陆大气垂直结构特征分析

利用第33次中国南极科学考察期间获取的中国长城站和智利Feri站以及夏季南极大陆沿岸8个世界气象组织(WMO)基准站探空资料对南极地区的大气垂直结构进行了分析,并结合NCEP和ERA-Interim再分析数据,对南极高纬度大气的表现能力进行了评估。研究发现长城站附近对流层顶的平均高度为9km,对应的温度和平均风速分别为–50℃、21m·s^(-1);对流层中部大气垂直温度递减率为–6.34℃·km^(-1);边界层平均高度为600 m,平均风速为10 m·s^(-1)。当长城站东侧存在气旋或者受极地高压控制时,对流层顶高度较低,大气垂直递减率偏小;相反当长城站西侧受气旋影响时,对流层顶高度偏高,大气垂直递减率偏大。夏季东南极沿岸对流层顶高度普遍高于西部,南极点对流层顶最低,可能与绕极气旋的生消源地存在密切的联系。在对流层顶高度、探空要素的垂直分布特征评估等方面, NCEP再分析数据比ERA-Interim再分析数据更接近观测数据真实值。