The Impact of Cut-off Lows on Ozone in the Upper Troposphere and Lower Stratosphere over Changchun from Ozonesonde Observations

In situ measurements of the vertical structure of ozone were made in Changchun （43.53°N, 125.13°E）, China, by the Institute of Atmosphere Physics, in the summers of 2010-13. Analysis of the 89 validated ozone profiles shows the vari- ation of ozone concentration in the upper troposphere and lower stratosphere （UTLS） caused by cut-off lows （COLs） over Changchun. During the COL events, an increase of the ozone concentration and a lower height of the tropopause are observed. Backward simulations with a trajectory model show that the ozone-rich airmass brought by the COL is from Siberia. A case study proves that stratosphere-troposphere exchange （STE） occurs in the COL. The ozone-rich air mass transported from the stratosphere to the troposphere first becomes unstable, then loses its high ozone concentration. This process usually happens during the decay stage of COLs. In order to understand the influence of COLs on the ozone in the UTLS, statistical analysis of the ozone profiles within COLs, and other profiles, are employed. The results indicate that the ozone concentrations of the in-COL profiles are significantly higher than those of the other profiles between ±4 km around the tropopause. The COLs induce an increase in UTLS column ozone by 32% on average. Meanwhile, the COLs depress the lapse-rate tropopause （LRT）/dynamical tropopause height by 1.4/1.7 km and cause the atmosphere above the tropopause to be less stable. The influence of COLs is durable because the increased ozone concentration lasts at least one day after the COL has passed over Changchun. Furthermore, the relative coefficient between LRT height and lower stratosphere （LS） column ozone is -0.62, which implies a positive correlation between COL strength and LS ozone concentration.

Gravity Wave Activity and Stratosphere-Troposphere Exchange During Typhoon Molave(2020)

To investigate the stratosphere-troposphere exchange(STE)process induced by the gravity waves(GWs)caused by Typhoon Molave(2020)in the upper troposphere and lower stratosphere,we analyzed the ERA5 reanalysis data provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts and the CMA Tropical Cyclone Best Track Dataset.We also adopted the mesoscale forecast model Weather Research and Forecasting model V4.3 for numerical simulation.Most of the previous studies were about typhoon-induced STE and typhoon-induced GWs,while our research focused on the STE caused by typhoon-induced gravity waves.Our analysis shows that most of the time,the gravity wave signal of Typhoon Molave appeared below the tropopause.It was stronger on the east side of the typhoon center(10°-20°N,110°-120°E)than on the west side,suggesting an eastward tilted structure with height increase.When the GWs in the upper troposphere and lower stratosphere region on the west side of the typhoon center broke up,it produced strong turbulence,resulting in stratosphere-troposphere exchange.At this time,the average potential vorticity vertical flux increased with the average ozone mass mixing ratio.The gravity wave events and STE process simulated by the WRF model were basically consistent with the results of ERA5 reanalysis data,but the time of gravity wave breaking was different.This study indicates that after the breaking of the GWs induced by typhoons,turbulent mixing will also be generated,and thus the STE.

Features of Ozone Mini-Hole Events over the Tibetan Plateau

Based on TOMS total ozone data and SCIAMACHY ozone profile data, climatology of the ozone minihole events over the Tibetan Plateau and ozone vertical structure variations during an ozone mini-hole event in December 2003 are analyzed. The analyses show that before 1990 ozone mini-hole events only occurred in November-December of 1987 but that the number of events increases after 1990. These events only occur from October through February, with maximum occurrence frequency in December. During the event in December 2003, the decrease in total ozone of over 20% is mainly caused by the ozone loss in the upper troposphere and lower stratosphere region due to the horizontal transport of low ozone from the lower latitude subtropics and the uplift of low ozone from the lower troposphere over the Tibetan Plateau.

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.

Variation of Zonal Winds in the Upper Troposphere and Lower Stratosphere in Association with Deficient and Excess Indian Summer Monsoon Scenario

The Indian summer monsoon is one of the most dominant tropical circulation systems in the general circulation of the atmosphere. The country receives more than 80% of the annual rainfall during a short span of four months (June to September) of the southwest monsoon season. Variability in the quantum of rainfall during the monsoon season has profound impacts on water resources, power generation, agriculture, economics and ecosystems in the country. The inter annual variability of Indian Summer Monsoon Rainfall (ISMR) depends on atmospheric and oceanic conditions prevailed during the season. In this study we have made an attempt to understand the variation of the of zonal winds in the tropical Upper Troposphere and Lower Stratosphere (UT/LS) region during deficient and Excess rainfall years of Indian summer monsoon and its relation to Indian Summer Monsoon Rainfall (ISMR). It is found that in the equatorial Upper Troposphere zonal winds have westerly anomalies during deficient rainfall year’s and easterly anomaly during excess rainfall years of Indian summer monsoon and opposite zonal wind anomaly is noted in the equatorial Lower Stratosphere during the deficient and excess rainfall years of Indian summer monsoon. It is also found that the June to September upper troposphere zonal winds averaged between 15°N and 15°S latitudes have a long-term trend during 1960 to 1998. Over this period the tropical easterlies and the tropical jet stream have weakened with time.

Advances in Studies of the Middle and Upper Atmosphere and Their Coupling with the Lower Atmosphere

Recent advances in studies of the middle and upper atmosphere and their coupling with the lower atmosphere in China are briefly reviewed. This review emphasizes four aspects: (1) Development of instrumentation for middle and upper atmosphere observation; (2) Analyses and observation of middle and upper atmosphere; (3) Theoretical and modeling studies of planetary wave and gravity wave activities in the middle atmosphere and their relation to lower atmospheric processes; (4) Study on the coupling between the stratosphere and the troposphere.

亚洲地区夏季风期间氨气的时空分布特征

利用ENVISAT卫星搭载的迈克尔逊干涉仪和Aqua卫星搭载的AIRS探测仪观测到的大气NH3浓度数据以及全球大气化学—气候模式EMAC模拟的NH3浓度结果,分析了2008~2011年6~9月亚洲地区大气NH3的空间分布特征。结果显示,夏季时近地面NH3浓度最高值出现在印度北部,同时紧邻印度北部的孟加拉湾存在深对流,凭借青藏高原的高海拔地势,此深对流可以将寿命较短的NH3输送到上对流层和下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS),所以在青藏高原上空出现了NH3的向上输送柱,即青藏高原是NH3向上输送的主要通道。亚洲夏季风反气旋的位置主导着NH3在UTLS区域的空间分布,反气旋内持续存在NH3高浓度中心,NH3高浓度中心位置与反气旋中心位置对应良好,会出现一个或两个NH3高浓度中心,说明反气旋内环流形式的变化对反气旋内NH3分布特征有重要影响。

2001年春季临安地区对流层臭氧异常增加的一次过程分析

20 0 1年春季在临安 (30 30°N ,119 75°E)进行的臭氧垂直探测发现 ,从 3月 2 5到 31日有一次明显的臭氧异常增加过程 ,其中尤以 2 9日和 30日对流层上层的臭氧异常增加最具代表性。结合分析地面及高空气象要素演变和高空位势涡度的变化表明 ,这是一次显著的平流层空气由上向下穿过对流层顶深入对流层的下传过程 ,此平流层对流层交换过程与冷空气南下的天气过程和副热带急流、极锋急流移动造成的辐合下沉运动有着密切的联系。

全球平流层-对流层之间臭氧通量的时空演变研究

利用1958-2001年的臭氧混合比和ECMWF（Europema Centre for Medium-range Weather Forecast）资料，采用Wei诊断模型定量计算了穿越全球对流层顶的臭氧质量通量．结果表明：（1）臭氧通量场存在纬向型和经向型的空间波列结构，这些空间波列均未能跨越对流层顶断裂带到达热带对流层顶控制区，其中南北两极的极区、地中海-伊朗高原-青藏高原-日本南部-北太平洋和南半球对流层顶断裂带中沿纬圈完整的空间波列最为显著．海洋上空臭氧通量的性质较为均匀一致，大陆上空的空间结构多变．北半球向下与向上的局地平均最大臭氧通量分别是-4μg·m^-2·s^-1和2．5μg·m^-2·s^-1，南半球的对应值为-2．5μg·m^-2·s^-1和1．5μg·m^-2·s^-1．（2）纬向平均的臭氧净通量依赖于纬度变化，北半球与南半球具有显著的非对称特性，总效应是平流层臭氧向对流层输运注入．臭氧通量有着显著的季节变化，可随不同季节在地理分布上发生空间转移现象，而且其控制机制不仅受对流层顶的季节运动影响，也随大气环境的季节调整而发生改变．（3）南北半球臭氧净通量的变化趋势相反，南半球为双峰结构。表现为非对称振幅的季节波动结构．全球臭氧通量振幅的年际变化表现出明显的QBO（Quasi-Biennial Oscillation）特性，年代际演变的结构形态（向下的臭氧净通量）可划分为4个阶段：1960年代是平稳变化期，1970年代为增强期，1980年代是又一个相对平稳期，1990年代为剧烈变化期．向下的臭氧净通量主极大值出现在1977、1990年和1998年，极小值在1993年和1996年．

对流层-平流层之间过渡层中臭氧含量及其加热率的变化研究

利用1958～2001年共44年的ECMWF资料及参数化方法,计算了对流层顶上、下3km气层间的臭氧含量及其吸收太阳辐射加热率的时空分布.结果表明:(1)臭氧分布的空间梯度从赤道指向两极,而加热率则是分别由高纬和低纬指向副热带,这样的经向梯度可能是驱动对流层顶结构变化的一种重要因素;两者空间分布的季节变化显著,但其对应关系并不完全一致,1月和4月的空间结构与7月和10月的相反,随季节调整具有突变现象;东亚及青藏高原是季节变化相对稳定的区域.(2)在热带对流层顶控制区加热率与臭氧含量呈正相关,而极地对流层顶控制区各季节有所不同,还与太阳赤纬变化相关联;各纬度间加热率季节变化的位相和变率都存在差异,但南半球相对较为一致,最大距平为±2×10-4K.d-1,北半球则较复杂,最大正距平为4×10-4K.d-1;两半球的季节周期位相趋于相反.(3)除赤道外,臭氧距平的季节变化位相超前于加热率距平2～3月,并且发生在季节变化的调整期;最大距平出现在南极的8月大于0.4DU,3～4月则小于-0.2DU,而北极为±0.2DU.(4)臭氧含量和加热率的年际与年代际演变关系对应一致,并具有多尺度的结构特征;但两半球及赤道的时空演变差异明显,30°S～30°N间副热带控制区的加热率变幅剧烈,最大距平为±2.5×10-4K.d-1,高纬和两极的变幅在不同演变期各不相同;臭氧的变幅结构与之相反,北极的最大距平分别大于0.25DU和小于-0.35DU.(5)20世纪70年代以前及70年代中期,两半球的正负距平具有相反的演变结构,而90年代是负距平演变最剧烈的时期.

平流层-对流层相互作用的多尺度过程特征及其与天气气候关系——研究进展

在过去5年中,在国家自然科学基金委员会和中国科学院的项目支持下,针对以大气上下层相互作用中的多时空尺度过程特征及其与天气气候的关系为主要关注内容,开展了几个方面的研究。本文介绍其中的一些主要进展与结果,包括:(1)平流层臭氧的探测与分析研究;(2)平流层-对流层质量交换(STME)与对流层顶特征研究;(3)中层大气多尺度波动特征研究;(4)大气辐射传输和中层大气卫星临边遥感新方法研究。

上对流层-下平流层交换过程研究的进展与展望

上对流层和下平流层（UTLS）区域的高度范围大致为5～20km。UTLS区域大气成分的分布及变化对于认识气候长期变化也极为重要，因为该区域的臭氧是一种有效的温室气体，其中的水汽、卷云和气溶胶对太阳短波辐射和地球长波辐射有很强的调制作用，因而对于天气和气候变化产生不可忽略的辐射强迫作用；UTLS区域中，还有航空业的飞机排放，强对流云云中与云上闪电产生相当量的NOx，这些都对UTLS区域乃至更高及更低层大气的化学成分与分布产生重大影响。该文介绍上对流层和下平流层区域的交换过程研究的意义和手段，同时介绍有关研究的进展，重点回顾近年来国内一些学者开展的工作。另外，还列举一些研究问题和方向，最后重点展望青藏高原上空上对流层-下平流层区域的研究，因为该地区UTLS交换过程不仅具有显著区域特征，而且在全球平流层-对流层交换中可能有重要贡献。

北京地区对流层顶变化及其对上对流层/下平流层区域臭氧变化的影响

根据2001～2003年期间获得的大气臭氧探空资料，揭示了北京地区上空对流层顶高度的某些变化特征及其对上对流层（UT）和下平流层（LS）区域内大气臭氧含量变化的影响。结果显示：北京地区上空对流层顶高度的平均值约11．1km，其变化范围为7．7～14．4km，臭氧层顶始终处在对流层顶下方约0．9km高度处。对流层顶高度变化与臭氧总量变化之间的关系相对较弱。通常情况下，LS中的臭氧积分量明显高于UT中的相应值，并且二者呈相反的季节变化特征。北京地区上空仲夏和初秋季节第一对流层顶出现的频数明显减少，在第一对流层顶消失的情况下，LS中的臭氧积分量明显减少，而UT中的臭氧积分量明显增加，臭氧量减少最多发生在200～100hPa层次中，而臭氧量增幅最大的层次是400～250hPa。

青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.

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。

对流层顶折叠检测新方法及其在中纬度灾害性天气预报中的应用

对流层顶折叠是中纬度地区对流层上层—平流层下层区域(简称UT/LS)内的一个重要的大气现象,它与气旋生、暴雨强对流触发以及降水增幅密切相关。由于这些天气条件下的大气状况异常复杂,因此目前国际上普遍采用的基于干大气条件的对流层顶折叠检测方法存在很大局限性。本文在借鉴已有的卫星资料和数值预报相结合的模式识别法的基础上,通过统计分析的方法建立了高层大气水汽与广义湿位涡、臭氧浓度的关系以及对流层顶折叠与高空急流的位置关系,同时考虑了动力对流层顶高度在判识过程中的辅助作用,建立了一套基于FY-2E静止气象卫星遥感数据的,适用于与暴雨强对流有关的对流层顶折叠动态监测新方法。在利用FY-3A和FY-3B反演的臭氧总量、臭氧垂直廓线以及ECMWF Interim资料计算的位涡等资料对算法进行精度验证的基础上,将该方法在2012年7月21日北京特大暴雨天气过程以及2013年5月14~17日华南大暴雨天气过程的监测和分析上进行了应用,并取得了较好的效果。从应用效果看,本文提出的这种对流层顶折叠识别方法是合理可行的,并具有一定的应用价值,可为中纬度地区暴雨强对流天气的监测和预警提供参考指标。

夏季云顶高于对流层顶事件对东亚天气型及上对流层—下平流层大气结构的影响

采用A-Train系列卫星的AURA/MLS水汽、温度资料,CALIPSO/CALIOP云物理资料,结合ECMWF气象再分析资料,分析了东亚地区云顶高于对流层顶事件（Cloud Top Above the Tropopause,CTAT）的区域分布,及其对上对流层—下平流层（Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS）水汽和温度结构的影响。结果表明：亚洲季风区的夏季CTAT发生率是30%~55%,为全球最强区域;东北亚的夏季CTAT发生率是15%~20%,为中纬度最强分布区。以CTAT为指标的合成结果表明：15~30°N的东亚—西太平洋UTLS,水汽呈＂上干下湿＂的异常分布,温度呈＂上冷下暖＂的异常分布,该结构与该区域热带气旋合成的结果一致,说明热带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统;35~50°N的东北亚UTLS,水汽呈＂上干下湿＂的异常分布,温度呈＂上暖下冷＂的异常分布,该结构与该区域温带气旋合成的结果一致,说明温带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统。

夏季南亚高压与邻近上对流层下平流层区水汽变化的联系

利用1979—2015年ERA-interim月平均再分析资料,分析了夏季南亚高压(SAH)与邻近上对流层下平流层(UTLS)区水汽空间分布特征,讨论了二者的相关关系和因果联系。结果表明:(1)在对流层上层,水汽大值区位于南亚高压的东南侧,并随高度升高向西北倾斜到100 hPa,水汽大值中心基本位于南亚高压中心附近。(2)南亚高压偏强(弱)时,南亚高压东部UTLS区水汽显著偏多(少),而南亚高压西北部水汽异常不显著。(3)南亚高压偏强(弱)时南亚高压中部UTLS区水汽偏多(少)可能与南亚高压对水汽的抽吸和对水汽输送屏障有关。(4)而南亚高压东南侧UTLS区水汽偏多(少)时南亚高压偏强(弱)可能与深对流输送的水汽潜热释放有关。

1979-2011年热带对流层顶高度线性趋势变化的因子贡献及其年际变率成因探讨

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料分析了近30年(1979—2011年)热带(0~360°E,20°S^20°N)对流层顶高度变化,结果显示其高度有明显的线性上升趋势,近30年气压下降了3.5 h Pa。其中对流、臭氧和对流层温度的贡献分别为13.3%、27.26%和57.31%。在去除线性趋势后,热带对流层顶气压表现出了显著的年际变率,主要周期峰值为18.2、28.6和40个月。其中臭氧和热带对流层温度都对18.2个月的周期有贡献,而臭氧和热带对流层温度18.2个月的周期很可能是由北半球的季风环流引起的;28.6个月的周期主要源于臭氧总量的准两年周期变化,而后者是由热带平流层低层纬向风场的准两年振荡引起的;热带对流层顶气压40个月的周期似乎源于ENSO循环引起的对流层温度变化。

长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略。利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响。结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2。以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K。