項(xiàng)目主要成果之一

1、項(xiàng)目主要成果之一：研究了海溫、 海冰、太陽活動及人類排放等氣候系統(tǒng)外部因子的變化在臭氧層變 化和平流層對流層化學(xué) -輻射 -動力耦合中扮演的角色。2014 年發(fā)表在 Advances in先前的研究表明 El Ni?o Modoki 事件會加強(qiáng) BD 環(huán)流使得更多的低濃度臭氧 氣團(tuán)從對流層傳輸?shù)狡搅鲗樱?導(dǎo)致 90°S-90°N 中下平流層臭氧含量降低。 進(jìn)一步 的研究表明在 El Ni?o Modoki 事件期間，平流層臭氧柱總量的降低在赤道東太平 洋要強(qiáng)于赤道其他地區(qū)， 這主要是由于在 60°W-120°W 區(qū)域南北兩個半球中低濃 度臭氧氣團(tuán)從中高緯

2、向低緯的傳輸最強(qiáng)。 同時由于 El Ni?o Modoki 事件期間平流 層臭氧柱總量的減少會使得更多的紫外輻射到達(dá)熱帶對流層， 導(dǎo)致對流層臭氧柱 總量明顯增加。同時我們還發(fā)現(xiàn) El Ni?o Modoki 事件比經(jīng)典 El Ni?o 事件對全球 臭氧變化影響更大， 這些結(jié)果意味著 El Ni?o Modoki 事件對 1980-2010年全球臭 氧年際變化有重要的影響。詳細(xì)的研究結(jié)果Atmospheric Sciences。90S 60S 30S030N 6ON SONo O1 3(b)19801985 1990 1995 2000 2005 2010X PU-rad 三 ajnslfiaj

3、dIlii佩AIIilIIIYear201980 19&5 19901995 2000 2005 2010圖1. 1980-2010年平流層緯向平均臭氧時間序列EOF分析結(jié)果，臭氧異常去除了原始時間序列在每個格點(diǎn)的季節(jié)變化和線性趨勢，（a） EOF分解主模態(tài)（EOF1）的空間形態(tài)，等值線間隔±）.01ppmv,實(shí)線代表正值，虛線代表負(fù)值；（b）第一主成分（PC1，實(shí)線）和EMI（虛線）的時間系數(shù)；（6與（a） 樣，但是為EOF2的空間形態(tài)；（d）PC2 （實(shí)線）和QBO指數(shù)（虛線）的變化。利用多種觀測資料和大氣化學(xué)氣候模式分析了ENSO對于北半球1月、2月和3月中緯度臭氧的影

4、響。研究表明，在 El Ni?o年，北太平洋、美國南部、北 非東部和東亞地區(qū)的臭氧柱總量相比氣候平均值異常偏強(qiáng)，而在中歐和北大西洋 地區(qū)則異常偏弱；在La Ni?a年，北半球中緯度臭氧的異常正好與 El Ni? o年的 異常符號相反。北半球中緯度臭氧對于ENSO的最大響應(yīng)信號出現(xiàn)在3月份，這與平流層波活動造成的臭氧累積正傾向在3月份達(dá)到最大有關(guān)。ENSO對于北半球中緯度臭氧柱總量的年際變化率的貢獻(xiàn)可達(dá)20-30 %，其中在北太平洋區(qū)域甚至可到50 %。ENSO對中緯度臭氧柱的影響主要是通過在對流層高層激發(fā)異常的行星波傳向中緯度地區(qū)以及改變天氣尺度的Rossby波破碎事件頻率實(shí)現(xiàn)的。詳細(xì)的研究結(jié)

5、果 2015年發(fā)表在Journal of Climate。圖2.厄爾尼諾事件影響北半球中緯度臭氧的機(jī)制示意圖，綠粗線代表北美和北非-東亞急流，黃色粗線代表天氣尺度 Rossby波破碎事件。其中線越粗，表示的急流強(qiáng)度越強(qiáng)或 Rossby波破 碎頻率越大。彎曲箭頭表示 ENSO期間行星尺度的異常水平環(huán)流。紅色和藍(lán)色圓圈表示異常 下沉和上升的對流層頂高度；紅色和黑色的細(xì)箭頭分別表示的是伴隨對流層頂高度變化產(chǎn)生 的向下和向上的臭氧傳輸；黑色細(xì)直箭頭表示的因Rossby波破碎產(chǎn)生的次級環(huán)流異常。利用多種資料和大氣化學(xué)氣候模式研究了 ENSO對于中國地區(qū)臭氧柱總量（TOC）和晴空紫外線的影響，發(fā)現(xiàn)在El

6、Ni?o年中國大部分地區(qū)TOC相比常年 平均值異常偏高，La Ni?a年TOC則明顯偏低。值得注意的是，TOC對ENSO 事件的最大響應(yīng)區(qū)域從冬季位于中國南部到夏季向北移動至中國北方。TOC異由急流的移動常中心的這種季節(jié)性移動與東亞急流的季節(jié)性移動有密切的聯(lián)系造成的對流層頂高度的變化和由急流內(nèi)傳播的Rossby波列引起的上對流層下平流層區(qū)域環(huán)流的變化，共同造成了 ENSO期間中國地區(qū)臭氧的變化。El Ni?o年 與La Ni?a年TOC的差值可以引起冬季長江中下游和春季青藏高原西北部6-10 %晴空紫外線的變化。詳細(xì)的研究結(jié)果2015年發(fā)表在AtmosphericEn vir onment。5

7、0°N -40nN -30°N -20dN -©)MAM75°E95nE 115nE一筑0 1 2 3 4 5 6 7 B 9 10 11他)SON50°N -40nN -305N -押忖-75QE95nE 115nE1234圖3.（ a）冬季，（b）春季，（c）夏季和（d）秋季，厄爾尼諾年和拉尼娜年晴空紫外線（波長280-400 nm）的百分比差值。圖中黑點(diǎn)區(qū)域代表合成異常超過了95%的顯著性水平。熱帶冰點(diǎn)對流層頂溫度，是表征全球氣候變化的重要指標(biāo)，對于理解平流層水汽層變化至關(guān)重要。自20世紀(jì)80年代以來，熱帶冰點(diǎn)對流層頂溫度不僅有明80顯的

8、年際尺度的變化，也呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。我們的研究發(fā)現(xiàn)自上世紀(jì)年代以來，印度洋-太平洋暖池區(qū)域的持續(xù)擴(kuò)張導(dǎo)致暖池的總能量增加，對對流 層大氣的加熱也在不斷增強(qiáng)，其影響范圍也可能在進(jìn)一步擴(kuò)張。上述過程抬升了 熱帶冰點(diǎn)對流層頂高度，導(dǎo)致觀測到的熱帶冰點(diǎn)對流層頂溫度降低。此外，我們的分析還表明，Modoki活動通過影響穿透性對流活動，也可顯著影響熱帶冰點(diǎn) 對流層頂溫度。詳細(xì)的研究結(jié)果 2014年發(fā)表在Scientific ReportsLongitude圖4.熱帶冰點(diǎn)對流層頂溫度趨勢（a） 1981-2010年熱帶（15°S-15° ）平均的冰點(diǎn)對流層頂溫57913579135

9、00011111222 IV ¥ n -o-o=0£££-o£££=0o5 0 5 01 13- O>1E_I度（黑線）和冰點(diǎn)對流層頂高度（藍(lán)線）的變化。直線為相應(yīng)變量的線性趨勢。（b） 1981年-2010年熱帶冰點(diǎn)對流層頂溫度線性趨勢的空間分布。利用大氣化學(xué)氣候模式 WACCM分析了平流層大氣對不同經(jīng)向梯度的海溫變化的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)海溫均勻增加和海溫梯度增加都會使得副熱帶西風(fēng)急流增 強(qiáng)且使北半球極渦減弱。全球海溫均勻增加對南半球平流層的影響更為顯著，但 海溫梯度增加對北半球平流層的影響更大。 南北半球極地平流層對海

10、溫經(jīng)向梯度變化的非對稱響應(yīng)主要與南北半球中不同類型的波活動及其不同傳輸過程有關(guān)。雖然海溫增加使得波活動增強(qiáng)，但是海溫增加波活動垂直傳輸?shù)挠绊戨S著咼度和緯度有所不同，且對海溫梯度的變化敏感。另外，不同經(jīng)向梯度的海溫增加都會使得大尺度 BD環(huán)流增強(qiáng)。詳細(xì)的研究結(jié)果2014年發(fā)表在Advances inAtmospheric Scien ce(a)E2-E1(d) E2-E190S30S EQSONj ajrl!n£i.40S COSEQ麗 N90hl圖5.（a）試驗(yàn)E2和E1，（ b）試驗(yàn)E3和E1 ,和（c）試驗(yàn)E4和E1間的緯向平均溫度的 年平均變化。（d-f）緯向平均緯向風(fēng)的年平均

11、變化（等值線）和 EP通量（箭頭），（d） 試驗(yàn)E2和E1，（ e）試驗(yàn)E3和E1 ,和（f）試驗(yàn)E4和E1。實(shí)線和虛線分別代表正的和負(fù)的變化。淺色（深色）陰影代表通過95%（99%）顯著性檢驗(yàn)水平。其中溫度和緯向風(fēng)等值線間隔分別是0.3 K和0.5 m s1。單位長度水平和垂直箭頭分別是109 kg s-2和0.5氷07 kg s-2。利用多種觀測資料和大氣化學(xué)氣候模式（CCM）分析了青藏高原上空臭氧 柱總量（TCO）的長期變化趨勢及其影響因子。結(jié)果表明，與 20世紀(jì)90年代中后期高原年平均TCO開始恢復(fù)不同，近十年高原冬春季臭氧低谷顯著加深。在1979-2009年冬季期間，臭氧低谷強(qiáng)度以1

12、.4 DU/10a的速率加深，其面積以50,000km2/10a的速率擴(kuò)大。這與近十年來熱帶對流層高層更多的低濃度臭氧空氣進(jìn)入到高原上空的低平流層以及高原增暖引起的對流層頂抬升有關(guān)。分析還表明，在1979-2009年冬季期間，高原增暖引起的熱力、動力過程變化引起TCO約50%的減??；東亞地區(qū)氮氧化物排放和全球?qū)α鲗?N2O濃度的增加造成TCO不超過 20%的減小。同時，1995-2009年期間太陽常數(shù)的變化進(jìn)一步加劇了高原臭氧的 減小。詳細(xì)的研究結(jié)果2014年發(fā)表在Tellus B。40N3ON20NC5E 75E日各 E95E 1O5E 115E701Q01S0200250300400500

13、700eso2QN 25N30N35N40N45Nlongitude (degree)-10-202 d 6TCO DU)latitude (degree)-6-4-20246zonal wind (ms-1)1000圖6. （ a）冬季高原地溫暖冷年份 TOC合成異常的差值分布。（b）冬季高原地溫暖冷年份 90 °緯向風(fēng)合成異常的差值分布，同時疊加在圖中的還有暖（藍(lán)色）冷（紅色）冷年份合成的動力對流層頂以及1979-2009年常年平均風(fēng)速大于 30 m/s緯向風(fēng)場。圖中黑點(diǎn)區(qū)域代表合成差值通過95%的顯著性檢驗(yàn)，白色矩形框表示青藏高原地區(qū)，黑色陰影區(qū)表示高原地形。利用全球化學(xué)氣候模

14、式 WACCM3研究了地面甲烷（CH4）排放增加，尤其是東亞和北美地區(qū)地面 CH4排放增加，對大氣溫度、環(huán)流和臭氧（臭氧）的影響。模擬結(jié)果表明，地面 CH4排放增加會導(dǎo)致北半球中緯度地區(qū)西風(fēng)加強(qiáng)，BD環(huán)流加速，以及穿越對流層頂?shù)奈镔|(zhì)通量增加。但是，不同地區(qū)CH4排放增加導(dǎo)致BD環(huán)流的變化也不同。當(dāng)東亞地區(qū)CH4排放增加50 %和全球地面CH4排放增加15 %，平流層降溫可達(dá)0.15 K，臭氧濃度增加最大可達(dá)45和60 ppbv。 當(dāng)增加相同的CH4排放量，北美地區(qū)CH4增加對平流層臭氧的影響更大，臭氧 增加最大值達(dá)60 ppbv。東亞地區(qū)和北美地區(qū)CH4排放增加均會導(dǎo)致北半球?qū)α?層中臭氧增加

15、。對流層不同高度臭氧濃度變化的極大值出現(xiàn)的時間卻并不相同。詳細(xì)的研究結(jié)果 2015年發(fā)表在Advances in Atmospheric ScienceS。古oaouogQ8x104x1004x10-8x1030°S 20°S10°S0°10°N 20°N 30°NLatitude圖7. 100hPa高度處BD環(huán)流垂直速度 w*的差異，黑線、藍(lán)線、綠線、桔黃色線和紅線分 別代表E15試驗(yàn)、E30試驗(yàn)、E50試驗(yàn)、A50試驗(yàn)和G15試驗(yàn)相對于 E0試驗(yàn)的差異。單位 為-Pa/s。E15，E30，E50是東亞地區(qū)甲烷增加 15%

16、，30%和50%。A50是北美地區(qū)甲烷增 力口 50%。A15是全球甲烷增加 15%。利用WACCM3研究了 11年太陽活動周期對平流層溫度和臭氧的直接和間接影響。結(jié)果表明，即使在模式中不考慮平流層 QBO及海溫的年際變化，模式也能較好的模擬出低平流層溫度和臭氧對太陽活動的響應(yīng)。在熱帶低平流層，太陽活動的間接效應(yīng)（化學(xué)效應(yīng)）對溫度和臭氧的影響比其直接輻射效應(yīng)大?；瘜W(xué)效應(yīng)導(dǎo)致殘余環(huán)流顯著變化，從而引起熱帶低平流層臭氧異常。 上平流層太陽活 動對溫度和臭氧的影響存在負(fù)反饋?；瘜W(xué)效應(yīng)對上平流層溫度中的太陽周期信號 有最大的貢獻(xiàn)，但是上平流層溫度中太陽周期信號是由太陽活動的直接輻射效應(yīng) 和間接臭氧反饋

17、效應(yīng)共同造成的。詳細(xì)的研究結(jié)果2013年發(fā)表在ChineseScie nee Bulleti n。Power (lD-12a)圖8.模式模擬的03 （虛線）和溫度場（實(shí)線）時間序列中經(jīng)過尺度平均的小波分析功率譜（10-12年的周期）隨高度的變化。其中黑線代表在控制試驗(yàn)中的結(jié)果；綠線代表在敏感性試驗(yàn)R1 （只在模式的輻射方案中考慮太陽輻射譜的 11年周期變化）的結(jié)果；紅線代表在敏感性試驗(yàn)R2 （只在模式的化學(xué)方案中考慮太陽輻射譜的11年周期變化）的結(jié)果。利用多種觀測資料和數(shù)值試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)過去三十年二月北極平流層極渦偏-喀向歐亞大陸而偏離北美大陸。極渦的移動主要是由北極地區(qū)特別是巴倫支海 拉海海

18、冰減少引起的行星1波增強(qiáng)造成的。另外，歐亞大陸的積雪增加也可能會進(jìn)一步加劇極渦的偏移。分析還指出極渦偏移導(dǎo)致歐亞大陸和北美大陸部分地區(qū)溫度降低，部分抵消了過去三十年這些地區(qū)的對流層增暖效應(yīng)。為了更好地理解未來氣候的變化，由海冰持續(xù)減少引起的極渦偏移現(xiàn)象及其帶來的氣候影響值得進(jìn)一步關(guān)注。詳細(xì)的研究結(jié)果 2016年發(fā)表在Nature Climate Change150° W150° E180°30° W120° W90° WPVU yr1-Q.4-0.20.00.20.4圖9.利用ERA-Interim月平均資料得到的二月份 430-60

19、0K等熵面垂直平均的1980s （黑色），1990s （紫色）和2000s （綠色）的極渦邊界（等值線）和極渦中心（點(diǎn)）。填充色為1980-2009年位渦（PV）的線性趨勢。點(diǎn)區(qū)代表通過90%的顯著性檢驗(yàn)。利用再分析資料和化學(xué)氣候模式探討了熱帶對流層頂層在1979 2014年間變化趨勢的緯向結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：熱帶冷點(diǎn)對流層頂溫度（CPTT）在19792014年間的變化趨勢呈現(xiàn)緯向非對稱特征，即在熱帶中東太平洋區(qū)域（CEP）, CPTT呈現(xiàn)0.22 K decade1的變化趨勢；而在熱帶中東太平洋以外的區(qū)域（non CEP）, CPTT的變化趨勢為-0.08 K decade1。進(jìn)一步利用數(shù)值模式

20、設(shè)計(jì)的敏感試驗(yàn)證明， 熱帶CPTT變化趨勢的緯向非對稱結(jié)構(gòu)與緯向非對稱的海溫（SST）變化引起的 沃克環(huán)流增強(qiáng)有關(guān)。冷卻的中東太平洋 SST和增暖的印太暖池SST通過影響海 平面氣壓梯度和赤道東風(fēng)進(jìn)而影響對流，并使得沃克環(huán)流增強(qiáng)。增強(qiáng)的沃克環(huán)流引起位于其下沉支的CEP區(qū)域動力增暖而位于其上升支的 non CEP區(qū)域動力冷 卻。CEP區(qū)域的動力增暖導(dǎo)致上對流層下平流層區(qū)域溫度顯著增加，使得熱帶冷點(diǎn)對流層頂抬升。模式結(jié)果還表明上對流層下平流層區(qū)域溫室氣體、臭氧和水汽 變化的輻射效應(yīng)對熱帶 CPTT變化趨勢的貢獻(xiàn)相比 SST變化引起的熱帶 CPTT 變化趨勢的貢獻(xiàn)小得多。詳細(xì)的研究結(jié)果2016年發(fā)表

21、在Journal of Climate。（a）U卡二3&EME趣F化兄苦觀®臚切甲SOhV珀用JVW 3&E圖10. SST改變和熱帶對流層頂變化及相關(guān)過程之間聯(lián)系的機(jī)制圖。彩色填充表示1979-2014年觀測的SST的趨勢（K/十年），黑色帶箭頭的虛線表示在太平洋 海域加速的沃克環(huán)流。 灰色的箭頭表示貿(mào)易風(fēng)趨勢。 藍(lán)色和灰色的曲面分別表示 CPT 和 LRM 高度的變化，紅色和藍(lán)色的圈分別表示對流層頂溫度變暖和變冷， 加號和減號分別表示CPTP和LRMP變暖和變冷趨勢。利用大氣化學(xué)氣候模式 WACCM 模擬分析了 N2O 增加對平流層化學(xué)和動力 過程的影響。 結(jié)果顯

22、示，盡管在 IPCC A1B 場景平流層變冷的情況下， 由 N2O 分 解產(chǎn)生的 NOy 凈產(chǎn)出率出現(xiàn)下降，但是平流層內(nèi) NOy 的濃度依舊在增加。在 2041-2050年間，N2O增加50%導(dǎo)致中平流層10 hPa高度臭氧混合比和臭氧柱總 量最多分別減少了 6%和 2%，但是全球未來幾十年里臭氧柱總量總體上仍呈現(xiàn) 恢復(fù)的趨勢。 進(jìn)一步研究表明， N2O 增加的化學(xué)效應(yīng)是影響平流層臭氧變化的主 要因子，而 N2O 增加的動力和輻射效應(yīng)對平流層臭氧和溫度的影響并不顯著。 同時，不同時間段內(nèi) N2O 的臭氧損耗能力主要是受到大氣背景場的影響，如 CO2的增加會強(qiáng)烈抵消 N2O 造成的臭氧損耗。詳細(xì)的研究結(jié)果 2014 年發(fā)表在Atmospheric Chemistry and Physics。r-皿）Q3 E:靈08 輛 I-9C-E-D-30O3C60盟3DD-3Cm TCO 巨13E990囲EC圖11. （a） E1與E0試驗(yàn)，（b） E2與E0試驗(yàn)，（c） E3與E0試驗(yàn)差值的2041-2050年期間緯向平均的臭氧混合比高度-緯度分布圖;（d）E1 與 E0 試驗(yàn)，（e） E2 與 E0 試驗(yàn)，（f）E3與E0試驗(yàn)差值的2041-2050年期間緯向平均的臭氧柱總量緯度-季節(jié)分布圖。利用一個耦合