平流层对流层物质交换以及平流层水汽与臭氧的研究

【摘要】：相比于对流层天气系统研究,平流层大气过程的研究比较薄弱。近些年来,随着观测手段的不断提高和中层大气模式的发展,平流层大气过程的研究开始受到越来越多的关注。本论文从平流层研究一些前沿科学问题入手,利用大气环流模式、大气化学-气候模式,结合卫星观测资料、欧洲中心(ECMWF)和NCEP再分析资料研究了气候变化背景下平流层对流层物质交换(STE)的变化特征,分析了STE的变化对平流层水汽浓度及空间分布的影响,并在此基础上进一步探讨了平流层水汽变化以及未来温室气体排放对平流层臭氧的影响。所得的主要结论如下： (1)利用大气环流模式,通过一系列的数值试验研究了臭氧变化对STE的潜在影响,同时对比分析了臭氧和二氧化碳浓度以及海温(SST)变化对STE影响的相对重要性。研究发现,全球臭氧减少15%会使平流层温度降低,最大可达-2.4K,热带上升流会增加7.2%；全球臭氧增15%,会导致平流层温度增加2.1K,同时使热带上升流减少约4%。100hPa以下的臭氧无论是增加还是减少15%,对STE的影响都不是很显著；然而,在70hPa-200hPa区域臭氧增加15%产生的辐射效应与全球臭氧增加15%产生的辐射效应对STE的影响差别不大,这说明对流层上层和平流层下层的臭氧增加是造成热带上升流变化的主要原因。当SST随温室气体增加而增加时,会对STE产生非常显著的影响：热带上升流显著增加,增加幅度达20.4%；但是,如果不考虑温室气体增加引起的海温变化,二氧化碳浓度加倍的辐射效应对STE的影响还不及全球臭氧增加15%产生的影响。 (2)利用大气环流模式,通过一系列的数值试验研究了臭氧变化对平流层水汽变化的影响,探讨了臭氧变化影响平流层水汽的主要机制,同时对比分析了大气中二氧化碳浓度加倍产生的辐射效应对平流层水汽变化的影响。研究表明,全球臭氧减少15%会导致更高更冷的对流层顶,因此从对流层进入平流层的水汽会减少。全球臭氧浓度增加15%可使更多水汽从对流层进入平流层,因为其产生的效应使对流层顶变得更低更暖。二氧化碳浓度加倍和海温增加的综合效果,会导致一个更高更暖的对流层顶,同时平流层的水汽也会显著增加。若只考虑二氧化碳浓度加倍的大气辐射效应,其对对流层顶和平流层水汽造成的影响都不显著。 (3)利用ECMWF/NCEP再分析资料、AURA MLS、UARS HALOE卫星观测资料以及厄尔尼诺海洋指数(ONI),研究了厄尔尼诺事件和拉尼娜事件对平流层水汽变化的影响。总体来说,厄尔尼诺事件增加了平流层低层的水汽却减少了平流层中层的水汽,拉尼娜活动会使赤道附近(5°S-5°N平均)的平流层低层变得更干燥,但总体上会使热带平流层(25°S-25°N平均)内的水汽增加。拉尼娜活动造成的这种使热带平流层低层变湿的效应,主要是由拉尼娜活动使南半球热带平流层低层区域的热带上升流显著增加所致。厄尔尼诺活动对北半球赤道以外区域热带上升流的作用比对南半球赤道以外区域热带上升流的作用要更强,而ENSO活动的净效应(厄尔尼诺活动与拉尼娜活动产生的效应之和)对南半球平流层水汽的影响要比对北半球平流层水汽的影响更强。 (4)利用一个耦合的大气化学-气候模式研究了甲烷排放的增加对平流层水汽变化的影响。结果表明,当甲烷的地表排放量在2000年排放量基础上增加50%时,平流层水汽平均增加了约0.8ppmv。其中,12%的平流层水汽增加来自于甲烷增加对对流层顶的辐射加热作用,而剩余的88%基本上是甲烷化学氧化导致的。南半球平流层甲烷转化为水汽的效率比北半球要高。在北半球平流层中一摩尔甲烷分子大概可以转化为1.63摩尔水汽分子,而在南半球一摩尔甲烷分子大概可以转为1.82摩尔水汽分子。 (5)利用一个耦合的大气-化学气候模式,研究了甲烷地表排放的增加对大气中臭氧浓度的影响。结果表明,当甲烷的地表排放量在2000年排放量基础上增加50%时,会使全球中低纬度地区以及北半球高纬度地区的臭氧柱总量增加3%左右,但会使南半球高纬度地区臭氧柱总量增加近8%。在南半球和北半球低纬度地区,臭氧增加主要是由甲烷增加的直接效应所致(这里,我们称甲烷产生的水汽对臭氧的影响为间接效应,甲烷自身对臭氧的影响为直接效应),而在北半球中纬度地区,甲烷增加引起的平流层水汽增加导致的辐射和化学作用(间接效应)对平流层臭氧也有不可忽视的影响。在北极,间接效应甚至超过了直接效应对臭氧的影响。值得特别注意的是,当甲烷的地表排放增加50%时,南极地区春季臭氧柱总量最大增加幅度可达到20%。南极春季臭氧的这种显著增加主要是由甲烷增加引起的化学效应所致,其次是动力传输的作用,而辐射效应的贡献很小。