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地球科学进展 2020年第10期35卷 1016-1028页

作者：刘许柯付云翀周卫健张丽赵国庆中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室陕西西安710061 西安加速器质谱中心陕西省加速器质谱技术及应用重点实验室陕西西安710061 中国科学院大学北京100049

示踪大气垂直传输交换过程对了解大气中化学物质传输路径、气候变化过程及预测大气环境变化趋势具有重要的科学意义。大气7Be和10Be生成后就迅速被氧化,随干/湿沉降过程到达地表,通过分析其中7Be和10Be浓度以及10Be/7Be值可示踪平流层... 详细信息

示踪大气垂直传输交换过程对了解大气中化学物质传输路径、气候变化过程及预测大气环境变化趋势具有重要的科学意义。大气7Be和10Be生成后就迅速被氧化,随干/湿沉降过程到达地表,通过分析其中7Be和10Be浓度以及10Be/7Be值可示踪平流层—对流层交换过程。为全面了解7Be和10Be示踪大气垂直传输交换过程及研究现状,从7Be和10Be的浓度及其比值的分布规律及影响机制方面剖析其对平流层—对流层交换的示踪,对相关示踪研究取得的成果进行了总结和评述。10Be/7Be值作为平流层—对流层交换灵敏示踪剂,相比7Be可避免对流层干/湿沉降及不同气团稀释作用影响,明显地避免纬度变化和太阳周期变化带来自身产率变化的影响。最后指出7Be和10Be示踪平流层—对流层交换时需要注意由南北半球区别、地区纬度变化及研究地点的地理位置特征等带来的影响;各地区长周期高精度的7Be和10Be数据对沉降通量研究、平流层—对流层交换示踪、全球气候模型的建立及验证具有重要作用;重悬浮粉尘对10Be浓度和10Be/7Be值的影响不可忽视,Al元素校正法是去除扬尘影响较为有效的校正方式。

关键词： 10Be/7Be 7Be 10Be 平流层对流层交换示踪

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经向海温梯度变化对平流层温度和环流的影响

经向海温梯度变化对平流层温度和环流的影响

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第31届中国气象学会年会

作者：胡定珠田文寿谢飞舒建川 Sandip DHOMSE 兰州大学大气科学学院中国科学院大气物理研究所北京师范大学全球变化与地球科学学院中国气象局高原气象研究所 Institute for Climate and Atmospheric Science School of Earth and EnvironmentUniversity of LeedsUK

利用大气化学气候模式分析了平流层大气对不同经向梯度的海温变化的响应。研究发现海温均匀增加和海温梯度增加都会使得副热带西风急流增强且使北半球极涡减弱。全球海温均匀增加对南半球平流层的影响更为显著,但海温梯度增加对北半球... 详细信息

利用大气化学气候模式分析了平流层大气对不同经向梯度的海温变化的响应。研究发现海温均匀增加和海温梯度增加都会使得副热带西风急流增强且使北半球极涡减弱。全球海温均匀增加对南半球平流层的影响更为显著,但海温梯度增加对北半球平流层的影响更大。南北半球极地平流层对海温经向梯度变化的非对称响应主要与南北半球中不同类型的波活动及其不同传输过程有关。虽然海温增加使得波活动增强,海温增加波活动垂直传输的影响随着高度和纬度有所不同,且对海温梯度的变化敏感。另外,不同经向梯度的海温增加都会使得大尺度BD环流增强。与全球海温均匀增加1°相比,60°S到60°N海温梯度增加使对流层顶抬升更多,平流层年龄更年轻,热带上涌更强。

关键词：海温梯度变化平流层温度和环流 BD环流对流层顶平流层对流层交换

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北京一次强对流引起TST过程的数值模拟和诊断

北京一次强对流引起TST过程的数值模拟和诊断

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作者：胡宁中国气象科学研究院

学位级别：硕士

平流层对流层交换(STE,stratosphere-troposphere exchange)对大气辐射性质和化学性质有重要影响,是研究大气化学、气候变化,发展平流层对流层耦合模式所必须考虑的过程,是当前国际热点研究领域之一。对流层向平流层的输送( TST ,tropos... 详细信息

平流层对流层交换(STE,stratosphere-troposphere exchange)对大气辐射性质和化学性质有重要影响,是研究大气化学、气候变化,发展平流层对流层耦合模式所必须考虑的过程,是当前国际热点研究领域之一。对流层向平流层的输送( TST ,troposphere-to-stratosphere transport)则是其重要组成部分。随着城市化步伐的加快,城市群近地面高污染区域逐渐形成,强对流天气引起的TST有可能将大气污染物向平流层输送,因而受到研究人员的关注。本文在较成功的模拟北京2008年6月23日午后发生的强对流过程的基础上,将WRF-CHEM中的示踪物模块与WRF模式耦合,模拟了边界层示踪物浓度的时空演变,并分析了CO和水汽等观测资料,尝试从模式模拟和观测角度分别证明北京地区的强对流确实能够引起TST,并可将在北京地区积累的高浓度污染物输送到平流层。研究得到的主要结论为:1.本次强对流过程是在高空冷涡的影响下发生的,西来对流单体在移动过程中不断发展并在城区合并加强后向东南方向移动,相继在门头沟、城区、房山、大兴等地造成30 mm/h以上强降水,3小时累积降水中心主要位于城区和北京南部地区。切断低压后部中高层干冷空气入侵与近地面偏东风暖湿气流共同造成了此次强对流过程,并引起了对流层顶高度的降低。2.利用北京快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC)同化多种常规和非常规资料,较为成功的模拟出此次强对流过程中的大尺度天气系统和雷达回波的演变。但是,模拟的雷达回波演变比实况超前1-2 h,模拟的回波顶高也比实况略低。模拟的3小时降水量的落区和分布型与实况较为一致,强度比实况略偏小。3.边界层示踪物浓度时空变化的模拟和对流层内气块的运动轨迹诊断分析表明,北京地区此次强对流过程引起了TST,北京地区上空积累的CO等污染物能被此次强对流输送到平流层,并在平流层内向下风向长距离输送。对流云中的强上升气流在输送过程中的作用是重要的。潜热释放能够加热气块,产生浮力,有利于强上升气流的产生和维持。4.强对流引起的快速输送是引起近地面观测的CO浓度在午后急剧下降的原因,模式模拟的浓度下降幅度与相应观测一致。南郊观象台的微波辐射计观测到了强对流引起的下平流层相对湿度和水汽密度的增加,给出了强对流引起TST并将污染物输送到平流层的间接证据。模式和观测均表明强对流引起的向平流层的输送是北京地区污染物进入平流层的主要动力机制之一。

关键词：平流层对流层交换对流层向平流层输送城市化强对流污染物

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对流层臭氧的时空变化及影响因子研究

对流层臭氧的时空变化及影响因子研究

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作者：李洋兰州大学

学位级别：硕士

本论文利用多种臭氧观测资料和一个化学气候模式(CAM-chem),分析研究了全球对流层臭氧的时空变化特征,并进一步以北京为例,量化分析了东亚地区平流层入侵和对流层光化学反应对对流层臭氧长期变化趋势的贡献,最后利用CAM-chem模式模拟研... 详细信息

本论文利用多种臭氧观测资料和一个化学气候模式(CAM-chem),分析研究了全球对流层臭氧的时空变化特征,并进一步以北京为例,量化分析了东亚地区平流层入侵和对流层光化学反应对对流层臭氧长期变化趋势的贡献,最后利用CAM-chem模式模拟研究了未来100年内不同温室气体排放情景下对流层臭氧的变化趋势及造成这种变化趋势的可能原因。论文研究主要得到以下主要结论:(1)CAM-chem模式能很好地模拟出对流层臭氧的时空变化特征,模式模拟结果表明受臭氧前体物分布的影响,全球对流层臭氧的高值区主要分布在亚洲、北太平洋和北美洲东部区域,低值区位于热带地区的太平洋上空。由于受光化学反应强度季节性差异的影响,不同季节臭氧分布空间特征有所不同:在春季和夏季,对流层臭氧分布的南北半球不对称性最为明显,且北半球夏季的臭氧浓度显著高于其他季节。近30多年来,全球对流层臭氧基本呈现增加的趋势,尤其是在东亚和南亚地区臭氧的增加趋势最为明显,北美和欧洲地区臭氧在1979年到2003期间呈现增加趋势,而在2003年后这两个区域对流层臭氧都基本保持不变。中下对流层臭氧的增加区域主要位于亚洲及北太平洋上空,上对流层臭氧增加最明显的区域位于美国的阿拉斯加、加拿大及俄罗斯东海岸附近。中下对流层臭氧变化基本与CO和NO两种臭氧前体物浓度的变化趋势相一致,而上对流层臭氧的增加与平流层臭氧向下的输送增强密切相关。(2)北京地区2003年至2013年期间对流层臭氧呈现显著增加的趋势,对流层臭氧柱总量每年增加约0.98 DU。同时期内,这一区域平流层臭氧向对流层的净输送量在增加,增加大约0.13×10 Tg.17×10 Tg/年,占北京地区对流层臭氧增加的20%左右,水平输送引起的北京地区臭氧变化相对较小,增加约0.06×10 Tg/年,占对流层臭氧增加总量的10%左右。近年来北京地区地表排放的对流层臭氧前体物显著增加,进而导致这一区域对流层臭氧显著增加。CAM-chem模式模拟结果表明北京地区对流层臭氧增加约0.53 DU/年,其中由臭氧前体物排放造成的对流层臭氧增加约0.32 DU/年,大约占对流层臭氧增加总量的60%。(3)对流层臭氧柱总量自1979年到现在仍持续增加,但其未来变化在不同RCP排放情景下有所不同,在RCP2.6和RCP4.5排放情景下未来全球对流层臭氧柱总量会持续减小,其中RCP2.6排放情景下臭氧减小趋势相较于RCP4.5更为明显,而在RCP8.5排放情景下未来臭氧一直会保持增加的趋势。在不同RCP情景下几种臭氧前体物浓度的变化趋势不同,其对对流层臭氧的影响也不同。在RCP2.6和RCP4.5情景下,臭氧减少趋势主要是未来NO和CO排放减小导致的,而在RCP8.5情景下,对流层臭氧的增加趋势则与未来全球对流层CH浓度的增加密不可分。

关键词：对流层臭氧平流层对流层交换对流层光化学反应北京地区不同RCPs情景未来臭氧变化

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粤港澳大湾区秋季对流层臭氧垂直分布及影响因素分析

粤港澳大湾区秋季对流层臭氧垂直分布及影响因素分析

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作者：张维华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,粤港澳大湾区大气污染防治取得了阶段性成效,细颗粒物浓度逐年下降,但臭氧浓度不断攀升,大范围臭氧污染频繁发生,臭氧已经成为影响粤港澳大湾区环境空气质量的首要污染物。在这一背景下,粤港澳大湾区臭氧的研究得到了极大关注,... 详细信息

近年来,粤港澳大湾区大气污染防治取得了阶段性成效,细颗粒物浓度逐年下降,但臭氧浓度不断攀升,大范围臭氧污染频繁发生,臭氧已经成为影响粤港澳大湾区环境空气质量的首要污染物。在这一背景下,粤港澳大湾区臭氧的研究得到了极大关注,但研究的重点主要是近地表的臭氧及其形成机理,相对缺乏垂直方向上臭氧的研究,粤港澳大湾区臭氧垂直分布如何?受哪些机制的影响?这些研究对于地表臭氧、气候变迁及臭氧污染防控政策的制定极其重要。因此,为了探究粤港澳大湾区臭氧垂直分布及影响因素,本研究利用2013-2019年粤港澳大湾区秋季臭氧探空观测所获得的全部臭氧探空资料及臭氧监测仪和微波临边探测器(Ozone Monitoring Instrument and Microwave Limb Sounder,OMI/MLS)的卫星遥感资料分析了粤港澳大湾区臭氧垂直分布的总体情况,并结合阳江逐日臭氧廓线和差值廓线的分析,探究了臭氧垂直分布的逐日变化。同时,通过对不同高度层臭氧特征案例的分析,较为全面地探究了阳江对流层臭氧的影响因素以及臭氧峰值和低臭氧层的形成机制。在此基础上,通过天气研究预报模式与区域多尺度空气质量模式(Weather Research and Forecasting model and the Community Multiscale Air Quality model,WRF-CMAQ)对阳江探空期间粤港澳大湾区的空气质量进行了模拟,基于模拟结果定量分析了平流层臭氧对粤港澳大湾区近地面臭氧的影响。主要研究结果如下:(1)2013-2019年期间,香港秋季对流层臭氧垂直结构均呈现双峰结构,年际变化不显著,臭氧峰值出现在对流层下部1 km及对流层上部8-10 km处。期间温度、相对湿度和CO的垂直结构均无明显变化,但由于2019年发生了长时间臭氧污染事件,导致2019年地表臭氧浓度及对流层下部臭氧体积混合比升高明显。但从总体上来看,这一影响并未涉及到对流层中上部。(2)阳江观测到的臭氧廓线与香港天文台观测到的臭氧廓线垂直结构基本一致。而相较于臭氧探空数据,OMI/MLS产品低估了粤港澳大湾区对流层臭氧柱浓度。阳江逐日臭氧廓线表明,观测期内臭氧垂直结构和浓度变化较大,但对流层下部距地面1.1±0.4 km处始终存在一个臭氧峰值。垂直结构差异主要体现在对流层顶附近的低臭氧层(低于30 ppbv)、对流层中上部的臭氧峰值以及高臭氧层结。观测期间,对流层下部、中部和上部臭氧峰值平均浓度分别为65.2±9.9、57.8±7.7和71.8±13.6ppbv,均高于地表臭氧平均浓度(48.9±9.4ppbv)。(3)通过对对流层顶附近及对流层下部的廓线特征、天气条件和后向轨迹的分析,发现对流层顶附近的低臭氧层是由热带气旋风暴区气团的区域性输送造成的。而光化学反应则是影响对流层下部臭氧浓度的主要因素。位涡分析表明,平流层-对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)是引起对流层中上部臭氧峰值及其浓度变化的重要原因。同时,STE也对对流层下部臭氧浓度产生影响,基于半定量半定性的方法统计得到平流层臭氧入侵事件会导致阳江地表臭氧浓度增加约10.9 ppbv。(4)WRF-CMAQ模拟结果表明,模拟期间STE对粤港澳大湾区地表臭氧浓度的平均小时贡献量仅为0.67 ppbv,平均贡献率约为3%,从总体上看STE对地表臭氧的影响较小。但在单个平流层臭氧入侵事件中,平流层臭氧对粤港澳大湾区地表臭氧浓度的总体贡献量超过了 14 ppbv,并且这一影响持续了较长时间。因此,不论从短期内空气质量达标而言,还是从长期的生态环境治理而言,STE对粤港澳大湾区的影响都不容忽视。本研究揭示了粤港澳大湾区秋季对流层臭氧垂直分布特征,探究了不同高度层臭氧垂直分布的影响因素及相关机制,加深了对粤港澳大湾区对流层臭氧分布的认识。同时,揭示了 STE对粤港澳大湾区地表臭氧浓度的重要影响,探究了大湾区平流层臭氧入侵机制,量化了 STE对地表臭氧浓度的贡献率,更好地认识了平流层臭氧入侵对地表臭氧的影响,研究成果为粤港澳大湾区臭氧防控政策的制定提供科学支撑和理论依据。

关键词：对流层臭氧臭氧探空臭氧垂直分布特征臭氧峰值平流层对流层交换

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