2000年以来北半球臭氧恢复趋势及其影响因子

发布时间：2020-09-18 10:39

　　 平流层臭氧在全球的辐射收支和能量平衡过程中发挥了关键作用,过去几十年全球臭氧柱总量(Total Column Ozone,TCO)呈现减少的变化趋势,直到2000年开始恢复。本文利用多种卫星资料以及再分析资料,结合大气化学气候模式WACCM3,诊断分析了温度、臭氧损耗物质(Ozone-Depleting substances,ODS)、残余环流和海陆热力差异对2000-2016年不同高度上平流层臭氧恢复趋势的影响,以及东亚地区人类排放氮氧化物(NO_x)对上对流层下平流层(upper troposphere/lower stratosphere,UTLS)臭氧的影响。主要得到以下结论:1.分析了TCO在2000-2016年期间的恢复趋势,利用相关分析等方法分析了平流层温度、ODS、残余环流和海陆热力差异等因子对TCO的影响。研究表明:在2000-2016年间,南北半球低纬度地区TCO存在明显的增加趋势,该趋势主要由1-10 hPa平流层臭氧增加贡献。上平流层中低纬度地区存在显著的臭氧增加趋势,两极地区存在微弱的臭氧增加趋势。上平流层臭氧增加主要受上平流层温度降低和ODS浓度减少的影响。上平流层温度降低和ODS减少造成臭氧消耗反应减弱,臭氧恢复。在中下平流层,热带地区和南半球中纬度地区臭氧减少,其主要受动力作用的影响:热带地区(0-10°N,10-20 hPa)残余环流的上升支将热带中下平流层臭氧向上向极传输,中平流层臭氧浓度减小。在南半球中下平流层中纬度地区(20-60°S,50-70 hPa)臭氧减少,这可能是因为南半球残余环流的向极支增强,将该区域的臭氧向极地传输,该区域臭氧浓度减小。西北太平洋上空和东亚上空槽区上叠加了位势高度正趋势,槽区减弱,对臭氧的辐合效果减弱,该区域臭氧减少。在欧洲-大西洋上空的脊区叠加了位势高度负趋势,欧洲-大西洋脊减弱,对臭氧的幅散作用减弱,该区域臭氧增加。2.利用臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)卫星资料和全球大气化学气候模式(Whole Atmosphere Community Climate Model,WACCM),研究了东亚地区地表NO_x排放增加对北半球UTLS区域臭氧和温度的影响。结果表明,东亚地区地表排放的NO_x可以在夏、秋季输送到热带和东亚UTLS区域。在夏季,南亚高压可将东亚上空UTLS区域的NO_x输送到低纬度地区。随着东亚地区地表NO_x排放增加,冬季低纬度UTLS区域光化学反应增强,臭氧浓度显著增多,导致该区域增温;而中纬度UTLS区域NO_x与臭氧的催化消耗反应增强,臭氧浓度显著降低,导致该区域降温。冬季UTLS区域低纬度和中高纬度之间的温度经向梯度减弱,副热带急流减弱,导致进入平流层的1波和2波强度明显减弱。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P421.32
【部分图文】：

兰州大学硕士学位论文 平流层臭氧恢复趋势及其影响因子辐合，臭氧浓度高，负的位势高度产生臭氧的辐散，臭氧浓度低。臭氧恢复以来，位势高度的变化对全球臭氧造成怎样的影响，本章讨论将讨论这些内容。3.2 平流层臭氧恢复趋势的时空分布特征上个世纪 90s 臭氧低值是由于皮纳图博山喷发造成的，因此尽管 1990 年中期至今全球臭氧表现为升高的趋势，当前全球公认的臭氧恢复是从 2000 年开始的。图 3.1 给出了 2000-2016 年期间 SWOOSH 资料垂直方向上积分得到的臭氧柱总量的全球趋势分布。在南北半球低纬度地区存在臭氧增加的趋势。北半球中纬度臭氧的恢复趋势表现为纬向非均匀性，北太平洋和俄罗斯东部地区上空存在臭氧减少的趋势，大西洋、北美和东欧地区上空存在臭氧增加的趋势。在南半球中纬度地区臭氧减少。在南半球极地存在臭氧恢复的趋势。

图 3.2 2000-2016 年期间 SWOOSH 卫星观测的全球臭氧变化趋势的纬向平均分布（其中打点区域通过了 90%的 t 检验）。图 3.3 给出了全球 2000-2016 年臭氧纬向平均四个季节的变化趋势。在上平流层（1-10 hPa）。通过对比上图，发现臭氧在南半球上平流层的增加主要是由夏季和秋季臭氧增加贡献的，夏季南半球上平流层臭氧增加最为显著。在北半球上平流层，臭氧增加主要是由冬季臭氧增加贡献的。这可能是由于在夏季，太阳直射点在北半球，南半球上平流层温度低，损耗臭氧的化学反应减弱，因此南半球上平流层臭氧恢复。在冬季，太阳直射点在南半球，北半球上平流层温度低，损耗臭氧的化学反应减弱，因此北半球上平流层臭氧恢复。在平流层中层（10-70hPa），臭氧在热带地区存在明显的减少趋势，在南半球中纬度地区 30-70 hPa同样存在臭氧减少的趋势。中下臭氧变化的原因可能是动力传输作用造成的

兰州大学硕士学位论文 平流层臭氧恢复趋势及其影响因子3.3 影响平流层臭氧恢复的因子上平流层臭氧恢复主要受温度和臭氧损耗物质影响（Chipperfield 等，2017）。图 3.5 给出了 1-5 hPa 高度层上的臭氧趋势、温度趋势和二者的相关系数的水平分布。可以看出，臭氧主要在上平流层中低纬度地区增加。图 3.5 中温度变化趋势显示，在 1-5 hPa 高度温度在南北半球普遍降低，明显的降温现象与上平流层臭氧恢复相匹配。通过计算这个高度层上臭氧和温度的相关系数，可以看出臭氧与温度呈负相关关系。这是由于随着上平流层温室气体浓度升高，使得上平流层温度降低，臭氧损耗的化学过程减缓，造成上平流层臭氧浓度恢复。在两极地区，臭氧和温度相关性很低。

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本文编号：2821538