太阳紫外线异常变化对气候系统影响的数值模拟
发布时间：2020-09-21 19:31
本文利用全大气公共气候模式(WACCM,Whole Atmosphere Community Climate Model)进行了气候系统对异常紫外线响应的数值模拟研究,通过设计敏感性实验模拟了不同变幅下紫外线对地球气候系统的影响。首先,紫外线对地球气候最直接的影响是平流层臭氧,分析模式模拟结果发现臭氧在大气中的分布对紫外线变化十分敏感,紫外线增强后,由于不同高度臭氧的光化学反应不同,在中低纬度10-30km臭氧含量增加,30km以上区域臭氧减少。紫外线对臭氧分布的二次调整必然会引起温度的变化,而模式模拟结果显示中间层以下区域温度皆会升高,升温的极值中心位于中低纬度35-50km,增温的分布与大气中臭氧含量的气候态分布相对应,说明紫外线对臭氧的直接加热是主要作用。紫外线减弱后,臭氧和温度的响应基本与紫外线增强的结果相反。其次,温度发生变化会导致风场的改变,紫外线加强之后,通过臭氧的加热机制,导致赤道极地温度梯度加大,致使纬向风发生变化,而纬向风的变化在中高纬度平流层和对流层上层最明显,纬向风的异常会向极向下传播,在冬季北半球引起海平面气压发生变化,形成一个AO的正位相,同时对应着东亚温度的升高。使用欧洲中期天气预报中心观测数据与模式模拟结果进行对比验证,发现二者还存在不同的特点,可能由于观测数据不够长,也可能是因为没有完全搞清紫外线影响气候的具体机制,需要进一步的思考和探究。紫外线改变之后,全球平均表面温度的变化很小,但东亚区域的响应十分明显,说明紫外线对地球气候存在着间接影响。基于前人的研究和本文模拟结果发现冬季紫外线增强会改变北半球中高纬度地区的风场,在北半球高纬度海平面形成一个类AO的正位相,继而对中低纬度地表温度造成影响,为了继续探究紫外线对东亚气候的间接影响,利用NCEP/NCAR的再分析资料和哈德莱中心的海表面温度资料,探讨了冬季AO对于东亚表面温度的影响,统计分析了冬季北极涛动对东亚表面温度的影响。研究发现冬季AO正相位时,东亚大槽减弱,西伯利亚高压减弱,低层风场异常偏南,东亚冬季风减弱,东亚冬季风区温度升高,而负相位时情况相反。冬季高纬度大气变率大,冬季逐月AO与东亚冬季温度的关系表明1月、2月AO分别和东亚表面温度的相关关系皆可持续2个月以上;AO正相位时,西太平洋海表面温度和东亚表面温度均有所升高,海洋运动和变化的缓慢性和持续性,致使西太平洋海温可以承载长达4个月AO的信号,西太平洋海温可以持续影响东亚地区的温度,AO持续影响东亚表面温度也得以实现,紫外线对东亚地区持续的间接影响亦得到体现。
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P422.62;P461
【部分图文】：
常变化对气候系统影响的数值模拟性实验与控制实验纬度-高度剖面臭氧差值的百分比，从图 3.1a、3.10-30km 的平流层臭氧含量随 UV 增强而升高，且 UV 越强，臭氧含量于热带上空 20km 处，但紫外线改变 5%（图 3.1a），该极值中心并没有验；中低纬度上空 30-60 km、80-90km 出现两个负值中心，说明臭氧而减少，极值中心位于 40-50km 处。造成图 3.1 中臭氧分布变化的主高度臭氧的光化学反应不同（Barnett et al.，1975），中间层低层臭氧Marsh et al.，2007），中间层低层氧原子的主要流失与 HOx 的反应有臭氧光分解加强，如此更多的氧离子与氢氧根结合，臭氧也由于与氢结合而减少（Grenfelletal.,2006），继而更多的紫外线传输到平流层致解产生更多的平流层臭氧。紫外线减弱后臭氧变化与紫外线增强相反似的结论（图 3.1c、3.1d）。
13图 3.2 控制实验纬度-高度剖面 10 年平均臭氧分布图（a）为夏季（JJA）（b）为冬季（D敏感性试验与控制试验纬度-高度剖面 10 年平均温度的差值图（c）为夏季（JJA）紫外线增强 5%，（d）为冬季（DJF）紫外线增强 5%,，（e）为夏季（JJA）紫外（f）为冬季（DJF）紫外线减弱 5%。Haigh 等（2010）模拟了第 23 个太阳周光谱的改变对平流层的影响，发2007 年紫外线强度的下降期，在平流层 45km 以上臭氧含量增多，45km 以下而本文中（图 3.1c 所示），在减弱紫外线，平流层臭氧上层含量增多，下层含与 Haigh 等（2011）得到结果类似，但是臭氧含量增加和减少的临界高度约
来定量的分析低纬度地区臭氧对紫外线的响应，从图3.3 可注意到平流层低层臭氧含量变化的极值中心高度约为 100hPa，UV 增强 5%和 10%后热带平均臭氧含量分别升高约 3.5%和 7%，而 UV 减弱 5%和 10%后热带平均臭氧含量分别降低约 1.5%和 3.3%。相比 UV 增强，UV 减弱后臭氧含量变化的幅度减小。图 3.3 敏感性实验与控制实验低纬度地区（30°S-30°N）10 年平均臭氧差值的廓线图（单位：%）。（实线为 UV 减弱 10%，虚线为 UV 减弱 5%，点线为 UV 增强 5%，点虚线为 UV 增强 10%）
本文编号：2823901
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P422.62;P461
【部分图文】：
常变化对气候系统影响的数值模拟性实验与控制实验纬度-高度剖面臭氧差值的百分比，从图 3.1a、3.10-30km 的平流层臭氧含量随 UV 增强而升高，且 UV 越强，臭氧含量于热带上空 20km 处，但紫外线改变 5%（图 3.1a），该极值中心并没有验；中低纬度上空 30-60 km、80-90km 出现两个负值中心，说明臭氧而减少，极值中心位于 40-50km 处。造成图 3.1 中臭氧分布变化的主高度臭氧的光化学反应不同（Barnett et al.，1975），中间层低层臭氧Marsh et al.，2007），中间层低层氧原子的主要流失与 HOx 的反应有臭氧光分解加强，如此更多的氧离子与氢氧根结合，臭氧也由于与氢结合而减少（Grenfelletal.,2006），继而更多的紫外线传输到平流层致解产生更多的平流层臭氧。紫外线减弱后臭氧变化与紫外线增强相反似的结论（图 3.1c、3.1d）。
13图 3.2 控制实验纬度-高度剖面 10 年平均臭氧分布图（a）为夏季（JJA）（b）为冬季（D敏感性试验与控制试验纬度-高度剖面 10 年平均温度的差值图（c）为夏季（JJA）紫外线增强 5%，（d）为冬季（DJF）紫外线增强 5%,，（e）为夏季（JJA）紫外（f）为冬季（DJF）紫外线减弱 5%。Haigh 等（2010）模拟了第 23 个太阳周光谱的改变对平流层的影响，发2007 年紫外线强度的下降期，在平流层 45km 以上臭氧含量增多，45km 以下而本文中（图 3.1c 所示），在减弱紫外线，平流层臭氧上层含量增多，下层含与 Haigh 等（2011）得到结果类似，但是臭氧含量增加和减少的临界高度约
来定量的分析低纬度地区臭氧对紫外线的响应，从图3.3 可注意到平流层低层臭氧含量变化的极值中心高度约为 100hPa，UV 增强 5%和 10%后热带平均臭氧含量分别升高约 3.5%和 7%，而 UV 减弱 5%和 10%后热带平均臭氧含量分别降低约 1.5%和 3.3%。相比 UV 增强，UV 减弱后臭氧含量变化的幅度减小。图 3.3 敏感性实验与控制实验低纬度地区（30°S-30°N）10 年平均臭氧差值的廓线图（单位：%）。（实线为 UV 减弱 10%，虚线为 UV 减弱 5%，点线为 UV 增强 5%，点虚线为 UV 增强 10%）
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 李维京;李怡;陈丽娟;赵振国;;我国冬季气温与影响因子关系的年代际变化[J];应用气象学报;2013年04期
本文编号：2823901
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