海温和臭氧变化对平流层气候的影响

发布时间：2017-03-19 08:05

  本文关键词：海温和臭氧变化对平流层气候的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：利用卫星观测资料、再分析资料、多个大气化学气候模式(CCMs)资料,结合大气化学气候模式WACCM,系统分析了海温和臭氧变化对平流层气候的影响,重点分析了其对平流层温度、环流、波活动、平流层对流层物质交换(STE)及痕量气体等的影响,并探讨其可能的影响机理。主要得到以下几点结论：(1)本文首先利用WACCM模式设计一系列敏感性数值试验,分析了平流层大气温度和环流对均匀和非均匀海温变化的响应。研究发现海温均匀增加和海温经向梯度增加都会增强副热带西风急流且减弱北半球极涡。全球海温均匀增加对南半球平流层的影响更为显著,但海温经向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不对称响应主要与南北半球中不同类型的波活动及波传播过程有关。虽然海温增加使得波活动增强,但海温增加导致波活动垂直传播的变化随着高度和纬度有所不同,且波传播变化对海温经向梯度的变化更加敏感。(2)本文进一步利用WACCM模式的数值试验,探讨了平流层臭氧损耗和预期的恢复对全球12月、1月和2月波传播的影响。在南半球,平流层臭氧损耗导致南极平流层温度降低,环流加强,而臭氧的恢复导致相反的结果。但在北半球,平流层臭氧损耗和恢复对极地平流层的影响并不是完全相反的。平流层臭氧恢复引起北极极涡变冷和变强。北极极涡的变冷主要是由于平流层臭氧增加对波活动的动力影响所导致。通过对北半球波折射指数和EP通量的分析,结果表明平流层波折射不能完全解释平流层臭氧变化引起的北极平流层波通量的变化,而且臭氧变化能引起北半球中纬度对流层波传播的变化,并进一步影响北半球平流层波通量。比较有意思的现象是平流层臭氧变化对北半球定常波和瞬变波具有相反的影响。在南半球,平流层臭氧损耗(恢复)引起的辐射冷却(变暖),中纬度上对流层产生大(小)的经向温度梯度,伴随着大(小)的纬向风切变和浮力频率垂直梯度,因此有更多(更少)的瞬变波传入平流层。平流层臭氧减少(增加)导致的动力变暖(冷却)部分抵消臭氧损耗引起的辐射冷却(变暖)。(3)多个大气化学气候模式模拟试验结果的集合平均显示,Brewer-Dobson(BD)环流在过去(1979-2000年)和未来(2000-2050年)都有增强趋势,但BD环流热带上升支在2000-2050年间的增强趋势小于1979-2000年间的增强趋势,主要是由于BD环流热带上升支在未来JJA和DJF增强趋势有所减缓导致。南半球BD环流下沉运动在2000-2050年间的增强趋势小于1979-2000年间的增强趋势,且主要是由于未来DJF南半球BD环流下沉运动减弱导致。而北半球BD环流下沉运动在2000-2050年间的增强趋势大于1979-2000年间的增强趋势,该增强趋势主要是由未来JJA北半球BD环流下沉运动增强所致。WACCM数值模式结果还表明,均匀或非均匀的海温增加都会导致BD环流的增强。与全球海温均匀增加1 K相比,60°S到60°N海温梯度增加使平流层年龄更年轻,热带上涌更强。但在不考虑海温变化,仅有温室气体增加的试验中,热带上涌并没有显著的变化。温室气体的增加引起的大气平均年龄的变化与同样幅度温室气体减少引起的大气平均年龄的变化存在不同的相位和幅度。温室气体减少对大气平均年龄和穿越对流层顶质量通量的影响比相同幅度的温室气体增加对其的影响更显著。另外,平流层臭氧减少也会导致BD环流的加强,更多的热带向上穿越对流层顶的质量通量,且南半球热带外平流层向下质量通量显著增加。而平流层臭氧恢复导致BD环流减弱,热带向上穿越对流层顶的质量通量减少,北半球热带外平流层向上质量通量也显著减少。(4)本文还利用卫星观测资料和再分析资料分析了热带纬向平均的对流层顶的变化趋势,发现热带纬向平均冷点对流层顶(CPT)在1979-2000年间有抬升冷却趋势,而在2000-2012年热带纬向平均CPT出现了降低变暖趋势。造成对流层顶这种变化的主要原因是热带低平流层温度在2000年左右发生转折。而热带低平流层温度的转折主要是由热带低平流层臭氧浓度在1979-2000年间呈负的变化趋势,而在2000-2012年间出现正的变化趋势所导致的。另外,多个CCMs模拟试验的集合平均结果和MERRA再分析资料结果都显示,1979-2000年热带CPT存在抬升冷却、对流层顶层变薄的趋势,而2000-2050年间热带CPT依然是抬升冷却、对流层顶层变薄的趋势,但抬升趋势和变薄趋势均小于1979-2000年间的。(5)利用卫星资料和MERRA再分析资料,结合WACCM4模式对热带对流层顶的进一步分析发现：热带对流层顶(包括对流层顶上边界,对流层顶下边界和对流层顶层厚度)在1979-2012年的变化趋势存在纬向不对称特征,即热带中东太平洋区域对流层顶上边界抬升增暖,对流层顶下边界降低增暖,该区域对流层顶变厚；但热带中东太平洋以外区域的对流层顶的上边界和下边界都是抬升变冷,且对流层顶层厚度变薄。WACCM4的敏感试验证明该纬向不对称变化主要与海温变化影响动力过程变化有关。热带印度洋和西太暖池的海温升高,中东太平洋海温冷却引起热带太平洋海平面气压梯度的增强(中东热带太平洋气压正变化趋势,印度洋和西太暖池负的变化趋势),沃克环流增强,伴随着热带印度洋和西太暖池对流活动的加强,加强的对流活动导致对流层顶的上边界和下边界抬升冷却。热带中东太平洋处于沃克环流的下沉支区域,沃克环流的下沉加强通过动力增暖导致该区域对流层顶下边界降低变暖。(6)利用16个CCMs模拟试验的结果,分析了中下平流层水汽在1980-2005年的变化趋势。通过CCMs模拟试验结果和ERA-Interim再分析资料结果的对比发现,大多数的CCMs模拟的中下平流层水汽的变化与再分析资料结果一致,都显示中下平流层水汽在1980-2005年间有增加趋势,且该趋势随高度增加而增加。CCMs模拟试验集合平均的结果显示,全球中下平流层水汽的变化趋势约为0.003 ppmv/10yr,约为再分析资料中水汽水汽变化趋势的2倍。利用不包含化学过程的大气环流模式进行模拟试验,结果表明温室气体的增加导致热带CPT抬升变暖和BD环流加强,进而引起中下平流层水汽的增加；臭氧损耗会导致热带CPT抬升变冷和BD环流加强,中下平流层水汽的减少。中下平流层水汽浓度的变化对热带对流层顶变化的响应更敏感。臭氧损耗和温室气体增加的共同作用会增暖对流层顶和增强BD环流,进而增加中下平流层水汽浓度,且温室气体变化对中下平流层水汽浓度变化的贡献大于臭氧损耗的贡献。
【关键词】：海温梯度 臭氧损耗和恢复 波传播 平流层对流层交换 热带对流层顶 平流层水汽
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P461
【目录】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 引言13-16
• 1.2 相关研究回顾16-23
• 1.2.1 平流层气候研究进展16-18
• 1.2.2 海温变化对平流层气候的影响18-20
• 1.2.3 臭氧变化对平流层气候的影响20-22
• 1.2.4 气候变化对对流层顶及平流层水汽的影响22-23
• 1.3 主要研究内容和研究思路23-25
• 1.4 论文主要创新点25-27
• 第二章 数值模式、资料与计算方法27-36
• 2.1 数值模式27-29
• 2.1.1 WACCM3模式27-29
• 2.1.2 WACCM4模式29
• 2.2 资料29-32
• 2.2.1 再分析资料29-30
• 2.2.2 观测资料30-31
• 2.2.3 模式资料31-32
• 2.3 计算方法32-36
• 2.3.1 大气平均年龄32-33
• 2.3.2 BD环流33-34
• 2.3.3 质量通量34
• 2.3.4 Eliassen-Palm(EP)通量34
• 2.3.5 折射指数34-36
• 第三章 海温变化对平流层温度和环流的影响36-56
• 3.1 引言36-37
• 3.2 数值试验介绍37-39
• 3.3 温度和环流对海温梯度变化的响应39-46
• 3.3.1 海温变化对平流层温度的影响39-42
• 3.3.2 海温变化对平流层环流的影响42-46
• 3.4 海温变化影响平流层温度和环流的可能机理46-49
• 3.5 温室气体变化对平流层温度和环流的影响49-52
• 3.6 海温和温室气体变化对对流层顶的影响52-54
• 3.7 小结54-56
• 第四章 平流层臭氧损耗和恢复对平流层波传播的影响56-79
• 4.1 引言56-58
• 4.2 大气臭氧的变化特征及趋势58-60
• 4.3 数值试验设计60-63
• 4.4 平流层臭氧损耗和恢复对大气温度和环流的影响63-68
• 4.5 平流层臭氧损耗和恢复导致波通量的变化68-72
• 4.6 平流层臭氧损耗和恢复对波传播的影响72-77
• 4.7 小结与讨论77-79
• 第五章 海温和臭氧变化对平流层对流层物质交换的影响79-95
• 5.1 引言79-81
• 5.2 资料和数值试验81
• 5.3 平流层BD环流的变化趋势81-87
• 5.4 海温和温室气体变化对STE的影响87-92
• 5.5 臭氧变化对平流层BD环流的影响92-93
• 5.6 小结93-95
• 第六章 热带对流层顶的变化及成因分析95-117
• 6.1 引言95-97
• 6.2 对流层顶定义及数值试验介绍97-100
• 6.2.1 对流层顶定义及对流层顶变化特征97-99
• 6.2.2 数值试验介绍99-100
• 6.3 热带纬向平均对流层顶变化趋势100-107
• 6.4 热带对流层顶变化趋势的纬向非对称特征107-113
• 6.4.1 热带对流层顶纬向非对称变化趋势107-109
• 6.4.2 热带对流层顶纬向非对称变化趋势的成因分析109-113
• 6.5 热带对流层顶变化对热带低平流层水汽的影响113-115
• 6.6 小结115-117
• 第七章 多模式模拟的中下平流层水汽变化117-131
• 7.1 引言117-119
• 7.2 数据、模式及数值试验介绍119-120
• 7.3 中下平流层水汽的变化趋势120-126
• 7.4 中下平流层水汽变化原因：与臭氧和温室气体的联系126-129
• 7.5 小结129-131
• 第八章 总结与讨论131-136
• 8.1 论文主要结论131-134
• 8.2 讨论与展望134-136
• 参考文献136-150
• 附录Ⅰ：英文名称缩写列表150-151
• 附录Ⅱ：在学期间的研究成果151-152
• 致谢152-153

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：255746