2008年冬季北京上空上對(duì)流層/下平流層臭氧的異常特征

趙倩,劉毅,管兆勇,陸春暉,蔡兆男

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 中層大氣與全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.國(guó)家氣候中心 氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

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2008年冬季北京上空上對(duì)流層/下平流層臭氧的異常特征

趙倩1,2,劉毅2,管兆勇1,陸春暉3,蔡兆男2

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 中層大氣與全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.國(guó)家氣候中心 氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

摘要：利用國(guó)產(chǎn)GPSO3臭氧探空系統(tǒng)觀測(cè)的大氣臭氧探空資料和NCEP再分析資料,結(jié)合對(duì)天氣形勢(shì)、大氣環(huán)流背景、高空位渦變化及對(duì)流層頂高度擾動(dòng)的分析,深入研究了2008年冬季北京地區(qū)10～14 km高度范圍內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)的臭氧次峰值及大氣臭氧含量異常現(xiàn)象。結(jié)果表明:在2008年我國(guó)南方雪災(zāi)這一特殊時(shí)期,引起臭氧垂直分布持續(xù)出現(xiàn)次峰值現(xiàn)象及臭氧含量異常的主要原因是平流層空氣強(qiáng)烈下沉運(yùn)動(dòng)及其與對(duì)流層的交換作用,而引起這種下沉運(yùn)動(dòng)及平流層—對(duì)流層交換則是由于該階段特殊的天氣背景,烏拉爾阻塞高壓長(zhǎng)時(shí)間維持,貝加爾湖到巴爾喀什湖一帶橫槽穩(wěn)定存在,里海以東切斷低壓長(zhǎng)期維持,造成冷空氣長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地南下影響北京上空臭氧的垂直分布。加之副熱帶急流的出現(xiàn),北京正處于其入口區(qū)左側(cè),其上空有強(qiáng)烈的輻合下沉運(yùn)動(dòng),有利于平流層空氣向下輸送。此次臭氧次峰值及臭氧含量異常的現(xiàn)象很好地說(shuō)明,在冷空氣天氣過程的影響下,北京地區(qū)上空的平流層空氣運(yùn)動(dòng)及其與對(duì)流層的交換十分活躍。

關(guān)鍵詞：臭氧探空;臭氧次峰值;平流層—對(duì)流層交換;對(duì)流層頂折疊;西風(fēng)急流

0引言

臭氧是對(duì)流層和平流層大氣化學(xué)過程的核心,作為一種強(qiáng)氧化劑影響著大氣化學(xué)的循環(huán)和平衡;同時(shí)臭氧是一種重要的溫室氣體,通過吸收太陽(yáng)輻射的紫外光和可見光部分來(lái)改變平流層溫度結(jié)構(gòu),在平流層中上層產(chǎn)生冷卻效應(yīng),在平流層低層和對(duì)流層產(chǎn)生增暖效應(yīng)。此外,過量的臭氧也會(huì)構(gòu)成一種大氣污染物,對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)有直接影響。然而臭氧的氣候效應(yīng),不僅依賴于它的總量而且強(qiáng)烈地依賴于它在大氣中的垂直分布,因此對(duì)大氣臭氧垂直分布特征和變化規(guī)律的研究有著重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

研究臭氧垂直分布特征及變化規(guī)律的資料主要依賴于各地臭氧探空資料,我國(guó)對(duì)臭氧探空觀測(cè)的研究開始于20世紀(jì)80年代,分別在北京(王庚辰等,2004;吳瑞霞等,2005;宗雪梅等,2007)、拉薩(石廣玉等,2000)、昆明(王衛(wèi)國(guó)等,2004)、西寧(鄭向東等,2003)、香港(Wang et al.,1998,2001;Chan et al.,2003a)、臨安(鄭向東等,2004)等地先后進(jìn)行臭氧探空觀測(cè),得到各地不同時(shí)間不同高度臭氧的垂直分布特征及變化規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行了綜合對(duì)比分析(韋惠紅和鄭有飛,2006;鄭永光等,2005)。此外,利用這些探空數(shù)據(jù)對(duì)對(duì)流層的臭氧源進(jìn)行了大量研究:1)光化學(xué)制造,包括臭氧前體物特征及形成時(shí)期的氣象、光化學(xué)特征(Wang et al.,1998;Chan et al.,2003b);2)平流層—對(duì)流層交換(Baray et al.,1998;王庚辰等,2004,2006;Ding and Wang,2006;Bian et al.,2007;呂達(dá)仁等,2008),包含對(duì)流層頂高度變化、對(duì)流層頂折疊等造成平流層臭氧豐富氣團(tuán)向下輸送至對(duì)流層。

研究表明,在平流層20～25 km高度范圍內(nèi)臭氧濃度有一穩(wěn)定的最大值區(qū),且除了該穩(wěn)定主峰外,還存在一些明顯的次峰分布,主要出現(xiàn)在平流層下層和對(duì)流層中上層;以往的研究對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了分析,強(qiáng)調(diào)這是由于平流層—對(duì)流層交換引起的動(dòng)力輸送造成的,此外還存在著諸多因素能夠引起這種平流層高濃度臭氧氣團(tuán)下傳,如切斷低壓阻塞高壓的存在、西風(fēng)帶急流極地側(cè)的氣旋切變、對(duì)流層頂折疊等(Reid and Vaughan,1991;Langford,1999;崔宏等,2005)。

本文根據(jù)2002年1月—2008年12月在北京市南苑觀象臺(tái)(116°28′E,39°48′N)進(jìn)行的持續(xù)臭氧探空觀測(cè)結(jié)果,利用相關(guān)的氣象和衛(wèi)星資料,結(jié)合天氣形勢(shì)、大氣環(huán)流背景和高空位勢(shì)渦度的客觀分析,對(duì)2008年雪災(zāi)這一特殊時(shí)期,引起臭氧垂直分布出現(xiàn)次峰值現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析,從而為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)STE(stratosphere-troposphere exchange)對(duì)中緯度地區(qū)上空臭氧垂直分布的影響打下基礎(chǔ)。

1資料

本文采用北京(116°28′E,39°48′N,海拔高度34 m)探空資料。該臭氧探空系統(tǒng)由我國(guó)自行研制,儀器包括GPSO3臭氧探空儀、信號(hào)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理器和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元4部分,其中臭氧探空儀屬帶GPS的電化學(xué)式臭氧探空儀。通過地面實(shí)驗(yàn)室定標(biāo),以及與芬蘭Vaisala臭氧探空儀(獲WMO推薦)的同時(shí)比對(duì)(宣越健等,2004),大氣臭氧探空資料質(zhì)量得到了保證。已獲得的探測(cè)資料分別用于臭氧結(jié)構(gòu)的天氣氣候特征研究,特別是用于驗(yàn)證國(guó)際上已有衛(wèi)星臭氧遙感產(chǎn)品的有效性、可靠性(Bian et al.,2007)。這里采用2002年1月—2008年12月冬季(1月、2月)臭氧探空資料,平均探測(cè)頻次為每周一次,排除人為、儀器因素,選取其中47條可靠廓線進(jìn)行研究。

本文還采用NCEP提供的全球格點(diǎn)資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向分為17層。氣象要素包括溫度、位勢(shì)高度、相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度、垂直速度、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)。文中所用資料為日平均風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)及位勢(shì)高度場(chǎng)等。

圖1　2008年冬季北京地區(qū)臭氧(黑色;單位:mPa)、溫度(紅色;單位:K)和風(fēng)速(藍(lán)色;單位:m/s)廓線　　a.1月8日;b.1月15日;c.1月22日;d.1月29日;e.2月5日;f.2月20日Fig.1　Profiles of ozone(black;units:mPa),temperature(red;units:K),and velocity(blue;units:m/s) over Beijing area in winter 2008　　a.8 January;b.15 January;c.22 January;d.29 January;e.5 February;f.20 February

2臭氧探空觀測(cè)

圖1為2008年冬季北京地區(qū)上空探空觀測(cè)的臭氧(單位:mPa;1 mPa=1×10-3Pa)、溫度(K)和風(fēng)速(m/s)廓線?？梢钥闯?臭氧分布的主要變化集中在7～12 km高度,臭氧廓線主要呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),主峰位于22 km附近,在對(duì)流層頂附近均存在一個(gè)臭氧次峰值,該次峰值平均為14.5 mPa,最大達(dá)18 mPa,該現(xiàn)象在2008年冬季1月、2月觀測(cè)日中持續(xù)存在。

為探究該臭氧次峰值現(xiàn)象是否僅為2008年特有,圖2給出了2008年冬季平均(1、2月)與多年(2002—2008年)冬季平均臭氧廓線的比較?？梢钥闯?2002—2008年冬季在對(duì)流層頂附近的臭氧次峰值平均約為8 mPa,而2008年冬季(1、2月)的次峰值則遠(yuǎn)大于多年平均值。同時(shí),臭氧次峰值的出現(xiàn)高度以下,2008年臭氧含量高于多年平均值。由平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差的分布可見,這組數(shù)據(jù)的離散度較小,可靠性很強(qiáng)。

圖2　2008年冬季平均(1、2月)與2002—2008年多年冬季平均臭氧廓線的比較(綠線、紅線分別為多年平均減去、加上標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2　Comparison between ozone profile in winter(January and February) 2008 and multi-year mean one in winter of 2002—2008(green line:multi-year mean minus standard deviation;red line:multi-year mean plus standard deviation)

圖3　2008年冬季日本TATENO探空站臭氧(黑色;單位:mPa)和溫度(紅色;單位:K)廓線Fig.3　Profiles of ozone(black;units:mPa) and temperature(red;units:K) above TATENO in Japan in winter 2008

此外,圖1給出了溫度廓線?？梢?臭氧次峰值開始出現(xiàn)的高度均有逆溫出現(xiàn)。研究表明,當(dāng)對(duì)流層頂出現(xiàn)顯著的折疊現(xiàn)象時(shí),平流層下部的溫度會(huì)隨高度的上升而增加,逆溫往往出現(xiàn)在對(duì)流層頂折疊處(Birner,2006),且在折疊處有浮力頻率最大值及熱力對(duì)流層頂?shù)姆逯?Browell et al.,1987)。從風(fēng)速廓線的變化可以看出,2008年1、2月在10～13 km高度范圍內(nèi),出現(xiàn)了中心位于12 km左右的急流,平均風(fēng)速超過40 m/s,最大風(fēng)速達(dá)60 m/s,臭氧在該急流區(qū)內(nèi)增加,且風(fēng)速極值與臭氧次峰高度位置基本一致。西風(fēng)急流的分布往往會(huì)影響平流層臭氧輻合下沉區(qū)的位置,這一輻合下沉運(yùn)動(dòng)與對(duì)流層中臭氧的增大有密切聯(lián)系。

此外,由世界臭氧和紫外線輻射數(shù)據(jù)中心獲得日本TATENO站(140°E,36°N)探空資料。圖3為2008年冬季日本TATENO探空站的臭氧和溫度廓線?？梢钥吹?選取的2008年1、2月觀測(cè)日中臭氧廓線也有次峰值現(xiàn)象存在,但是與北京上空臭氧分布不同的是:日本上空的臭氧次峰值現(xiàn)象主要出現(xiàn)在冬季后期2月底3月初,此時(shí)其次峰值分布高度和強(qiáng)度與北京上空相差不多;而在北京上空臭氧次峰值顯著的1月和2月初,日本上空的次峰值高度偏低,強(qiáng)度偏弱。這是由于日本探空站同北京所處的地理位置不同,日本位于西風(fēng)氣流中北京的下游區(qū)域,引起這次臭氧次峰值出現(xiàn)的天氣過程首先作用在北京上空,作用強(qiáng)度比日本地區(qū)更大。對(duì)日本TATENO站臭氧探空的分析表明,2008年冬季,北京上空出現(xiàn)的臭氧次峰值具有十分顯著的代表性,它是由一次較大范圍和強(qiáng)度的天氣過程引起的環(huán)流變化造成的,影響范圍可能覆蓋了中緯度東亞大部分地區(qū)。

那么,這種同時(shí)存在于中緯度的冬季冷的天氣系統(tǒng)控制下的臭氧次峰現(xiàn)象又是如何形成的呢?接下來(lái)將從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分析。

3臭氧異常期間的天氣學(xué)診斷分析

3.1環(huán)流背景場(chǎng)分析

2008年1月我國(guó)發(fā)生了罕見的持續(xù)嚴(yán)重雨雪冰凍災(zāi)害,因此這一時(shí)期的天氣形勢(shì)和大氣環(huán)流有著獨(dú)特的分布特征。探空觀測(cè)資料表明,2008年1月和2月臭氧、風(fēng)場(chǎng)和溫度的分布均發(fā)生了較大變化,因此臭氧次峰值的出現(xiàn)與逆溫、緯向風(fēng)急流必然有著很大的聯(lián)系。從1、2月連續(xù)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)來(lái)看,歐亞地區(qū)冬季大氣環(huán)流在一定的時(shí)間內(nèi)維持著一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖4給出了2008年1月平均的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及其距平的分布?？梢钥闯?在歐亞大陸中東部的中高緯地區(qū)(60°N附近)有較強(qiáng)的大面積位勢(shì)高度正異常區(qū),這是由烏拉爾山阻塞高壓長(zhǎng)期維持引起的(劉毅等,2008;彭艷等,2010;張韌等,2012)。在亞洲東部的副熱帶地區(qū)(100～140°E,15～30°N)也存在一個(gè)位勢(shì)高度的正距平區(qū),并且持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間。這樣一個(gè)位勢(shì)高度的次高值中心有效地阻止了冷空氣的向南推進(jìn)。如此一來(lái),形成了我國(guó)西側(cè)中高緯的烏拉爾山阻塞高壓和東側(cè)副熱帶的位勢(shì)高度次高值中心長(zhǎng)時(shí)間維持的形勢(shì)。在兩個(gè)高值中心之間,從貝加爾湖到巴爾喀什湖存在一個(gè)東北—西南向的位勢(shì)高度負(fù)距平帶,這種形勢(shì)十分有利于冷空氣從北方侵入。這里給出的是1月平均的結(jié)果,從逐日的分布圖中可以看出這樣的天氣系統(tǒng)配置維持了很長(zhǎng)的時(shí)間(圖略)。這種多個(gè)天氣系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)并相互配合是非常難得的,而在冬季的大部分時(shí)間里北京均被這些天氣系統(tǒng)所控制。冷空氣的到來(lái)使得北京上空的下沉氣流十分活躍,從而有利于平流層中含有較高濃度臭氧的氣團(tuán)向下輸送,進(jìn)入對(duì)流層。同時(shí)冷空氣的南下造成了對(duì)流層頂?shù)慕档?有利于北京上空發(fā)生對(duì)流層頂折疊,平流層和對(duì)流層的相互作用顯著。

圖4　2008年1月平均500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(a)及其距平場(chǎng)(b)(單位:gpm)Fig.4　(a)500 hPa geopotential height and (b)its anomaly fields in January 2008(units:gpm)

圖5　2008年1月8日(a)和22日(b)300 hPa風(fēng)場(chǎng)(陰影表示風(fēng)速,單位:m/s;箭矢表示風(fēng)矢量,單位:m/s)Fig.5　300 hPa wind fields on (a)8 and (b)22 January 2008(shadings:wind speed,units:m/s;arrows:wind vector,units:m/s)

Langford(1999)研究認(rèn)為,冬季強(qiáng)西風(fēng)急流處會(huì)出現(xiàn)對(duì)流層頂折疊現(xiàn)象,與西風(fēng)急流處對(duì)流層頂折疊有關(guān)的臭氧平流層—對(duì)流層相互交換,造成了我國(guó)中東部中緯度對(duì)流層臭氧增多。由于1月8日與22日臭氧次峰值現(xiàn)象顯著,所以圖5給出了這兩日300 hPa風(fēng)場(chǎng)的分布情況?？梢钥闯?在選取的這兩天風(fēng)場(chǎng)圖中,25～45°N我國(guó)東部均存在一個(gè)東西走向的大值風(fēng)速帶,即西風(fēng)急流。急流中心位于日本南部,最大風(fēng)速達(dá)70 m/s,北京正處于該西風(fēng)急流入口區(qū)西側(cè),有明顯的風(fēng)速切變和下沉運(yùn)動(dòng),其中22日還存在極峰急流,北京剛好位于極峰急流的出口區(qū)與西風(fēng)急流的入口區(qū),垂直運(yùn)動(dòng)很強(qiáng),這種輻合下沉運(yùn)動(dòng)常常是平流層空氣向?qū)α鲗酉聜鞯闹匾獎(jiǎng)恿C(jī)制。北京上空主要為偏西偏北風(fēng),對(duì)應(yīng)輻合下沉區(qū),初步表明臭氧次峰值的出現(xiàn)與平流層空氣的下傳有關(guān)。

3.2對(duì)流層頂高度的變化

平流層—對(duì)流層交換的主要原因之一是由于對(duì)流層頂高度的變化(楊雙艷等,2012),動(dòng)力學(xué)定義位渦(potential vorticity,PV)閾值是1.6～2 PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)的區(qū)域?yàn)閷?duì)流層頂,臭氧對(duì)流層頂則對(duì)應(yīng)于臭氧分壓的垂直梯度發(fā)生躍變,混合比超過80×10-9(Bethan et al.,1996),動(dòng)力位渦和臭氧分壓的物理變化意義是相同的。王庚辰等(2006)的研究表明,冬季臭氧層頂與動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂高度較為接近,因此本文選取動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂進(jìn)行研究。采用NCEP資料計(jì)算對(duì)流層頂高度,結(jié)果見表1?？梢?臭氧次峰值大小與對(duì)流層頂高度有負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)對(duì)流層頂較低時(shí),平流層、對(duì)流層交換強(qiáng)烈,有較多的臭氧會(huì)從平流層向下輸送并有可能進(jìn)入對(duì)流層,從而造成臭氧次峰值在上對(duì)流層、下平流層(upper troposphere and lower stratosphere,UTLS)區(qū)域出現(xiàn)。這一階段動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂?shù)淖兓c臭氧探空結(jié)果以及之前的天氣診斷分析結(jié)果一致,冷空氣的南下使得對(duì)流層頂降低,從而造成UTLS區(qū)域臭氧值升高。

3.3位勢(shì)渦度場(chǎng)分析

研究表明,高臭氧、低水汽、高位勢(shì)渦度是平流層有強(qiáng)烈下沉運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志(Browell et al.,1987)。因此,為更好地確定此次臭氧次峰值現(xiàn)象是平流層空氣向?qū)α鲗虞斔偷慕Y(jié)果,分析位勢(shì)渦度變化是十分必要的。圖6給出了300 hPa高度上2008年1月平均位渦的分布情況?？梢钥闯?最大位渦中心位于日本東北部,高值的位渦舌向西延伸。研究表明,PV的高值區(qū)通常出現(xiàn)在急流北部邊緣,此處平流層下沉活動(dòng)活躍(Davies and Schuepbach,1994)。圖6中,高位渦中心區(qū)南部的高位渦梯度區(qū)正好對(duì)應(yīng)于西風(fēng)急流區(qū)北側(cè)邊緣,北京位于高PV值區(qū)與低PV值區(qū)的過渡區(qū),且此處PV值變化劇烈;同時(shí),其PV值約為2.0 PVU。若定義動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂?shù)拈撝禐?.6,則2008年冬季北京上空位渦值正好在動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂?shù)拈撝蹈浇?因而其上空對(duì)流層頂高度變化劇烈,出現(xiàn)對(duì)流層頂?shù)恼郫B現(xiàn)象。表1中,觀測(cè)日的動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂幾乎都低于10 km,表明北京地區(qū)上空的對(duì)流層頂發(fā)生了顯著的折疊現(xiàn)象。因此,這次臭氧次峰值現(xiàn)象的存在與副熱帶急流向極一側(cè)的風(fēng)速切變、垂直運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系,在其影響下產(chǎn)生高PV值,這是平流層—對(duì)流層交換的動(dòng)力機(jī)制。

表12008年1、2月臭氧觀測(cè)日對(duì)流層頂高度及對(duì)應(yīng)臭氧次峰值大小、高度

Table 1Tropopause height,ozone peak value and height on the observational day in January and February 2008

日期動(dòng)力學(xué)對(duì)流層頂高度/km臭氧次峰值大小/mPa臭氧次峰值高度/km1月8日9.0616.8513.141月15日10.0310.2910.511月22日8.9814.1913.231月29日10.2610.9410.322月5日8.2515.3212.372月20日7.8517.3114.48

圖6　300 hPa高度上2008年1月平均位渦的分布(單位:PVU;1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1)Fig.6　Distribution of average potential vorticity at 300 hPa in January 2008(units:PVU;1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1)

4結(jié)論與討論

利用GPSO3臭氧探空系統(tǒng)獲取北京上空2002—2008年的規(guī)范化臭氧垂直分布資料,并對(duì)其進(jìn)行初步研究,發(fā)現(xiàn)2008年冬季雪災(zāi)期間臭氧垂直分布廓線持續(xù)存在次峰值現(xiàn)象及臭氧含量異?，F(xiàn)象,同時(shí)期日本TATENO站的臭氧探空廓線也表明該次峰值現(xiàn)象存在,因此本文從天氣學(xué)診斷和平流層空氣運(yùn)動(dòng)及其與對(duì)流層相互作用的角度分析了該現(xiàn)象的成因。

綜合天氣環(huán)流背景的客觀分析以及高空位勢(shì)渦度、對(duì)流層頂高度等的分析,2008年雪災(zāi)這一特殊時(shí)期臭氧垂直分布中持續(xù)出現(xiàn)的臭氧次峰值現(xiàn)象及臭氧含量異常現(xiàn)象的主要形成原因是:1)由該階段特殊的天氣環(huán)流背景引起,即烏拉爾阻塞高壓較長(zhǎng)時(shí)間存在,同時(shí)貝加爾湖至巴爾喀什湖有一個(gè)橫槽存在,里海以東長(zhǎng)期維持一個(gè)切斷低壓。北京處于這種多個(gè)天氣系統(tǒng)同時(shí)長(zhǎng)期存在并相互配合的冷空氣活躍的環(huán)境中,其上空平流層空氣下沉活動(dòng)強(qiáng)烈。2)臭氧次峰出現(xiàn)高度有副熱帶急流存在,急流北側(cè)邊緣有強(qiáng)烈的風(fēng)速切變和下沉運(yùn)動(dòng),北京正位于其入口區(qū)左側(cè)(強(qiáng)烈的下沉輻合區(qū)),有利于臭氧次峰值的出現(xiàn)。3)臭氧次峰值大小與對(duì)流層頂高度有反相關(guān)關(guān)系,當(dāng)對(duì)流層頂較低時(shí),平流層—對(duì)流層交換強(qiáng)烈,有較多的臭氧會(huì)從平流層向下輸送,2008年北京上空對(duì)流層頂整體偏低,STE活躍。4)北京位于PV高值區(qū)與低值區(qū)之間且PV值變化劇烈的位置,位渦值超過1.5 PVU,表明北京上空平流層空氣有明顯的下沉運(yùn)動(dòng),反映了對(duì)流層頂?shù)恼郫B,意味著平流層—對(duì)流層交換的存在。

此次2008年雪災(zāi)期間臭氧垂直分布中持續(xù)出現(xiàn)的臭氧次峰值現(xiàn)象是平流層—對(duì)流層交換的結(jié)果,與對(duì)流層頂折疊,以及切斷低壓、西風(fēng)急流、中緯度氣旋活動(dòng)有著密切的聯(lián)系,是典型的平流層空氣下傳及其與對(duì)流層相互作用的過程,作為一次典型的個(gè)例,成功建立了冷空氣活動(dòng)和臭氧垂直分布特征之間的聯(lián)系。伴隨著冷空氣的南下,UTLS區(qū)域臭氧濃度會(huì)相應(yīng)增加,這為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)寒冷天氣下臭氧的分布、變化特征提供了依據(jù)。2008年臭氧異?！獙?duì)流層臭氧含量增多、主峰和次峰值的增大以及臭氧層頂高度的下降等,實(shí)際上正是北京上空較長(zhǎng)時(shí)間受極地氣團(tuán)控制的佐證,為臭氧垂直分布明顯的極地型特征提供了一定的依據(jù)。這里只使用了北京地區(qū)的探空資料,但是結(jié)果表明這次冷空氣的影響范圍很廣,涉及到東亞大部分地區(qū),臭氧的次峰值現(xiàn)象也在日本得到了印證,如果使用更大范圍、更加精確的衛(wèi)星、再分析或模式資料,就可以進(jìn)一步確立不同的天氣活動(dòng)過程與臭氧垂直分布變化的關(guān)系,進(jìn)而為天氣過程的預(yù)測(cè)提供新的依據(jù)。

致謝:中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所陳洪濱研究員、呂達(dá)仁研究員、王庚辰研究員、宣越鍵研究員和萬(wàn)曉偉高工在北京臭氧探空數(shù)據(jù)方面給予支持,謹(jǐn)致謝忱!

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

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Anomalous feature of ozone in upper troposphere/lower

stratosphere over Beijing in winter 2008

ZHAO Qian1,2,LIU Yi2,GUAN Zhao-yong1,LU Chun-hui3,CAI Zhao-nan2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of

Sciences,Beijing 100029,China;3.Laboratory for Climate Studies,National Climate Center,Beijing 100081,China)

Abstract:Using the ozone sonde data derived from GPSO3 ozone sounding system and the NCEP reanalysis data,this paper investigated the persistent ozone peak phenomenon and the abnormal ozone content in the range of 10—14 km height over Beijing in winter 2008 by analyzing the weather situations,atmospheric circulations,upper potential vorticity variations and changes of tropopause height.Results show that,during the special period when there was a snow disaster in South China in 2008,the main reasons of phenomenon of the ozone peak and abnormal content are the strong downward movement of stratospheric air and the stratosphere-troposphere exchange(STE).The ozone downward transport from stratosphere to troposphere is due to the special weather background,including the long time maintenance of the Ural blocking high,the stable existence of the transverse trough between Lake Baikal and Lake Balkhash,and the long-term maintenance of the cut-off low lying on the eastern of the Caspian Sea,leading to the stably southward movement of cold air to affect the vertical ozone distribution over Beijing.Synchronously,with appearance of the subtropical westerly jet,Beijing is located at the left side of the jet entrance areas,and there is a strong convergent and downward movement in upper levels,which is helpful to the air downward transport from stratosphere to troposphere.To sum up,the phenomena of ozone peak and abnormal ozone content shows that the movement of stratospheric air and the STE is much more active over Beijing under the influence of cold air process.

Key words:ozone sounding;ozone peak;stratosphere-troposphere exchange;tropopause folding;westerly jet

通信作者：施春華，博士，副教授，研究方向?yàn)樘鞖鈱W(xué)，shi@nuist.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB428600;2015CB453200);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375047;41375058;41305039;91537213;41575040);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

收稿日期：2015-01-23；改回日期：2015-03-02

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130612019

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)06-0796-08P412.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A