Brewer-Dobson环流及其对平流层微量气体输送的研究

摘要

平流层Brewer-Dobson环流对于低平流层微量气体的分布和输送有着重要的作用,而平流层的物质分布和变化可以通过耦合作用影响对流层,进而影响气候的长期变化。本论文通过NCEP Ⅱ实测资料计算分析了剩余速度,验证了理论结果和数值模拟结果,探讨了Brewer-Dobson环流的垂直分布、季节变化、年际变化、QBO(准两年周期振荡)特征、长期变化趋势及其对于微量气体的输送作用。并利用NCEP资料计算了Brunt-Vaisala频率,分析大气温度场垂直结构和静力稳定度,进一步分析了重力波活动频率与Brewer-Dobson环流的关系。最后利用NCAR包含化学、辐射、动力相互作用的二维模式(SOCRATES)模拟了平流层波动对于Brewer—Dobson环流的影响,探讨了波动效应产生的“pump”驱动和微量气体输送的影响。得到了下面的一些结果：
　　首先本论文利用1979年—2003年月平均的NCEP Ⅱ资料,通过计算剩余速度来分析Brewer—Dobson环流的分布特征和季节变化。计算结果表明,上升气流由对流层顶部进入到平流层下层,然后向极向下运动,气流在中纬度地带下沉回到对流层。上升运动的中心随着季节的变化在赤道地区南北移动。北半球夏季的上升气流比南半球夏季的上升气流要强,同时冬半球的下沉气流比夏半球的下沉气流强。这些与前人的理论研究和数值模拟结果都是非常一致的。 Brewer-Dobson环流有着明显的QBO现象。当赤道地区纬向风为东风位相时,低纬度地区的向上运动比多年平均强,向两极的输送也比较强,产生了赤道地区上空的次级环流,Brewer-Dobson环流增强了。而在西风位相时,低纬度赤道地区的向上运动比平均情况弱,Brewer-Dobson环流减弱了;对比分析发现,低纬度地区低平流层的O3,HCl,H2O距平的QBO位相与上升气流相反,而CH4距平的QBO位相与之相同。中纬度地区的微量气体距平的QBO位相也与剩余速度距平的位相有关。本论文计算了Brewer-Dobson环流在不同位相下对低平流层微量气体O3,HCl,CH4,H2O等等的输送,结果表明输送的差异与不同位相下该气体的浓度差异非常相似。
　　Brewer-Dobson环流还有着10年际的变化和长期变化趋势。100hPa高度上,1979～1983、1990～1995、2000～2003这些年的上升运动是比较强的。同时,50hPa高度上,1979～1980,1984～1990,1991～2000这些年的上升运动是比较强的。总的来说,在过去的25年中,Brewer-Dobson环流的上升运动有所增强,向极的输送也有所增强,环流整体形势是增强的。通过分析HALOE资料发现,CH4和H2O的长期变化趋势受到了Brewer-Dobson的重要影响,而O3和HCl的变化与Brewer-Dobson环流有一定的关系,但是主要受到了污染物排放的重要影响。尤其在1998年以后，O3和HCl开始减少或者变化不大，这是由于1998年之后氟利昂的减少的原因。
　　本论文还利用NCEP资料，分析了行星波波动的特征和变化及其对于Brewer-Dobson环流的影响。平流层行星波波动振幅有着准两年周期振荡的特征，在赤道地区纬向风为东风位相时，行星波的1波和2波扰动比较强，尤其是1波的波动，其振幅变化与纬向风位相的转变十分一致，2波振幅的位相与纬向风位相有一定的差异。波动的强弱对Brewer-Dobson环流有一定的影响，在1波活动比较强的时候，在低平流层有两个方向相反的次级环流。下层的环流从低纬度地区上升，中纬度下沉。2波比较强的时候，只出现了一个赤道地区上升中纬度地区下沉的环流。总的来说，1波或2波比较强的时候，Brewer-Dobson环流都比较强。行星波由1波转变为2波使得低纬度赤道地区的上升和中高纬度的下沉都有所加强，Brewer-Dobson环流增强了。行星波由1波转变为2波的过程中，中纬度地区E-P通量散度为负值，且E-P通量散度减小。此时中纬度地区有着很强的E-P通量的辐合，驱动作用使得水平方向的Brewer-Dobson环流更强。
　　Brunt-Vaisala频率表现大气温度的垂直结构特征和静力稳定性，它也是重力波的极限频率。资料分析表明，剩余速度和重力波极限频率的变化比较一致，在低平流层80hPa-30hPa层次中，当Brunt-Vaisala频率为正距平时，垂直剩余速度也为正距平。重力波频率比较高的时候，赤道地区为上升气流，在南北半球的副热带到中纬度地区为下沉气流，其大小随着高度的增加而减小，这说明重力波活动频率比较高的时候，Brewer-Dobson环流也是比较强的。相反的，在重力波频率比较低的时候，赤道地区为下沉气流，副热带到中纬度地区为上升气流，Brewer-Dobson环流是比较弱的。
　　模拟结果显示，平流层1波和2波波动也对Brewer-Dobson环流有着重要的驱动作用，而且1波和2波的影响是不同的。行星波的活动，从总体上来说，增强} Brewer-Dobson环流，同时也影响了Brewer-Dobson环流对各种微量气体的输送。模拟结果也表明，重力波的强迫产生了一个从赤道到北半球中纬度地区上升50°N以北的高纬度地区下沉的闭合环流，这增强了Brewer-Dobson环流，也对微量气体的输送有着重要的影响。
　　最后还总结了本论文的不足之处，并对下一步的工作提出了设想。

目录

摘要

Abstract

第一章 前言

1.1 平流层简介

1.2 平流层的垂直-经向环流及其研究进展

1.2.1 平流层垂直-经向环流

1.2.2 Brewer-Dobson环流的理论研究

1.2.3 Brewer-Dobson环流的数值模拟试验

1.2.4 Brewer-Dobson环流的最新研究进展

1.3 尚待研究的问题

1.4 本论文的主要研究内容、目的和意义

参考文献

第二章 观测资料及模式介绍

2.1 观测资料

2.1.1 NCEP Ⅱ再分析资料

2.1.2 HALOE资料

2.2 SOCRATES二维模式

2.2.1 模式的物理学框架

2.2.2 模式中的辐射过程

2.2.3 模式的化学过程

参考文献

第三章 平流层Brewer-Dobson环流的分布特征和时间演变规律

3.1 平流层Brewer-Dobson环流的平均分布及季节差异

3.2 Brewer-Dobson环流的时间演变规律

3.2.1 Brewer-Dobson环流的季节变化

3.2.2 Brewer-Dobson环流的年际变化

3.2.3 Brewer-Dobson环流的长期变化趋势

3.3 本章小结

参考文献

第四章 微量气体的分布和变化与Brewer-Dobson环流的关系

4.1 臭氧的分布和变化与Brewer-Dobson环流的关系

4.1.1 臭氧的季节平均分布

4.1.2 Brewer-Dobson环流对于臭氧输送的季节差异

4.1.3 纬向风QBO不同位相下Brewer-Dobson环流对于臭氧的输送的季节差异

4.1.4 臭氧的长期变化趋势与Brewer-Dobson环流的关系

4.2 HCl的分布和变化与Brewer-Dobson环流的关系

4.2.1 HCl的季节平均分布

4.2.2 纬向风QBO不同位相下Brewer-Dobson环流对HCl的输送

4.2.3 HCl的长期变化趋势与Brewer-Dobson环流的关系

4.3 甲烷的分布和变化与Brewer-Dobson环流的关系

4.3.1 甲烷的季节平均分布

4.3.2 纬向风QBO不同位相下Brewer-Dobson环流对甲烷的输送

4.3.3 甲烷的长期变化趋势与Brewer-Dobson环流的关系

4.4 水汽的分布和变化与Brewer-Dobson环流的关系

4.4.1 水汽的季节平均分布

4.4.2 纬向风QBO不同位相下Brewer-Dobson环流对水汽的输送

4.4.3 水汽的长期变化趋势与Brewer-Dobson环流的关系

4.5 本章小结

参考文献

第五章 平流层波动变化及其与Brewer-Dobson环流的关系

5.1 大气波动对Brewer-Dobson环流以及动力输送的重要性

5.2 行星波垂直传播对于Brewer-Dobson环流的影响

5.2.1 行星波波动与Brewer-Dobson环流的关系

5.2.2 行星波由1波转变为2波过程中Brewer-Dobson环流的变化

5.3 平流层重力波活动及其对于Brewer-Dobson环流的影响

5.4 本章小结

参考文献

第六章 平流层波动对Brewer-Dobson的影响以及微量气体输送变化的数值模拟研究

6.1 行星波对Brewer-Dobson的影响以及微量气体输送变化

6.1.1 模式中行星波的参数化

6.1.2 本论文对行星波的数值模拟

6.1.3 行星波活动对于微量气体输送及其分布的影响

6.1.4 行星波1波转变为行星波2波过程中剩余环流的变化

6.2 重力波对Brewer-Dobson环流的影响以及微量气体输送的变化

6.2.1 重力波的参数化

6.2.2 重力波的数值模拟

6.2.3 重力波活动对于微量气体输送及其分布的影响

6.3 本章小结

参考文献

第七章 全文总结和进一步工作设想

7.1 论文总结

7.1.1 Brewer—Dobson环流的分布特征以及时间演变规律

7.1.2 Brewer—Dobson环流的QBO特征和长期变化趋势

7.1.3 平流层波动对于Brewer—Dobson以及平流层微量气体输送的影响

7.2 本论文得到的创新结果

7.3 下一步的工作设想

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成和发表的论文