平流层水汽与甲烷的分布和变化及其气候效应的研究

【摘要】：平流层是气候系统的一个重要组成部分,平流层大气温度的变化除了要关注O3和CO2变化外,水汽和甲烷在该层温度变化中也起着重要的作用。平流层水汽和甲烷都是重要的温室气体,参与平流层辐射、化学和动力学过程,对它们的研究有重要的科学意义。 本论文采用资料分析和数值模拟相结合的方法,分析了平流层水汽和甲烷的空间分布和时间变化,并专门就我国上空特别是青藏高原地区平流层水汽和甲烷的分布和变化做了分析;探讨了热带平流层水汽和甲烷QBO形成机制;采用NCAR的二维化学、动力和辐射相互作用模式(SOCRATES)模拟了平流层水汽和甲烷变化对平流层温度的影响,并讨论了影响机理。 通过上述几个方面的研究,得到以下结果和新的认识: (1)平流层和中间层水汽和甲烷的垂直分布特征是:水汽混合比在对流层顶和平流层底达到极小值(此极小值区被称为湿层顶),平流层里水汽混合比随高度增加而增加,平流层上层和中间层低层混合比出现明显的扰动,中间层顶再次达到极小值,向上混合比又随高度增加。甲烷混合比从100hPa附近向上混合比一直减少。经向分布特征主要表现为:热带平流层底较干,南北纬20~30°平流层低层存在混合障碍,南极冬春季极涡内水汽较少,平流层中高层水汽经向分布的季节变化明显。除平流层底和南极极涡等区域外,平流层大部分地区甲烷的分布与水汽互为“镜像”,只是甲烷多的地方水汽少,甲烷少的地方水汽多。中间层二者都表现为冬、夏季分布形势相反。在北半球夏季30oN,平流层中下层水汽和甲烷混合比纬向梯度很小,对流层上层以及中间层二者混合比纬向梯度明显。水汽和甲烷的分布强烈地受大气动力学和化学过程的影响,水汽还受到热带对流层顶和极涡内低温的影响。 (2)对1992-2005年水汽长期变化趋势的分析表明,平流层下层呈明显的减少趋势,而中上层1990年代中期前是增加的,而后转变为减少。平流层上层,甲烷与水汽长期趋势几乎是相反的,平流层中层,甲烷呈缓慢的上升趋势,平流层下层甲烷呈波动变化。水汽和甲烷在不同纬度带的长期变化趋势基本相同,但变化幅度有差异。平流层上层水汽与臭氧的变化趋势基本相反,甲烷与臭氧的变化趋势基本相同。平流层下层热带外地区,甲烷混合比与臭氧的变化趋势基本相反。平流层下层温度变化趋势与H2O混合比的变化趋势相同而在平流层中上层它们的变化趋势相反。热带对流顶附近水汽混合比的下降与热带对流顶温度的明显下降有关。热带平流层剩余环流的长期变化对水汽和甲烷的长期变化有重要影响。 (3)青藏高原与同纬度带其他地区以及赤道地区比较,夏季高原地区向上对流层和下平流层输送的水汽更多,冬季高原地区更有利于下平流层向下的空气输送,使得高原地区上对流层偏干,上对流层和下平流层甲烷偏低。高原地区是对流层-平流层交换的活跃和重要地区。我国(高原)上空水汽的长期趋势与热带和热带外地区的变化相似,我国(高原)上空甲烷的变化与热带地区和热带外地区相比在100hPa差别大一些,在平流层中层和高层基本相同。 (4)资料分析表明,热带平流层水汽混合比QBO现象在垂直方向上分为三层:8-1hPa、30-8hPa和100-30hPa,高层的QBO振幅较大,100-30hPa水汽QBO有显著上传特性。热带平流层甲烷的QBO特征在垂直方向上可分为两层:10-1hPa和20-10hPa,10-1hPaQBO振幅较大,1hPa以下QBO下传。SOCRATES模式模拟和诊断结果表明,热带平流层水汽QBO是在纬向风QBO强迫下产生的次级动力、热力因子和化学作用耦合后的结果:上层主要是环流输送引起,中层是环流输送和温度扰动驱动下的化学作用引起,下层是对流层顶水汽冻结层的温度扰动和环流输送引起。热带对流顶温度的QBO与对流顶附近水汽的QBO有密切关系。甲烷QBO主要是余差环流动力输送的结果。 (5)平流层水汽气候效应的数值模拟表明:平流层水汽的长波辐射冷却明显,对该层长波辐射冷却率的贡献可达10-20%。平流层水汽增加后,平流层温度将下降,平流层高层和两极地区降温较大;低平流层水汽减少将会引起30km以下中低纬地区升温。平流层上层水汽的光化学反应引起O3减少,对该层的降温起重要作用,因为该层长波辐射冷却率由于温度的降低而减少不再引起降温,降温主要是水汽变化引起的O3减少所致。水汽增加引起的长波辐射的增加将引起平流层中下层的降温。平流层下层温度变化主要由辐射过程决定,平流层中到高层辐射降温和动力降温都很重要,北半球中高纬动力学降温很显著而且动力学输送对O3的影响很明显。水汽变化引起的O3的变化对平流层温度变化起重要作用。1月份北极地区的剩余环流变化较大,对温度场影响也较大,4、7和10月剩余环流变化比1月份小近1个量级。 (6)对甲烷气候效应的数值模拟表明:平流层中高层甲烷也会产生长波辐射冷却,但比水汽辐射冷却效应小的多,60km以上甲烷对长波辐射过程的影响可以忽略。大气中甲烷混合比增加时,将引起平流层和中间层水汽的明显增加,同时引起平流层上层和中间层O3明显减少以及对流层及平流层O3的增加。甲烷混合比增加引起的平流层和中间层的冷却比对流层的增暖明显。平流层的冷却主要因为甲烷引起的水汽增加所致,它本身的长波辐射冷却是次要的,中间层的降温与水汽增加和O3减少有关。 【关键词】：平流层 水汽 甲烷 分布和变化 QBO 气候效应 数值模拟
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P421.32;P402
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 前言14-30
• 1.1 研究平流层水汽和甲烷的重要性14-16
• 1.2 平流层水汽的研究概况16-22
• 1.2.1 平流层水汽的观测16
• 1.2.2 平流层水汽分布特征的研究概况16-18
• 1.2.3 平流层水汽季节变化的研究概况18-20
• 1.2.4 平流层水汽的年际变化研究概况20
• 1.2.5 平流层水汽的长期变化及其原因的研究概况20-22
• 1.3 平流层甲烷的研究概况22-24
• 1.3.1 甲烷的来源及观测22
• 1.3.2 平流层甲烷的分布及季节变化研究概况22-23
• 1.3.3 平流层甲烷的年际变化研究概况23-24
• 1.3.4 大气中甲烷的长期变化研究概况24
• 1.4 平流层水汽和甲烷的模拟研究24-25
• 1.5 与水汽和甲烷研究有关的平流层其它重要过程25-26
• 1.6 关于平流层水汽和甲烷尚待研究的问题26-28
• 1.7 本论文的主要研究内容28-30
• 第2章 研究方法、资料和模式简介30-40
• 2.1 HALOE资料简介30-31
• 2.2 SCORATES模式简介31-40
• 2.2.1 模式的物理学框架32-34
• 2.2.2 模式中的辐射过程34-38
• 2.2.3 模式的化学过程38-40
• 第3章 平流层大气中水汽和甲烷的分布特征和变化趋势40-61
• 3.1 水汽和甲烷的分布特征40-48
• 3.1.1 水汽和甲烷的垂直分布40-43
• 3.1.2 水汽和甲烷的经向-高度分布43-46
• 3.1.3 水汽和甲烷的纬向-高度分布46-48
• 3.2 平流层水汽和甲烷的变化趋势及其与O_3和温度变化的关系48-54
• 3.2.1 平流层水汽和甲烷的变化趋势48-50
• 3.2.2 平流层O_3的变化趋势50-51
• 3.2.3 平流层温度变化与臭氧、水汽和甲烷的关系51-54
• 3.3 平流层水汽和甲烷的变化与剩余环流和对流层顶温度的关系54-59
• 3.3.1 甲烷与水汽的变化与剩余环流的关系54-57
• 3.3.2 热带对流层顶温度变化对水汽的影响57-59
• 3.4 本章总结59-61
• 第4章 我国（青藏高原）上空水汽和甲烷的分布和变化趋势61-74
• 4.1 我国上空水汽和甲烷的垂直分布和变化趋势61-63
• 4.1.1 我国上空平流层水汽和甲烷的含量及垂直分布61-62
• 4.1.2 我国上空水汽和甲烷的变化趋势62-63
• 4.2 青藏高原上空水汽和甲烷的垂直分布和变化趋势63-72
• 4.2.1 青藏高原上空H_2O的分布特征及其季节差异64-67
• 4.2.2 青藏高原上空CH_4的分布特征及其季节差异67-70
• 4.2.3 青藏高原上空水汽和甲烷的变化趋势70-72
• 4.3 本章小结72-74
• 第5章 热带平流层水汽和甲烷的QBO特征74-97
• 5.1 资料分析74-81
• 5.1.1 水汽和甲烷多年纬向平均的垂直-经圈剖面74-75
• 5.1.2 平流层高层水汽和甲烷混合比距平变化75-76
• 5.1.3 赤道地区平流层水汽和甲烷混合比距平的高度—时间分布76-78
• 5.1.4 水汽与甲烷的QBO与赤道平流层纬向风和温度QBO的关系78-79
• 5.1.5 水汽与甲烷的QBO与剩余环流的关系79-81
• 5.1.6 水汽的QBO与热带对流层顶温度和高度的关系81
• 5.2 水汽和甲烷QBO的数值模拟81-95
• 5.2.1 模式中年平均的水汽和甲烷垂直-经圈剖面82
• 5.2.2 模拟试验中纬向风、温度场和剩余垂直速度扰动随时间的变化82-84
• 5.2.3 甲烷和水汽QBO的模拟结果84-85
• 5.2.4 水汽QBO形成机理分析85-92
• 5.2.5 甲烷QBO形成机理分析92-95
• 5.3 本章小结95-97
• 第6章 平流层水汽和甲烷气候效应的模拟研究97-131
• 6.1 平流层水汽对平流层长波辐射冷却率的贡献98-99
• 6.2 平流层水汽变化的气候效应模拟99-121
• 6.2.1 模拟试验1 结果分析100-114
• 6.2.2 模拟试验2 结果分析114-121
• 6.3 甲烷变化的气候效应模拟121-127
• 6.3.1 甲烷对长波辐射冷却的贡献121-123
• 6.3.2 甲烷气候效应的数值模拟123-127
• 6.4 本章总结127-131
• 第7章 结论与讨论131-137
• 7.1 全文总结131-135
• 7.2 论文的贡献和创新点135-136
• 7.3 问题和展望136-137
• 参考文献137-147
• 致谢147-148
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果148-149

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