平流層水汽與甲烷的分布和變化及其氣候效應(yīng)的研究.pdf

1、平流層是氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，平流層大氣溫度的變化除了要關(guān)注O3和CO2變化外，水汽和甲烷在該層溫度變化中也起著重要的作用。平流層水汽和甲烷都是重要的溫室氣體，參與平流層輻射、化學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程，對(duì)它們的研究有重要的科學(xué)意義。
　　 本論文采用資料分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了平流層水汽和甲烷的空間分布和時(shí)間變化，并專門就我國上空特別是青藏高原地區(qū)平流層水汽和甲烷的分布和變化做了分析；探討了熱帶平流層水汽和甲烷QBO形成

2、機(jī)制；采用NCAR的二維化學(xué)、動(dòng)力和輻射相互作用模式(SOCRATES)模擬了平流層水汽和甲烷變化對(duì)平流層溫度的影響，并討論了影響機(jī)理。
　　 通過上述幾個(gè)方面的研究，得到以下結(jié)果和新的認(rèn)識(shí)：
　　 (1)平流層和中間層水汽和甲烷的垂直分布特征是：水汽混合比在對(duì)流層頂和平流層底達(dá)到極小值(此極小值區(qū)被稱為濕層頂)，平流層里水汽混合比隨高度增加而增加，平流層上層和中間層低層混合比出現(xiàn)明顯的擾動(dòng)，中間層頂再次達(dá)到極小值，向上

3、混合比又隨高度增加。甲烷混合比從100hPa附近向上混合比一直減少。經(jīng)向分布特征主要表現(xiàn)為：熱帶平流層底較干，南北緯20～30°平流層低層存在混合障礙，南極冬春季極渦內(nèi)水汽較少，平流層中高層水汽經(jīng)向分布的季節(jié)變化明顯。除平流層底和南極極渦等區(qū)域外，平流層大部分地區(qū)甲烷的分布與水汽互為“鏡像”，只是甲烷多的地方水汽少，甲烷少的地方水汽多。中間層二者都表現(xiàn)為冬、夏季分布形勢(shì)相反。在北半球夏季30°N，平流層中下層水汽和甲烷混合比緯向梯度很小

4、，對(duì)流層上層以及中間層二者混合比緯向梯度明顯。水汽和甲烷的分布強(qiáng)烈地受大氣動(dòng)力學(xué)和化學(xué)過程的影響，水汽還受到熱帶對(duì)流層頂和極渦內(nèi)低溫的影響。
　　 (2)對(duì)1992-2005年水汽長期變化趨勢(shì)的分析表明，平流層下層呈明顯的減少趨勢(shì)，而中上層1990年代中期前是增加的，而后轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。平流層上層，甲烷與水汽長期趨勢(shì)幾乎是相反的，平流層中層，甲烷呈緩慢的上升趨勢(shì)，平流層下層甲烷呈波動(dòng)變化。水汽和甲烷在不同緯度帶的長期變化趨勢(shì)基本相同

5、，但變化幅度有差異。平流層上層水汽與臭氧的變化趨勢(shì)基本相反，甲烷與臭氧的變化趨勢(shì)基本相同。平流層下層熱帶外地區(qū)，甲烷混合比與臭氧的變化趨勢(shì)基本相反。平流層下層溫度變化趨勢(shì)與H2O混合比的變化趨勢(shì)相同而在平流層中上層它們的變化趨勢(shì)相反。熱帶對(duì)流頂附近水汽混合比的下降與熱帶對(duì)流頂溫度的明顯下降有關(guān)。熱帶平流層剩余環(huán)流的長期變化對(duì)水汽和甲烷的長期變化有重要影響。
　　 (3)青藏高原與同緯度帶其他地區(qū)以及赤道地區(qū)比較，夏季高原地區(qū)向上

6、對(duì)流層和下平流層輸送的水汽更多，冬季高原地區(qū)更有利于下平流層向下的空氣輸送，使得高原地區(qū)上對(duì)流層偏干，上對(duì)流層和下平流層甲烷偏低。高原地區(qū)是對(duì)流層-平流層交換的活躍和重要地區(qū)。我國(高原)上空水汽的長期趨勢(shì)與熱帶和熱帶外地區(qū)的變化相似，我國(高原)上空甲烷的變化與熱帶地區(qū)和熱帶外地區(qū)相比在100hPa差別大一些，在平流層中層和高層基本相同。
　　 (4)資料分析表明，熱帶平流層水汽混合比QBO現(xiàn)象在垂直方向上分為三層：8-1hP

7、a、30-8hPa和100-30hPa，高層的QBO振幅較大，100-30hPa水汽QBO有顯著上傳特性。熱帶平流層甲烷的QBO特征在垂直方向上可分為兩層：10-1hPa和20-10hPa，10-1hPaQBO振幅較大，1hPa以下QBO下傳。SOCRATES模式模擬和診斷結(jié)果表明，熱帶平流層水汽QBO是在緯向風(fēng)QBO強(qiáng)迫下產(chǎn)生的次級(jí)動(dòng)力、熱力因子和化學(xué)作用耦合后的結(jié)果：上層主要是環(huán)流輸送引起，中層是環(huán)流輸送和溫度擾動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的化學(xué)作用引

8、起，下層是對(duì)流層頂水汽凍結(jié)層的溫度擾動(dòng)和環(huán)流輸送引起。熱帶對(duì)流頂溫度的QBO與對(duì)流頂附近水汽的QBO有密切關(guān)系。甲烷QBO主要是余差環(huán)流動(dòng)力輸送的結(jié)果。
　　 (5)平流層水汽氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬表明：平流層水汽的長波輻射冷卻明顯，對(duì)該層長波輻射冷卻率的貢獻(xiàn)可達(dá)10-20％。平流層水汽增加后，平流層溫度將下降，平流層高層和兩極地區(qū)降溫較大；低平流層水汽減少將會(huì)引起30km以下中低緯地區(qū)升溫。平流層上層水汽的光化學(xué)反應(yīng)引起O3減少，

9、對(duì)該層的降溫起重要作用，因?yàn)樵搶娱L波輻射冷卻率由于溫度的降低而減少不再引起降溫，降溫主要是水汽變化引起的O3減少所致。水汽增加引起的長波輻射的增加將引起平流層中下層的降溫。平流層下層溫度變化主要由輻射過程決定，平流層中到高層輻射降溫和動(dòng)力降溫都很重要，北半球中高緯動(dòng)力學(xué)降溫很顯著而且動(dòng)力學(xué)輸送對(duì)O3的影響很明顯。水汽變化引起的O3的變化對(duì)平流層溫度變化起重要作用。1月份北極地區(qū)的剩余環(huán)流變化較大，對(duì)溫度場(chǎng)影響也較大，4、7和10月剩余環(huán)

10、流變化比1月份小近1個(gè)量級(jí)。
　　 (6)對(duì)甲烷氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬表明：平流層中高層甲烷也會(huì)產(chǎn)生長波輻射冷卻，但比水汽輻射冷卻效應(yīng)小的多，60km以上甲烷對(duì)長波輻射過程的影響可以忽略。大氣中甲烷混合比增加時(shí)，將引起平流層和中間層水汽的明顯增加，同時(shí)引起平流層上層和中間層O3明顯減少以及對(duì)流層及平流層O3的增加。甲烷混合比增加引起的平流層和中間層的冷卻比對(duì)流層的增暖明顯。平流層的冷卻主要因?yàn)榧淄橐鸬乃黾铀?，它本身的長波輻射