Brewer-Dobson环流及其对平流层微量气体输送的研究

论文摘要

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

论文目录

• 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