未來百年夏季青藏高原臭氧變化趨勢及可能機制

蘇昱丞,郭棟,郭勝利**,施春華,劉仁強,劉煜,宋劉明,徐建軍

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;② 空間天氣研究所,江蘇 南京 210044;③ 中國氣象科學研究院,北京 100081;④ 浙江省嘉興市氣象局,浙江 嘉興 314050

未來百年夏季青藏高原臭氧變化趨勢及可能機制

蘇昱丞①②,郭棟①*,郭勝利①②**,施春華①,劉仁強①,劉煜③,宋劉明④,徐建軍①

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;② 空間天氣研究所,江蘇 南京 210044;③ 中國氣象科學研究院,北京 100081;④ 浙江省嘉興市氣象局,浙江 嘉興 314050

2014-09-25收稿,2014-12-05接受

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2010CB428605);國家自然科學基金資助項目(41305039;91537213;41375047;41375092;41475140;41575057;41205065);江蘇省高校自然科學研究計劃項目(13KJB170009);江蘇高校優勢學科建設工程項目(PAPD)

摘要利用全大氣氣候通用模式(WACCM3)對政府間氣候變化專門委員會排放情景特別報告中2001年到2099年A1B、A2、B1三種排放情景進行了模擬,分析了三種排放情景下青藏高原地區未來百年臭氧總量在夏季(6—8月)的變化趨勢及引起該變化的可能機制。結果表明:在三種排放情景下未來百年夏季高原區臭氧總量均呈現增長趨勢,其中A2情景下臭氧增長最快,B1情景下增長最慢,但相對于同緯度其他地區,高原區的臭氧總量增長較慢,即高原區臭氧谷加深。高原區高空污染物的減少以及局域Hadley環流的減弱是未來高原區臭氧總量增加的原因;而南亞高壓的增強,以及與之相對應的輻散增強則可能是高原區臭氧谷繼續加深的原因。

關鍵詞

臭氧

青藏高原

未來百年

趨勢

機制

平流層臭氧可以通過對太陽紫外輻射的吸收直接影響地球系統及氣候變化,因此臭氧研究一直是氣候變化研究的熱點(IPCC,2007)。近期,極區臭氧洞的氣候效應研究成為了國際熱點(Hartmann et al.,2000;Pienitz and Vincent,2000;Ungar,2000;Perlwitz et al.,2008)。

除了極區的臭氧洞外,青藏高原夏季也存在臭氧的低值區,該臭氧低值區也可能對局地氣候產生顯著的影響。周秀驥等(1995)通過對TOMS衛星資料分析,發現青藏高原上空夏季會形成一個臭氧總量低值區,稱為臭氧谷。Guo et al.(2015)分析了MLS衛星資料,發現臭氧谷存在雙心結構,較強的中心位于對流層頂附件,較弱的中心位于上平流層。周秀驥等(1995)推測與夏季高原上空上升運動相關的動力和化學作用可能是其形成的原因。卞建春等(1997)和郭棟等(2012)分析了大尺度環流對該臭氧谷的作用。Liu et al.(2003)、Tian and Lu(2009)和Guo et al.(2012)利用三維化學氣候模式模擬了該現象,認為高原臭氧谷形成過程中動力過程起主要作用,化學過程較弱。Guo et al.(2015)將MLS資料中白天和黑夜的青藏高原臭氧谷做了比較。白天和夜晚,UTLS區的臭氧谷都存在,沒有顯著差別。然而,在平流層上層,白天的臭氧谷存在,而夜晚的臭氧谷消失了。因此,光化學反應可能對夏季上平流層青藏高原臭氧谷有重要作用。而且10 hPa的HCl和ClO濃度的緯向偏差在青藏高原和其鄰近地區存在明顯的高值區,因此氯對臭氧的催化損耗可能在夏季青藏高原臭氧谷的上平流層中心的形成中起到重要作用。后來,Zhou and Zhang(2005)研究了近20 a來高原區平流層溫度降低、對流層溫度升高可能導致了臭氧總量的持續減少。劉煜和李維亮(2001)利用二維化學模式得到青藏高原臭氧總量在1993年達到谷值,并且于1995年開始恢復,但在2050年時也未達到1980年時的水準。郭世昌等(2008)研究了北半球Hadley環流指數與東亞臭氧的關系,發現他們存在顯著的共振周期,并且由后向軌跡模式得出高原區對流層Hadley環流的水平平流可以使得高原區臭氧濃度減少。Zhang et al.(2014)研究了青藏高原區氣候變暖導致冬季臭氧減少的趨勢及可能原因。

盡管,已經有一些學者對青藏高原臭氧的變化及其機制進行了探討。然而,在節能減排的背景下,未來高原臭氧的變化特征及可能機制的研究仍須被重視。類似研究可能對未來國家相關政策的制定提供理論支持。

1模式與方法

政府間氣候變化專門委員會排放情景特別報告(SRES)中給出了強迫因子各異的6種排放情景,本文只使用其中的A1B(各種能源平衡發展的、經濟高速增長的未來社會)、A2(多元化發展的未來社會)以及B1(趨同發展的未來世界)三種排放情景作為外強迫因子(IPCC,2007)。

WACCM(Whole Atmosphere Community Climate Model)是美國大氣研究中心基于CAM(Community Atmosphere Model)合作發展的大氣化學氣候模式,其垂直范圍由地面延伸至大氣熱層低層。本文使用的模式版本WACCM3包括了CAM3模式的所有物理參數化方案,只改變了重力波拖曳和垂直擴散的參數化方案。此外,WACCM3有所改進:包含詳細的中層大氣中性化學過程,考慮了化學反應導致的加熱,極端紫外波長的短波加熱參數化,非局地熱力學平衡條件下的紅外遷移。由于化學交互反應的重要性,WACCM3模式的動力核心只使用有限元法。這種方法明確計算了一個給定空間內進入和流出的物質通量,從而保證了物質守恒。

WACCM3垂直分層66層,范圍由地面至4.5×10-6hPa(約145 km)。與CAM3模式一樣,WACCM3在100 hPa以下使用的是地形跟隨坐標系,而在100 hPa以上則使用等壓坐標系。垂直分辨率隨高度變化,在65 km高度以上為3.5 km,平流層頂附近(50 km)為1.75 km,低于30 km的低平流層區域為1.1～1.4 km;在對流層的分辨率為1.1 km,但是在接近地面的區域,例如行星邊界層,有更高的垂直分辨率。模式分辨率使用的是1.9°×2.5°(緯度×經度)。

Hadley環流使用經向風的無輻散部分,即V=Vψ+Vχ中的Vψ的質量流函數來進行表示。這里使用王盤興(1994)從環流定常假設出發,提出的新的計算雙向(向上、向下)疊加的計算方法來計算Hadley環流的強度。

南亞高壓(SAH,South Asian High)使用陳延聰等(2009)定義的強度指數表征。SAH的強度p定義為將100 hPa位勢高度上搜索范圍內H≥1 680 dagpm的格點減去1 680的平均值。

2未來百年夏季青藏高原臭氧變化趨勢及可能機制

2.1臭氧總量的變化趨勢及可能機制

如圖1a所示,WACCM3模式輸出資料中,A1B、A2和B1三種排放情景下,全球2001—2099年來的全球臭氧總量均呈增長趨勢,即臭氧恢復,且A2情景下柱總量增長最快,B1情景下增長最慢。線性回歸系數分別為A2(0.38)、A1B(0.28)和B1(0.19),且都通過了0.05信度的顯著性檢驗。三種情境下,青藏高原區(75～105°E,26～38°N)的臭氧總量的變化與全球臭氧類似,基本上是臭氧恢復(圖1b),但是其恢復的速度較全球的慢。

全球臭氧恢復的主要原因是人類氟氯化碳排放的減少(Perlwitz et al.,2008;Son et al.,2008;Polvani et al.,2011)。而高原區臭氧總量的恢復,要從化學和動力兩個方面考慮。對于化學方面,如圖2所示,夏季青藏高原區上空,氯的總含量以及70 hPa(即臭氧低值中心處)的氯濃度,在未來百年均有下降趨勢。高原區氯的總含量在A1B、A2、B1三種情景下線性回歸系數分別為-0.018、-0.020和-0.017,均通過了0.05信度的顯著性檢驗。夏季青藏高原區上空,2090—2099年與2001—2010年氯的總含量之差為-1.75×10-10kg,夏季青藏高原區上空70 hPa,2090—2099年與2001—2010年氯濃度之差約為-1.5×10-15mol·mol-1,整個北半球均通過了0.05信度的顯著性檢驗。因此,化學方面與臭氧的全球性恢復類似,未來百年內的節能減排是高原區臭氧恢復的原因之一。

圖1　2001—2099年夏季A1B、A2、B1三種排放情景下全球平均臭氧總量變化(a)和青藏高原區(75～105°E,26～38°N)平均臭氧總量變化(b)(單位:DU;細線為臭氧柱總量;粗線為變化趨勢線)Fig.1　The (a)global average total ozone and (b)average total ozone over the Tibetan Plateau(26—38°N,75—105°E) under three emissions scenarios(A1B,A2,B1) in summer 2001—2099(units:DU;thin lines are total ozone;thick lines are trend lines)

圖2　A1B情景下高原區夏季氯總量(a;單位:10-10 kg;灰色陰影為青藏高原)、70 hPa等壓面上2090—2099年與2001—2010氯質量之差(b;單位:10-15 mol·mol-1),以及2001—2099年夏季A1B、A2、B1三種排放情景下青藏高原區氯質量變化(c;單位:10-10 kg;細線為氯實際質量;粗線為變化趨勢線)Fig.2　(a)The Cl mass difference in summer between 2090—2099 and 2001—2010 under the A1B emissions scenario(units:10-10 kg)(statistically significant at the 95% confidence level in the whole of the Northern Hemisphere;shaded area indicates the Tibetan Plateau;(b)As in (a) but for the Cl concentration at 70 hPa(units:10-15 mol·mol-1);(c)Cl mass of chlorine over the Tibetan Plateau under the A1B emissions scenario in summer 2001—2099,thin lines indicate Cl mass;thick lines are trend lines)

動力方面主要與高原區特殊環流形勢的變化有關。近期許多工作表明(Liu et al.,2003;Tian and Lu,2009;Bian et al.,2011;郭棟等,2012),夏季高原上空存在的大尺度上升運動與高原區臭氧低值有密切聯系。一方面,上升運動可以將部分污染物輸送至平流層,從而消耗臭氧。另一方面,上升運動可以將對流層低臭氧濃度的空氣輸送到平流層低層,并在對流層頂附近向高原外輻散,導致高原區臭氧總量的減少。如圖3所示,對于2001—2099年的平均情況,夏季高原上空也存在較強的上升運動,能達到100～70 hPa。相對應的,高原區上空70 hPa附近也存在臭氧緯向偏差的負值中心,即臭氧低值中心。因此,未來百年夏季高原區上空,上升氣流的強度變化必然導致該地區臭氧總量的變化。

圖3　A1B情景下2001—2099年夏季青藏高原區(75～105°E)平均的經圈環流(a;箭矢,垂直速度放大了100倍;等值線為垂直風速,單位:102 Pa·s-1)和臭氧平均濃度(b;等值線為臭氧緯向偏差;單位:108mol·mol-1)(黑色陰影為地形)Fig.3　(a)Vectors indicate the 2001—2099 mean 75—105°E mean meridional circulation(vertical wind speed is multiplied by 100) under the A1B scenario in summer,contours indicate vertical wind speed(units:102 Pa·s-1);(b)2001—2099 mean 75—105°E mean concentration of ozone under the A1B scenario in summer(units:108 mol·mol-1)(shading indicates the terrain)

高原區的上空在未來百年始終保持上升運動,而高原區2090—2099年與2001—2010年垂直速度的差為正,如圖4a所示。說明在2090—2099年間上升運動的強度要弱于2001—2010年間的強度,即未來百年高原上空的上升運動減弱。根據局域Hadley環流質量流函數的定義,上升氣流的強度可以由速度的質量流函數判定。通過WACCM3模式輸出的緯向風V,可由疊加法(王盤興,1994)算出高原地區局域Hadley環流的質量流函數。并參照全域Hadley環流的上升支的強度定義,定義高原區上升支南北兩邊距離最近的高低值中心值的差為高原Hadley環流上升支的強度,即可得到三種排放情景下,未來100 a青藏高原夏季局域Hadley環流的上升支的強度變化趨勢(圖4b)。對上升支的強度做一元線性回歸。三種排放情景下,回歸系數分別為-0.018 4、-0.016 4、-0.003 86,上升支的強度均呈現減弱趨勢,且A1B、A2情景下都通過了0.1信度的顯著性檢驗。即高原區上升運動減弱,也是未來百年內高原區臭氧總量增加的原因之一。

圖4　A1B情景下夏季青藏高原區(75～105°E)平均的2090—2099年與2001—2010年間垂直速度之差(單位:102 Pa·s-1)(a),以及2001—2099年A1B、A2、B1三種排放情景下夏季青藏高原的局域Hadley環流強度變化(b;單位:1;粗線為趨勢線)Fig.4　(a)The difference of 75—105°E mean vertical velocity in summer between 2090—2099 and 2001—2010 under the A1B emissions scenario(units:102 Pa·s-1)(shading indicates the terrain);(b)Thin lines indicate the variation of local Hadley Circulation intensity over the Tibetan Plateau under three emissions scenario(A1B,A2,B1) in summer 2001—2099,thick lines are trend lines(units:1)]

圖5　A1B情景下夏季青藏高原區(75～105°E)臭氧濃度緯向偏差(a;單位:10-8mol·mol-1;灰色陰影表示通過0.05信度的顯著性檢驗;黑色陰影為地形)和70 hPa上臭氧濃度緯向偏差(b;單位:10-8mol·mol -1;灰色陰影表示通過0.05信度的顯著性檢驗;白色線為高原輪廓)(2090—2099年與2001—2010年的差值)Fig.5　(a)Difference of 75—105°E mean ozone concentration zonal deviation (units:10-8 mol·mol-1)in summer between the 2090—2099 mean and 2001—2010 mean under the A1B emissions scenario(statistically significant differences at the 95% level are shaded gray,;the Tibetan Plateau is shaded black);(b)Difference of ozone concentration zonal deviation(units:10-8 mol·mol-1)in summer between the 2090—2099 mean and 2001—2010 mean at 70 hPa under the A1B emissions scenario(statistically significant differences at the 95% level are shaded gray;white outline indicates the Tibetan Plateau)

2.2臭氧谷的變化趨勢及可能機制

由于三種情景結果類似,下面詳述A1B情景的結果。由圖1a可得,未來百年內全球臭氧柱總量約增加約25 DU(A1B情景),而高原區(圖1b)只有約8 DU(A1B情景)。高原區臭氧相對全球背景下增長較為緩慢,即高原臭氧谷在未來百年內存在加深趨勢。為了更具體地看到高原區的臭氧變化趨勢,將2090—2099年平均和2001—2010年平均的臭氧做了差值(圖5)。對全球臭氧求緯向偏差,并把高原區(75～105°E)范圍的均值作為高原區平均做剖面(圖5a)分析。可以得出,2090—2099年高原區上空30～100 hPa臭氧濃度緯向偏差比2001—2010年的低了5×10-8mol·mol-1,且通過了0.05信度的顯著性檢驗。由于70 hPa是高原臭氧低值的中心(圖3b),因此未來百年該中心會加深并向上偏移。由2090—2099年和2001—2010年70 hPa的臭氧緯向偏差(圖5b),可以明顯看到,未來百年高原臭氧谷有顯著的加深趨勢。

圖6　A1B情景下夏季青藏高原區70 hPa上位勢高度緯向偏差(a;單位:gpm;2090—2099年與2001—2010年的差值;白色線為高原輪廓;灰色陰影通過0.05信度的顯著性檢驗),以及2001—2099年夏季A1B、A2、B1三種排放情景下南亞高壓強度變化(b;單位:1;粗線為變化趨勢線)Fig.6　(a)The difference of the zonal deviation of geopotential height in summer between 2090—2099 and 2001—2010 at 70 hPa under the A1B emissions scenario(units:gpm)(white outline indicates the Tibetan Plateau,values in the gray shaded area are statistically significant at the 95% level);(b)Thin lines indicate variation in the intensity of the South Asian high under the A1B emissions scenario in summer 2001—2099,thick lines are trend lines(units:1)

利用模式輸出的位勢高度資料,同樣以A1B情景為例,對70 hPa的位勢高度求緯向偏差,使用同樣的方法對高原區70 hPa的高度場進行了分析(圖6a)。可以看出在70 hPa高原區與周邊的位勢高度緯向偏差增加了20 gpm,高壓增強。為了清晰地顯示這百年內高壓的變化,使用陳延聰等(2009)定義的南亞高壓強度對未來百年高原區的高壓參數化,并作其時序(圖6b)。A1B、A2和B1的回歸系數分別為0.23、0.32、0.10,且都通過了0.05信度的顯著性檢驗?？梢钥闯瞿蟻喐邏旱膹姸仍谖磥沓试鰪娳厔荨?/p>

然后通過70 hPa等壓面上的水平速度計算其散度(圖7)。圖7a為未來百年夏季70 hPa等壓面上水平速度的平均散度,可以看出高原上氣流輻散。圖7b為2090—2099年平均散度與2001—2010年平均散度之差,其顯示了高原區輻散增強。因此使得臭氧通量幅散增強,高原區臭氧谷加深,即高原區臭氧恢復速度比同緯度其他地區要慢。

圖7　A1B情景下夏季青藏高原區70 hPa上2001—2099年平均水平散度(a;單位:10-6s-1;陰影表示青藏高原),以及平均水平散度之差(b;單位:10-6s-1;2090—2099年與2001—2010年的差值;陰影表示通過0.05信度的顯著性檢驗的區域;灰線表示青藏高原)Fig.7　(a)2001—2099 mean horizontal divergence at 70 hPa under the A1B emissions scenario(units:10-6 s-1)(shading indicates the Tibetan Plateau);(b)Difference of horizontal divergence in summer between the 2090—2099 mean and 2001—2010 mean at 70 hPa under the A1B emissions scenario(units:10-6 s-1)(values in the shaded area are statistically significant at the 95% level;gray outline indicates the Tibetan Plateau)

3結果與討論

本文以SRES中給出的A1B(中排)、A2(高排)、B1(低排)三種未來排放情景作為外強迫因子,使用WACCM3模擬了未來百年青藏高原區臭氧變化。結果表明:

1)未來百年夏季高原區臭氧總量呈現增長趨勢,但相對于同緯度其他地區增長較慢,即高原區臭氧谷加深。

2)高原區高空污染物的減少以及局域Hadley環流減弱是高原區臭氧總量增加的原因;

3)南亞高壓增強,對應的輻散增強則可能是高原區臭氧谷加深的原因。

本文僅從定性的角度討論的青藏高原區夏季臭

氧恢復以及臭氧谷增強的可能原因,以后還可以利用計算臭氧通量輸送與化學反應速率定量的分析其臭氧恢復的原因。

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Ozone research has been a hot spot in research on climate change because stratospheric ozone can directly affect the earth system and climate change by absorbing solar ultraviolet radiation.The ozone valley over the Tibetan Plateau in summer has a significant impact on local climate.Against the background of energy conservation and emissions reduction,studying the characteristics and possible mechanism of ozone change in the future can provide theoretical support for the future development of relevant policies.

To understand future ozone trends over the Tibetan Plateau in summer and their possible mechanism,version 3 of the Whole Atmosphere Community Climate Model(WACCM3),with a horizontal resolution of 1.9°×2.5°(longitude×latitude)and vertical resolution of 1.1 km in the upper troposphere and lower stratosphere region,was used to simulate three emissions scenarios of the Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC).The three emissions scenarios were A1B(“[which] describes a future world of very rapid economic growth,global population that peaks in mid-century and declines thereafter,and the rapid introduction of new and more efficient technologies.Major underlying themes are convergence among regions,capacity building,and increased cultural and social interactions,with a substantial reduction in regional differences in per capita income.Direction of technological change in the energy system is a balance across all sources.”),A2(“[which] describes a very heterogeneous world.The underlying theme is self-reliance and preservation of local identities.Fertility patterns across regions converge very slowly,which results in continuously increasing global population.Economic development is primarily regionally oriented and per capita economic growth and technological change are more fragmented and slower than in other storylines.”),and B1(“[which] describes a convergent world with the same global population that peaks in mid-century and declines thereafter,as in the A1 storyline,but with rapid changes in economic structures toward a service and information economy,with reductions in material intensity,and the introduction of clean and resource-efficient technologies.The emphasis is on global solutions to economic,social,and environmental sustainability,including improved equity,but without additional climate initiatives.”).

The simulation results showed that,under A1B,A2 and B1,2001—2099 global total ozone has an increasing trend,which means ozone recovery.The increasing trend of total ozone under A2 is strongest,and the increasing trend of total ozone under B1 is weakest.In the three emissions scenarios,total ozone over the Tibetan Plateau area(26—38°N,75—105°E) shows an increasing trend,but the speed of recovery is slower than that of the global total ozone;that is,the ozone valley over the Tibetan Plateau will significantly deepen.Total chlorine content over the Tibetan Plateau in summer and the chloride concentration at 70 hPa near the center of the ozone valley over the Tibetan Plateau in summer showed decreasing trends for the next 100 years.Meanwhile,the ascending branch of local Hadley Circulation over the Tibetan Plateau in summer has a decreasing trend.These two factors lead to an increase in total ozone over the Tibetan Plateau in summer in the future.On the other hand,the intensity of the South Asia high in the future will enhance,the divergence near the South Asian high will strengthen,and the ozone flux divergence near the South Asian high will strengthen too,which may be the reason for the deepening of the ozone valley over the Tibetan Plateau.

In summary,in the period 2001—2099,based on the A1B,A2 and B1 emissions scenarios,total ozone is expected to increase over the Tibetan Plateau,caused by pollutants reduction and a weakening of local Hadley Circulation;the deepening of the ozone valley over the Tibetan Plateau may be controlled by the enhancement of the South Asia high.

ozone;Tibetan Plateau;future projection;trends;mechanism

(責任編輯：張福穎)

Ozone trends over the Tibetan Plateau in the next 100 years and their possible mechanism

SU Yuchen1,2,GUO Dong1,GUO Shengli1,2,SHI Chunhua1,LIU Renqiang1,LIU Yu3,SONG Liuming4,XU Jianjun1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2InstituteofSpaceWeather,Nanjing210044,China;3ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China;4JiaxingMeteorologicalBureau,Jiaxing314050,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140925002

引用格式:蘇昱丞,郭棟,郭勝利,等.2016.未來百年夏季青藏高原臭氧變化趨勢及可能機制[J].大氣科學學報,39(3):309-317.

SuYH,GuoD,GuoSL,etal.2016.OzonetrendsovertheTibetanPlateauinthenext100yearsandtheirpossiblemechanism[J].TransAtmosSci,39(3):309-317.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140925002.(inChinese).

*聯系人，E-mail:*002344@nuist.edu.cn;**shlguo@nuist.edu.cn