2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

赵倩,刘毅,管兆勇,陆春晖,蔡兆男

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

2.中国科学院 大气物理研究所 中层大气与全球环境探测重点实验室,北京 100029;3.国家气候中心 气候研究开放实验室,北京 100081)



2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

赵倩1,2,刘毅2,管兆勇1,陆春晖3,蔡兆男2

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

2.中国科学院 大气物理研究所 中层大气与全球环境探测重点实验室,北京 100029;3.国家气候中心 气候研究开放实验室,北京 100081)

摘要：利用国产GPSO3臭氧探空系统观测的大气臭氧探空资料和NCEP再分析资料,结合对天气形势、大气环流背景、高空位涡变化及对流层顶高度扰动的分析,深入研究了2008年冬季北京地区10～14 km高度范围内持续出现的臭氧次峰值及大气臭氧含量异常现象。结果表明:在2008年我国南方雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布持续出现次峰值现象及臭氧含量异常的主要原因是平流层空气强烈下沉运动及其与对流层的交换作用,而引起这种下沉运动及平流层—对流层交换则是由于该阶段特殊的天气背景,乌拉尔阻塞高压长时间维持,贝加尔湖到巴尔喀什湖一带横槽稳定存在,里海以东切断低压长期维持,造成冷空气长时间、稳定地南下影响北京上空臭氧的垂直分布。加之副热带急流的出现,北京正处于其入口区左侧,其上空有强烈的辐合下沉运动,有利于平流层空气向下输送。此次臭氧次峰值及臭氧含量异常的现象很好地说明,在冷空气天气过程的影响下,北京地区上空的平流层空气运动及其与对流层的交换十分活跃。

关键词：臭氧探空;臭氧次峰值;平流层—对流层交换;对流层顶折叠;西风急流

0引言

臭氧是对流层和平流层大气化学过程的核心,作为一种强氧化剂影响着大气化学的循环和平衡;同时臭氧是一种重要的温室气体,通过吸收太阳辐射的紫外光和可见光部分来改变平流层温度结构,在平流层中上层产生冷却效应,在平流层低层和对流层产生增暖效应。此外,过量的臭氧也会构成一种大气污染物,对人类健康和生态系统有直接影响。然而臭氧的气候效应,不仅依赖于它的总量而且强烈地依赖于它在大气中的垂直分布,因此对大气臭氧垂直分布特征和变化规律的研究有着重要的科学和现实意义。

研究臭氧垂直分布特征及变化规律的资料主要依赖于各地臭氧探空资料,我国对臭氧探空观测的研究开始于20世纪80年代,分别在北京(王庚辰等,2004;吴瑞霞等,2005;宗雪梅等,2007)、拉萨(石广玉等,2000)、昆明(王卫国等,2004)、西宁(郑向东等,2003)、香港(Wang et al.,1998,2001;Chan et al.,2003a)、临安(郑向东等,2004)等地先后进行臭氧探空观测,得到各地不同时间不同高度臭氧的垂直分布特征及变化规律,并对其进行了综合对比分析(韦惠红和郑有飞,2006;郑永光等,2005)。此外,利用这些探空数据对对流层的臭氧源进行了大量研究:1)光化学制造,包括臭氧前体物特征及形成时期的气象、光化学特征(Wang et al.,1998;Chan et al.,2003b);2)平流层—对流层交换(Baray et al.,1998;王庚辰等,2004,2006;Ding and Wang,2006;Bian et al.,2007;吕达仁等,2008),包含对流层顶高度变化、对流层顶折叠等造成平流层臭氧丰富气团向下输送至对流层。

研究表明,在平流层20～25 km高度范围内臭氧浓度有一稳定的最大值区,且除了该稳定主峰外,还存在一些明显的次峰分布,主要出现在平流层下层和对流层中上层;以往的研究对此现象进行了分析,强调这是由于平流层—对流层交换引起的动力输送造成的,此外还存在着诸多因素能够引起这种平流层高浓度臭氧气团下传,如切断低压阻塞高压的存在、西风带急流极地侧的气旋切变、对流层顶折叠等(Reid and Vaughan,1991;Langford,1999;崔宏等,2005)。

本文根据2002年1月—2008年12月在北京市南苑观象台(116°28′E,39°48′N)进行的持续臭氧探空观测结果,利用相关的气象和卫星资料,结合天气形势、大气环流背景和高空位势涡度的客观分析,对2008年雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布出现次峰值现象的动力学机制进行详细分析,从而为进一步认识STE(stratosphere-troposphere exchange)对中纬度地区上空臭氧垂直分布的影响打下基础。

1资料

本文采用北京(116°28′E,39°48′N,海拔高度34 m)探空资料。该臭氧探空系统由我国自行研制,仪器包括GPSO3臭氧探空仪、信号接收机、数据处理器和现场检测单元4部分,其中臭氧探空仪属带GPS的电化学式臭氧探空仪。通过地面实验室定标,以及与芬兰Vaisala臭氧探空仪(获WMO推荐)的同时比对(宣越健等,2004),大气臭氧探空资料质量得到了保证。已获得的探测资料分别用于臭氧结构的天气气候特征研究,特别是用于验证国际上已有卫星臭氧遥感产品的有效性、可靠性(Bian et al.,2007)。这里采用2002年1月—2008年12月冬季(1月、2月)臭氧探空资料,平均探测频次为每周一次,排除人为、仪器因素,选取其中47条可靠廓线进行研究。

本文还采用NCEP提供的全球格点资料,水平分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向分为17层。气象要素包括温度、位势高度、相对湿度、绝对湿度、垂直速度、纬向风和经向风。文中所用资料为日平均风场、温度场及位势高度场等。

图1　2008年冬季北京地区臭氧(黑色;单位:mPa)、温度(红色;单位:K)和风速(蓝色;单位:m/s)廓线　　a.1月8日;b.1月15日;c.1月22日;d.1月29日;e.2月5日;f.2月20日Fig.1　Profiles of ozone(black;units:mPa),temperature(red;units:K),and velocity(blue;units:m/s) over Beijing area in winter 2008　　a.8 January;b.15 January;c.22 January;d.29 January;e.5 February;f.20 February

2臭氧探空观测

图1为2008年冬季北京地区上空探空观测的臭氧(单位:mPa;1 mPa=1×10-3Pa)、温度(K)和风速(m/s)廓线。可以看出:臭氧分布的主要变化集中在7～12 km高度,臭氧廓线主要呈现双峰结构,主峰位于22 km附近,在对流层顶附近均存在一个臭氧次峰值,该次峰值平均为14.5 mPa,最大达18 mPa,该现象在2008年冬季1月、2月观测日中持续存在。

为探究该臭氧次峰值现象是否仅为2008年特有,图2给出了2008年冬季平均(1、2月)与多年(2002—2008年)冬季平均臭氧廓线的比较。可以看出,2002—2008年冬季在对流层顶附近的臭氧次峰值平均约为8 mPa,而2008年冬季(1、2月)的次峰值则远大于多年平均值。同时,臭氧次峰值的出现高度以下,2008年臭氧含量高于多年平均值。由平均值加减标准差的分布可见,这组数据的离散度较小,可靠性很强。

图2　2008年冬季平均(1、2月)与2002—2008年多年冬季平均臭氧廓线的比较(绿线、红线分别为多年平均减去、加上标准误差)Fig.2　Comparison between ozone profile in winter(January and February) 2008 and multi-year mean one in winter of 2002—2008(green line:multi-year mean minus standard deviation;red line:multi-year mean plus standard deviation)

图3　2008年冬季日本TATENO探空站臭氧(黑色;单位:mPa)和温度(红色;单位:K)廓线Fig.3　Profiles of ozone(black;units:mPa) and temperature(red;units:K) above TATENO in Japan in winter 2008

此外,图1给出了温度廓线。可见,臭氧次峰值开始出现的高度均有逆温出现。研究表明,当对流层顶出现显著的折叠现象时,平流层下部的温度会随高度的上升而增加,逆温往往出现在对流层顶折叠处(Birner,2006),且在折叠处有浮力频率最大值及热力对流层顶的峰值(Browell et al.,1987)。从风速廓线的变化可以看出,2008年1、2月在10～13 km高度范围内,出现了中心位于12 km左右的急流,平均风速超过40 m/s,最大风速达60 m/s,臭氧在该急流区内增加,且风速极值与臭氧次峰高度位置基本一致。西风急流的分布往往会影响平流层臭氧辐合下沉区的位置,这一辐合下沉运动与对流层中臭氧的增大有密切联系。

此外,由世界臭氧和紫外线辐射数据中心获得日本TATENO站(140°E,36°N)探空资料。图3为2008年冬季日本TATENO探空站的臭氧和温度廓线。可以看到,选取的2008年1、2月观测日中臭氧廓线也有次峰值现象存在,但是与北京上空臭氧分布不同的是:日本上空的臭氧次峰值现象主要出现在冬季后期2月底3月初,此时其次峰值分布高度和强度与北京上空相差不多;而在北京上空臭氧次峰值显著的1月和2月初,日本上空的次峰值高度偏低,强度偏弱。这是由于日本探空站同北京所处的地理位置不同,日本位于西风气流中北京的下游区域,引起这次臭氧次峰值出现的天气过程首先作用在北京上空,作用强度比日本地区更大。对日本TATENO站臭氧探空的分析表明,2008年冬季,北京上空出现的臭氧次峰值具有十分显著的代表性,它是由一次较大范围和强度的天气过程引起的环流变化造成的,影响范围可能覆盖了中纬度东亚大部分地区。

那么,这种同时存在于中纬度的冬季冷的天气系统控制下的臭氧次峰现象又是如何形成的呢?接下来将从多个角度对其进行分析。

3臭氧异常期间的天气学诊断分析

3.1环流背景场分析

2008年1月我国发生了罕见的持续严重雨雪冰冻灾害,因此这一时期的天气形势和大气环流有着独特的分布特征。探空观测资料表明,2008年1月和2月臭氧、风场和温度的分布均发生了较大变化,因此臭氧次峰值的出现与逆温、纬向风急流必然有着很大的联系。从1、2月连续的500 hPa位势高度场来看,欧亚地区冬季大气环流在一定的时间内维持着一个稳定的状态。图4给出了2008年1月平均的500 hPa位势高度场及其距平的分布。可以看出,在欧亚大陆中东部的中高纬地区(60°N附近)有较强的大面积位势高度正异常区,这是由乌拉尔山阻塞高压长期维持引起的(刘毅等,2008;彭艳等,2010;张韧等,2012)。在亚洲东部的副热带地区(100～140°E,15～30°N)也存在一个位势高度的正距平区,并且持续了很长一段时间。这样一个位势高度的次高值中心有效地阻止了冷空气的向南推进。如此一来,形成了我国西侧中高纬的乌拉尔山阻塞高压和东侧副热带的位势高度次高值中心长时间维持的形势。在两个高值中心之间,从贝加尔湖到巴尔喀什湖存在一个东北—西南向的位势高度负距平带,这种形势十分有利于冷空气从北方侵入。这里给出的是1月平均的结果,从逐日的分布图中可以看出这样的天气系统配置维持了很长的时间(图略)。这种多个天气系统同时出现并相互配合是非常难得的,而在冬季的大部分时间里北京均被这些天气系统所控制。冷空气的到来使得北京上空的下沉气流十分活跃,从而有利于平流层中含有较高浓度臭氧的气团向下输送,进入对流层。同时冷空气的南下造成了对流层顶的降低,有利于北京上空发生对流层顶折叠,平流层和对流层的相互作用显著。

图4　2008年1月平均500 hPa位势高度场(a)及其距平场(b)(单位:gpm)Fig.4　(a)500 hPa geopotential height and (b)its anomaly fields in January 2008(units:gpm)

图5　2008年1月8日(a)和22日(b)300 hPa风场(阴影表示风速,单位:m/s;箭矢表示风矢量,单位:m/s)Fig.5　300 hPa wind fields on (a)8 and (b)22 January 2008(shadings:wind speed,units:m/s;arrows:wind vector,units:m/s)

Langford(1999)研究认为,冬季强西风急流处会出现对流层顶折叠现象,与西风急流处对流层顶折叠有关的臭氧平流层—对流层相互交换,造成了我国中东部中纬度对流层臭氧增多。由于1月8日与22日臭氧次峰值现象显著,所以图5给出了这两日300 hPa风场的分布情况。可以看出,在选取的这两天风场图中,25～45°N我国东部均存在一个东西走向的大值风速带,即西风急流。急流中心位于日本南部,最大风速达70 m/s,北京正处于该西风急流入口区西侧,有明显的风速切变和下沉运动,其中22日还存在极峰急流,北京刚好位于极峰急流的出口区与西风急流的入口区,垂直运动很强,这种辐合下沉运动常常是平流层空气向对流层下传的重要动力机制。北京上空主要为偏西偏北风,对应辐合下沉区,初步表明臭氧次峰值的出现与平流层空气的下传有关。

3.2对流层顶高度的变化

平流层—对流层交换的主要原因之一是由于对流层顶高度的变化(杨双艳等,2012),动力学定义位涡(potential vorticity,PV)阈值是1.6～2 PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)的区域为对流层顶,臭氧对流层顶则对应于臭氧分压的垂直梯度发生跃变,混合比超过80×10-9(Bethan et al.,1996),动力位涡和臭氧分压的物理变化意义是相同的。王庚辰等(2006)的研究表明,冬季臭氧层顶与动力学对流层顶高度较为接近,因此本文选取动力学对流层顶进行研究。采用NCEP资料计算对流层顶高度,结果见表1。可见,臭氧次峰值大小与对流层顶高度有负相关关系,当对流层顶较低时,平流层、对流层交换强烈,有较多的臭氧会从平流层向下输送并有可能进入对流层,从而造成臭氧次峰值在上对流层、下平流层(upper troposphere and lower stratosphere,UTLS)区域出现。这一阶段动力学对流层顶的变化与臭氧探空结果以及之前的天气诊断分析结果一致,冷空气的南下使得对流层顶降低,从而造成UTLS区域臭氧值升高。

3.3位势涡度场分析

研究表明,高臭氧、低水汽、高位势涡度是平流层有强烈下沉运动的标志(Browell et al.,1987)。因此,为更好地确定此次臭氧次峰值现象是平流层空气向对流层输送的结果,分析位势涡度变化是十分必要的。图6给出了300 hPa高度上2008年1月平均位涡的分布情况。可以看出,最大位涡中心位于日本东北部,高值的位涡舌向西延伸。研究表明,PV的高值区通常出现在急流北部边缘,此处平流层下沉活动活跃(Davies and Schuepbach,1994)。图6中,高位涡中心区南部的高位涡梯度区正好对应于西风急流区北侧边缘,北京位于高PV值区与低PV值区的过渡区,且此处PV值变化剧烈;同时,其PV值约为2.0 PVU。若定义动力学对流层顶的阈值为1.6,则2008年冬季北京上空位涡值正好在动力学对流层顶的阈值附近,因而其上空对流层顶高度变化剧烈,出现对流层顶的折叠现象。表1中,观测日的动力学对流层顶几乎都低于10 km,表明北京地区上空的对流层顶发生了显著的折叠现象。因此,这次臭氧次峰值现象的存在与副热带急流向极一侧的风速切变、垂直运动有密切关系,在其影响下产生高PV值,这是平流层—对流层交换的动力机制。

表12008年1、2月臭氧观测日对流层顶高度及对应臭氧次峰值大小、高度

Table 1Tropopause height,ozone peak value and height on the observational day in January and February 2008

日期动力学对流层顶高度/km臭氧次峰值大小/mPa臭氧次峰值高度/km1月8日9.0616.8513.141月15日10.0310.2910.511月22日8.9814.1913.231月29日10.2610.9410.322月5日8.2515.3212.372月20日7.8517.3114.48

图6　300 hPa高度上2008年1月平均位涡的分布(单位:PVU;1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1)Fig.6　Distribution of average potential vorticity at 300 hPa in January 2008(units:PVU;1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1)

4结论与讨论

利用GPSO3臭氧探空系统获取北京上空2002—2008年的规范化臭氧垂直分布资料,并对其进行初步研究,发现2008年冬季雪灾期间臭氧垂直分布廓线持续存在次峰值现象及臭氧含量异常现象,同时期日本TATENO站的臭氧探空廓线也表明该次峰值现象存在,因此本文从天气学诊断和平流层空气运动及其与对流层相互作用的角度分析了该现象的成因。

综合天气环流背景的客观分析以及高空位势涡度、对流层顶高度等的分析,2008年雪灾这一特殊时期臭氧垂直分布中持续出现的臭氧次峰值现象及臭氧含量异常现象的主要形成原因是:1)由该阶段特殊的天气环流背景引起,即乌拉尔阻塞高压较长时间存在,同时贝加尔湖至巴尔喀什湖有一个横槽存在,里海以东长期维持一个切断低压。北京处于这种多个天气系统同时长期存在并相互配合的冷空气活跃的环境中,其上空平流层空气下沉活动强烈。2)臭氧次峰出现高度有副热带急流存在,急流北侧边缘有强烈的风速切变和下沉运动,北京正位于其入口区左侧(强烈的下沉辐合区),有利于臭氧次峰值的出现。3)臭氧次峰值大小与对流层顶高度有反相关关系,当对流层顶较低时,平流层—对流层交换强烈,有较多的臭氧会从平流层向下输送,2008年北京上空对流层顶整体偏低,STE活跃。4)北京位于PV高值区与低值区之间且PV值变化剧烈的位置,位涡值超过1.5 PVU,表明北京上空平流层空气有明显的下沉运动,反映了对流层顶的折叠,意味着平流层—对流层交换的存在。

此次2008年雪灾期间臭氧垂直分布中持续出现的臭氧次峰值现象是平流层—对流层交换的结果,与对流层顶折叠,以及切断低压、西风急流、中纬度气旋活动有着密切的联系,是典型的平流层空气下传及其与对流层相互作用的过程,作为一次典型的个例,成功建立了冷空气活动和臭氧垂直分布特征之间的联系。伴随着冷空气的南下,UTLS区域臭氧浓度会相应增加,这为进一步认识寒冷天气下臭氧的分布、变化特征提供了依据。2008年臭氧异常—对流层臭氧含量增多、主峰和次峰值的增大以及臭氧层顶高度的下降等,实际上正是北京上空较长时间受极地气团控制的佐证,为臭氧垂直分布明显的极地型特征提供了一定的依据。这里只使用了北京地区的探空资料,但是结果表明这次冷空气的影响范围很广,涉及到东亚大部分地区,臭氧的次峰值现象也在日本得到了印证,如果使用更大范围、更加精确的卫星、再分析或模式资料,就可以进一步确立不同的天气活动过程与臭氧垂直分布变化的关系,进而为天气过程的预测提供新的依据。

致谢:中国科学院大气物理研究所陈洪滨研究员、吕达仁研究员、王庚辰研究员、宣越键研究员和万晓伟高工在北京臭氧探空数据方面给予支持,谨致谢忱!

参考文献：

Baray J L,Ancellet G,Taupin F G,et al.1998.Subtropical tropopause break as a possible stratospheric source of ozone in the tropical troposphere[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,60(1):27-36.

Bethan S,Vaughan G,Reid S J.1996.A comparison of ozone and thermal tropopause heights and the impact of tropopause definition on quantifying the ozone content of the troposphere[J].Quart J Roy Meteor Soc,122(532):929-944.

Bian J,Gettelman A,Chen H,et al.2007.Validation of satellite ozone profile retrievals using Beijing ozonesonde data [J]. J Geophys Res,112(D6),D06305.doi:10.1029/2006JD007502.

Birner T.2006.Fine-scale structure of the extratropical tropopause region[J].J Geophys Res,111(D4),D04104.doi:10.1029/2005JD006301.

Browell E,Danielsen E,Ismail S,et al.1987.Tropopause fold structure determined from airborne lidar and in situ measurements[J].J Geophys Res,92(D2):2112-2120.

Chan C Y,Chan L Y,Harris J M,et al.2003a.Characteristics of biomass burning emission sources,transport,and chemical speciation in enhanced springtime tropospheric ozone profile over Hong Kong[J].J Geophys Res,108(D1),4015.doi:10.1029/2001JD001555.

Chan C Y,Chan L Y,Chang W L,et al.2003b.Characteristics of a tropospheric ozone profile and implications for the origin of ozone over subtropical China in the spring of 2001[J].J Geophys Res,108(D20),8800.doi:10.1029/2003JD003427.

崔宏,赵春生,郑向东,等.2005.2001年春季临安地区对流层臭氧异常增加的一次过程分析[J].大气科学,29(2):259-266.Cui Hong,Zhao Chunsheng,Zheng Xiangdong,et al.2005.Analysis of an extraordinary tropospheric ozone enhancement event at Lin-An in the Spring of 2001[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,29(2):259-266.(in Chinese).

Davies T D,Schuepbach E.1994.Episodes of high ozone concentrations at the earth’s surface resulting from transport down from the upper troposphere/lower stratosphere:A review and case studies[J].Atmospheric Environment,28(1):53-68.

Ding A,Wang T.2006.Influence of stratosphere-to-troposphere exchange on the seasonal cycle of surface ozone at Mount Waliguan in western China[J].Geophys Res Lett,33(3),L03803.doi:10.1029/2005GL024760.

Langford A O.1999.Stratosphere-troposphere exchange at the subtropical jet:Contribution to the tropospheric ozone budget at midlatitudes[J].Geophys Res Lett,26(16):2449-2452.

刘毅,赵燕华,管兆勇.2008.平流层环流异常对2008年1月雪灾过程的影响[J].气候与环境研究,13(4):548-555.Liu Yi,Zhao Yanhua,Guan Zhaoyong.2008.Influences of stratospheric circulation anomalies on tropospheric weather of the heavy snowfall in January 2008[J].Climatic and Environmental Research,13(4):548-555.(in Chinese).

吕达仁,陈泽宇,卞建春,等.2008.平流层—对流层相互作用的多尺度过程特征及其与天气气候关系——研究进展[J].大气科学,32(4):782-792.Lü Daren,Chen Zeyu,Bian Jianchun,et al.2008.Advances in researches on the characteristics of multi-scale processes of interactions between the stratosphere and the troposphere and its relations with weather and climate [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,32(4):782-792.(in Chinese).

彭艳,王钊,刘安麟,等.2010.2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨[J].大气科学学报,33(5):634-637.Peng Yan,Wang Zhao,Liu Anlin,et al.2010.Characteristics of the freezing rain/heavy snow process in south China and the anomalies of atmospheric circulation over east Asian January 2008[J].Transactions of Atmospheric Sciences,33(5):634-637.(in Chinese).

Reid S J,Vaughan G.1991.Lamination in ozone profiles in the lower stratosphere[J].Quart J Roy Meteor Soc,117(500):825-844.

石广玉,白宇波,岩坂泰信,等.2000.拉萨上空大气臭氧垂直分布的高空气球探测[J].地球科学进展,15(5):522-524.Shi Guangyu,Bai Yubo,Yasunobu Iwasaka,et al.2000.A balloon measurement of the ozone vertical distribution over Lahsa [J].Advances in Earth Sciences,15(5):522-524.(in Chinese).

王庚辰,孔琴心,陈洪滨,等.2004.北京上空大气臭氧垂直分布的特征[J].地球科学进展,19(5):743-748.Wang Gengchen,Kong Qinxin,Chen Hongbing,et al.2004.Characteristics of ozone vertical distribution in the atmosphere over Beijing [J].Advances in Earth Sciences,19(5):743-748.(in Chinese).

王庚辰,孔琴心,陈洪滨.2006.北京地区对流层顶变化及其对上对流层/下平流层区域臭氧变化的影响[J].大气科学,30(4):587-595.Wang Gengchen,Kong Qinxin,Chen Hongbing.2006.Variation of the tropopause height and its influence on ozone variation in upper troposphere/lower stratosphere over Beijing[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,30(4):587-595.(in Chinese).

Wang T,Lam K S,Lee A S Y,et al.1998.Meteorological and chemical characteristics of the photochemical ozone episodes observed at cape D’Aguilar in Hong Kong[J].J Appl Meteor,37(10):1167-1178.

Wang T,Wu Y Y,Cheung T F,et al.2001.A study of surface ozone and the relation to complex wind flow in Hong Kong[J].Atmos Environ,35(18):3203-3215.

王卫国,罗燕,陈鲁言,等.2004.中国西南上空大气臭氧垂直分布的结构特征[J].云南大学学报:自然科学版,26(4):315-319.Wang Weiguo,Luo Yan,Chen Luyan,et al.2004.A structural measurement of ozone vertical distribution in spring over Kunming[J].Journal of Yunnan University:Natural Sciences,26(4):315-319.(in Chinese).

韦惠红,郑有飞.2006.我国臭氧总量的时空分布特征[J].南京气象学院学报,29(3):390-395.Wei Huihong,Zheng Youfei.2006.Analysis of the temporal and spatial distributions of the total ozone over China[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology,29(3):390-395.(in Chinese).

吴瑞霞,浦一芬,张美根,等.2005.北京市夏季臭氧变化特征的观测研究[J].南京气象学院学报,28(5):690-694.Wu Ruixia,Pu Yifen,Zhang Meigen,et al.2005.Analysis of O3vertical variation in summer in Beijing area[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology,28(5):690-694.(in Chinese).

宣越健,马舒庆,陈洪滨,等.2004.国产GPSO3与芬兰Vaisala臭氧探空仪的比对试验[J].高原气象,23(3):394-399.Xuan Yuejian,Ma Shuqin,Chen Hongbin,et al.2004.Intercomparisons of GPSO3 and Vaisala ECC Ozone Sondes [J].Plateau Meteorology,23(3):394-399.(in Chinese).

杨双艳,周顺武,张人禾,等.2012.青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系[J].大气科学学报,35(4):438-447.Yang Shuangyan,Zhou Shunwu,Zhang Renhe,et al.2012.Coupling relationship between tropopause height and total ozone as well as ascending motion over the Tibetan Plateau[J].Transactions of Atmospheric Sciences,35(4):438-447.(in Chinese).

张韧,洪梅,刘科峰,等.2012.2007/2008年冬季雨雪冰冻灾害等副热带高压环流背景与变异特征[J].大气科学学报,35(1):1-9.Zhang Ren,Hong Mei,Liu Kefeng,et al.2012.Subtropical high circulation background and its variation characters in a serious cold rain-snow frost disaster in winter of 2007/2008[J].Transactions of Atmospheric Sciences,35(1):1-9.(in Chinese).

郑向东,周秀骥,秦瑜,等.2003.一次对流层异常臭氧次峰的观测研究及其动力输送过程的分析[J].气象学报,61(3):257-266.Zheng Xiangdong,Zhou Xiuji,Qin Yu,et al.2003.Analysis for a case of ozone downward transport from stratosphere to troposphere as observed over Xining,China[J].Acta Meteorologica Sinica,61(3):257-266.(in Chinese).

郑向东,陈尊裕,崔宏,等.2004.长江三角洲地区春季低空大气臭氧垂直分布特征[J].中国科学D辑:地球科学,34(12):1184-1192.Zheng Xiangdong,Chen Zunyu,Cui Hong,et al.2004.Characteristics of lower atmospheric ozone vertical distribution above the Yangtze Delta area during spring[J].Science in China Ser.D:Earth Sciences,34(12):1184-1192.(in Chinese).

郑永光,陈鲁言,陈尊裕,等.2005.2001年春季临安、昆明和香港臭氧垂直分布特征的对比分析[J].北京大学学报:自然科学版,41(1):104-114.Zheng Yongguang,Chen Luyan,Chen Zunyu,et al.2005.Comparision of characteristics of ozone vertical distribution above Lin’an,Kuming and Hong Kong during spring 2001[J].Acta Scientianrum Naturalium Universitatis Pekinensis,41(1):104-114.(in Chinese).

宗雪梅,王庚辰,陈洪滨,等.2007.北京地区边界层大气臭氧浓度变化特征分析[J].环境科学,28(11):2615-2619.Zong Xuemei,Wang Gengchen,Chen Hongbin,et al.2007.Analysis on concentration variety characteristics of atmospheric ozone under the boundary layer in Beijing[J].Environmental Science,28(11):2615-2619.(in Chinese).

(责任编辑：倪东鸿)

施春华,常舒捷,沈新勇，等.2015.夏季云顶高于对流层顶事件对东亚天气型及上对流层—下平流层大气结构的影响[J].大气科学学报,38(6):804-810.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150123002.

Shi Chun-hua,Chang Shu-jie,Shen Xin-yong,et al.2015.The effects of cloud top above tropopause events on the structures of the upper troposphere and lower stratosphere in summer over East Asia[J].Trans Atmos Sci,38(6):804-810.(in Chinese).

Anomalous feature of ozone in upper troposphere/lower

stratosphere over Beijing in winter 2008

ZHAO Qian1,2,LIU Yi2,GUAN Zhao-yong1,LU Chun-hui3,CAI Zhao-nan2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of

Sciences,Beijing 100029,China;3.Laboratory for Climate Studies,National Climate Center,Beijing 100081,China)

Abstract:Using the ozone sonde data derived from GPSO3 ozone sounding system and the NCEP reanalysis data,this paper investigated the persistent ozone peak phenomenon and the abnormal ozone content in the range of 10—14 km height over Beijing in winter 2008 by analyzing the weather situations,atmospheric circulations,upper potential vorticity variations and changes of tropopause height.Results show that,during the special period when there was a snow disaster in South China in 2008,the main reasons of phenomenon of the ozone peak and abnormal content are the strong downward movement of stratospheric air and the stratosphere-troposphere exchange(STE).The ozone downward transport from stratosphere to troposphere is due to the special weather background,including the long time maintenance of the Ural blocking high,the stable existence of the transverse trough between Lake Baikal and Lake Balkhash,and the long-term maintenance of the cut-off low lying on the eastern of the Caspian Sea,leading to the stably southward movement of cold air to affect the vertical ozone distribution over Beijing.Synchronously,with appearance of the subtropical westerly jet,Beijing is located at the left side of the jet entrance areas,and there is a strong convergent and downward movement in upper levels,which is helpful to the air downward transport from stratosphere to troposphere.To sum up,the phenomena of ozone peak and abnormal ozone content shows that the movement of stratospheric air and the STE is much more active over Beijing under the influence of cold air process.

Key words:ozone sounding;ozone peak;stratosphere-troposphere exchange;tropopause folding;westerly jet

通信作者：施春华，博士，副教授，研究方向为天气学，shi@nuist.edu.cn.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB428600;2015CB453200);国家自然科学基金资助项目(41375047;41375058;41305039;91537213;41575040);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

收稿日期：2015-01-23；改回日期：2015-03-02

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130612019

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)06-0796-08P412.2

文献标志码：A