2008年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系.pdf

DOI 10.12006/j.issn.1673-1719.2019.061王晴 , 黃富祥 , 夏學齊 . 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系 [J]. 氣候變化研究進展 , 2019, 15 4 385-394Wang Q, Huang F X, Xia X Q. Reversal trends of atmospheric temperature in spring over the Tibetan Plateau after 2008 and possible links with total ozone trends [J]. Climate Change Research, 2019, 15 4 385-3942008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系王 晴1,2, 黃富祥2,3, 夏學齊11 中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083；2 中國氣象局國家衛星氣象中心，北京 100081；3 中國氣象局中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室，北京 100081氣候變化研究進展第 15 卷 第 4 期 2019 年 7 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 4July 2019摘 要 利用 ERA-Interim 和 MERRA-2 再分析資料，考察 1980 2017 年青藏高原大氣溫度變化趨勢和規律，年、季、月不同時間尺度分析結果均揭示 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度變化呈現逆轉趨勢高原上空平流層下部 150 ～ 50 hPa 呈現明顯的增溫趨勢（ 1.0 ～ 2.7℃ /10a，對流層上部 300 ～ 175 hPa 呈現明顯的降溫趨勢（- 3.1 ～- 1.0℃ /10a，這與此前的大氣溫度變化趨勢完全相反。利用 TOMS 和 OMI 衛星臭氧遙感資料，考察同期青藏高原臭氧總量變化特征，表明 2008 年以來青藏高原臭氧總量也表現出逆轉的增加趨勢，與大氣溫度逆轉趨勢吻合，從冬末至春季各月均有顯著增加趨勢，尤以 5 月臭氧總量增加速率最大，達 13.7 DU/10a。青藏高原春季大氣溫度變化趨勢與同期臭氧總量變化特征緊密相關， 2008 年后臭氧總量的快速恢復可能是引起大氣溫度逆轉趨勢的一個重要影響因素。關鍵詞 再分析資料；衛星遙感；大氣溫度；臭氧總量；變化趨勢收稿日期 2019-03-21； 修回日期 2019-04-15資助項目 國家自然科學基金（ 41675031， 41275035；國家重點研發計劃（ 2016YFB0502501）作者簡介 王晴，女，碩士研究生；黃富祥（通信作者 ，男，研究員， 引 言作為全球第三極的青藏高原，其氣候變化相關問題是大氣科學長期以來的研究熱點。大量研究關注青藏高原溫度變化趨勢問題。許多學者利用臺站觀測[1-6,7]、氣候再分析資料[2-3,8]、衛星遙感[3,9]等不同來源數據，考察青藏高原地表或大氣溫度的長期變化趨勢和過程。 Zou 等[7]利用ERA-Interim 資料發現， 1979 2010 年青藏高原地表溫度以 0.33℃ /10a 的速率持續增溫； Liu 等[4]利用 1971 2015 年 88 個臺站月平均溫度資料研究發現，青藏高原月最低溫度增溫速率最快，其次是月平均溫度，月最高溫度增溫速率最慢； Liu等[8]通過與北半球和全球平均溫度相比較發現，青藏高原的增溫趨勢出現得更早，并且增溫速率也更快。然而青藏高原大氣溫度在平流層和對流層呈現完全不同的趨勢，平流層中層到對流層上部溫度長期呈現降溫趨勢，而對流層中下部則長期呈現增溫趨勢[5]。自周秀驥等[10]和 Zhou 等[11]利用 TOMS 資氣候變化研究進展 2019 年386氣 候 系 統 變 化料發現青藏高原在夏季 6 9 月成為臭氧總量低值中心以來，大量研究開始關注青藏高原臭氧低值、臭氧總量變化過程。 Zou[12]利用 1979 1991 年數據發現臭氧總量呈現減少趨勢，各月減少速率為1.7 ～ 17.9 DU/10a； Chen 等[13]利用長時間臭氧總量序列發現， 1996 年以來，臭氧總量的減少速率開始放緩，直到 2003 年出現增長趨勢。與此同時，學者們也注意到大氣溫度變化可能與臭氧總量變化緊密相關[14-15]， Zhang 等[5]和 Zhou 等[16]在分析青藏高原溫度變化與臭氧總量變化過程基礎上，提出高原上空臭氧總量急劇減少是導致大氣溫度變化特征幅度顯著高于全球平均變化幅度的一個重要原因。為深入探究臭氧總量和大氣溫度變化之間的可能聯系，本文利用 1980 2017 年大氣溫度再分析資料，結合同期臭氧總量數據，對比考察青藏高原 2008 年前后大氣溫度的變化趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系。1 資料和方法本文使用的資料有 ERA-Interim 月平均大氣溫度再分析資料，由歐洲中尺度天氣預報中心 ECMWF（ European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）提供，空間分辨率為 0.5° N 0.5° E。作為對比和驗證，同時使用 MERRA-2 再分析資料作為獨立數據源進行分析。 MERRA-2 再分析資料由美國國家航空航天局 NASA（ National Aeronautics and Space Administration）提供，空間分辨率為 0.5° N 0.625 ° E。使用的臭氧總量數據來自 NASA 臭氧總量探測儀 TOMS（ Total Ozone Mapping Spectrometer）和臭氧監測儀 OMI（ Ozone Monitoring Instrument）組成的臭氧總量月平均數據集。 TOMS 數據的空間分辨率為 1.25° N 1° E，時間段為 1980 年1 月至 2005 年 12 月，其中 1993 年 5 月至 1996年 6 月存在數據缺失； OMI 數據空間分辨率為0.25° N 0.25° E，時間段為 2004 年 10 月至 2018年 2 月。在兩種數據交叉觀測期 2004 年 10 月至2005 年 12 月，使用公式 1 對青藏高原數據一致性進行了對比和評估[17]。其中 Y 表示差異百分率，X1 表示 TOMS 數據， X2 表示 OMI 數據， t 表示月份。結果如圖 1 所示，兩種數據的差異百分率在± 3 以內，尤其是在春季月份（ 3 5 月，差異一般在 ± 2 以內，可以認為在高原這兩種衛星遙感數據具有良好一致性，能夠用于臭氧總量變化趨勢分析。Yt 100。 1 X1t - X2t[X1t X2t]/23203002802602403210-1-2臭氧總量/DU數據差異百分率/2014 年 10 月OMITOMS數據差異百分率2015 年 1 月2015 年 4 月2015 年 10 月2015 年 7 月圖 1 青藏高原地區 TOMS 和 OMI 臭氧總量數據差異對比Fig. 1 Comparison of total ozone between TOMS and OMI over the Tibetan Plateau本文選取的青藏高原研究范圍為 27.5 °～ 37.5° N， 75.5°～ 104.5° E，再分析資料選取的大氣高度層為 50 hPa、 70 hPa、 100 hPa、 125 hPa、150 hPa、 175 hPa、 200 hPa、 225 hPa、 250 hPa和 300 hPa。選取數據時間段統一為 1980 年 1 月至 2018 年 2 月。其中將 3 5 月、 6 8 月、 911 月和 12 月至次年 2 月分別劃定為春、夏、秋、冬季節，進行季節趨勢的分析。在分析過程中利用各層大氣溫度資料和臭氧總量資料進行趨勢分析，發現轉折點主要在 2007 2008 年，因此將2008 年劃分為時間節點，研究大氣溫度在 19802007 年和 2008 2017 年之間的變化過程。關于再分析資料在青藏高原的適用性問題，周順武等[18]在 2009 年利用 NCEP 再分析資料分析青藏高原溫度變化趨勢時提出 NCEP 數據可能導致虛假趨勢，但是更多的研究表明，利用再分析資料進行趨勢分析結果是可以信賴的[19-21]。本4 期 387王晴，等 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系文使用歐洲和美國再分析資料，相互對比和驗證趨勢分析結果，也是為了提高分析結果的可靠性。2 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢利用 ERA-Interim 和 MERRA-2 再分析資料，評估青藏高原上空大氣溫度變化過程和趨勢。從圖 2 可見， 1980 2007 年，青藏高原大氣在平流層上部 150 ～ 50 hPa 呈現降溫趨勢，變化率未超過 - 0.8 ℃ /10a；在對流層上部 300 ～ 200 hPa 呈現增溫趨勢，變化率未超過 0.5 ℃ /10a。而 2008 年以來青藏高原上空大氣溫度變化趨勢則發生與 1980 2007 年完全相反的趨勢，即150 ～ 100 hPa 處大氣呈現增溫趨勢，變化率達到圖 2 青藏高原年平均大氣溫度變化趨勢Fig. 2 Trends of annual mean atmospheric temperature over the Tibetan Plateau0.38 ～ 0.6℃ /10a，而 250 ～ 200 hPa 高度處大氣呈現降溫趨勢，變化率達到 - 0.3 ～- 0.2℃ /10a。從圖 3 可進一步看到，青藏高原上空大氣溫度變化逆轉趨勢主要發生在春季，溫度變化過程更加清晰， 2008 2017 年 150 ～ 70 hPa 大氣增溫變化率達 0.4 ～ 1.7 ℃ /10a，其中 ERA-Interim數據的最大增溫趨勢出現在 100 hPa 高度處，變化率為 1.7 ℃ /10a； MERRA-2 在 100 hPa 高度處的大氣溫度變化率也達到 1.6℃ /10a。 300 ～ 200 hPa 大氣降溫變化率達到 - 1.1 ～- 0.2℃ /10a。其中 ERA-Interim 數據在 225 hPa 高度處大氣降溫最為顯著，變化率達- 1.1℃ /10a； MERRA-2 數據在 250 hPa 高度處大氣降溫最為顯著，變化率達- 1.0℃ /10a。而其他季節則沒有明顯的大氣溫度逆轉趨勢。5070100125150175200225250300-0.9 -0.3-0.6 0.90.3 0.60 -0.9 -0.3-0.6 0.90.3 0.601980 2007 年 2008 2017 年高度/hPa5070100150200250300高度/hPaa ERA-Interim b MERRA-2趨勢變化率 /℃ /10a 趨勢變化率 /℃ /氣候變化研究進展 2019 年388氣 候 系 統 變 化圖 3 青藏高原四季大氣溫度變化趨勢Fig. 3 Trends of seasonal atmospheric temperature over the Tibetan Plateau注圖中陰影表示通過 0.05 的顯著性檢驗；變化趨勢單位為℃ /10a。5070100125150175200225250300高度/hPaa b 春 夏 秋 冬季ERA-Interim MERRA-21980 2007 年2008 2017 年c d 春 夏 秋 冬季5070100150200250300高度/hPa5070100125150175200225250300高度/hPa5070100150200250300高度/hPa春 夏 秋 冬季 春 夏 秋 冬季圖 4 則清晰地顯示，青藏高原上空大氣溫度變化的逆轉趨勢在 1 5 月份均有反映。 20082017 年 150 ～ 50 hPa 大氣增溫（ 1.0 ～ 2.7℃ /10a，300 ～ 175 hPa 大氣降溫（- 3.1 ～- 1.0 ℃ /10a。其中增溫大值區出現在 2 月 100 hPa 高度處，變化率為 2.7℃ /10a。降溫大值區出現在 2 月 225 hPa高度處，變化率達到 - 3.1℃ /10a。由圖 4 可見，在 1980 2007 年和 20082017 年內，大氣溫度在 5 月均發生較為明顯的溫度逆轉趨勢，因此選取 5 月 ERA-Interim 數據225 ～ 200 hPa 的平均溫度變化過程進行分析，結果如圖 5 所示。 5 月 225 ～ 200 hPa 高度內的平均溫度在 2008 年左右發生明顯逆轉，溫度變化率由1.0℃ /10a 逆轉為 - 2.1℃ /10a，并且兩個時間段內的變化趨勢均通過 0.1 的顯著性檢驗。綜上，在年、季、月時間尺度上， 19802007 年期間，青藏高原上空平流層 150 ～ 50 hPa 溫度呈現一致性降溫趨勢，而對流層上部300 ～ 175 hPa 大氣呈現一致性增溫趨勢。 2008年以來則呈現與此前完全相反的變化趨勢高原上空平流層 150 ～ 50 hPa 呈現明顯的增溫趨勢，對流層上部 300 ～ 175 hPa 大氣則呈降溫趨勢。4 期 389王晴，等 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系圖 4 青藏高原大氣溫度逐月變化趨勢（單位℃ /10a）Fig. 4 Trends of monthly atmospheric temperature over the Tibetan Plateau unit ℃ /10a5070100125150175200225250300高度/hPaa ERA-Interim MERRA-21980 2007 年2008 2017 年c d b 5070100150200250300高度/hPa1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月5070100125150175200225250300高度/hPa5070100150200250300高度/hPa圖 5 青藏高原 5 月 250 ～ 200 hPa 高度處平均大氣溫度變化Fig. 5 Changing trends of average atmospheric temperature in May in 250-200 hPa注兩個時間段的變化趨勢均通過 0.1 的顯著性檢驗。1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年-46-48-50-52-54溫度/℃y -51.49 0.10 xy -48.18 - 0.21x圖 6 青藏高原臭氧總量年變化趨勢Fig. 6 Trends of annual total ozone over the Tibetan Plateau1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年300290280270臭氧總量/DUy 287.84 - 0.52xy 273.83 0.32x3 同期青藏高原上空臭氧總量變化趨勢圖 6 給出青藏高原臭氧總量年變化趨勢，在 1980 2007 年期間，高原上空臭氧總量主要呈現減少趨勢，變化率為- 5.2 DU/10a；而在2008 2017 年期間則呈現增加趨勢，變化率為 3.2 DU/10a。從圖 7 可見，在 1980 2007 年期間，青藏高原上空臭氧總量在各個季節均呈現減少趨勢，冬春季比夏秋季明顯；而在 2008 2017 年期間，高原上空臭氧總量均呈現增加趨勢，亦呈現冬春季比夏秋季明顯的特征。圖 8 給出月平均的臭氧總量變化率，可見1980 2007 年期間高原上空臭氧總量各月均呈現氣候變化研究進展 2019 年390氣 候 系 統 變 化減少趨勢。但 2008 年以來高原臭氧總量在各月（除 11 月）均呈現增加趨勢，尤其是 5 月增加趨勢最顯著，變化率達 13.7 DU/10a。綜上可見，在年、季、月時間尺度上，青藏高原同期臭氧總量變化均由減少趨勢逆轉為增加趨勢，與大氣溫度逆轉趨勢相吻合。 2008 年以來，青藏高原春季臭氧總量增加趨勢明顯， 5 月變化率最大，在冬末至春季其他各月份也都有顯著增長趨勢。4 大氣溫度逆轉趨勢與臭氧總量變化之間的可能聯系研究表明，在通常情況下，大氣臭氧總量與平流層溫度呈現正相關，與對流層溫度呈現負相關。這是由于大氣臭氧對太陽紫外輻射的吸收加熱，是平流層大氣的主要熱源，然而臭氧對太陽紫外輻射吸收越多，進入對流層的太陽輻射就越少[14,22]。圖 9 給出青藏高原 1980 2007 年和2008 2017 年兩個時間段各月大氣臭氧總量與大氣溫度相關系數分布變化。從圖 9 可見，高原大氣臭氧總量與大氣溫度相關關系在兩個時間段都呈現出相同的規律在平流層下部 150 ～ 50 hPa，大氣溫度與臭氧總量圖 7 青藏高原臭氧總量四季變化趨勢Fig. 7 Trends of seasonal total ozone over the Tibetan Plateau1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年300280260240臭氧總量/DUy 290.71 - 0.68x y 276.02 0.62xy 269.10 - 0.29xy 262.54 0.07xy 307.96 - 0.74xy 286.37 0.73xy 282.62 - 0.37xy 269.89 0.22x1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年320300280240臭氧總量/DU260a b 春季 夏季秋季 冬季圖 8 青藏高原臭氧總量月變化趨勢Fig. 8 Trends of monthly total ozone over the Tibetan Plateau1 3 5 7 9 11 月15129630-3-6-9趨勢變化率/DU/10a1980 2007 年2008 2017 年呈正相關，其中 50 hPa 和 70 hPa 高度處，二者之間相關性最強，相關系數達到 0.6 ～ 0.8；在對流層上部 300 ～ 175 hPa，大氣溫度與臭氧總量呈負相關，其中在 2 月、 5 月和 10 月的 200 hPa 高度處相關性最強，相關系數為 - 0.6 ～- 0.4。從圖中可見，無論是 ERA-Interim 還是 MERRA-2 資料，無論是在 1980 2007 年還是 2008 2017 年臭氧減少或增加趨勢時期，高原大氣溫度與臭氧的相關關系基本保持穩定，即下平流層溫度與臭氧正相關，上對流層溫度與臭氧負相關。以 70 hPa 和 250 hPa 分別代表高原下平流層和上對流層大氣，圖 10 給出 1980 2017 年 5 月臭氧總量與平流層和對流層大氣溫度相關系數空間分布。從圖 10 可見，在青藏高原，大氣臭氧總量與下平流層和上對流層大氣溫度的相關關系，整體上均通過顯著性檢驗，但是仍具有空間上的差異性。在 70 hPa 高度，臭氧總量與大氣溫度之間的相關關系在高原西北部帕米爾高原達到最強，相關系數最大達到 0.89，而在高原南緣相關性稍弱，但相關系數也在 0.6 以上；在 250 hPa 高度，臭氧總量與大氣溫度相關系數大多在 - 0.8 ～- 0.6 之間，在高原中部相關系數最高達到 - 0.8，而在高原東北部相關性稍弱，相關系數也在 - 0.5 左右。從圖 9 和 10 可見， 1980 2017 年青藏高原春季臭氧總量與大氣溫度相關關系呈現一致性4 期 391王晴，等 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系圖 9 青藏高原臭氧總量與大氣溫度相關系數分布Fig. 9 Correlation coefficient between total ozone and atmospheric temperature over the Tibetan Plateau5070100125150175200225250300高度/hPaa ERA-Interim MERRA-21980 2007 年2008 2017 年c d b 5070100150200250300高度/hPa1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月5070100125150175200225250300高度/hPa5070100150200250300高度/hPa注淺色和深色陰影分別代表通過 0.1 和 0.01 的顯著性檢驗。臭氧總量與平流層下部大氣溫度呈正相關，而與對流層上部大氣溫度呈負相關。在 1980 2007 年期間，高原春季平流層下部大氣溫度呈下降趨勢，而對流層上部大氣溫度呈上升趨勢，與該期間臭氧總量減少趨勢相一致；而在 2008 2017 年，春季高原平流層下部大氣溫度上升、對流層上部溫度下降的逆轉趨勢與該階段高原臭氧總量迅速恢復的趨勢相吻合。因此，認為青藏高原 2008 年以來春季大氣溫度逆轉趨勢與同期高原臭氧總量停止減少而迅速恢復的趨勢緊密相關。5 結論與討論本文利用歐洲和美國氣候再分析資料，結合衛星臭氧遙感資料，揭示 2008 年以來青藏高原春季下平流層和上對流層大氣溫度逆轉趨勢。得到如下主要結論。1 年、季、月時間尺度上均顯示 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度變化呈現顯著的逆轉趨勢平流層下部 150 ～ 50 hPa 溫度由過去的降溫趨勢轉變成增溫趨勢，變化率高達1.0 ～ 2.7 ℃ /10a；而對流層上部 300 ～ 175 hPa溫度則由過去的增溫趨勢轉成降溫趨勢，變化率達到 - 3.1 ～- 1.0℃ /10a。2 同期高原上空大氣臭氧總量也由此前的減少趨勢逆轉為增加趨勢，從冬末到春季各月均有顯著增加趨勢，尤以 5 月臭氧增加幅度最大，達到 13.7 DU/10a。3 對大氣溫度與臭氧總量兩個數據序列之間的相關性分析表明，高原上空平流層溫度與臭氧氣候變化研究進展 2019 年392氣 候 系 統 變 化參考文獻You Q L, Kang S C, Aguilar E, et al. Changes in daily climate extremes in [1]圖 10 1980 2017 年 5 月青藏高原臭氧總量與大氣溫度相關系數空間分布Fig. 10 Spatial distribution of correlation coefficient between total ozone and atmospheric temperature in May over the Tibetan Plateau from 1980 to 2017注所有區域均通過 0.01 的顯著性檢驗。30?N75?E 90?E 105?E90?E 105?E40?N30?N40?N30?N30?N75?E 90?E 105?E90?E 105?E0.6 0.7 0.8 0.975?E 90?E 105?E 75?E 90?E 105?E90?E 105?E 90?E 105?E30?N40?N30?N30?N40?N30?N-0.5 -0.6 -0.7 -0.8N NN NERA-Interim MERRA-2a b c d 70 hPa250 hPa總量呈正相關，而對流層溫度與臭氧總量呈負相關。分析表明， 2008 年以來高原春季大氣溫度逆轉趨勢與臭氧變化緊密相關，臭氧總量的快速恢復可能是導致大氣溫度逆轉趨勢的重要因素之一。氣候變化是由包括臭氧總量變化在內的多個因素共同作用的結果，比如 CO2、太陽輻射、云等[23-25]。 2008 年以來青藏高原地區春季大氣溫度逆轉趨勢是由多種因素共同作用的結果，其中臭氧變化可能是一個重要的因素，但不是全部因素。未來將結合氣候模式，對高原春季大氣溫度逆轉趨勢進行歸因分析，給出臭氧總量及其他因素在大氣溫度逆轉趨勢中的貢獻率。雖然 2008 年以來，青藏高原臭氧總量在各個月份（除 11 月）均呈現增加趨勢，但相較于其他季節，臭氧總量在春季的增速最快，這種快速變化可能對下平流層和上對流層大氣溫度變化產生較大影響而導致溫度逆轉現象。而在其他季節，臭氧總量變化對大氣溫度的影響與其他因素相比，可能相對較小，從而導致其他季節并未表現出大氣溫度逆轉現象。393王晴，等 2008 年以來青藏高原春季大氣溫度逆轉趨勢及其與臭氧總量變化之間的可能聯系4 期 [15][16][18][17][19][4][3][5][2][9][7][8][6][10][11][20][21]Zhang J K, Tian W S, Xie F, et al. 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