极区能量粒子沉降与臭氧损耗的关联关系研究

The impact of the energetic precipitation particles from the open magnetospheric field region on the climate system of the Earth is an area of current scientific focus that links to the global climate change. Being based on energetic particle detections and satellite global ozone observations, this project is to analyse interannual high latitude ozone depletion corresponding to energetic particle precipitation (EPP) in the polar region and the quantitative correlation between them. Applying the specific ion chemical reaction theory and the quantitative correlation of the observations, the project is to do data assimilation of atmospheric chemistry model which describes how EPP affects ozone content in the polar region. According to the investigation of extreme space weather events and chemistry-climate models, applying the data assimilation model, the project is to estimate the EPP's effect on high latitude ozone content during severe space weather storm days and the surface temperature variations in the polar region.

从极区的开放磁力线区域进入地球大气的能量沉降粒子对地球气候系统的影响是目前全球气候变化研究的前沿热点。本项目基于卫星的能量粒子全球探测资料和臭氧全球观测资料，分析年际尺度上高纬地区臭氧含量损耗对极区能量粒子沉降的响应和两者之间的量化关联关系；根据已有的离子化学反应理论和实测数据的关联规律，对大气化学模式进行数据同化及修正；根据已有的极端空间天气事件研究和化学－气候模式，结合得到的数据同化模式，评估极端空间天气事件中极区能量粒子沉降对高纬地区臭氧含量的影响及其对极区气温带来的变化。

项目组基于太阳活动期间极区粒子沉降会在中层大气中产生奇氮物质从而导致臭氧损耗的原理出发，开展了风云卫星粒子、臭氧监测数据以及ENVISAT卫星臭氧监测载荷（MIPAS、GOMOS）监测数据的收集整理工作，形成本项目可以使用的粒子和臭氧分析数据集；开展了极区粒子沉降对于高纬臭氧含量影响的长期趋势分析，以及与太阳紫外辐射对上层大气中臭氧变化贡献的对比研究，研究结果认为在高纬地区30km高度以上区域，粒子沉降的作用与太阳紫外辐射的作用是在同一量级的，是可以相比拟的，南半球高纬地区10hPa以上区域粒子沉降的作用较北半球显著，数据中的半球差异是由于当地大气光化学条件、大气运动条件和地磁条件所决定的；开展了2012年超强太阳质子事件、2004年长寿命相对论性电子暴事件对于高纬臭氧含量的短期事例分析工作，结果显示这种短期强烈的粒子沉降事件会对中层大气中臭氧产生明显的影响，并且存在半球差异，这是由于南北半球处于不同季节引起的；在模式模拟研究中建立了粒子谱计算方法和大气模式数据同化方法，确定了类“卡林顿事件”的极端空间天气事件中的粒子强度参数，应用WACCM模式对于极端空间天气事件对于高纬地区臭氧总含量和极区地面气温的影响开展了初步的模拟研究，研究结果显示高纬地区臭氧总量受到小于5%的损耗扰动并且持续数月，存在由于季节因素引起的半球差异，极区地面平均气温升幅在1K以下，北半球比南半球显著，部分区域温度变幅约2-3K。