东亚地区平流层化学-辐射-动力反馈及其对东亚地区天气气候的影响

Study of chemical-radiative-dynamical feedbacks in the atmosphere, particularly in the stratosphere, is important for better understanding climate effects of anthropogenic emissions. As a sensitive area of anthropogenic emissions and climate change, the study on the chemical-radiative-dynamical feedbacks in the stratosphere and their impacts on regional weather and climate over East Asia are not only leading-edge but also necessary for national needs. Many previous studies have focused on the radiative effects of greenhouse gases and aerosols. However, less attention was paid to the chemical-radiative-dynamical feedbacks of atmospheric composition and their impacts on weather and climate, and the knowledge of the chemical-radiative-dynamical feedbacks of atmospheric composition and their impacts on regional weather and climate over East Asia is particularly poor. This project will analyze the long-term trend of stratosphere and troposphere exchange over East Asia using observations, reanalysis data and numerical simulations, and then investigate the interactions and feedbacks between chemically and radiatively active gases and climate change. The project is also designed to investigate the characteristics of chemical-radiative-dynamical feedbacks and their impacts on the regional weather and climate over East Asia and reveal underlying mechanisms. Finally, the project will evaluate quantitatively the role of the chemistry-climate coupling over East Asia in global climate changes. Overall, this project is unique and innovative.

研究大气化学-辐射-动力反馈过程，特别是平流层内的这种反馈过程，对于深入理解人类排放对气候的影响具有重要意义。东亚地区作为人类排放和气候变化的敏感区域之一，研究平流层化学-辐射-动力反馈过程对该区域对流层天气气候的影响既是科学前沿，也符合国家需求。以往的相关研究侧重于温室气体和气溶胶的辐射效应，大气成分的化学-辐射-动力反馈及其对天气气候的影响没有得到足够重视，在东亚地区，平流层内的这种反馈过程及其对该区域天气气候的影响机理和程度尤其缺乏认识。本项目将从资料分析入手结合数值模式诊断东亚地区平流层对流层物质交换的长期变化趋势，在此基础上研究大气辐射化学活性成分与气候变化之间的相互影响和相互反馈；探讨东亚地区大气内的化学-辐射-动力反馈特征及其对该区域天气气候的影响，揭示其中的影响机制；同时定量评估东亚地区大气化学气候耦合在全球气候变化中的作用。项目研究内容具有特色和创新。

项目以东亚地区平流层化学-辐射-动力反馈及其对东亚地区天气气候的影响为主体研究内容，研究了东亚地区平流层对流层物质交换（STE）的时空变化特征及其对平流层和对流层内大气成分的影响；研究了东亚地区平流层内化学-辐射-动力过程对东亚地区大气成分和气候的影响；探讨了东亚地区对流层过程（海温，地表排放等）对全球大气成分的影响。. 项目的主要研究成果有三：1）发现青藏高原上空的STE占全球STE的3%,青藏高原上空净的穿越对流层顶质量通量（CTMF）存在一个强的波列结构。在1979-2009年期间，由于对流层顶高度抬升、西风急流增强及高原冬季风减弱等的综合作用，冬季青藏高原地区向上和向下的CTMF均显著增加。该研究成果加深了我们对东亚地区STE时空变化特征及其成因的理解；发现IASI和OMI两个卫星探测器观测的大气成分数据能够较好的反映亚洲夏季风（ASM）区域动力过程对上对流层下平流层（UTLS）区域大气成分空间分布的影响。该结果首次以观测数据验证了ASM区域动力过程对示踪气体时空分布的影响；发现在2003-2013年期间，平流层的向下输送对北京地区对流层臭氧总量增加的贡献约为20％；2）发现东亚地区地表氮氧化物排放增加会导致北半球中（低）纬度UTLS区域臭氧浓度的降低（升高），该变化进一步通过影响经向温度梯度从而引起副热带急流的减弱以及副极地西风急流的增强。该结果为合理评估人类排放对天气气候的影响提供了新的科学信息；3）发现东亚边缘海海温的升高会通过激发异常罗斯贝波导致南半球春季南极极涡增强、南极臭氧损耗加剧；发现东亚地区污染物可经过3-9天的时间传输到北极地区；项目研究还表明近三十年来冬季北极平流层极涡的偏移导致欧亚大陆地区臭氧柱总量减少、太阳紫外辐射增强。这些结果加深了我们对东亚地区化学-气候耦合对全球化学-气候耦合影响的认识。