北极Alert市春季对流层臭氧耗损现象的终止机理研究

The tropospheric ozone depletion event (ODE) in the coastal Arctic has a large impact on the lives of the earth and the climate in Arctic. However, the reasons why the ODE comes to the end are still not clear. Thus, in this program, we plan to use a 3-D meteorological model with the coupling of a detailed reaction mechanism and the atmospheric dynamic processes, to simulate a termination of the ODE observed in the city Alert in Arctic. We aim to find out the major factors causing the termination of the ODE in Alert under different meteorological conditions. In this program, we plan to use the observational data from the field campaign Alert2000 and the results obtained in other models to validate the simulation results of the present model. Moreover, sensitivity analyses are planned for investigating the influence caused by the complex terrain of the south of Alert, type change of the underlying surface and the variation of the local structure of the boundary layer on the termination of the ODE. By doing that, we are able to examine the significance of each factor on the termination of the ODE. In addition, the importance of other factors such as different chemical reactions, turbulent mixing in the boundary layer and local emissions for the termination of the ODE are also studied, so that other physical and chemical mechanisms which can possibly cause the end of the ODE can be discovered.

北极沿海地区春季对流层中的臭氧耗损现象对于地球上的生物及当地的气候环境都有重要影响，然而目前为止科学界对于该现象终止的原因仍认识不足。因此，本项目拟使用耦合了精细化学反应机理及大气动力过程的三维气象模式，对北极Alert市所观测到的一次臭氧耗损现象的终止过程进行数值模拟的研究，从而探寻在各种气象条件下导致北极Alert市臭氧耗损现象终止的主要因素。本项目拟在利用外场观测数据以及其他模式结果对计算进行校核的基础上，对已提出的三种可能终止Alert市对流层臭氧耗损现象的机制：复杂地形的影响、下垫面类型的改变以及局地边界层结构的变化进行敏感性试验，以检验这些因素在不同气象条件下对于臭氧耗损现象的终止过程的重要性。此外，本项目还拟对本地化学反应、边界层湍流混合以及各类排放源对于臭氧耗损的终止过程的影响进行相应的研究，以寻找其他可能导致Alert市臭氧耗损现象结束的物理化学机制。

北极对流层的臭氧耗损现象（Ozone Depletion Event，ODE）的终止过程受到多种物理及化学机制的影响。本项目以北极Alert市为例，开展了在空间微尺度下，复杂地形条件下的关于风场变化和臭氧耗损现象终止过程的三维数值研究，以辨明可导致北极臭氧耗损现象终止的主导因素。主要结论如下：北极Alert市风向为南风时，来自南方的风需越过高度约700m的山峰，在山峰迎风坡处，由于地形的强迫抬升，使得风速增大，而风吹过山峰后在背风坡有衰减趋势，且不同高度的山峰造成的风速衰减程度不同。坡度越高，风速衰减越大。当发生北极臭氧耗损现象时，风吹过山峰时会使研究区域底部具有极低臭氧浓度的空气抬升，与高空具有较高浓度臭氧的空气产生混合。而背风坡处的下沉气流则会将高空处具有高浓度臭氧的空气与近地面具有低浓度臭氧的空气进行混合，从而导致背风坡臭氧浓度增加以及臭氧耗损现象的终止。此外，研究中还发现，该由于地形变化所引起的臭氧耗损现象终止的时间尺度约为1~2小时。