文摘

极地平流层的最突出特点,极地涡流导致广泛的气候系统的变化,尤其是在臭氧变化。在这项研究中,极涡之间的联系和南极平流层臭氧损耗在1979 - 2016年期间调查;我们计算了平均总列臭氧在极地漩涡基于涡边缘(−28.8 PVU PV轮廓)而不是定义的地理区域纬度和经度。臭氧和极涡的空间模式的结果表明,极涡的形态变化可以影响臭氧,臭氧的水平分布在极地漩涡在春天经历严重的损耗。臭氧和之间的负相关关系极涡的涡区,强度,和分手时间是重要的相关系数−0.57−0.68,分别和−0.76。极涡的破裂时间的关系中发挥着重要作用极涡和臭氧损耗最有价值的三极涡参数之间的相关系数。此外,这种关系可能的机制也在本文中讨论。

1。介绍

臭氧层也被称为屏蔽的地球表面被紫外线(UV)受损,降低皮肤癌的发病率和其他疾病的人类,动物,植物(1,2]。在同温层,气温随高度上升低于−50°C到大于20°C−在平流层顶(3),它与太阳紫外辐射的吸收有关平流层的臭氧混合比率最高的。从短波紫外线产生的臭氧是240至160海里,和氧气不断转化为臭氧和氧气通过很多光化学反应,先前的研究描述(4]。然而,地面和卫星观测显示一个戏剧性的减少在南极洲上空的臭氧南国春自1980年代(5,6]。

在过去的三十年中,热门话题包括南极臭氧损耗的严重程度和大小的南极臭氧空洞的面积已经吸引了越来越多的关注。强烈的气旋漩涡形成在冬天极是最突出的特征之一平流层环流(7- - - - - -9]。“极地漩涡”的结构和动力学在平流层中发挥主导作用的发行量和耦合平流层和对流层之间在冬季和春季。例如,汤普森et al。10]显示波动的极地涡流深刻影响的平均温度和发生的频率在整个北半球极端冷事件。李等人。11)还讨论了北极极地涡旋的影响在欧亚大陆北方春天植被的生长。实际上,术语“漩涡”指的是流动的空气,有助于保持冷的空气在邻近波兰(12]。典型的漩涡是伴随着强烈的寒风以及涡流室内的低温区域,这是公认的关键成分的破坏臭氧和极地地区的臭氧层空洞的形成(3]。此外,极涡确定微量气体的分布也是一个关键,特别是臭氧(13]。几项研究已经强调了极地涡流的变化之间的密切关系,在平流层臭氧损耗14,15]。例如,哈斯勒et al。16]分析了10月平均总列臭氧数据从四个南极站和得出结论,在南极站记录总臭氧强烈影响了极地涡旋的状态。Schoeberl和哈特曼(3]进一步揭示了化学过程在冬季极地漩涡,发现极地漩涡内的温度足够低,形成的极地平流层云三水合硝酸和冰,可影响氯的转换从水库不活跃的物种攻击臭氧的激进的物种。此外,极地涡旋的动力学特性提供了有利的物质隔离臭氧空洞的发展。

在这项研究中,我们主要关注调查之间的关系极涡和南极平流层臭氧损耗期间1979 - 2016。计算总列臭氧在整个南极地区(60°-90°)在先前的研究17]。然而,极地漩涡是一年到头都不是恒定的。一般来说,在夏天极地极地漩涡收缩和扩张在极地的冬天。因此,我们定义了一个新算法计算平均总列臭氧在极地漩涡而不是地理区域来强调之间的关系极涡和臭氧。考虑到极地涡旋的深远的影响在大规模的天气和气候系统中,有各种各样的极涡参数来表示其特性(18,19]。也因此,我们使用三个极涡参数(极涡面积、极涡强度和极涡破裂时间)在这项研究中提出的综合结果。

本文的其余部分组织如下。节中描述的数据和方法2。极地漩涡,臭氧损耗之间的关系在空间分布和时间变化进行了讨论,分别在部分3,并提供了讨论和结论部分4。

2。数据和方法

2.1。数据

欧洲中期天气预报中心的临时再分析数据集20.,21)从1979年到2016年期间用于计算等大量潜在的涡度的研究。使用的数据包括每日位势、风速、温度、臭氧和每月的总列空间分辨率为1.5°×1.5°;所有变量除了总列臭氧与37压力水平(从1000 hPa 1 hPa)插入到等熵水平从450年到650 K (50 K的间隔),生成的低平流层臭氧数密度最大。

2.2。方法

2.2.1。极涡面积

南极在低平流层极涡可以潜在的涡度(PV)所描述的等熵面。麦金太尔和帕尔默(PV的诊断方法22)已广泛应用于许多研究涡特性。在这项研究中,我们采用PV诊断方法来估计,强度,和极涡的分手时候,以及计算平均总列臭氧在极地漩涡。随着光伏的大小随高度显著的增加,我们使用修改后的PV消除这种差异(23]。PV值归一化因子,在那里是温度和潜力= 475 K温度参考电位。如何确定涡边缘是至关重要的在这项研究中,和几个方法来定义漩涡边缘的方法已被开发,他们每个人都有各自的优势和劣势(24]。漩涡边缘的锋利的梯度在混合光伏等熵提出了一个障碍25]。因此,涡边缘是由最大的光伏轮廓PV梯度在每一个等熵面(从450年到650 K, 50 K的间隔)。PV轮廓值固定在给定的等熵面基于38气候学(从1979年到2016年),在计算最大的地带性意味着光伏子午PV经度梯度存在于每个在南半球的冬天(June-July-August)。极涡边缘用来描述的值如表所示1大多是一致的与NCEP数据集(1978 - 1998)[沃和Randel26]。由于不同的利益和数据源的时期,它是合理的看到一些沃的结果和我们之间的差异。因此,极涡面积被定义为光伏轮廓包围的面积标准。

2.2.2。极涡强度

由于极地漩涡周围是强大的环极西风,极涡强度定义为平均纬向风速沿涡边缘指的是标准光伏轮廓在这项研究中,这与以前的研究一致(10,27- - - - - -30.]。

2.2.3。极涡破裂时间

极涡的演变可分为三个阶段:形成在秋天,达到最大强度在隆冬时节,衰变后冬季到春季(13]。在这项研究中,极地漩涡分手时间被定义为时间极涡面积减少不到1%的地球表面或78.5°等效纬度(纬度地带性圆,覆盖同一区域涡边缘)作为Manney et al。31日)描述。

2.2.4。总列臭氧在极地漩涡

臭氧数密度最大的低平流层(等熵水平从450 K到650 K),根据臭氧垂直分布。我们计算平均涡边缘从450 K到650 K,发现边缘是最接近550 K等熵面边缘。因此,我们使用标准光伏轮廓(−28.8 PVU)在550 K等熵面计算平均总列区在极地漩涡。

2.2.5。统计分析方法

为了说明极地漩涡,臭氧损耗之间的关系,线性回归,关联和组合不同分析方法在本研究采用去趋势数据。是由学生的统计意义测试基于假设样本数据是独立的。

3所示。结果

3.1。极涡和臭氧损耗之间的关系在空间分布

正如上面提到的,潜在的涡度(PV)等熵面是一个很好的指标来描述南极极地漩涡。与此同时,臭氧层主要在于低平流层(等熵水平从450 K到650 K)根据臭氧垂直分布密度。因此,550 K等熵选择水平分析极涡和臭氧损耗之间的关系随着漩涡边缘这表面是最接近意味着边缘范围从450 K到650 K。

图1显示每月的气候学潜在的涡度在550 K等熵面。黑色实线是标准光伏轮廓(−28.8 PVU),代表极地漩涡的边缘。通常,南极极地漩涡形式在4月末和11月衰变;它存在稳定(5月至10月,尽管大的年际变化13]。因此,这些选择6个月分析南极极地漩涡在这项研究中,每个月的模式提出了数字1(一)- - - - - -1 (f),分别。气候极涡礼物quasi-symmetric循环在每个月,中心是靠近南极。极地涡旋的发展从5月到8月,涡流区逐渐增加,8月份达到最大值。与此同时,高纬度地区的潜在涡度值显著增加,涡边缘附近的和潜在的涡度梯度急剧加深。另一方面,极涡的衰减从8月到10月,涡区和潜在的涡度场呈现相反的变化。

图2显示每月的纬向风的气候学在550 K等熵面。结果从5月到10月提出了数字1(一)- - - - - -1 (f),分别。很明显,极地漩涡周围是一个强大的环极西的喷气机。节2,我们极涡强度定义为平均纬向风涡边缘;这个定义可以准确地代表漩涡旋转的强度特性。西风飞机加强极地涡旋的扩大从5月到8月,和它达到最大(超过60 m / s)。强劲的西风喷气倾向于更少的能源和交通从南极地区的南部情理之中。较低的温度和更少的补充低纬度臭氧、南极臭氧损耗将变得更加严重。极涡的衰减,从9月到10月,环极射流的强度逐渐降低符合上述极涡面积的变化。

图3显示了空间分布的38年(1979 - 2016)总列臭氧气候学。涡边缘是用来区分内部和外部的漩涡在计算平均臭氧在接下来的部分。结果从5月到10月提出了数字1(一)- - - - - -1 (f),分别。极涡的发展,水平分布列臭氧总量的逐渐变化。臭氧区别内外漩涡变得重要,和纵向梯度最大涡边缘附近出现。极地漩涡内的臭氧经历严重的损耗,特别是在9月和10月。臭氧外漩涡的纬向分布是不均匀的,以最高在90 - 180°E。这种区域差异可能是由于Brewer-Dobson运输的纬向不均匀性。

3.2。在颞极涡和臭氧损耗之间的关系变化

在本节中,我们探索极地漩涡,臭氧损耗之间的关系在时间变化。极涡参数包括极地涡流区,极涡强度,和极地漩涡分手时间如上所述,和臭氧参数是极地漩涡内的平均总列臭氧基于标准光伏轮廓(−28.8 PVU)在550 K等熵面。

图4显示了平均总列臭氧的季节性变化在极地漩涡从1979年到2016年。我们只专注于臭氧的变化期间的稳定的涡流(5月至10月)。臭氧损耗的南国之春(劳动力,所以)很明显可以看到在图4,最严重的臭氧损耗发生在1990年代中期与价值不到160 DU。除了明显的季节性周期,臭氧在极地涡旋弹簧总列显示了强大的年际变化,最大314.4 DU 1979年10月,最低132.0 DU 1995年9月。大型臭氧变化可以看到1990年代中期后,用极端的高值在2002年和2010年2003年和超低值,2006,2008,2011,2015。这个数字的值通常是低于以往研究结果(17因为在极地臭氧计算涡在这个工作,而不是整个南极地区(60°-90°)。换句话说,我们调查严重臭氧损耗发生在极地涡旋的内部。

正如上面提到的,因为最严重的臭氧损耗发生在南国之春(因此),我们分析极地漩涡,臭氧损耗之间的关系在本赛季三涡参数描述的部分2。

图5显示全部列的年际变化区域内极涡、极地漩涡区域、力量,和分手时间1979 - 2016年期间。图5(一个)透露,臭氧在极地漩涡南国春经历严重的损耗在1990年代中期之前和恢复逐渐在2000年代,由于国际协议的实现的控制消耗臭氧层物质。图5 (b)介绍了极涡面积的年际变化9月,10月,平均,分别。极涡面积的变化在两个月内基本上是相似的,但是该地区完全是小于10月9月因为收缩的极地涡流。所以平均极涡面积达到7×10的最大价值⁵公里²2015年,最低3.4×10的价值⁵公里²在2002年。根据图5 (f)越大,极涡面积事件(大于+ 1.0 SD)发生在1987年,1998年,2001年,2003年,2006年和2015年,而较小的区域活动(少于1.0−SD)发生在1986年,1988年,2002年和2012年。图5 (c)介绍了极涡强度的年际变化9月,10月,平均,分别。极涡强度的变化在两个月内也相似,但力量完全低于10月9月因为极涡的衰减。所以平均极涡强度达到最大价值为58.2 m / s和1993年的最小值为30.5 m / s在2002年。图5 (g)呈现较强的极地涡流事件(大于+ 1.0 SD)发生在1993年,1998年和2001年,而实力较弱的事件(少于1.0−SD)发生在1981年,1988年,2002年、2012年和2013年。图5 (d)表示极涡破裂的年际变化时间期间1979 - 2016。在1990年代中期之前,分手的时间有很大的延迟趋势,这是符合明显降低趋势列同期臭氧总量的变化。图5 (h)显示后涡破裂事件(大于+ 1.0 SD)发生在1995年,1996年,1998年,1999年,2001年,2008年和2010年,和之前的分手事件(少于1.0−SD)发生在1979年,1988年,2002年,2012年、2013年和2016年。后来的极地涡流分手事件基本上是符合总列臭氧年的低价值,反之亦然。总之,臭氧损耗和涡流分手时间之间的关系似乎比其他两个极涡参数(面积和强度)定性。

我们进一步提出三极涡之间的散点图参数和平均总列臭氧在图6。相关系数是0.57−−0.68,和0.76−平均总列臭氧和极涡面积之间,力量,和分手时间,分别;所有相关性很重要(0.01)。结果在图6表明更大的、更强,或者分手时间晚臭氧损耗极涡高度相关,这是由以前的研究(3,32]。之间有更少的空气交换以来南极和北极之间的情理之中,南部和北部情理之中,在南极臭氧损耗更严重,北极上空(33]。南极极地漩涡产生了严重的化学臭氧损耗。极地平流层云的硝酸与氯氟化碳反应生成氯,催化臭氧的光化学破坏3,34]。同时,氯浓度建立在北极的冬天,阳光和顺向臭氧破坏时最大的回报在极地冬季35]。因此,极涡的破裂时间在南国春天是研究臭氧损耗很关心的话题。像我们预期的那样,结果还显示最大相关性极涡破裂时间和臭氧在图6 (c)。因此,我们分析之间的关系极涡破裂的时间和深度臭氧损耗为下一步通过复合的区别。

极涡破裂时间指数(称为PVBTI)介绍了图5 (h);高价值PVBTI指后来分手事件和低价值PVBTI意味着分手事件。考虑到极地漩涡分手时间集中在南国之春最严重的臭氧损耗发生在9月和10月,我们关注的是这一时期的差异显著。极地漩涡内的总列臭氧在9月和10月是通过调查确定的高价值的差异大于+ 1.0 (SD)和低价值(少于1.0−SD) PVBTI年图7。图7(一)显示了高价值的总列臭氧异常PVBTI年,极涡破裂后的时候。结果表明,负异常覆盖整个南极臭氧总量的列。然而,而图7(一)更大的区域显著正异常可以在低价值PVBTI年(图7 (b))。图7 (c)显示的总列臭氧高价值和低价值的区别PVBTI年。最严重的损耗异常发生在南极东部显著为负,躺在印度洋的大陆。结果表明,极涡的早些时候分手可以有效地抑制在南极平流层臭氧损耗,先前的研究描述(17,36,37]。极地涡旋的收缩或侵蚀由于行星波打破南极上空臭氧层复苏可能是负责进口臭氧从情理之中通过横向混合或Brewer-Dobson循环38]。

4所示。讨论和结论

这项工作探讨了臭氧损耗之间的关系和极地涡旋的区域,力量,和分手时间1979 - 2016年期间在南极平流层,并讨论可能的机制背后的关系。我们第一次探索空间分布的38年(1979 - 2016)潜在的涡度,纬向风,总列臭氧气候学在550 K等熵面从5月到10月,每月列臭氧总量的变化在极地漩涡基于标准PV轮廓(−28.8 PVU)。此外,我们研究极地漩涡,臭氧损耗之间的关系通过相关分析和线性回归分析。我们以后进一步研究臭氧损耗的变化和更早的极地涡流分手时间基于综合分析。的主要结论可以概括如下:(1)极地涡旋的形态变化可以影响臭氧的水平分布和最大纵坡发生在极地漩涡的边缘;极地漩涡内的臭氧在春天经历严重的损耗。(2)南极极地漩涡存在稳定5月至10月,尽管年际变化大,而最严重的臭氧损耗发生在南国之春,劳动力。(3)更大,更强,后来分手时间极涡是高度相关的臭氧损耗的相关系数−0.57−0.68−0.76之间平均总列臭氧和极涡面积、强度、分别和分手的时间。(4)极涡的破裂时间的关系中发挥着重要作用极涡和臭氧损耗最有价值的三极涡参数之间的相关系数。(5)最严重的损耗异常发生在南极东部显著为负,躺在印度洋的南极大陆。

极涡和臭氧损耗之间的关系是相互的和复杂的。后来分手的极地漩涡能有效地加强南极臭氧损耗,由于长寿命较低的温度和减少臭氧从情理之中补充到极地地区。另一方面,戏剧性的臭氧亏损可能造成冷却,进而增强极地涡流,使涡破裂后(36]。可能的机制应该调查的关系,通过定量评价的动态效果极涡对臭氧损耗和热臭氧对极地涡旋演变的影响。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

该项目资金提供的项目名为“极地地区的综合评价在全球和区域气候变化”(chinare2015 - 2019)和“极地环境综合调查和评估”(chinare2015 - 2019)和广东海洋大学科研启动基金项目题为“海气交互和数据同化”和”效应的热带海域的海表温度异常的极地平流层。”