【基金】2010CB428600-平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用

项目名称：平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用首席科学家：吕达仁 中国科学院大气物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容拟解决的关键科学问题包括： 本项目将以相关国际科学计划的实施为契机，在综合国内外已有的相关成果基础上，围绕“平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用” 这一核心主题开展研究，为实现项目研究目标应解决的关键科学问题是：(1) 东亚地区平流层大气过程多要素高时空分辨率的探测和认知。当前平流层过程及其天气气候作用研究的前沿问题是获得对该层大气过程的实际认识。通过地基多要素探空、组网观测和典型过程的加强观测，收集最新平流层卫星资料，改进与发展反演方法，进行地基验证，形成东亚平流层大气物理、化学、动力的最新完整数据集，这也是整个项目研究的数据基础。(2) 东亚区域上对流层/下平流层区域的过程和结构特征。上对流层-下平流层（UTLS）也称为对流层顶区域，是两个具有明显不同特性层区之间的过渡层，具有很强的热力、动力和化学要素垂直梯度，水平分布结构复杂而且多变。UTLS区域是大气动力、辐射、微物理和化学等过程相互作用非常显著的区域，其中动力过程既包括混合、对流和重力波等中小尺度过程，也包括暖输送带、平流层下侵、副热带西风急流调整等大尺度过程，还包括Brewer-Dobson环流这样的全球尺度过程。东亚地区由于特殊的地理位置，受到太平洋、印度洋和亚欧大陆等多方面的共同作用，特别是青藏高原高大地形的影响，因而东亚UTLS区域具有明显的区域特征。(3) 平流层与对流层之间动力耦合过程与机制。一方面，对流层产生的部分重力波和行星波会上传和破碎从而引起平流层大气环流的改变（如热带平流层中下层准两年振荡和冬季平流层爆发性增温），另一方面，平流层大气环流的异常（包括强极涡事件和爆发性增温）在适当条件下会向下传播给对流层环流的调整造成很大的影响。对于前者，虽有相对成熟的理论，但定量认识远远不足；对于后者，还没有比较清楚的物理机制。(4) 在人类活动、太阳活动、火山爆发等外强迫条件下平流层化学-气候相互作用。人类活动、太阳活动、火山爆发等如何改变平流层大气化学成分的分布和变化趋势？东亚地区人类排放和区域气候对全球化学-气候耦合造成什么影响？这些关键科学问题涉及到平流层和对流层动力-辐射-化学之间的耦合，特别是平流层中的复杂相互作用。(5) 臭氧层恢复及其对气候变化的影响。由于国际社会的共同努力，人类最终将停止排放人类活动产生的臭氧损耗物质，二十世纪九十年代末以来臭氧层出现回升的迹象。但是在温室气体持续增加的背景下，臭氧层如何恢复到1980年前的水平？另一方面，臭氧层恢复将导致平流层变暖，而温室气体增加将导致平流层变冷，在这两大相反因素的作用下，平流层气候如何变化？平流层气候变化对对流层气候有何影响？这些都是十分重要的气候变化问题。(6) 平流层异常过程与东亚区域天气气候的关系。平流层“天气过程”具有时空尺度大的特征，时间尺度大约1-2 个月，空间尺度以1-2 波的行星波为主；而对流层天气系统的时空尺度要小得多，周期为1 周左右，空间尺度一般在几千公里以下。因此，平流层异常过程的信号有可能对预报对流层天气系统的演变又有先兆性指示作用，这对改进和提高对流层延伸天气预报和短期气候预测有重要意义。冬季影响我国和东亚地区的主要天气系统有乌拉尔山阻塞高压和东亚大槽，这些天气系统都具有深厚的垂直结构并与平流层环流系统都有着直接的联系，而寒潮爆发通常是与这些天气系统的演变联系在一起的。它们与平流层异常过程（如爆发性增温和强极涡事件）是如何联系在一起的？上下层大气环流系统在统计上有多大的相关性？在多大程度上，平流层异常信号对这些天气系统的演变有预报意义？我们希望对这些问题进行探索性研究。主要研究内容包括： 围绕本项目拟解决的关键科学问题，将开展以下六个方面的研究：(1) 东亚关键区域平流层过程的加强观测和多源资料的集成。选取东亚地区代表性地点和重要过程重点关注地区，开展平流层典型过程多要素的探空和地基遥感观测，获得垂直高分辨率多要素资料；系统利用国内外可提供的平流层动力、热力和大气成分资料，尤其是最新的卫星遥感资料，改进和发展平流层大气成分的卫星反演方法，结合地基验证，构建东亚地区平流层的完整资料集。为东亚平流层大气典型过程和区域特征的研究提供资料，也为数值模式模拟提供初值与验证资料。(2) 东亚地区上对流层/下平流层区域的过程与结构。分析东亚地区上对流层/下平流层（UTLS）区域的大气动力、热力和化学结构特征和形成机理；研究东亚地区平流层和对流层大气成分交换过程和机理；分析东亚地区对流活动统计特征以及对大气成分的输送过程。为化学-气候耦合和臭氧层恢复的研究提供大气成分输送机理，也为数值模式改进方面的研究提供UTLS区域大气结构特征。(3) 平流层-对流层动力耦合过程与机理。分析行星波活动特征及对平流层大气环流的作用；分析东亚地区平流层重力波活动的时空分布特征并考察重力波对平流层环流的影响；分析平流层-对流层动力耦合过程影响对流层大气环流的机理。为大气环流模式（GCM）加入和改进平流层重力波参数化提供理论依据，也为数值模式模拟结果提供验证方法。(4) 化学-气候耦合以及东亚区域大气过程和人类活动在其中的作用。分析影响平流层大气化学成分（臭氧、水汽、甲烷等）变化的过程和机制；研究东亚人类活动和区域气候对平流层大气化学过程的影响；综合分析平流层中化学-辐射-动力耦合在气候变化中的作用。(5) 臭氧层变化及其气候效应的模拟研究。分析臭氧层的长期变化特征和机理；模拟研究在温室气体增加和消耗臭氧物减少条件下臭氧层的恢复趋势；情景预估臭氧层恢复以及平流层气候变化。(6) 平流层异常过程与东亚区域天气气候的关系。分析平流层大气环流重大调整事件的变化特征，以及对东亚地区天气气候预报的指示作用；探讨平流层过程影响东亚地区天气气候过程的机理。二、预期目标总体目标是：本项目以“平流层”为聚焦点，围绕该关键区域动力-化学-气候耦合过程及影响东亚天气气候机理这一中心主题，从全大气层化学-气候耦合以及平流层-对流层相互作用的观点出发，通过多种手段的综合观测与分析，(1) 揭示东亚地区平流层结构特征，特别是上对流层/下平流层区域的精细结构特征；(2) 提出平流层-对流层相互作用的更为完整的过程和机理；(3) 理解平流层化学-气候相互作用机制；(4) 预测平流层臭氧恢复与全球温室气体增加背景下平流层气候变化趋势；(5) 揭示平流层过程影响东亚天气气候的机制。为提高我国气候预测和天气预报准确率以及开展临近空间开发的平流层环境保障服务提供理论依据。造就一批在平流层过程研究领域的国际前沿人才，整体研究进入国际前列。五年预期目标是：建立东亚地区平流层过程较为完整的数据集，揭示东亚地区平流层过程与结构特征，提供项目深入研究的数据基础和模式研究的验证。揭示东亚地区对流层顶区域大气结构特征和形成机理，定量估计东亚平流层-对流层交换过程在全球大气成分收支中的作用，认识大气成分在东亚强对流过程中向UTLS输送的机理。揭示东亚地区重力波活动的时空分布特征；揭示行星波活动特征及在平流层-对流层耦合中的作用；阐明平流层环流异常影响对流层环流的机理。揭示气候变化对平流层重要大气成分（臭氧、水汽、甲烷等）长期趋势的影响；阐明人类排放的污染物、太阳活动、强火山爆发等对平流层气候变化的影响；评估东亚地区在化学-气候耦合的作用。揭示臭氧层的长期变化特征和机理；预估21世纪臭氧层的恢复进程以及气候对臭氧层恢复的响应。揭示平流层异常事件与东亚地区时空尺度较大的天气气候的相关性，理解平流层异常影响东亚区域天气气候的机理。项目实施五年中将完成专著1部，在国内外主要刊物发表200余篇高水平论文，其中SCI（包括SCIE）论文80余篇；培养博士40人，硕士20人。将培养一支能面向学科前沿、具备深厚理论基础、能从事高技术探测、综合诊断、数值模拟的人才队伍。三、研究方案1. 总体学术思路基于全大气层化学-气候耦合和平流层-对流层动力耦合两个基本点，从平流层基本大气过程及其对东亚天气气候的影响出发，一方面考虑东亚地区具有复杂的上对流层/下平流层（UTLS）大气过程和结构，其重要的平流层-对流层物质交换将对全球化学-气候耦合产生重大影响；另一方面考虑平流层大气环流重大异常过程将通过平流层-对流层动力耦合对东亚天气气候产生重要影响。本项目首先在东亚地区开展平流层-对流层交换过程的观测实验，通过多种资料的综合和集成，认识东亚UTLS区域的大气过程和结构；通过模拟和诊断揭示东亚地区平流层-对流层物质交换特征和机理以及在全球大气成分收支中的贡献；改进化学-气候耦合模式中平流层-对流层物质交换过程的描述，揭示平流层大气成分变化对臭氧层和全球气候的影响；利用多种资料和数值模拟，定量揭示东亚地区对流层大气波动上传对平流层环流的影响；分析平流层环流重大异常与东亚地区天气气候的联系，探索东亚地区天气气候预报中的平流层前期异常信号。总体而言，围绕总体目标，抓住关键科学问题、深入理解机制、发展应用方法，为全球和东亚区域气候变化预测提供科学基础和方法。2. 技术途径本项目研究涉及平流层-对流层耦合的大气动力-物理（包括辐射和微物理）-化学的相互作用，必须采用观测实验、多资料融合、资料分析和诊断、数值模拟和理论研究相结合的研究方案。遵循这一思路，本项目采用下列研究方案：(1) 开展东亚地区组网加强观测。考虑选择华北（北京）、西北（兰州）、青藏高原（拉萨或羊八井）等地进行臭氧探空、水汽探空，并进行地基光谱遥感观测和激光雷达遥感观测。在平流层-对流层交换的重要过程，如青藏高原夏季和春季东北低涡等实施针对过程的加强观测。(2) 多种资料的综合和集成。获取常规探空的垂直高分辨资料、卫星高分辨率资料，通过多种资料的融合，形成东亚地区上对流层-下平流层区域的大气动力学、物理学、化学特征系统数据。所用的卫星资料包括美国地球观测系统系列卫星中的大气化学卫星AURA、TERRA、AQUA、CLOUDSAT和CALIPSO中的云、气溶胶、辐射和大气成分资料，欧空局环境卫星中的MIPAS、SCIAMACHY大气成分资料，以及美国和中国台湾联合的无线电掩星星座（COSMIC）。改进其中部分反演算法，并开始地基观测验证。由于这些都是近几年上天的探测器，处于资料产生十分活跃的阶段，抓紧综合分析，有望获得平流层过程较为完整的新认识。(3) 发展和改进有效的诊断分析方法。根据行星波和重力波的传播特征、分量之间的偏振关系以及频散关系，确定从再分析资料或卫星资料分析行星波的方法，以及从卫星资料或垂直高分辨探空资料提取重力波的方法。根据平流层、对流层示踪物之间的关系，确定分析平流层与对流层过渡区域特征的方法。利用统计方法和动力方法分析平流层环流变化对东亚天气气候的影响过程及其机理。应用现代统计方法分析平流层大气环流和大气成分的变化特征。(4) 数值模式模拟研究。采用国际上先进的包含平流层化学过程的大气环流模式进行臭氧层与平流层环流相互作用长期变化的研究，进行化学-气候相互作用的研究。采用区域中尺度模式研究重力波源与传播机制、研究平流层-对流层交换过程、以及研究强对流对大气成分输送的研究。(5) 个例模拟与整体统计相结合。先选取东亚地区一些平流层-对流层交换典型过程进行模拟和诊断分析，再统计所有事件的贡献。3. 创新点与特色(1) 本项目进行的研究，是当今国际学术界在平流层过程及其在气候中作用方面的前沿科学问题，也是国际研究计划WCRP/SPARC和SCOSTEP/CAWSES最重要的科学内涵之一。(2) 开展东亚UTLS区域大气过程和结构的综合探测与分析。这个过渡区域在对流层-平流层波动传播过程中以及大气成分与质量输送过程中都起着十分重要的作用，同时该区域内的辐射、微物理与化学反应也是一个值得关注的新问题。(3) 本项目同时进行平流层-对流层动力耦合（其特征为多尺度相互作用）和化学-气候耦合的综合研究，有可能更加全面地认识平流层在气候变化和重大天气气候事件这两个不同时间尺度上对于对流层影响的具体作用。(4) 深入开展臭氧层恢复与平流层气候变化相互作用的研究，这不但对臭氧层恢复这一全球重大气候环境问题有贡献，更为平流层环流特征与气候变化提供了更为实际的考虑，有利于提高预测平流层气候变化的准确性。4. 可行性分析本项目提出的研究目标、内容与技术途径是切实可行的，其理由如下：(1) 学科背景和人才基础。近十年来，国家自然科学基金委员会以“中层大气过程及其天气气候作用”为总体目标，先后支持了一系列重点项目（5个）和面上项目（若干），中国科学院也在知识创新工程计划下支持了两个重要方向性项目，开展平流层过程的研究和新探测手段的研制试验。虽然支持力度有限，但是在平流层长期变化特征、对流层顶结构特征、平流层-对流层交换过程及机理、平流层波动特征、平流层-对流层动力耦合过程、平流层化学等方面开展了一系列研究工作，为本项目开展平流层基本过程及其对东亚气候与天气作用的研究提供了学科背景和人才基础。(2) 平流层探测技术条件。在臭氧探空技术方面，建立了已达准业务化标准的探测系统；在平流层风场与湍流场探测方面，已独立研制了ST雷达，并将在国家科学工程“子午工程”中升级为MST雷达。中层大气激光雷达观测已在合肥中国科学技术大学、武汉物理数学研究所等几个相关单位建立。臭氧总量观测已维持30多年，现有站点包括：中科院大气物理所负责的香河和昆明、中国气象科学研究院负责的瓦里关、龙凤山、临安、拉萨、南极中山站等。此外，还拟通过国际合作引进平流层水汽探空和地基光谱遥感技术。(3) 平流层数据基础。在基础气候资料方面，将以美国NCEP和欧洲ERA-40为长期资料基础，还将通过国际合作使用精确度、分辨率、顶层更高的ERA-Interim资料。卫星资料方面，当前是全球大气卫星观测的盛期，存在一系列探测前面所述的大气状态与大气成分的卫星观测。其中许多资料可公开获取，一部分资料可以通过国际合作计划获取，主要申请人与所在单位已经参与了这些合作计划。这些资料能够为上对流层/下平流层这些垂直梯度很大的区域提供丰富的信息。业务探空资料方面，目前我国业务探空站点大多数采用了新一代L波段探空技术，能够提供垂直高分辨资料，探测精度也有明显的改进。在臭氧探空资料方面：中科院大气物理所与有关气象部门合作在北京南苑观象台从2001年起，已连续开展8年探测；日本有四个臭氧业务探空站，已开展30多年探测，其观测资料可公开获取。(4) 模式基础。本项目成员熟练掌握国际公认先进的包括完整平流层过程的大气环流模式，例如美国NCAR的WACCM模式和英国Leeds大学的耦合化学-气候模式等，这些模式均对特定过程研究有独特能力；还熟练掌握中尺度区域模式以及对流云模式，以开展区域性平流层-对流层交换过程的研究。同时，本项目成员还具备较强的模式开发和改进能力，例如：兰州大学田文寿教授是建立英国Leeds大学耦合化学-气候模式的直接参与者（主要负责化学模块的开发），中国气象科学研究院刘煜研究员是国内二维大气臭氧动力-辐射-化学耦合模式的主要贡献者，南京信息工程大学大气物理学院在对流云模式方面具备改进和开发能力。(5) 国际合作。本项目主要成员与国际同行以及相关单位有长期密切的合作，当前仍与英国、美国、加拿大等多个单位进行着实质性的合作研究。5课题设置本项目的课题设置、课题主要研究内容、目标、承担单位、负责人和学术骨干如下：课题1、东亚地区平流层过程与结构的探测预期目标：建立东亚地区平流层过程较为完整的数据集，揭示东亚地区平流层过程与结构特征，提供项目深入研究的数据基础和模式研究的验证。研究内容：1）东亚地区平流层高分辨地基组网观测与典型天气过程的加强观测实验。在代表性地点进行探空、MST雷达、激光雷达的平流层高垂直分辨率观测，选取东亚典型大气过程（青藏高原夏季强对流性系统、东北冬春季冷涡等），观测对流层和下平流层大气成分（臭氧或水汽）的变化。2）最新平流层卫星观测资料收集、反演和验证。收集集成最新的平流层卫星观测资料（包括温度、大气成分等），改进和发展现有反演方法，开展东亚地区的验证。3）东亚地区平流层资料的综合与集成。综合东亚地区平流层地基组网观测、典型天气过程加强观测、卫星观测、国内L波段探空高垂直分辨率资料以及其他相关资料，建立比较完整的东亚地区平流层大气过程多要素高分辨率数据集。经费比例：38%承担单位：中国科学院大气物理研究所、中国科学技术大学课题负责人：吕达仁学术骨干：陈洪滨、郄秀书、傅云飞课题2、上对流层/下平流层大气过程及其对大气成分分布的影响预期目标：揭示东亚地区对流层顶区域大气结构特征和形成机理，定量估计东亚平流层-对流层交换过程在全球大气成分收支中的作用，认识大气成分在东亚强对流过程中向UTLS输送的机理。研究内容：1）东亚上对流层/下平流层（UTLS）大气结构及形成机理。利用卫星、高分辨率探空和加强期观测资料，分析华北、西北、青藏高原等典型地区UTLS大气动力、热力和化学结构特征，并分析其形成机理。2）东亚平流层-对流层交换过程及其在大气成分收支中的作用。基于卫星和再分析资料，分析东亚地区典型天气过程中UTLS大气动力和成分的变化特征，分析平流层-对流层之间大气成分的输送过程；分析东亚地区平流层-对流层物质交换通量以及在全球大气成分收支中的作用。3）东亚强对流过程中大气成分向UTLS输送的机理。根据卫星资料分析东亚地区对流活动统计特征，以及与UTLS大气成分分布的关系；利用对流云模式模拟东亚地区强对流活动对于对流层-平流层物质输送的影响。经费比例：13%承担单位：中国科学院大气物理研究所、南京信息工程大学课题负责人：卞建春学术骨干：李双林、金莲姬课题3、平流层-对流层动力耦合过程与机理预期目标：揭示东亚地区重力波活动的时空分布特征；揭示行星波活动特征及在平流层-对流层耦合中的作用；阐明平流层环流异常影响对流层环流的机理。研究内容：1）重力波活动及其对平流层环流的影响。利用卫星、雷达和探空资料提取重力波信号，分析东亚地区平流层重力波的时空分布特征，结合中尺度数值模拟分析不同重力波激发源的源区特征，研究重力波对平流层环流的影响。2）行星波活动及其在平流层-对流层耦合中的作用。利用卫星数据和再分析资料分析平流层和对流层行星波的时空变化特征，结合数值模拟研究行星波与平均流的相互作用及其对上下层耦合的影响。3）平流层环流异常影响对流层的机理。利用卫星观测和再分析资料，分析平流层-对流层相互作用的时空特征和长期变化趋势；结合数值模拟，研究平流层环流异常影响对流层环流的机理。经费比例：12%承担单位：中国科学院大气物理研究所、中国科学技术大学课题负责人：陈 文学术骨干：陈泽宇、任荣彩、陈月娟课题4、化学-气候耦合以及东亚区域大气过程和人类活动的作用预期目标：揭示气候变化对平流层重要大气成分（臭氧、水汽、甲烷等）长期趋势的影响；阐明人类排放的污染物、太阳活动、强火山爆发等对平流层气候变化的影响；评估东亚地区在化学-气候耦合的作用。研究内容：1）影响平流层大气化学成分变化的过程和机制。利用卫星观测的平流层和对流层大气化学成分资料和再分析资料，分析平流层温度和环流变化引起的平流层大气成分浓度、空间分布变化的过程和机制；分析平流层和对流层之间物质交换对平流层大气成分长期变化的影响。2）东亚区域过程和人类活动在化学-气候耦合中的作用。分析在气候变化和人类活动影响下，东亚地区对流层和平流层大气化学成分的时空分布特征及其长期变化趋势，研究亚洲季风和青藏高原的热力和动力作用通过平-对流层交换过程对大气痕量成分长期变化过程的影响。3）平流层化学-辐射-动力耦合在气候变化中的作用。通过化学-气候耦合模式分析平流层内一些重要成分的辐射效应对平流层温度和环流的影响，研究化学过程通过化学-辐射-动力耦合对平流层内一些重要现象的影响机制，模拟分析太阳活动和火山爆发对化学-气候的影响，探索平流层化学-气候耦合作用对东亚气候的影响。经费比例：13%承担单位：兰州大学、中国科学院大气物理研究所课题负责人：田文寿学术骨干：付 强、刘 毅课题5、臭氧层恢复及其对气候变化的影响预期目标：揭示臭氧层的长期变化特征和机理；预估21世纪臭氧层的恢复进程以及气候对臭氧层恢复的响应。研究内容：1）臭氧层长期变化特征及机理。利用卫星资料、地基臭氧总量观测、臭氧探空资料分析臭氧及消耗臭氧物（ODS）的变化特征；结合资料分析和化学-气候模式敏感性试验，揭示平流层等价有效氯含量、气溶胶等的变化在臭氧层长期变化中的作用。2）21世纪臭氧层恢复趋势。使用化学-气候耦合模式模拟在平流层等价有效氯含量降低的条件下臭氧层的恢复趋势；模拟不同温室气体排放情景对臭氧层恢复的影响。3）臭氧层恢复的气候效应。使用化学-气候耦合模式模拟在臭氧层恢复与温室气体增加的情景下平流层气候的变化，分析相应的对流层气候变化。经费比例：12%承担单位：中国气象科学研究院、云南大学课题负责人：刘 煜学术骨干：赵学鹏、郭世昌课题6、平流层异常过程与东亚区域天气气候的关系预期目标：揭示平流层异常事件与东亚地区时空尺度较大的天气气候的相关性，理解平流层异常影响东亚区域天气气候的机理。研究内容：1）平流层异常事件的时空特征。利用再分析资料研究平流层强/弱极涡等重大异常事件的时空结构；分析这些重大异常事件的季节内和年际变化特征。2）平流层异常与东亚持续性天气气候事件的相关性。研究平流层重大异常过程期间对流层准定长波、天气尺度波动的传播和演变特征，研究平流层重大异常过程对风暴路径的影响，分析平流层重大异常过程与对流层季节内振荡之间的关系。3）平流层异常信号在多大程度上对东亚持续性天气事件的延伸预报中有指示作用。探索平流层异常在预报乌拉尔阻塞高压、东亚大槽、寒潮等天气系统和过程中的可能作用；分析春季极涡最终崩溃时间与东亚春末夏初对流层大气环流转换的相关性。经费比例：12%承担单位：北京大学、国家气候中心课题负责人：胡永云学术骨干：谭本馗、郭艳君各课题间的关系，以及与项目总体目标和五年目标的关系：依据项目总体科学目标和主要研究内容，本项目设置六个课题，分别开展基础性、机理性研究以及为重大应用提供理论和方法基础。图1是各课题之间关系的示意图。第一课题是本项目的资料基础，通过综合观测、收集相关卫星-探空-再分析等资料，建立东亚平流层数据集，为其他课题提供资料基础。第二、三和四课题是本项目的基础性研究，分别研究平流层-对流层过渡区域物质交换、平流层-对流层动力耦合、化学-气候耦合等基本过程的机理；这三个课题虽然研究角度不同，但是相互之间是紧密联系的，它们一起构成第五、六课题研究的理论基础，也是建立我国临近空间开发利用平流层环境保障能力的理论基础。第五、六课题是本项目研究结果的重要应用，给出臭氧层恢复和平流层环流未来变化趋势，提出东亚极端天气气候事件延伸预报的平流层预报因子。各课题之间紧密联系、互相支持，形成完整的项目内容框架。图1 各课题之间关系示意图。顶层三个框是本项目所应对的三个国家重大需求，即为开展临近空间开发的平流层环境保障服务以及提高我国天气预报和气候预测准确率提供理论依据。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年全面启动项目各个课题研究。准备和细化探测实验方案，在北京开展全年连续臭氧探空观测，在合肥开展激光雷达观测。收集东亚地区平流层-对流层交换、东亚地区强对流活动有关的气象资料、卫星资料和垂直高分辨率探空资料，建立卫星遥感反演和产品验证算法。开始收集相关卫星资料，主要包括臭氧和消耗臭氧物，以及平流层气溶胶等相关成分。收集地基观测的臭氧总量、消耗臭氧物和臭氧探空资料，以及UV辐射资料。调试中尺度模式，准备平流层-对流层交换过程的模拟；调试三维对流云模式，准备东亚地区强对流过程对大气成分的输送模拟；调试化学-气候耦合模式和区域大气化学传输模式以适应不同的研究需要。调试化学-气候耦合模式（WACCM），利用再分析资料检验WACCM模式。初步分析重力波、行星波活动的时空变化特征、平流层-对流层动力耦合的主要模态；开展平流层影响对流层的理论研究，并调试大气环流模式。预期的目标是完成模式与观测资料的对比验证工作。统计分析过去近50年平流层异常事件的时空特征和规律，以及影响东亚和我国冬季天气的主要天气系统的活动特征，包括乌拉尔阻塞高压、东亚大槽、东亚急流和东北低涡。细化探测方案，准备多站探空和遥感技术，开展预试验，收集和整编相关观测资料。完成资料的收集和模式的调试，为诊断分析和下一步数值模拟工作的全面开展做好准备。第二年在北京继续开展臭氧探空观测，在合肥开展激光雷达观测。开展2个加强期多站探空综合观测，分别在东北（春季）和青藏高原（夏季）开展为期3周的臭氧和水汽联合探空观测试验。制定下一期（2012年始）北京和武汉两地ST雷达风和湍流廓线的探测方案和综合观测计划。进行综合观测与其他卫星资料的质量控制处理和初步分析，对多源数据进行整编和融合。开展东亚地区上对流层/下平流层区域的大气热力、动力、化学结构特征以及交换过程的资料诊断分析；选择12个交换过程个例，利用中尺度模式模拟的模拟；模拟一次强对流活动对大气成分的输送过程。继续分析重力波、行星波活动的时空变化特征，着手进行波动与平流层平均环流相互作用的研究，开始进行不同外强迫（指QBO和ENSO）与平流层-对流层动力耦合的关联研究。开展一系列化学-气候模式的模拟实验，进行个例模拟和长期的气候模拟实验，分析大气中成分变化对气候的影响和气候变化对大气成分浓度和空间分布的影响。利用多种源资料进一步分析大气臭氧的变化特征，寻找臭氧层开始恢复的信号；在考虑过去30年海温、温室气体浓度、消耗臭氧物的浓度、太阳辐射和气溶胶等重要因子变化的条件下，调试WACCM模式，使模式再现过去30年气候和臭氧的主要变化。分析平流层重大异常大事件与东亚地区极端天气气候事件之间的联系，着重分析平流层事件在时间上的超前性以及两层之间垂直相关性。完成项目中期总结与验收。开展北京和合肥两站的连续探测，完成两期加强观测试验。给出东亚地区UTLS区域大气特征和交换特征，初步模拟平流层-对流层交换的中尺度过程和强对流对大气成分的输送过程。揭示重力波和行星波活动的时空变化规律。完成一部分理想数值模拟实验，重点模拟在温室气体和大气外强迫改变的条件下平流层大气成分的变化，得到东亚地区一些重要化学成分的地表排放特征。全面了解和掌握平流层异常事件与东亚对流层冬季天气系统之间的相关性。第三年在北京继续开展臭氧探空观测，在合肥开展激光雷达观测。开展1个加强期多站探空综合观测，站点初步选择拉萨、昆明和兰州，重点仍是臭氧和水汽探空，还包括地面主被动光学遥感实验以及大气电场和对流活动等探测。继续进行综合观测与其他卫星资料的质量控制处理和初步分析；对多源数据进行整编和融合。继续分析东亚地区上对流层/下平流层区域的大气热力、动力、化学结构特征以及交换过程，诊断分析一些典型平流层-对流层交换过程数值模拟的结果，进一步改进东亚地区强对流活动对大气成分输送过程的模拟。开展中尺度数值模拟进行中纬度重力波源区特征的分析，开展行星波和重力波对平流层大气环流作用的研究以及太阳活动对平流层-对流层动力耦合的影响研究，个例分析平流层异常影响对流层天气异常的过程并统计分析平流层异常影响对流层气候的过程。利用化学-气候模式模拟太阳活动及火山爆发等对平流层化学-气候耦合的影响，分析平流层强扰动过程中动力-化学-辐射过程相互作用的特征和机理。利用卫星和地基观测资料分析主要消耗臭氧物的变化特征，估计消耗臭氧物的减排状况，模拟研究未来不同温室气体排放情景下平流层气候的变化，主要模拟在B1、A1B和A2情景（等效的CO2浓度排放情景有6种），分析这些平流层气候变化情景下臭氧层变化的差异，研究气候变化对臭氧层影响的机理。深入分析平流层大气环流异常影响东亚对流层天气系统的物理机制以及平流层变化作为对流层中长期预报的一个先行指标的可能性与条件。开展北京探空和合肥激光雷达的连续探测，完成1期加强观测。全面揭示东亚地区UTLS区域大气特征和交换特征，初步分析平流层-对流层中尺度交换的机制以及东亚地区强对流对大气成分的输送机理。揭示东亚地区从热带直到中高纬度重力波活动的平均图像和北半球行星波活动的时空变化特征和规律。完成一部分化学-气候耦合个例模拟实验，并与观测资料进行对比分析，阐明太阳活动和火山气溶胶等对平流层大气化学过程和成分的影响，初步诊断评估东亚地区人类活动和区域气候变化对