平流层臭氧甲烷模式模拟试验研究

论文总字数：18185字

目 录

摘要.....................................................3

1引言....................................................5

1.1研究目的和意义..........................................................5

1.2平流层臭氧..............................................................5

1.3平流层甲烷..............................................................6

1.4国内外进展与现状........................................................6

2模式与方法..............................................7

2.1CESM模式..............................................................8

2.2方法...................................................................9

2.2.1模式移植运行.......................................................9

2.2.2数据处理...........................................................9

3平流层臭氧甲烷模式模拟试验个例.........................10

3.1平流层臭氧分布.........................................................10

3.1.1平流层臭氧空间分布.................................................10

3.1.2平流层臭氧的垂直分布...............................................11

3.1.3平流层臭氧的经向-高度分布..........................................12

3.1.4平流层臭氧的纬向-高度分布..........................................13

3.2平流层甲烷分布.........................................................14

3.2.1平流层甲烷空间分布.................................................14

3.2.2平流层甲烷的垂直分布...............................................15

3.2.3平流层甲烷的经向-高度分布..........................................16

3.2.4平流层甲烷的纬向-高度分布..........................................17

4结果与讨论.............................................18

参考文献................................................19

致谢....................................................21

平流层臭氧甲烷模式模拟试验研究

张芮

，china

Abstract:Stratospheric trace gases have great influence on ecological environment and climate system of earth. So,the research about the variety of those trace gases including ozone and mathane is always paid much attention. All the time,the data we get of ozone and mathane are lacking. We can only get the high quality data from few sites. Satellite observation does solve this problem in a great degree. But it still have limitation. The fast development of numerical model covers the shortage of conventional observation.It has driving effect for our researching stratospheric ozone and mathane.This article will introduce the procedure of transplanting and running of CESM model on NUIST IBM super computer.And we mainly make use of the WACCM.Then we can get the simulation of mixing ratio distribution in August 2004. Next,processing the simulation by MATLAB,we can extract the three-dimensional data of ozone and mathane so that we get all kinds of images of mixing ratio of ozone and mathane. Finally,we can analyze the images we have got. After analysis,simulated results we have got are consistent with results from measured data. And this article will mainly introduce the simulated results.

Keywords:stratosphere;ozone;mathane;WACCM model;numerical simulation

1引言

1.1研究目的和意义

近年来伴随着全球气候问题日趋严重，所以气候变化研究就成为国际科学研究的重点。对流层作为地球最底层的大气圈层，自然就会受到地面的巨大影响，地面是对流层大气的主要热源，所以对流层最大特点就是温度随高度递减。这一特点就造成对流层内有强烈的对流运动，使其成为大气运动最活跃的气层。由于大气运动主要的天气现象都集中该层，又是人类直接活动的圈层，过去人们研究重点一直放在对流层。但随着空间探测技术的快速发展，大量的研究成果指出平流层对对流层大气的反馈作用不可忽视，平流层影响着对流层各种天气现象的形成与发展。舒建川^[1]等提出平流层对对流层的物质交换与传输直接影响到大气中微量成分的空间分布，并进一步通过化学-辐射-动力的相互耦合对平流层对流层的能量收支和环流特征造成影响。因此，我们要想深入全面的了解大气运动，就必须把平流层大气成分与变化放在气候研究中举足轻重的地位。而臭氧甲烷又是平流层最为重要的两种微量气体，它们对全球大气温度垂直分布以及大气环流特征有重要作用。因此本文将通过CESM模式，研究平流层臭氧甲烷的浓度分布特征。

目前，对于臭氧和甲烷的观测数据还是比较稀缺的，高质量观测站点只分布在少数地区，而大多数地区的资料我们则很难获得。正如上面所说的空间探测技术的发展，卫星探测手段的出现极大程度解决了这个问题，实现了臭氧甲烷的垂直观测，获得高时空分辨率的资料。但是卫星观测范围也是有限制的，很难实现全球观测。因此，数值模式的发展为研究平流层微量元素提供了新思路。数值模拟做为大气化学研究的有力工具，把大气化学模式和气候模式完全耦合在一起，建立了化学-辐射-动力模式，用以研究全球或区域的大气化学成分变化和气候效应是今后的发展趋势。

我们已经可以用大气化学模式来对平流层臭氧甲烷，大气污染和气候变化等问题进行模拟研究^[1-2]。但其也有较大局限性，表现为大气化学模式模拟大气化学过程是在给定的气象环境条件下，不能表现实际情况中大气化学过程与气候之间的相互反馈。为了更好模拟出大气化学过程，人们尝试在气候系统模式中加入大气化学过程。这是地球系统模式发展的重要环节，也是目前气候模式研究的趋势^[3-4]。近些年，已有许多学者利用目前开发的地球系统模式对臭氧甲烷展开研究，结果显示，加入大气化学过程的地球系统模式对臭氧甲烷的气候态、季节变化等具有较好的模拟能力，同时能对未来大气臭氧甲烷的变化进行预估^[5-6]。

1.2平流层臭氧

在大气中，臭氧占得比例很小，属于痕量气体。但是臭氧具有吸收大部分太阳紫外辐射的特性，因此被称为是地球的保护伞。而平流层集中了地球大气90%以上的臭氧，是影响平流层的重要气体，也是唯一能够吸收250—300纳米紫外辐射的气体，使得地球生物圈免受强烈紫外辐射的影响，因此研究平流层臭氧浓度分布特征就显得尤为关键。臭氧的峰值浓度大约为12ppmv，位于10-20km的高度，该高度层又称臭氧层。

平流层臭氧的形成：平流层中的氧气在太阳紫外辐射作用下发生光解，生成氧原子。活泼的氧原子又可以与氧气分子发生作用，在第三气体的参与下，发生反应生成臭氧。由此可见平流层臭氧的分布受到太阳紫外辐射，氧气的影响。

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