DOI 10.12006/j.issn.1673-1719.2019.061王晴 , 黄富祥 , 夏学齐 . 2008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 4 385-394Wang Q, Huang F X, Xia X Q. Reversal trends of atmospheric temperature in spring over the Tibetan Plateau after 2008 and possible links with total ozone trends [J]. Climate Change Research, 2019, 15 4 385-3942008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系王 晴1,2, 黄富祥2,3, 夏学齐11 中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083；2 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081；3 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081气候变化研究进展第 15 卷 第 4 期 2019 年 7 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 4July 2019摘 要 利用 ERA-Interim 和 MERRA-2 再分析资料，考察 1980 2017 年青藏高原大气温度变化趋势和规律，年、季、月不同时间尺度分析结果均揭示 2008 年以来青藏高原春季大气温度变化呈现逆转趋势高原上空平流层下部 150 ～ 50 hPa 呈现明显的增温趋势（ 1.0 ～ 2.7℃ /10a，对流层上部 300 ～ 175 hPa 呈现明显的降温趋势（- 3.1 ～- 1.0℃ /10a，这与此前的大气温度变化趋势完全相反。利用 TOMS 和 OMI 卫星臭氧遥感资料，考察同期青藏高原臭氧总量变化特征，表明 2008 年以来青藏高原臭氧总量也表现出逆转的增加趋势，与大气温度逆转趋势吻合，从冬末至春季各月均有显著增加趋势，尤以 5 月臭氧总量增加速率最大，达 13.7 DU/10a。青藏高原春季大气温度变化趋势与同期臭氧总量变化特征紧密相关， 2008 年后臭氧总量的快速恢复可能是引起大气温度逆转趋势的一个重要影响因素。关键词 再分析资料；卫星遥感；大气温度；臭氧总量；变化趋势收稿日期 2019-03-21； 修回日期 2019-04-15资助项目 国家自然科学基金（ 41675031， 41275035；国家重点研发计划（ 2016YFB0502501）作者简介 王晴，女，硕士研究生；黄富祥（通信作者 ，男，研究员， 引 言作为全球第三极的青藏高原，其气候变化相关问题是大气科学长期以来的研究热点。大量研究关注青藏高原温度变化趋势问题。许多学者利用台站观测[1-6,7]、气候再分析资料[2-3,8]、卫星遥感[3,9]等不同来源数据，考察青藏高原地表或大气温度的长期变化趋势和过程。 Zou 等[7]利用ERA-Interim 资料发现， 1979 2010 年青藏高原地表温度以 0.33℃ /10a 的速率持续增温； Liu 等[4]利用 1971 2015 年 88 个台站月平均温度资料研究发现，青藏高原月最低温度增温速率最快，其次是月平均温度，月最高温度增温速率最慢； Liu等[8]通过与北半球和全球平均温度相比较发现，青藏高原的增温趋势出现得更早，并且增温速率也更快。然而青藏高原大气温度在平流层和对流层呈现完全不同的趋势，平流层中层到对流层上部温度长期呈现降温趋势，而对流层中下部则长期呈现增温趋势[5]。自周秀骥等[10]和 Zhou 等[11]利用 TOMS 资气候变化研究进展 2019 年386气 候 系 统 变 化料发现青藏高原在夏季 6 9 月成为臭氧总量低值中心以来，大量研究开始关注青藏高原臭氧低值、臭氧总量变化过程。 Zou[12]利用 1979 1991 年数据发现臭氧总量呈现减少趋势，各月减少速率为1.7 ～ 17.9 DU/10a； Chen 等[13]利用长时间臭氧总量序列发现， 1996 年以来，臭氧总量的减少速率开始放缓，直到 2003 年出现增长趋势。与此同时，学者们也注意到大气温度变化可能与臭氧总量变化紧密相关[14-15]， Zhang 等[5]和 Zhou 等[16]在分析青藏高原温度变化与臭氧总量变化过程基础上，提出高原上空臭氧总量急剧减少是导致大气温度变化特征幅度显著高于全球平均变化幅度的一个重要原因。为深入探究臭氧总量和大气温度变化之间的可能联系，本文利用 1980 2017 年大气温度再分析资料，结合同期臭氧总量数据，对比考察青藏高原 2008 年前后大气温度的变化趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系。1 资料和方法本文使用的资料有 ERA-Interim 月平均大气温度再分析资料，由欧洲中尺度天气预报中心 ECMWF（ European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）提供，空间分辨率为 0.5 N 0.5 E。作为对比和验证，同时使用 MERRA-2 再分析资料作为独立数据源进行分析。 MERRA-2 再分析资料由美国国家航空航天局 NASA（ National Aeronautics and Space Administration）提供，空间分辨率为 0.5 N 0.625 E。使用的臭氧总量数据来自 NASA 臭氧总量探测仪 TOMS（ Total Ozone Mapping Spectrometer）和臭氧监测仪 OMI（ Ozone Monitoring Instrument）组成的臭氧总量月平均数据集。 TOMS 数据的空间分辨率为 1.25 N 1 E，时间段为 1980 年1 月至 2005 年 12 月，其中 1993 年 5 月至 1996年 6 月存在数据缺失； OMI 数据空间分辨率为0.25 N 0.25 E，时间段为 2004 年 10 月至 2018年 2 月。在两种数据交叉观测期 2004 年 10 月至2005 年 12 月，使用公式 1 对青藏高原数据一致性进行了对比和评估[17]。其中 Y 表示差异百分率，X1 表示 TOMS 数据， X2 表示 OMI 数据， t 表示月份。结果如图 1 所示，两种数据的差异百分率在 3 以内，尤其是在春季月份（ 3 5 月，差异一般在 2 以内，可以认为在高原这两种卫星遥感数据具有良好一致性，能够用于臭氧总量变化趋势分析。Yt 100。 1 X1t - X2t[X1t X2t]/23203002802602403210-1-2臭氧总量/DU数据差异百分率/2014 年 10 月OMITOMS数据差异百分率2015 年 1 月2015 年 4 月2015 年 10 月2015 年 7 月图 1 青藏高原地区 TOMS 和 OMI 臭氧总量数据差异对比Fig. 1 Comparison of total ozone between TOMS and OMI over the Tibetan Plateau本文选取的青藏高原研究范围为 27.5 ～ 37.5 N， 75.5～ 104.5 E，再分析资料选取的大气高度层为 50 hPa、 70 hPa、 100 hPa、 125 hPa、150 hPa、 175 hPa、 200 hPa、 225 hPa、 250 hPa和 300 hPa。选取数据时间段统一为 1980 年 1 月至 2018 年 2 月。其中将 3 5 月、 6 8 月、 911 月和 12 月至次年 2 月分别划定为春、夏、秋、冬季节，进行季节趋势的分析。在分析过程中利用各层大气温度资料和臭氧总量资料进行趋势分析，发现转折点主要在 2007 2008 年，因此将2008 年划分为时间节点，研究大气温度在 19802007 年和 2008 2017 年之间的变化过程。关于再分析资料在青藏高原的适用性问题，周顺武等[18]在 2009 年利用 NCEP 再分析资料分析青藏高原温度变化趋势时提出 NCEP 数据可能导致虚假趋势，但是更多的研究表明，利用再分析资料进行趋势分析结果是可以信赖的[19-21]。本4 期 387王晴，等 2008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系文使用欧洲和美国再分析资料，相互对比和验证趋势分析结果，也是为了提高分析结果的可靠性。2 2008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势利用 ERA-Interim 和 MERRA-2 再分析资料，评估青藏高原上空大气温度变化过程和趋势。从图 2 可见， 1980 2007 年，青藏高原大气在平流层上部 150 ～ 50 hPa 呈现降温趋势，变化率未超过 - 0.8 ℃ /10a；在对流层上部 300 ～ 200 hPa 呈现增温趋势，变化率未超过 0.5 ℃ /10a。而 2008 年以来青藏高原上空大气温度变化趋势则发生与 1980 2007 年完全相反的趋势，即150 ～ 100 hPa 处大气呈现增温趋势，变化率达到图 2 青藏高原年平均大气温度变化趋势Fig. 2 Trends of annual mean atmospheric temperature over the Tibetan Plateau0.38 ～ 0.6℃ /10a，而 250 ～ 200 hPa 高度处大气呈现降温趋势，变化率达到 - 0.3 ～- 0.2℃ /10a。从图 3 可进一步看到，青藏高原上空大气温度变化逆转趋势主要发生在春季，温度变化过程更加清晰， 2008 2017 年 150 ～ 70 hPa 大气增温变化率达 0.4 ～ 1.7 ℃ /10a，其中 ERA-Interim数据的最大增温趋势出现在 100 hPa 高度处，变化率为 1.7 ℃ /10a； MERRA-2 在 100 hPa 高度处的大气温度变化率也达到 1.6℃ /10a。 300 ～ 200 hPa 大气降温变化率达到 - 1.1 ～- 0.2℃ /10a。其中 ERA-Interim 数据在 225 hPa 高度处大气降温最为显著，变化率达- 1.1℃ /10a； MERRA-2 数据在 250 hPa 高度处大气降温最为显著，变化率达- 1.0℃ /10a。而其他季节则没有明显的大气温度逆转趋势。5070100125150175200225250300-0.9 -0.3-0.6 0.90.3 0.60 -0.9 -0.3-0.6 0.90.3 0.601980 2007 年 2008 2017 年高度/hPa5070100150200250300高度/hPaa ERA-Interim b MERRA-2趋势变化率 /℃ /10a 趋势变化率 /℃ /气候变化研究进展 2019 年388气 候 系 统 变 化图 3 青藏高原四季大气温度变化趋势Fig. 3 Trends of seasonal atmospheric temperature over the Tibetan Plateau注图中阴影表示通过 0.05 的显著性检验；变化趋势单位为℃ /10a。5070100125150175200225250300高度/hPaa b 春 夏 秋 冬季ERA-Interim MERRA-21980 2007 年2008 2017 年c d 春 夏 秋 冬季5070100150200250300高度/hPa5070100125150175200225250300高度/hPa5070100150200250300高度/hPa春 夏 秋 冬季 春 夏 秋 冬季图 4 则清晰地显示，青藏高原上空大气温度变化的逆转趋势在 1 5 月份均有反映。 20082017 年 150 ～ 50 hPa 大气增温（ 1.0 ～ 2.7℃ /10a，300 ～ 175 hPa 大气降温（- 3.1 ～- 1.0 ℃ /10a。其中增温大值区出现在 2 月 100 hPa 高度处，变化率为 2.7℃ /10a。降温大值区出现在 2 月 225 hPa高度处，变化率达到 - 3.1℃ /10a。由图 4 可见，在 1980 2007 年和 20082017 年内，大气温度在 5 月均发生较为明显的温度逆转趋势，因此选取 5 月 ERA-Interim 数据225 ～ 200 hPa 的平均温度变化过程进行分析，结果如图 5 所示。 5 月 225 ～ 200 hPa 高度内的平均温度在 2008 年左右发生明显逆转，温度变化率由1.0℃ /10a 逆转为 - 2.1℃ /10a，并且两个时间段内的变化趋势均通过 0.1 的显著性检验。综上，在年、季、月时间尺度上， 19802007 年期间，青藏高原上空平流层 150 ～ 50 hPa 温度呈现一致性降温趋势，而对流层上部300 ～ 175 hPa 大气呈现一致性增温趋势。 2008年以来则呈现与此前完全相反的变化趋势高原上空平流层 150 ～ 50 hPa 呈现明显的增温趋势，对流层上部 300 ～ 175 hPa 大气则呈降温趋势。4 期 389王晴，等 2008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系图 4 青藏高原大气温度逐月变化趋势（单位℃ /10a）Fig. 4 Trends of monthly atmospheric temperature over the Tibetan Plateau unit ℃ /10a5070100125150175200225250300高度/hPaa ERA-Interim MERRA-21980 2007 年2008 2017 年c d b 5070100150200250300高度/hPa1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月5070100125150175200225250300高度/hPa5070100150200250300高度/hPa图 5 青藏高原 5 月 250 ～ 200 hPa 高度处平均大气温度变化Fig. 5 Changing trends of average atmospheric temperature in May in 250-200 hPa注两个时间段的变化趋势均通过 0.1 的显著性检验。1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年-46-48-50-52-54温度/℃y -51.49 0.10 xy -48.18 - 0.21x图 6 青藏高原臭氧总量年变化趋势Fig. 6 Trends of annual total ozone over the Tibetan Plateau1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年300290280270臭氧总量/DUy 287.84 - 0.52xy 273.83 0.32x3 同期青藏高原上空臭氧总量变化趋势图 6 给出青藏高原臭氧总量年变化趋势，在 1980 2007 年期间，高原上空臭氧总量主要呈现减少趋势，变化率为- 5.2 DU/10a；而在2008 2017 年期间则呈现增加趋势，变化率为 3.2 DU/10a。从图 7 可见，在 1980 2007 年期间，青藏高原上空臭氧总量在各个季节均呈现减少趋势，冬春季比夏秋季明显；而在 2008 2017 年期间，高原上空臭氧总量均呈现增加趋势，亦呈现冬春季比夏秋季明显的特征。图 8 给出月平均的臭氧总量变化率，可见1980 2007 年期间高原上空臭氧总量各月均呈现气候变化研究进展 2019 年390气 候 系 统 变 化减少趋势。但 2008 年以来高原臭氧总量在各月（除 11 月）均呈现增加趋势，尤其是 5 月增加趋势最显著，变化率达 13.7 DU/10a。综上可见，在年、季、月时间尺度上，青藏高原同期臭氧总量变化均由减少趋势逆转为增加趋势，与大气温度逆转趋势相吻合。 2008 年以来，青藏高原春季臭氧总量增加趋势明显， 5 月变化率最大，在冬末至春季其他各月份也都有显著增长趋势。4 大气温度逆转趋势与臭氧总量变化之间的可能联系研究表明，在通常情况下，大气臭氧总量与平流层温度呈现正相关，与对流层温度呈现负相关。这是由于大气臭氧对太阳紫外辐射的吸收加热，是平流层大气的主要热源，然而臭氧对太阳紫外辐射吸收越多，进入对流层的太阳辐射就越少[14,22]。图 9 给出青藏高原 1980 2007 年和2008 2017 年两个时间段各月大气臭氧总量与大气温度相关系数分布变化。从图 9 可见，高原大气臭氧总量与大气温度相关关系在两个时间段都呈现出相同的规律在平流层下部 150 ～ 50 hPa，大气温度与臭氧总量图 7 青藏高原臭氧总量四季变化趋势Fig. 7 Trends of seasonal total ozone over the Tibetan Plateau1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年300280260240臭氧总量/DUy 290.71 - 0.68x y 276.02 0.62xy 269.10 - 0.29xy 262.54 0.07xy 307.96 - 0.74xy 286.37 0.73xy 282.62 - 0.37xy 269.89 0.22x1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 年320300280240臭氧总量/DU260a b 春季 夏季秋季 冬季图 8 青藏高原臭氧总量月变化趋势Fig. 8 Trends of monthly total ozone over the Tibetan Plateau1 3 5 7 9 11 月15129630-3-6-9趋势变化率/DU/10a1980 2007 年2008 2017 年呈正相关，其中 50 hPa 和 70 hPa 高度处，二者之间相关性最强，相关系数达到 0.6 ～ 0.8；在对流层上部 300 ～ 175 hPa，大气温度与臭氧总量呈负相关，其中在 2 月、 5 月和 10 月的 200 hPa 高度处相关性最强，相关系数为 - 0.6 ～- 0.4。从图中可见，无论是 ERA-Interim 还是 MERRA-2 资料，无论是在 1980 2007 年还是 2008 2017 年臭氧减少或增加趋势时期，高原大气温度与臭氧的相关关系基本保持稳定，即下平流层温度与臭氧正相关，上对流层温度与臭氧负相关。以 70 hPa 和 250 hPa 分别代表高原下平流层和上对流层大气，图 10 给出 1980 2017 年 5 月臭氧总量与平流层和对流层大气温度相关系数空间分布。从图 10 可见，在青藏高原，大气臭氧总量与下平流层和上对流层大气温度的相关关系，整体上均通过显著性检验，但是仍具有空间上的差异性。在 70 hPa 高度，臭氧总量与大气温度之间的相关关系在高原西北部帕米尔高原达到最强，相关系数最大达到 0.89，而在高原南缘相关性稍弱，但相关系数也在 0.6 以上；在 250 hPa 高度，臭氧总量与大气温度相关系数大多在 - 0.8 ～- 0.6 之间，在高原中部相关系数最高达到 - 0.8，而在高原东北部相关性稍弱，相关系数也在 - 0.5 左右。从图 9 和 10 可见， 1980 2017 年青藏高原春季臭氧总量与大气温度相关关系呈现一致性4 期 391王晴，等 2008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系图 9 青藏高原臭氧总量与大气温度相关系数分布Fig. 9 Correlation coefficient between total ozone and atmospheric temperature over the Tibetan Plateau5070100125150175200225250300高度/hPaa ERA-Interim MERRA-21980 2007 年2008 2017 年c d b 5070100150200250300高度/hPa1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月1 3 5 7 9 11 月 1 3 5 7 9 11 月5070100125150175200225250300高度/hPa5070100150200250300高度/hPa注浅色和深色阴影分别代表通过 0.1 和 0.01 的显著性检验。臭氧总量与平流层下部大气温度呈正相关，而与对流层上部大气温度呈负相关。在 1980 2007 年期间，高原春季平流层下部大气温度呈下降趋势，而对流层上部大气温度呈上升趋势，与该期间臭氧总量减少趋势相一致；而在 2008 2017 年，春季高原平流层下部大气温度上升、对流层上部温度下降的逆转趋势与该阶段高原臭氧总量迅速恢复的趋势相吻合。因此，认为青藏高原 2008 年以来春季大气温度逆转趋势与同期高原臭氧总量停止减少而迅速恢复的趋势紧密相关。5 结论与讨论本文利用欧洲和美国气候再分析资料，结合卫星臭氧遥感资料，揭示 2008 年以来青藏高原春季下平流层和上对流层大气温度逆转趋势。得到如下主要结论。1 年、季、月时间尺度上均显示 2008 年以来青藏高原春季大气温度变化呈现显著的逆转趋势平流层下部 150 ～ 50 hPa 温度由过去的降温趋势转变成增温趋势，变化率高达1.0 ～ 2.7 ℃ /10a；而对流层上部 300 ～ 175 hPa温度则由过去的增温趋势转成降温趋势，变化率达到 - 3.1 ～- 1.0℃ /10a。2 同期高原上空大气臭氧总量也由此前的减少趋势逆转为增加趋势，从冬末到春季各月均有显著增加趋势，尤以 5 月臭氧增加幅度最大，达到 13.7 DU/10a。3 对大气温度与臭氧总量两个数据序列之间的相关性分析表明，高原上空平流层温度与臭氧气候变化研究进展 2019 年392气 候 系 统 变 化参考文献You Q L, Kang S C, Aguilar E, et al. Changes in daily climate extremes in [1]图 10 1980 2017 年 5 月青藏高原臭氧总量与大气温度相关系数空间分布Fig. 10 Spatial distribution of correlation coefficient between total ozone and atmospheric temperature in May over the Tibetan Plateau from 1980 to 2017注所有区域均通过 0.01 的显著性检验。30˚N75˚E 90˚E 105˚E90˚E 105˚E40˚N30˚N40˚N30˚N30˚N75˚E 90˚E 105˚E90˚E 105˚E0.6 0.7 0.8 0.975˚E 90˚E 105˚E 75˚E 90˚E 105˚E90˚E 105˚E 90˚E 105˚E30˚N40˚N30˚N30˚N40˚N30˚N-0.5 -0.6 -0.7 -0.8N NN NERA-Interim MERRA-2a b c d 70 hPa250 hPa总量呈正相关，而对流层温度与臭氧总量呈负相关。分析表明， 2008 年以来高原春季大气温度逆转趋势与臭氧变化紧密相关，臭氧总量的快速恢复可能是导致大气温度逆转趋势的重要因素之一。气候变化是由包括臭氧总量变化在内的多个因素共同作用的结果，比如 CO2、太阳辐射、云等[23-25]。 2008 年以来青藏高原地区春季大气温度逆转趋势是由多种因素共同作用的结果，其中臭氧变化可能是一个重要的因素，但不是全部因素。未来将结合气候模式，对高原春季大气温度逆转趋势进行归因分析，给出臭氧总量及其他因素在大气温度逆转趋势中的贡献率。虽然 2008 年以来，青藏高原臭氧总量在各个月份（除 11 月）均呈现增加趋势，但相较于其他季节，臭氧总量在春季的增速最快，这种快速变化可能对下平流层和上对流层大气温度变化产生较大影响而导致温度逆转现象。而在其他季节，臭氧总量变化对大气温度的影响与其他因素相比，可能相对较小，从而导致其他季节并未表现出大气温度逆转现象。393王晴，等 2008 年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系4 期 [15][16][18][17][19][4][3][5][2][9][7][8][6][10][11][20][21]Zhang J K, Tian W S, Xie F, et al. 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