【成果】统计物理新方法--本征微观态方法揭示臭氧空间分布及演化

来源:作者:陈小杰 发布时间:2021-07-16 浏览次数:2019

      臭氧是大气重要组成成分之一,臭氧的变化也与地球上的生物息息相关。不同高度的臭氧造成的影响是不同的:平流层的臭氧吸收了大部分的对地面生物有害的紫外线;而地面臭氧则是一个严重的污染物。近年来,随着南极、北极的臭氧空洞的频繁出现,以及地面臭氧污染的持续恶化[1];对臭氧的变化的研究受到了广泛的关注。臭氧分布的浓度变化同时受到大气环流以及大气中化学反应的影响,对臭氧变化的描述充满挑战。在以往的研究中,大气中的臭氧常常被近似当作一个二维系统来研究:1,通过纬向平均的数据来分析臭氧垂直方向的分布模式[2];2,通过臭氧的柱浓度来分析水平方向的模式[3]。大气中的臭氧作为一个整体,臭氧的传输同时存在着水平通道以及垂直通道;因此,从三维的角度分析臭氧的模式对提高对臭氧的变化的认识是十分重要且必要的。

      最近,以北京师范大学系统科学学院博士后陈小杰为第一作者,学院陈晓松教授和樊京芳教授作为通讯作者,赫尔辛基大学博士研究生陈迪、环科院的营娜博士以及昆明理工大学的张永文副教授等共同参与完成了一篇题为“Eigen Microstates and Their Evolution of Global Ozone at Different Geopotential Heights”探究臭氧模式的文章,已于7月16日被非线性领域知名期刊《Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science》接受发表,文章链接为https://doi.org/10.1063/5.0058599。作者通过再分析数据计算了不同高度下臭氧模式以及其演化规律。该文章讨论了臭氧受季节效应影响随着高度上升的变化,并揭示了不同高度的臭氧受到大气环流影响的表现。

      本征微观态方法[4]是作者所在研究小组提出的新方法,该方法可以用来分析复杂系统的集体行为及相变与临界现象。通过对1979年到2020年间的臭氧数据的分析,作者发现最大的本征微观态反映的是臭氧受季节效应的影响,这些影响随着高度的变化有三个值得注意的特征:1、随着高度的上升,影响逐渐减弱;直到300 hPa达到最弱,随后逐渐增强(见图 1);2、最大本征态随着时间演化的年间时间序列的相位会发生偏移(见图 2);3、最大本征态的空间分布也会从典型南北对称的两块开始发生变化(见图 3)。在除去季节效应的影响后,我们也可以明显观察到大气环流对臭氧的影响随着高度的变化。例如,ENSO(El Niño-Southern Oscillation)对臭氧的影响集中在400 hPa到100 hPa之间,随着高度增加影响越来越来强;且本征态的空间分布会向西偏转(见图 4)。在论文中,我们列举了各种环流对臭氧变化分布的影响,详细的结果可以参考原文。

      这项工作完成者们所在的研究小组多年来一直从事统计物理与复杂系统的研究,近年来特别关注地球系统的大尺度及全球性气候现象,已完成了统计物理与地球复杂系统的一系列交叉研究.

      此工作得到了中国科学院前沿科学重点研究项目(批准号:QYZD-SSW-SYS019)的资助。


参考文献:

[1]M. Xu et al., “Estimating the impact of ground ozone concentrations on crop yields across China from 2014 to 2018: A multi-model comparison,” Environmental Pollution, vol. 283, p. 117099, Aug. 2021, doi: 10.1016/j.envpol.2021.117099.

[2]F. Xie, J. Li, W. Tian, J. Zhang, and J. Shu, “The impacts of two types of El Niño on global ozone variations in the last three decades,” Adv. Atmos. Sci., vol. 31, no. 5, pp. 1113–1126, Sep. 2014, doi: 10.1007/s00376-013-3166-0.

[3]C. D. Camp, M. S. Roulston, and Y. L. Yung, “Temporal and spatial patterns of the interannual variability of total ozone in the tropics,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 108, no. D20, Art. no. D20, 2003, doi: 10.1029/2001JD001504.

[4]Y. Sun et al., “Eigen microstates and their evolutions in complex systems,” Commun. Theor. Phys., vol. 73, no. 6, p. 065603, May 2021, doi: 10.1088/1572-9494/abf127.

图 1 最大本征态的权重随着垂直高度的变化。

图 2 最大本征态随着时间演化的时间序列的年间振荡随着垂直高度的变化。

 

图 3 最大本征态的空间分布随着垂直高度的变化。

 图 4 受ENSO影响的模态随着高度的变化:左侧的图代表的空间分布,右侧的图展示的是随着时间的演化与代表的空间分布,右侧的图展示的是随着时间的演化与代表ENSO的指数之间的对比。



作者:陈小杰
编辑:李文英
审核:樊京芳、陈晓松