太阳活动和人类排放增加将直接影响平流层和对流层的气候,深入研究太阳活动十一年周期和人类化学排放增加,尤其是东亚地区温室气体排放增加,对平流层和对流层环流、温度和臭氧等的影响,对更加全面的认识平流层和对流层动力-辐射-化学之间的耦合以及未来气候变化具有重要的意义。本文利用全球气候-化学模式,结合再分析资料,研究了太阳活动十一年周期变化和东亚地区NOx,CH4,N2O口CO2等气体排放增加对大气温度、环流和臭氧等的影响,并得到以下主要结论：一、在模式中没有平流层准两年震荡(quasi-biennial oscillation, QBO)过程和无年际变化的月平均海平面温度(sea surface temperature, SST)强迫下,WACCM3模式可以模拟出热带平流层低层(tropical lower stratosphere, TLS)温度和臭氧对太阳活动十一年周期的响应。太阳活动强的年份相对于太阳活动弱的年份,TLS区域温度和臭氧分别变化0.5K和3%,太阳活动通过化学过程影响平流层温度和臭氧的效应比太阳活动通过直接的辐射效应影响平流层温度和臭氧的作用要强。太阳活动的间接化学作用影响导致平流层低层Brewer-Dobson(BD)环流产生显著变化,这种变化是造成热带平流层低层臭氧极大值形成的重要原因。对模拟得到的臭氧和时间序列进行小波分析显示,平流层高层臭氧和温度对太阳活动响应极大值出现的高度不同,而且太阳活动的辐射效应和化学效应在上平流层区域存在负反馈现象。模拟结果显示,虽然太阳活动的化学效应对上平流层温度极大值的影响最大,但是,太阳活动的直接辐射作用和间接反馈作用对平流层上层温度和臭氧的变化都有重要的影响。二、只在模式辐射过程中考虑有太阳活动十一年周期变化,并使用没有年际变化的逐月海平面温度强迫,WACCM3模式可以模拟出热带对流层温度和热带东太平洋海平面气压(sea level pressure, SLP)对太阳活动十一年周期的一些响应。其中,热带地区对流层温度在冬季为负响应,夏季为正响应,幅度为0.1K。对流层气候对太阳十一年周期的响应同以往的观测结果和使用耦合的气候模式得出的结果基本一致,但是,利用月平均的没有年际变化的SST,模式没有模拟出太阳活动导致的热带东太平洋的SST异常,只能模拟出热带东太平洋SLP异常。对流层气候对太阳活动十一年周期的响应,主要是通过自下而上(bottom-up)的机制,且这种响应主要是太阳活动十一年周期直接辐射效应造成的。在太阳活动强的年份,由于OH增加,对流层臭氧会减少,而太阳活动的直接辐射效应和化学效应的综合作用可使对流层臭氧在太阳活动强的年份减少3%。三、利用WACCM3模式进一步研究了地面甲烷排放增加对气候的影响。模拟结果表明,地面CH4排放增加会导致北半球中纬度地区西风加强,波导和BD环流强度增加,以及穿越对流层顶的物质通量增加。但是,不同地区甲烷排放增加导致BD环流的变化也不同,10°S-10°N之间100hPa高度区域,东亚地区甲烷排放增加导致该区域BD环流减弱,北美地区甲烷排放增加导致该区域BD环流加强。当东亚地区CH4排放增加50%和全球地面CH4排放增加15%,平流层最大降温可达0.15K,臭氧浓度增加最大值可达45和60ppbv。当增加相同的CH4排放量,北美地区CH4增加对平流层臭氧的影响更大,臭氧增加最大值达60ppbv。东亚地区和北美地区CH4排放增加,会导致北半球对流层中纬度地区OH减少,03增加。对流层不同高度臭氧浓度变化的极大值出现的时间也略有不同。当东亚地区甲烷排放增加时,东亚地区对流层臭氧浓度在8月份增加最多；而当北美地区甲烷排放增加时,北美地区对流层中部臭氧浓度在7月份增加最多。东亚地区甲烷排放增加后,甲烷氧化等化学过程导致整个对流层内臭氧浓度增加。而当北美地区甲烷排放增加后,臭氧浓度只在下对流层区域增加。四、与东亚地区CH4排放增加50%相比,当东亚地区NOx排放增加50%后,大气温度和平流层臭氧变化与CH4排放增加造成的温度和臭氧变化相比幅度减小。东亚地区NOx排放增加50%会造成东亚地区对流层臭氧增加2%。当地面CO2排放增加50%后,会造成对流层增暖,平流层冷却,对流层和平流层臭氧都增加,引起的温度和环流的变化比CH4和NOx增加50%所引起的温度和环流的变化要显著的多。当全球N20排放增加20%后,会造成平流层臭氧浓度减少,温度降低,但对对流层温度和臭氧的影响不大。CH、NOx、N2O和CO2排放增加后,会导致中纬度地区波活动加强,BD环流强度加强。五、利用化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场气候平均态进行了模拟分析。结果表明,在适宜飞艇长期驻空的准零风层高度20-22km(也即30-50hPa),7-8月风速小于5m/s的风带可以长期稳定在40°N以北。臭氧空间分布显示,在30hPa高度处,中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30hPa以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区。平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100x10-6K/s,而在平流层下层,只有10x10-6K/s。6-8月中国区域太阳加热率要大于9月；100-30hPa,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,30hPa以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区；8-9月份30-40hPa的高度处,太阳加热率的空间变化较小。平流层低纬度地区的长波加热率要小于中纬度地区。青藏高原由于地形特殊,其6-7月份的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区。