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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (1): 57-66  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00004
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万凌峰, 郭栋, 刘仁强, 等. 2017. WACCM3对夏季青藏高原臭氧谷双心结构的模拟性能评估[J]. 高原气象, 36(1): 57-66. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00004
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WAN Lingfeng, GUO Dong, LIU Renqiang, et al. 2017. Evaluation of WACCM3 Performance on Simulation of the Double Core of Ozone Valley over the Qinghai-Xizang in Summer[J]. Plateau Meteorology, 36(1): 57-66. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00004.
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资助项目

国家自然科学基金项目(41305039,41375047,41575040,41675039,41641042,91537213,41375092,41475140);国家留学基金;江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

通讯作者

郭栋.E-mail:dongguo@nuist.edu.cn
刘仁强.E-mail:rq_liu@nuist.edu.cn

作者简介

万凌峰 (1991-), 男, 江西人, 硕士, 主要从事平流层臭氧相关研究, E-mail:wanlingfeng_123@163.com

文章历史

收稿日期: 2015-07-23
定稿日期: 2015-12-08
WACCM3对夏季青藏高原臭氧谷双心结构的模拟性能评估
万凌峰1, 郭栋1, 刘仁强1, 施春华1, 苏昱丞2     
1. 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044;
2. 南京信息工程大学 空间天气研究所/南京信息工程大学数学与统计学院, 南京 210044
摘要: 利用全大气气候通用模式WACCM3对青藏高原夏季臭氧谷(OV)的双心结构进行了模拟。通过模式输出资料和ERA-interim再分析资料、MLS卫星资料的对比分析,对模式模拟性能进行了评估。结果表明WACCM3能模拟出青藏高原夏季OV的双心结构,尤其对上对流层下平流层区(UTLS)的OV中心位置模拟较好,强度偏强。平流层上部的OV模拟较差,中心偏东,强度偏强。因为WACCM3对夏季高原邻近地区上空UTLS区的环流尤其是南亚高压模拟较好,而UTLS区的臭氧损耗的主要原因是动力输送作用,所以模拟效果好。上部OV模拟较差的原因主要是环流场模拟不佳导致了氯化物和氮氧化物的分布模拟较差。
关键词: 青藏高原    臭氧谷    双心结构    WACCM3    
1 引言

1974年Molina and Rowland (1974)发现氯氟烃 (CFCs) 使臭氧 (O3) 层变薄, 但是当时他们的工作没有得到科学界的重视。1985年, Farman et al (1985)发现了南极O3洞, O3的损耗问题逐渐被重视起来。联合国为了避免CFCs对O3层继续造成损害, 于1987年邀请所属26个会员国签署了“蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书”。关于O3损耗的科学问题逐渐成为地球科学领域的国际热点问题。1997年Newman et al (1997)在北极地区也发现了很强的O3损耗, 该问题进一步升温。后来, 许多学者对该问题在不同侧面进行了系统深入的讨论 (Solomon et al, 1999; Rowland et al, 2006; Crutzen et al, 2008), 但是这些对O3损耗的研究多集中在高纬度地区。

事实上, 强烈的O3损耗并不仅仅发生在南北极地区, 也发生在地球的第三极——青藏高原地区。20世纪80年代, Reiter and Gao (1982)在研究春季南亚高压的移动时, 发现1979年4月中旬当南亚高压移向高原并维持时, 青藏高原上空出现相应的O3总量低值区。Hingane (1990)利用30年的O3资料分析发现喜马拉雅山以及印度北部存在一个准定常的O3低值区。周秀骥等 (1995)利用臭氧总量映射光谱仪TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) 资料发现, 在青藏高原夏季 (6-9月) 形成臭氧谷, 与同纬度东部地区冬季差别小, 不超过3%, 夏季差别可达11%, 最高在6月。由此可见, 青藏高原夏季存在显著的O3损耗, 称其为青藏高原O3低值中心或夏季青藏高原臭氧谷 (Ozone Valley, OV)。Zou et al (1997)进一步确认了夏季青藏高原OV的存在。后来, 有很多关于夏季青藏高原OV的特征分析的工作 (Ye et al, 2003; Zhou et al, 2005; Tobo et al, 2008; Liu et al, 2009; Zhang et al, 2014; Guo et al, 2016; 周顺武等, 2012; 苏昱丞等, 2016)。

Guo et al (2015)通过分析微波临边探测器MLS (Microwave Limb Sounder) 卫星资料, 发现夏季青藏高原OV存在两个明显的中心。一个中心位于上对流层下平流层区 (Upper Troposphere-Lower Stratosphere, UTLS), 另一个中心位于平流层中上部。以往的工作大多集中在下部的中心上, Liu Y et al (2003)Tian et al (2008)卞建春等 (2011)Guo et al (2012)均强调了与大气环流有关的动力输运过程的重要作用。Liu et al (2003)Tian et al (2008)指出动力作用要比化学作用强得多。还有很多工作讨论了该地区对流层和平流层输送对O3的作用 (Zhang et al, 2014; 陈闯等, 2012; 陈斌等, 2011; 王卫国等, 2010; 施春华等, 2014, 2015), 而对于平流层上部, 可能化学作用更加重要。刘煜等 (2010)支持了化学作用在平流层上层更重要的观点。Guo et al (2015)利用夏季白天与夜晚MLS卫星资料比较发现, 青藏高原上空的10~2 hPa地区, 白天存在光化学反应时, 有明显的O3损耗中心, 而在夜晚没有光化学反应时, 该中心消失。而且氯化氢 (HCl) 和氧化氯 (ClO) 的高值区刚好对应O3的低值区, 因此, 氯化物在该中心的形成中起到重要作用。Zhang et al (2014)用WACCM3模式模拟发现地表N2O增加会造成高原平流层上层O3减小。所以, 夏季青藏高原O3损耗的下部中心形成的主要原因是动力输运作用, 而化学作用可能对上部中心起到重要作用。

为了进一步研究夏季青藏高原O3损耗双心结构的形成与变化, 需要评估全大气通用气候模式WACCM3(The Whole Atmosphere Community Climate Model 3) 对其的模拟效果。Liu et al (2003)Tian et al (2008)Guo et al (2012)均对高原臭氧谷做过模拟分析。然而他们针对的都是对流层顶的中心进行讨论, 并没有涉及平流层中上层的中心。而刘毅等 (2009)使用WACCM3对纬圈平均的平流层动力、热力场及微量化学成分季节变化进行了数值模拟研究, 但是并没有讨论对青藏高原区的模拟性能。因此, 为了进一步研究夏季青藏高原O3损耗双心结构的形成与变化, 需要评估WACCM3对其的模拟效果, 本文利用WACCM3对青藏高原夏季OV双心结构进行模拟, 采用ERA-Interim再分析资料与MLS卫星资料, 对其模拟性能进行评估, 为模式对其形成的各种机制分析等提供模式可靠性的依据, 同时为模式的完善提供参考性建议。

2 资料与模式

WACCM3是美国大气研究中心 (NCAR) 近年来发展的三维全球大气模式。其是在NCAR-CAM系列模式的基础上发展起来的, 模式采用有限体积动力框架, 氟利昂排放源使用IPCC逐月数据, 集成到inputdata数据包中, 从地面到模式层顶 (5.1×10-6 hPa, 约150 km) 具有66个垂直层次。边界层以上的对流层中, WACCM3的垂直分辨率约为1.1 km, 平流层低层在1.1~1.4 km之间, 平流层顶 (约50 km) 高度附近为1.75 km, 65 km以上垂直分辨率约为3.5 km, 本文使用的输出资料水平分辨率为1.9°N×2.5°E。有关WACCM3模式详细介绍可查阅相关文献 (Garcia et al, 2007)。本文使用的海温海冰强迫为多年平均值, 在模式运行平衡后, 输出了30年的模拟结果。本文使用的模式输出场有风场 (U, V, omega)、温度、O3、HCl和N2O等。

欧洲中期天气预报中心提供的ERA-Interim是为新一代欧洲中心再分析资料做准备的过渡期再分析资料, 在模式和资料同化系统上都比ERA-40有所改进 (Dee et al, 2009, 2011)。取2001-2010年夏季 (6-8月) 资料, 水平分辨率为0.75°×0.75°, 垂直方向从1000~1 hPa分为37个标准气压层。使用的量有风场 (U, V, omega)、O3和温度等。

Aura卫星上的MLS的Level-2数据产品, 取2005-2013年夏季 (6-8月), 高度取261~1 hPa。该数据的垂直分辨率约为2.5 km, 水平分辨率约为300~500 km, 垂直范围在对流层顶和平流层。夏季青藏高原 (25°N-45°N, 75°E-105°E) 2°×2°的网格上每年约有20次观测, 因此从2005-2013年约有2400个观测值。所用插值方法是把在2°×2°的网格中所有数据的平均作为该网格的数据。Aura卫星上的MLS探测仪 (Waters et al, 1999, 2006) 是沿着卫星轨道投射到大气边界通过扫描上下的视野获得大气成分的垂直廓线。更多关于v3.3版本的臭氧的演算详细资料可以从在线的数据质量或者描述文档中查看。所有的MLS level2的数据都可以从NASA的GSFC-DISC下载 (Goddard Space Flight Center Data and Information Services Center, 戈达德太空飞行中心的数据和信息服务中心)。

3 青藏高原夏季OV双心结构的模拟

WACCM3和MLS的夏季261~1 hPa积分O3柱量和O3柱量纬向偏差 (O3*=O3-[O3], [O3]是O3的纬向平均) 均存在O3低值区, 模拟的位置较好, 强度偏强。从图 1ac可看出, 对于夏季261~1 hPa积分O3柱量, 在青藏高原及其邻近地区, WACCM3资料和MLS资料均随纬度增大而增大, 在青藏高原地区有明显的低值区, 但是没有闭合的等值线。WACCM3输出的夏季青藏高原平均 (26°N-40°N, 75°E-105°E) 的O3柱量为254.40 DU, 而MLS为260.67 DU, 即模拟的青藏高原低值强度较强。对于夏季O3柱量的纬向偏差图 1bd而言, 两者在青藏高原上空存在明显的低值中心, 中心均位于38°N, 85°E附近。WACCM3输出的夏季高原O3柱量的纬向偏差最强达-25.64 DU, MLS的最强达-16.62 DU。因此, WACCM3对青藏高原夏季261~1 hPa积分的O3柱量和其纬向偏差的低值中心模拟较好, 中心位置基本一致, 强度偏强。

图 1 夏季261~1 hPa积分的WACCM3(上)、MLS (下) O3柱量 (a, c) 及其纬向偏差 (b, d)(单位: DU) 阴影区表示青藏高原地形 Figure 1 The latitude-longitude cross-section of summer integral O3 (a, c) and its deviation (b, d) from 261 hPa to 1 hPa from WACCM3 output data (up) and from MLS data (down).Unit: DU.The shaded areas indicate the Qinghai-Xizang Plateau

WACCM3能够模拟出MLS显示的OV双心结构, 对UTLS的OV模拟较好, 主体均位于200~50 hPa, 上平流层的OV模拟较差。为了评估WACCM3对O3损耗双心结构的模拟效果, 计算了O3柱量的纬向偏差率 (O3*/[O3])。对于UTLS区: MLS资料显示OV的主体和中心均位于青藏高原和伊朗高原上空, 在100 hPa最强, 强度达-40%(图 2cd); 模拟结果显示OV主体位于青藏高原和伊朗高原上空, 中心位于青藏高原上空100 hPa, 强度达-50%(图 2ab)。经向剖面 (图 2bd) 显示, OV中心均位于青藏高原上空, 30°N附近。纬向剖面 (图 2ac) 显示, OV中心位于青藏高原上空, 80°E附近。即WACCM3能较好的模拟出UTLS的OV, 但是强度偏强, 主体位置一致。对于上平流层的OV:纬向剖面图 2c MLS资料显示OV的中心位于青藏高原上空, 强度达-0.8%。图 2a模拟结果显示OV中心不是很明显, 且位于青藏高原上空以东, 强度达-0.8%。在图 2bd中, 两资料的OV均在35°N附近, 强度达-1%。即WACCM3对上平流层的OV模拟有偏差, 向东偏移。

图 2 夏季WACCM3(上)、MLS (下) 的O3纬向偏差百分率 (O3*/[O3]) 的纬向剖面 (a, c) 和经向剖面 (b, d)(单位: 100%) Figure 2 The pressure-longitude (a, c) and the pressure-latitude (b, d) vertical-section of summer O3 zonal deviation rate from WACCM3 output data (up) and from MLS data (down).Unit: 100%

为了进一步体现WACCM3对O3损耗双心结构的模拟效果。图 3给出了青藏高原区UTLS区 (261~46.4 hPa) 和上平流层 (21.5~1 hPa) WACCM3模式O3柱量纬向偏差 (图 3ab) 和MLS的O3柱量纬向偏差 (图 3cd)。由图 3ac可知, WACCM3对青藏高原夏季臭氧纬向偏差的UTLS区的低值中心模拟较好, 中心位置基本一致 (38°N, 85°E), 且强度偏强6.73 DU (WACCM3为-21.11 DU、MLS为-14.38 DU)。由图 3bd可知, 上平流层MLS的O3纬向偏差在青藏高原区有一个明显的低值区, 而WACCM3在青藏高原区, 低值区偏东。

图 3 夏季261~46.4 hPa (左) 和21.5~1 hPa (右) 积分的WACCM3 (a、b) 和MLS (c、d) O3柱量纬向偏差 (单位: DU) 阴影区表示青藏高原地形 Figure 3 The latitude-longitude cross-section of summer integral of O3 zonal deviation from 261 hPa to 46.4 hPa (left) and 21.5 hPa to 1 hPa (right) from WACCM3 output data (a, b) and from MLS data (c, d). Unit: DU.The shaded areas indicate the Qinghai-Xizang Plateau

综上所述, WACCM3对青藏高原夏季261~1 hPa O3柱量和其纬向偏差有较好的模拟, 中心位置一致, 强度偏强。该模式对夏季青藏高原O3损耗的双心结构模拟, 在UTLS区模拟较好, 中心位置一致, 强度偏强, 上平流层低值中心模拟偏移, 位置偏东。

4 UTLS区OV模拟分析

图 4可以看出, WACCM3模式和Interim中南亚高压的中心位置基本一致, 位于青藏高原西南部。对应的O3水平通量散度大部分与南亚高压对应, 对应区域强度最大辐散 (8×10-6 DU·s-1), Interim资料显示中心区域较对应, 对应区域最大辐散为6×10-6 DU·s-1。由图 5可知青藏高原UTLS区风场: WACCM3模式26°N-42°N平均的纬向风 (图 5a) 在85°E附近是辐合, Interim在此也是辐合 (图 5c)。WACCM3模式75°E-110°E平均的经向风 (图 5b) 在30°N附近是辐散, Interim在此也是辐散 (图 5d)。O3UV方向通量散度剖面在青藏高原UTLS区WACCM3模式纬向散度剖面 (图 5a) 在70°E-90°E辐散, 90°E-105°E辐合, 经向散度剖面在20°N-40°N辐散。Interim纬向散度剖面 (图 5c) 除75°E-95°E辐散, 其他都辐合; 经向散度剖面 (图 5d) 在20°N-40°N都是辐散。总体来说, 模拟结果跟观测比较对应, 特别在250~150 hPa之间。

图 4 WACCM3(a) 和ERA-Interim (b) 的夏季250~150 hPa平均水平风场 (流线, 单位: m·s-1) 和O3水平通量散度 (等值线, 单位: 10-6 DU·s-1) 阴影区表示青藏高原地形 Figure 4 The latitude-longitude cross-section of summer 250~150 hPa mean O3 flux divergence (contour, unit: 10-6 DU·s-1) and horizontal winds (streamline, unit: m·s-1) from WACCM3 output data (a) and from ERA-Interim data (b). The shaded areas indicate the Qinghai-Xizang Plateau
图 5 WACCM3 (a) 和ERA-Interim (c)26°N-42°N平均的夏季纬圈环流 (流线, ω的权重为-100) 和O3纬向通量散度 (等值线, 单位: 10-6 DU·s-1), WACCM3 (b) 和ERA-Interim (d)75°E-110°E平均的夏季经圈环流 (流线, ω的权重为-500) 和O3经向通量散度 (等值线, 单位: 10-6 DU·s-1) Figure 5 The pressure-longitudevertical-section of 26°N-42°N mean summer O3 zonal flux divergence (contour, unit: 10-6 DU·s-1) and zonal circulation (streamline, weight of ω is-100) from WACCM3 output data (a) and from ERA-Interim data (c). (b), (d) same as (a), (c) but for the pressure-latitude vertical-section of 75°E-110°E mean summer O3 meridinal flux divergence (contour, unit: 10-6 DU·s-1) and meridinal circulation (streamline, weight of ω is-500)

Liu et al (2003)Tian et al (2008)卞建春等 (2011)Guo et al (2012)均认为大气环流的动力输运过程, 尤其是南亚高压的辐散, 对UTLS区的O3低值中心的形成起到主要作用。因此, WACCM3在高原上空的UTLS区臭氧通量散度与观测结果中心位置基本一致, 且强度较强应该是WACCM3能较好模拟出UTLS的OV但是强度偏强的直接原因。

5 上平流层区OV模拟分析

Guo et al (2015)认为含氯化合物可能在青藏高原夏季平流层上部中心中起到重要作用, Zhang et al (2014)用WACCM3模式模拟发现地表N2O增加会造成高原平流层上层臭氧减少。因此对比了平流层上层HCl和N2O的分布。图 6c中HCl在青藏高原区是高值, 与图 3d中臭氧的低值对应。而WACCM3在该高度的臭氧低值区也与HCl的高值区基本对应 (图 6a图 3b)。因为模拟的HCl偏东, 使得该层的O3低值中心也向东偏。MLS观测N2O在青藏高原有和O3类似的负值中心 (图 6d图 3d), 表示该处的O3损耗不是N2O造成的。但是模拟的N2O在高原东侧存在大值区, 也就是说模式中N2O在该处导致了O3损耗。因此, 模拟结果中青藏高原夏季平流层上部中心偏东, 此结果可能是模拟的HCl浓度大值区偏东和模拟的N2O浓度异常大值区造成的。

图 6 WACCM3 (a, b) 和MLS (c, d) 夏季21.5~1 hPa积分的HCl (a, c, 单位: 10-3 DU) 和N2O (b, d, 单位: 10-2 DU) 柱量纬向偏差 阴影区表示青藏高原地形 Figure 6 The latitude-longitude cross-section of summer integral from 21.5 hPa to 1 hPa of HCl (a, c, unit: 10-3 DU) and N2O (b, d, unit: 10-2 DU) zonal deviation from WACCM3 (a, b) and MLS (c, d) output data. The shaded areas indicate the Qinghai-Xizang Plateau

在21.5~1 hPa, MLS资料中, N2O浓度是南高北低 (图 7a), HCl是南低北高 (图 7b), 模拟的分布与之类似 (图略); 而ERA-Interim资料中, 风场为平直的东风 (图 7c), 模拟结果类似 (图略)。模拟的青藏高原夏季平流层上部中心偏东, 在该中心附近存在模拟的HCl和N2O浓度大值区 (图 6ab)。模拟与观测的差值图 (图 7d) 显示, HCl浓度大值区上存在北风异常, 可以将北部高HCl浓度的空气向南输送, 另外此处存在异常幅合, 所以导致HCl浓度增大; N2O大值区上也存在异常幅合, 该幅合使N2O浓度增大。

图 7 夏季MLS资料21.5~1 hPa N2O (a, 单位: DU)、HCl (b, 单位: 10-2 DU) 柱量和夏季Interim资料20~1 hPa平均的水平风场 (c, 单位: m·s-1), 以及20~1 hPa平均的WACCM3资料减去Interim资料的水平风场 (流线, 单位: m·s-1) 和水平散度 (等值线, 单位: 10-6 DU·s-1)(d) 阴影区表示青藏高原地形 Figure 7 Summer integral N2O (a, unit: DU) and HCl (b, unit: 10-2 DU) from 21.5 hPa to 1 hPa from MLS data, summer 20~1 hPa mean (c, unit: m·s-1) horizontal winds from Interim data and (d) horizontal winds (streamline, unit: m·s-1) and horizontal divergence (contour, unit: 10-6 DU·s-1) of the difference between WACCM3 and Interim data. The shaded areas indicate the Qinghai-Xizang Plateau
6 结论与讨论

利用全大气气候通用模式WACCM3对青藏高原夏季臭氧损耗双心结构进行了模拟。使用ERA-Interim再分析资料与MLS卫星资料, 对其模拟性能进行了评估。主要结果如下: WACCM3对夏季青藏高原O3总量和其纬向偏差的低值中心模拟较好, 中心位置基本一致, 强度偏强; 该模式对夏季青藏高原O3损耗的双心结构模拟, 在UTLS区模拟较好, 中心位置一致, 强度偏强, 上平流层低值中心模拟有偏差, 位置偏东; 对下部中心模拟较好的原因是对其环流场的模拟较好, 而该中心的主要成因是动力输送作用; 上部OV模拟较差的原因主要是环流场模拟不佳导致了氯化物和氮氧化物的分布模拟较差。

本研究认为上平流层臭氧低值中心模拟的位置偏东的原因可能为氯化物和氮氧化物分布偏差所造成的, 因此改进氯化物和氮氧化物的模拟可能可以改进臭氧的模拟效果。具体如何改进氯化物和氮氧化物的模拟效果, 可能需要改进上平流层风场、高纬度氯化物和氮氧化物的模拟和低纬度氯化物和氮氧化物的模拟。改进上平流层风场的模拟, 需要详细讨论辐射的模拟效果、行星波传播破碎的模拟效果。改进夏季高纬度地区氯化物和氮氧化物的模拟效果, 需要详细讨论冬、春季极地涡旋对氯化物和氮氧化物的控制作用, 以及极地涡旋在夏季崩溃时对氯化物和氮氧化物的释放。改进低纬度地区氯化物和氮氧化物的模拟效果, 需要详细讨论光化学反应对氟氯昂等的分解作用和BD环流向中纬度的输送。这些可以在后面的工作中进行完善。

致谢 感谢NCAR提供的WACCM3模式, UARS提供的MLS数据, ECMWF提供的再分析数据, 感谢赵立龙提出的宝贵意见, 李兴对模式运行提供的指导和覃皓的帮助。
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Evaluation of WACCM3 Performance on Simulation of the Double Core of Ozone Valley over the Qinghai-Xizang in Summer
WAN Lingfeng1 , GUO Dong1 , LIU Renqiang1 , SHI Chunhua1 , SU Yucheng2     
1. Nanjing University of Information Science and Technology Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education (KLME)/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change (ILCEC)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters (CIC-FEMD), Nanjing 210044, China;
2. Institute of Space Weather/School of Mathematics and Statistics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: The double core of Ozone Valley (OV) over the Qinghai-Xizang Plateau in summer was simulated by use of the WACCM3 (Whole Atmosphere Community Climate Model 3).The model performance was evaluated by inter-comparison of the model output data, ERA-Interim (European center for medium-range weather forecasts Re-Analysis Interim) data and MLS (Microwave Limb Sounder) satellite data.The results are as follows:The double core of OV over the Qinghai-Xizang Plateau in summer is detected in the WACCM3 output.The OV core near the Upper Troposphere-Lower Stratosphere (UTLS) is well performed in location.Intensity of the OV core is a little bit stronger than the observation.However, simulation is not good enough in the upper stratosphere.The upper stratospheric OV core from model output is stronger and biased to the east side.Successful simulation of atmospheric circulation is the reason for the well performance of the UTLS OV core which is mainly controlled by dynamic transport.The poor simulation of the upper OV is caused by the bad copy the chlorine and nitrogen compounds which may be resulted from the circulation differences between model output and observation.
Key Words: The Qinghai-Xizang Plateau    Ozone valley    Double Core    WACCM3