季風(fēng)影響下的青藏高原上空甲烷、水汽及云的變化

熊效振, 張 瑩, 陳良富, 占瑞芬, 李建平

(1.Riverside Technology Inc.&NOAA/NESDIS/STAR,USA(美國(guó));2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101;3.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030;4.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029)

1 引言

夏季的青藏高原是一個(gè)重要熱源,所引起的強(qiáng)對(duì)流輸送,使來自孟加拉灣或阿拉伯海的水汽輻合到高原上空,一方面向東輸送,對(duì)中國(guó)和東亞地區(qū)的降雨和水循環(huán)起重要調(diào)節(jié)作用。另一方面水汽向上傳輸,成為對(duì)流層上層水汽進(jìn)入平流層的重要通道[1,2],對(duì)平流層水汽的收支以及對(duì)平流層臭氧的分布都具有重要的作用。青藏高原的強(qiáng)對(duì)流交換必將同時(shí)影響大氣中的微量氣體和顆粒物的輸送,影響其在高原地區(qū)的分布。所以青藏高原對(duì)中國(guó)和東亞的天氣與氣候,以至全球氣候有重要影響[3,4]。

由于高原地區(qū)地形復(fù)雜,環(huán)境條件惡劣,實(shí)際觀測(cè)非常困難,站點(diǎn)稀少,尤其水汽及其它大氣成分的垂直廓線的探測(cè)資料非常缺乏。近年來,隨著衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,尤其是美國(guó)宇航局(NASA)發(fā)射的“EOS”系列衛(wèi)星,提供了大量高原地區(qū)的觀測(cè)資料。國(guó)內(nèi)外利用這些資料對(duì)高原地區(qū)相關(guān)分析研究逐漸增多：比如,占瑞芬等[5]利用大氣紅外探測(cè)器(AIRS)資料對(duì)青藏高原地區(qū)對(duì)流層上層水汽變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究,認(rèn)為AIRS水汽反演資料與有限的實(shí)測(cè)資料能夠很好的吻合,指出夏季(6月至9月)高原是一個(gè)高濕區(qū),水汽最大值出現(xiàn)在8月;根據(jù)MOPPIT的反演資料發(fā)現(xiàn)夏季印度和中國(guó)南部上空CO濃度升高[6],同時(shí)根據(jù)MLS的反演資料也發(fā)現(xiàn)高原上空和中國(guó)西南部CO濃度升高[7];Xiong等[8]利用AIRS反演的CH4資料和模式模擬結(jié)果進(jìn)行比較,詳細(xì)地介紹了高原上空CH4濃度在夏季出現(xiàn)的高值及其與模式的差異。

在Xiong等[8]研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用更長(zhǎng)時(shí)間序列的AIRS反演資料分析了高原上空季風(fēng)期間CH4的季節(jié)變化規(guī)律和趨勢(shì),同時(shí)分析了CH4濃度、水汽、云量、云頂高度和季風(fēng)指數(shù)變化的關(guān)系,以便進(jìn)一步了解季風(fēng)對(duì)于水汽及其它大氣成分的輸送作用。

2 資料和方法

2.1 資料

所使用的資料主要有：

(1)CH4資料采用美國(guó)宇航局(NASA)Aqua衛(wèi)星攜帶的大氣紅外傳感器(AIRS)反演的對(duì)流層中上層的CH4濃度數(shù)據(jù)。Aqua衛(wèi)星是美國(guó)宇航局(NASA)發(fā)射的第2顆“EOS”系列衛(wèi)星,裝載有AIRS和MODIS。AIRS在3.7-15.4μ m有2378個(gè)光譜通道,擁有極高的光譜分辨率,星下點(diǎn)分辨率為13.5km,結(jié)合先進(jìn)的微波探測(cè)器(AMSU),可以在部分云的條件下對(duì)大氣做精確的溫、濕度廓線反演,并在此基礎(chǔ)上反演CO2,CH4等氣體成分。AIRS在2002年9月開始正常工作。利用NASA GES DISC第5版CH4濃度反演產(chǎn)品,采用了2003至2010年的200-300hPa的逐日數(shù)據(jù),水平分辨率為1°×1°經(jīng)緯度。CH4反演的詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[9]。

(2)云高和云量的資料采用Aqua衛(wèi)星上的MODIS反演產(chǎn)品(版本5.1),分辨率為1km。

(3)鑒于AIRS甲烷反演所用的通道同時(shí)存在水汽和CH4的吸收,占瑞芬等[5]己對(duì)AIRS水汽資料進(jìn)行料詳細(xì)的分析,采用的水汽數(shù)據(jù)來自MODIS反演的版本5.1的水汽總量和700-300hPa資料。

上述AIRS資料和MODIS數(shù)據(jù)均來自GES DISC(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center)的網(wǎng)站(http ：//disc.gsfc.nasa.gov)。

(4)季風(fēng)指數(shù)的計(jì)算采用李建平等提出的方法[10]。

2.2 季節(jié)周期的計(jì)算

使用如下六次多項(xiàng)式對(duì)多年的資料分別進(jìn)行擬合：

其中,C0,C1,C2,C3,C4,C5和C6為常數(shù),t為時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 高原上空CH4濃度、水汽和云在季風(fēng)期間的變化及其與季風(fēng)指數(shù)的關(guān)系

Xiong等[8]在文中詳細(xì)地比較了AIRS觀測(cè)的CH4和模式模擬的結(jié)果,指出高原地區(qū)CH4在7-9月顯著增加。作為例子,圖1為2006年8月對(duì)流層高層CH4的分布及相應(yīng)的對(duì)流層中高層的水汽分布。為了與Xiong等保持一致,文中分析的高原地區(qū)的參數(shù)的變化均是以圖1方框所選區(qū)域的平均值為代表。由于季風(fēng)的作用,方框南部存在水汽(WV)高值區(qū),方框左上部分的CH4濃度明顯高于其它地方。

從圖2顯示的青藏高原上空(以圖1方框內(nèi)的區(qū)域?yàn)榇?的季風(fēng)指數(shù)與160-260hPa高度的CH4濃度,云量、云頂高度、水汽總量及高層水汽含量(300-700hPa)的多年的變化來看,伴隨夏季季風(fēng)指數(shù)的增加,云量和水汽含量(總量及高層水汽)每年都相應(yīng)增加(幾乎同相位),云頂高度增高。同時(shí)對(duì)流層上部CH4濃度也在在9月1日附近出現(xiàn)高值。占瑞芬等[5]利用AIRS紅外探測(cè)器觀測(cè)資料對(duì)高原地區(qū)的對(duì)流層上層水汽作了詳細(xì)的分析,指出夏季(6-9月)高原是一個(gè)高濕區(qū),水汽最大值出現(xiàn)在8月份,與這里利用MODIS資料得到的結(jié)果是一致的。

為更好地反映各參數(shù)的季節(jié)變化差異,尤其是位相差異,圖3為利用六次多項(xiàng)式對(duì)多年資料擬合得到的上述各參數(shù)的季節(jié)變化。為了方便比較,圖中各參數(shù)經(jīng)過歸一化處理。可以看出,水汽總量從3-4月開始逐漸增加,但高原對(duì)流層上層水汽4-5月份才開始明顯增加;同時(shí),在水汽總量的上升階段及9月開始的下降階段,對(duì)流層上層水汽降低的速度比水汽總量快。7月份云頂高度最高,云量和對(duì)流層上層水汽在7月底達(dá)到最大值,水汽總量的最大值略有滯后。對(duì)流層上層水汽、云高和云量的極值維持的時(shí)間較短,基本上不足兩個(gè)月,水汽總量維持高值的時(shí)間則較長(zhǎng),約3個(gè)月。

圖1 季風(fēng)期間青藏高原上空300-700hPa的水汽(WV)和160-260hPa的甲烷(CH4)的分布(方框標(biāo)示的區(qū)域?yàn)檫x中的分析區(qū)域)

圖2 2003-2010年青藏高原上空(圖1方框區(qū)間內(nèi))甲烷,云量,云頂高度,水汽總量,300-700hPa的水汽量的變化,及與季風(fēng)指數(shù)比較。

由于6-7月高原地面對(duì)大氣的不斷加熱引起高原對(duì)流旺盛,從而將四周抽吸來的水汽向上傳輸,水汽輸送到一定高度,導(dǎo)致云的形成和降雨,所以對(duì)流層上層的水汽、云量和云高與季風(fēng)指數(shù)在夏季密切相關(guān),它們的極值標(biāo)志著6-7月高原上的強(qiáng)對(duì)流作用和有效輸送。對(duì)流層上層CH4濃度4月底至5月初最小,6-7月隨著高原上的強(qiáng)對(duì)流輸送開始明顯增加,CH4濃度最大值出現(xiàn)在8月底至9月初,比季風(fēng)指數(shù)的峰值晚約1個(gè)月。也就是說,盡管8月以后季風(fēng)指數(shù)及云量開始下降,大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)向上的輸送有所減弱,但依然存在強(qiáng)勁的輸送。CH4作為長(zhǎng)壽命氣體,在高層能夠繼續(xù)積聚,高值維持的時(shí)間約一個(gè)月。當(dāng)然CH4的積累和高值的維持離不開高度在100-150hPa的反氣旋的阻塞,使輸送到高原上空的CH4不能馬上擴(kuò)散,同時(shí)高層的光化學(xué)破壞作用大大低于地表。而水汽則如占瑞芬等[5]利用AIRS資料的分析所示,高原地區(qū)對(duì)流層上層水汽存在主要周期為10-20天和30-60天的低頻振蕩,前者主要呈現(xiàn)緯向東傳的特征,并且這種傳播可以越過高原進(jìn)入我國(guó)江淮流域上空;而30-60天低頻振蕩主要表現(xiàn)為高原局地南傳現(xiàn)象,其濕位相振蕩中心隨時(shí)間的變化與南亞(青藏)高壓的季節(jié)演變進(jìn)程一致。低頻尺度上高原熱源變化可能激發(fā)出相應(yīng)的高空低頻環(huán)流和對(duì)流異常,從而引起對(duì)流層上層加濕或變干。

從高原上空CH4濃度夏季的升高與季風(fēng)指數(shù),云、水汽的相關(guān)可以進(jìn)一步看出高原夏季的強(qiáng)對(duì)流輸送是CH4升高的主要原因之一。考慮到AIRS是一種紅外遙感探測(cè)器,在CH4反演時(shí)所用的通道與水汽吸收線有重疊,因此儀器和反演誤差也可能是導(dǎo)致觀測(cè)到的CH4高值的原因。不過,AIRS所觀測(cè)的CH4濃度從6月到9月的增加幅度約為100ppb,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Xiong等[9]給出的AIRS的儀器和反演誤差;同時(shí)CH4增加的位相與水汽變化的位相不完全同步,也排除了反演過程中水汽的誤差導(dǎo)致觀測(cè)到的CH4高值的可能性。更重要的是,利用多年的飛機(jī)觀測(cè)資料,Schuck等[11]發(fā)現(xiàn)11-12km高空飛機(jī)觀測(cè)的CH4濃度從6月份開始增加,8-9月達(dá)到高值,而且增加的幅度也是100pbv,與AIRS的觀測(cè)在出現(xiàn)的時(shí)間上和幅度上都非常一致。中國(guó)瓦里關(guān)本底站的觀測(cè)也顯示出夏季CH4的增加。由于瓦里關(guān)站的海拔高度在3810m,除了附近地表源夏季排放增加的影響外,與高原上空向上的動(dòng)力輸送是分不開的[12]。

有意思的是,CH4的上升與下降是不對(duì)稱的,上升相對(duì)緩慢,而高值的消失則很快。從圖2可以看出,CH4的下降與季風(fēng)指數(shù)的降低和水汽總量的降低吻合得很好,當(dāng)季風(fēng)指數(shù)下降到1.0時(shí)CH4快速下降。Fasullo和Webster[13]分析給出季風(fēng)消退的時(shí)間是9月的第一個(gè)星期,前后變動(dòng)約一周。從時(shí)間上看,CH4峰值快速消失的時(shí)間與季風(fēng)減退的時(shí)間吻合得更好。在這個(gè)意義上,隨著衛(wèi)星觀測(cè)的增多和反演精度的提高,或許可以利用高原上空CH4的作為一種示蹤氣體來研究季風(fēng)的減退和高原上空強(qiáng)大的反氣旋的動(dòng)力變化。

圖3 青藏高原上空甲烷、云量、云頂高度、水汽總量和對(duì)流層上層水汽(300-700hPa)及季風(fēng)指數(shù)經(jīng)多項(xiàng)式擬合得到的季節(jié)變化(圖中的曲線均經(jīng)過歸一化處理)

3.2 2003年以來高原上空夏季CH4濃度、云、水汽的年季變化

考慮到CH4的高值滯后于季風(fēng)指數(shù)、云及水汽的峰值,利用夏季(6-9月)的平均值來比較它們的年際變化,如圖4所示。就2003至2010年有限的資料來看,高原地區(qū)存在云量略為減少、云頂增高的趨勢(shì),水汽總量和對(duì)流層中上層水汽亦減少,但水汽總量的相位與云的相位相反。特別需要指出的是,在2007年CH4全球很多地方發(fā)現(xiàn)地表CH4濃度異常增加[14],在當(dāng)年夏季高原地區(qū)CH4并沒有發(fā)現(xiàn)增加,但在2008年夏季到來之前及夏季季風(fēng)期間清楚可見CH4濃度的增加(見圖2),在其它地區(qū)的遙感觀測(cè)資料中也有相似的發(fā)現(xiàn)[15]。同2007年相比,2008年夏季云量有少量增加,云頂高度略有增高,但水汽總量、高層水汽和季風(fēng)指數(shù)卻減少。所以,2008年的高原上空CH4的增多可能主要?dú)w功于2007年濃度的增加和2008年季風(fēng)期間地表排放的可能增多。

為了了解甲烷的地表排放對(duì)高原上空CH4的影響,Xiong等[8]的論文中比較了模式模擬地表排放增加50%時(shí),高原上空甲烷濃度的增加量,結(jié)果顯示對(duì)流層上層(300hPa)的CH4另外增加約8-9%。這個(gè)結(jié)果說明在季風(fēng)期間高原上空CH4濃度的增加部分來自地表排放的影響,但更多的是夏季強(qiáng)對(duì)流輸送的作用。由此可見2008年高原地區(qū)CH4濃度的顯著增加可能來自夏季季風(fēng)到來之前大氣基準(zhǔn)濃度增加和由此導(dǎo)致的輸送貢獻(xiàn)的增加的雙重貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

利用高原地區(qū)AIRS反演的CH4和MODIS反演的水汽、云高云量資料,分析了2003年以來這些參數(shù)的季節(jié)變化和變化趨勢(shì)及其與季風(fēng)指數(shù)的關(guān)系,著重探討夏季風(fēng)期間(6-9月)的變化特征。結(jié)果表明：

(1)伴隨高原地區(qū)夏季的強(qiáng)對(duì)流輸送和季風(fēng)指數(shù)的增加,云量增加,云頂高度抬升,水汽總量及對(duì)流層上層水汽也明顯增加。它們的增加與季風(fēng)指數(shù)的變化幾乎同步。從近8年的有限的資料來看,高原地區(qū)存在云量略微減少,云頂增高,水汽減少的趨勢(shì)。

(2)伴隨高原地區(qū)夏季的強(qiáng)對(duì)流輸送和季風(fēng)指數(shù)的增加,CH4濃度在夏季也明顯增加,最大值出現(xiàn)在8月底至9月初。與季風(fēng)指數(shù)、云量、云頂高度、水汽總量及對(duì)流層上層水汽相比,CH4峰值落后差不多1個(gè)月。由此說明,動(dòng)力輸送和反氣旋的阻塞導(dǎo)致CH4的積累是高值形成的主要原因。

(3)2007年全球地表CH4濃度增加,而在高原地區(qū)2008年觀測(cè)到CH4的顯著增加。2008年增加的主要原因可能是2007年CH4增加導(dǎo)致2008年對(duì)流輸送的大氣基準(zhǔn)濃度增加的結(jié)果。

圖4 2003-2010年青藏高原上空夏季甲烷、云量、云頂高度、水汽總量和對(duì)流層上層水汽(300-700hPa)及季風(fēng)指數(shù)的變化趨勢(shì)

夏季高原CH4的增多與季風(fēng)期間強(qiáng)對(duì)流輸送導(dǎo)致的云量和降水的增加的相關(guān),尤其是CH4峰值快速消失的時(shí)間與季風(fēng)減退的時(shí)間相吻合,說明隨著衛(wèi)星觀測(cè)的增多和反演精度的提高,或許可以利用高原上空的CH4作為一種示蹤氣體來研究季風(fēng)的減退和高原上空強(qiáng)大反氣旋的動(dòng)力變化。但是由于目前高原地區(qū)衛(wèi)星觀測(cè)的CH4資料缺乏足夠的定標(biāo)驗(yàn)證,同時(shí)儀器噪聲、云的大量存在加大了紅外探測(cè)器的反演難度和誤差,利用衛(wèi)星反演的CH4作為一種示蹤氣體來研究季風(fēng)和高原上空強(qiáng)大反氣旋的動(dòng)力變化還有待資料精度和衛(wèi)星技術(shù)的提高。

致謝：AIRS and MODIS data were produced with the Giovanni online data system,developed and maintained by the NASA GES DISC.The views,opinions,and findings contained in this paper are those of the authors and should not be construed as an official National Oceanic and Atmospheric Administration or U.S.Government position,policy,or decision.

[1]Gettelman A,Kinnison D E,Dunkerton T J.The impact of monsoon circulations on the upper troposphere and lower stratosphere[J].J.Geophys.Res.,2004,109 ：D22101,doi：10.1029/2004JD004878.

[2]Fu R,Hu Y,Wright J S.Short circuit of water vapor and polluted air to the global stratosphere by convective transport over the Tibetan Plateau[J].Proc.Nat.Acad.Sci.,2006,103：5664-5669.

[3]葉篤正,羅四維,朱抱真.西藏高原及其附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和對(duì)流層大氣的熱量平衡[J].氣象學(xué)報(bào),1957,28：108-121.

[4]吳國(guó)雄,劉屹岷,劉新.青藏高原加熱如何影響亞洲夏季的氣候格局[J].大氣科學(xué),2005,29(1)：47-56.

[5]占瑞芬,李建平.青藏高原地區(qū)大氣紅外探測(cè)器(AIRS)資料質(zhì)量檢驗(yàn)及揭示的上對(duì)流層水汽特征[J].大氣科學(xué),2008,32(2)：242-260.

[6]Kar,J.,Bremer,H.,Drummond,J.R.,Rochon,Y.J.,Jones,D.B.A.,Nichitiu,F.,Zou,J.,Liu,J.,Gille,J.C.,Edwards,D.P.,Deeter,M.N.,Francis,G.,Ziskin,D.,and Warner,J.Evidence of vertical transport of carbon monoxide from measurementsof pollution in the troposphere(MOPITT)[J].Geophys.Res.Lett.,2004,31 ：L23105,doi：10.1029/2004GL021128.

[7]Li,Q.B.,Jiang,J.H.,Wu,D.L.,Read,W.G.,Livesey,N.J.,Waters,J.W.,Zhang,Y.S.,Wang,B.,Filipiak,M.J.,Davis,C.P.,Turquety,S.,Wu,S.L.,Park,R.J.,Yantosca,R.M.,and Jacob,D.J.Convective outflow of south asian pollution：A global ctm simulation compared with EOS MLS observations[J],Geophys.Res.Lett.,2005,32 ：L14826,doi：10.1029/2005GL022762.

[8]Xiong,X.,Houweling,S.,Wei,J.,Maddy,E.,Sun,F.,Barnet,C.Methane plume over southAsia during the monsoon season ：Satellite observation and model simulation[J].Atmos.Chem.Phys.,2009,9 ：783-794.

[9]Xiong,X.,Barnet,C.D.,Maddy,E.,Sweeney,C.,Liu,X.,Zhou,L.,and Goldberg,M.Characterization and Validation of Methane Products from the Atmospheric Infrared Sounder(AIRS)[J].J.Geophys.Res.,2008,113 ：G00A01,doi：10.1029/2007JG000500.

[10]李建平,曾慶存.一個(gè)新的季風(fēng)指數(shù)及其年際變化和與雨量的關(guān)系[J].氣候與環(huán)境研究,2005,10(3)：351-365.

[11]Schuck,T.J.,Brenninkmeijer,C.A.M.,Baker,A.K.,Slemr,F.,von Velthoven,P.F.J.,Zahn,A.Greenhouse gas relationships in the Indian summer monsoon plume measured by the CARIBIC passenger aircraft[J].Atmos.Chem.Phys.,2010,10：3965-3984.

[12]Zhou,L.X.,Worthy,D.E.J.,Land,P.M.,Ernst,M.K.,Zhang,X.C.,Wen,Y.P.,and Li,J.L.Ten years of atmospheric methane observations at a high elevation site in Western China[J].Atmos.Environ.,2004,38：7041-7054.

[13]Fasullo,J.and Webster,P.J.A hydrological definition of indian monsoon onset and withdrawal[J].J.Climate,2003,16：3200-3211.

[14]Dlugokencky,E.J.,Houweling,S.,Bruhwiler,L.,Masarie,K.A.,Lang,P.M.,Miller,J.B.,Tans,P.P.Atmospheric methane levelsoff：Temporary pause or a new steady-state[J]Geophys.Res.Lett.2003,30,doi：10.1029/2003GL018126.

[15]Xiong,X.,Barnet,C.D.,Maddy,E.,Sweeney,C.,Wei,J.,Liu,X.,Thomas.S.Pagano.Seven Years'Observation of Mid-Upper Tropospheric Methane from Atmospheric Infrared Sounder[J].Remote Sensing,2010,2(11)：2509-2530,doi：10.3390/rs2112509.