青藏高原對(duì)流層頂高度與臭氧總量及上升運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系

楊雙艷，周順武，張人禾，吳萍，李慧，馬振鋒

(1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044; 2．中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;3．四川省氣候中心，四川成都610071)

青藏高原對(duì)流層頂高度與臭氧總量及上升運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系

楊雙艷1，2，周順武1，張人禾2，吳萍1，李慧1，馬振鋒3

(1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044; 2．中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;3．四川省氣候中心，四川成都610071)

根據(jù)1979—2008年青藏高原地區(qū)14個(gè)探空站對(duì)流層頂氣壓資料以及同期各標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的溫度資料，分析了不同季節(jié)高原上空兩類對(duì)流層頂高度與高空各層溫度之間的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，結(jié)合同期的NCEP/NCAR月平均再分析資料以及NASA提供的TOMS/SBUV月平均臭氧總量資料，分別討論了高原上升運(yùn)動(dòng)以及高原臭氧總量與對(duì)流層頂高度的耦合關(guān)系。結(jié)果表明:高原第一(二)對(duì)流層頂高度全年處在300～200 hPa(100 hPa附近)高度，在季節(jié)變化、年際變化以及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上，兩類對(duì)流層頂高度與各自對(duì)應(yīng)高度層上的溫度存在著密切的反相變化關(guān)系，當(dāng)對(duì)流層頂高度偏高(低)時(shí)，相應(yīng)高度上的溫度偏低(高)。上升運(yùn)動(dòng)有助于兩類對(duì)流層頂高度的抬升，尤其是當(dāng)高空200(100)hPa附近有上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，有利于第一(二)對(duì)流層頂高度抬升。各季節(jié)高原臭氧總量與第二對(duì)流層頂高度均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)臭氧含量減少(增加)時(shí)，該對(duì)流層頂高度將偏高(偏低)，近年來(lái)伴隨著高原臭氧總量的減少，高原第二對(duì)流層頂高度出現(xiàn)了明顯的抬升。關(guān)鍵詞:青藏高原;對(duì)流層頂高度;季節(jié)變化;上升運(yùn)動(dòng);臭氧總量

Coupling relationship between tropopause height and total ozone as well as ascending motion over the Tibetan Plateau

Abstract:Using tropopause pressure data and upper temperature data of 14 sounding stations over the Tibetan Plateau from 1979 to 2008，the relationships between two types of tropopause heights and upper air temperature in different seasons are analyzed．Based on these，the coupling connection between ascending motion(total ozone)and tropopause height is discussed by monthly NCEP/NCAR reanalysis data from NOAA and monthly TOMS/SBUV total ozone data from NASA．The results indicate that the first(second) tropopause is at 300—200 hPa(near 100 hPa)over the year．The seasonal，interannual variations and long-term trend of the two types of tropopause heights display closely opposite relation to those of temperature at their corresponding altitudes，respectively，namely the higher(lower)tropopause height，the lower (higher)temperature at the corresponding altitude．The ascending motion is conducive to the rising of thetropopause height，especially the ascending motion at about 200 hPa(100 hPa)is helpful to the rising of the first(second)tropopause height．There is an obvious negative correlation between the total ozone and the second tropopause height at each season．The second tropopause rises(reduces)with the losing(increasing)of total ozone over the Tibetan Plateau．In recent years，the second tropopause height clearly lifts with the reducing of the total ozone．

Key words:Tibetan Plateau;tropopause height;seasonal variation;ascending motion;total ozone

0 引言

隨著對(duì)氣候變化研究的深入，近年來(lái)人們已將氣候變化的關(guān)注點(diǎn)延伸至整個(gè)自由大氣，其中關(guān)于對(duì)流層頂高度變化已有不少研究成果，我國(guó)氣象工作者基于探空資料對(duì)我國(guó)不同區(qū)域的對(duì)流層頂高度演變特征進(jìn)行了分析(吳香玲，1995;張廣興等，2005;陳芳等，2007;李輯等，2009;楊雙艷等，2010)。周順武等(2010)根據(jù)青藏高原14個(gè)探空站近30 a (1979—2008年)的對(duì)流層頂觀測(cè)資料，分析了青藏高原(簡(jiǎn)稱高原)上空兩類對(duì)流層頂高度的季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)高原上空全年均可觀測(cè)到第二對(duì)流層頂，其中在暖季(6—10月)第二對(duì)流層頂占絕對(duì)主導(dǎo)地位;兩類對(duì)流層頂高度在季節(jié)變化上存在著明顯的差異，第一(二)對(duì)流層頂高度的年變化曲線呈雙(單)峰型;近30 a來(lái)高原第一(二)對(duì)流層頂高度在不同季節(jié)存在著不同程度的降低(上升)。

影響對(duì)流層頂變化的因子主要有太陽(yáng)輻射(地理緯度)、大氣環(huán)流、下墊面性質(zhì)與大地形等(Reid and Gage，1981;Maxobep，1987;鄒進(jìn)上等，1989; Shimizu and Tsuda，2000)。朱保林(2005)通過(guò)對(duì)高原對(duì)流層頂高度異常年份進(jìn)行個(gè)例分析后發(fā)現(xiàn)，制約高原對(duì)流層頂高度(氣壓)變動(dòng)的因素主要有對(duì)流層和平流層中溫度異常、整層大氣加熱異常等。李鵬(2007)研究認(rèn)為，高原臭氧低值與對(duì)流層頂存在著密切的關(guān)系。

本文基于高原地區(qū)14個(gè)探空站近30 a的對(duì)流層頂觀測(cè)資料以及同期各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的月平均溫度資料，在分析高原高空各層溫度與兩類對(duì)流層頂高度關(guān)系的基礎(chǔ)上，討論了高原地區(qū)對(duì)流層頂高度與上升運(yùn)動(dòng)以及臭氧總量的耦合關(guān)系。

1 資料

本文選取由中國(guó)氣象局信息中心提供的高原地區(qū)(包括西藏、青海以及周邊高海拔山區(qū))14個(gè)探空站近30 a(1979—2008年)觀測(cè)的逐日對(duì)流層頂氣壓資料，通過(guò)壓高公式換算出高原月平均對(duì)流層頂高度(周順武等，2010)。同時(shí)還根據(jù)該中心提供的上述14個(gè)站各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的月平均溫度資料(由于10 hPa的數(shù)據(jù)缺測(cè)嚴(yán)重，同時(shí)考慮到高原地區(qū)的海拔高度，文中只分析500～20 hPa之間11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等壓面溫度)，將各站各層溫度作算術(shù)平均得到反映高原地區(qū)各層逐月的溫度序列(周順武和張人禾，2009)。文中用TH1(TH2)表示第一(第二)對(duì)流層頂高度。

文中使用的資料還包括:1)NCEP/NCAR提供的同期(1968—1996年)月平均再分析資料(Kalany et al．，1996);2)NASA通過(guò)TOMS和SBUV相結(jié)合得到的最近30 a(1979—2008年)全球(10°經(jīng)度× 5°緯度)臭氧總量月平均資料(來(lái)自網(wǎng)站http:// code916．gsfc．nasa．gov/Data_services/merged/index．html)(Camp et al．，2003;Steinbrecht et al．，2003)，該資料的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間連續(xù)性好，近年來(lái)TOMS/ SBUV臭氧總量資料已被廣泛用于相關(guān)的臭氧變化研究中(Hu and Tung，2002;Randel and Wu，2002; Zhou and Zhang，2005;Ziemke and Chandra，2005;韋惠紅和鄭有飛，2006;Zhang and Zhou，2009)。

2 兩類對(duì)流層頂高度與溫度變化的關(guān)系

2.1 兩類對(duì)流層頂高度與高空溫度在季節(jié)變化上的聯(lián)系

圖1給出了高原上空各月多年平均溫度隨高度的分布?？梢?jiàn)，各月TH2(粗實(shí)線)在100 hPa高度附近波動(dòng)，在此高度以下(上)溫度隨高度升高而下降(上升)，高原上空最低溫度出現(xiàn)在第二對(duì)流層頂附近，其中6—9月還存在一個(gè)小于－70℃的低溫閉合中心，與TH2在春夏(秋冬)季偏高(低)的年變化特征(周順武等，2010)相反，150～50 hPa之間的溫度表現(xiàn)出夏低冬高的變化特征。而TH1(粗虛線)全年處在300～200 hPa高度之間，對(duì)應(yīng)的溫度年變化曲線與TH1年變化曲線(周順武等，2010)基本相反，表現(xiàn)出夏季偏高、春秋季偏低的變化特征。由此可見(jiàn)，兩類對(duì)流層頂高度均與其所在高度層上的溫度存在著相反的季節(jié)變化;對(duì)應(yīng)高度層上的溫度偏高時(shí)，對(duì)流層頂高度偏低，反之亦然。

圖1 高原上空各月多年平均溫度隨高度的分布(圖中粗虛線和粗實(shí)線分別表示第一和第二對(duì)流層頂高度)Fig．1The variation of annual average monthly temperature with height over the Tibetan Plateau(Heavy dashed and solid lines indicate the first and second tropopause height，respectively)

2.2 兩類對(duì)流層頂高度與高空溫度在年際和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上的聯(lián)系

由于高原上空兩類對(duì)流層頂高度存在明顯的季節(jié)差異，所以分別計(jì)算了近30 a TH1和TH2與高空各層溫度之間的逐月相關(guān)關(guān)系(圖2)，以便更清楚地理解它們隨高度的變化關(guān)系。由圖2a可見(jiàn)，除了在TH1出現(xiàn)頻率最低的夏季外，其余季節(jié)TH1與300～150 hPa各層的溫度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))，特別是與TH1平均高度——300～200 hPa各層溫度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著(通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn));而與100 hPa以上和400 hPa以下各層溫度則普遍為正相關(guān)，特別是與春、秋季100～50 hPa高度的溫度的正相關(guān)關(guān)系通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。這表明TH1與該對(duì)流層頂高度附近的溫度存在反相變化關(guān)系，即相應(yīng)高度上的溫度偏低(高)則TH1偏高(低)，同時(shí)與平流層下部溫度存在一定的正相關(guān)關(guān)系，其中在春、秋季兩者的正相關(guān)關(guān)系顯著。

由圖2b可見(jiàn)，各月相關(guān)系數(shù)為0的高度位于200～150 hPa附近，而在其之下(上)則存在較明顯的正(負(fù))相關(guān)關(guān)系。4—11月，TH2與對(duì)流層中上層(150 hPa以下)各層溫度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系;而TH2與平流層下部各月溫度之間均為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與100～50 hPa高度上溫度的相關(guān)系數(shù)普遍通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。由此可見(jiàn)，TH2與相應(yīng)高度上的溫度之間存在反相變化關(guān)系;該對(duì)流層頂高度附近的溫度偏低(高)時(shí)，TH2則偏高(低)。

圖2 高原上空各層溫度與第一對(duì)流層頂高度(a)和第二對(duì)流層頂高度(b)的逐月相關(guān)系數(shù)分布(淺色和深色陰影區(qū)分別表示通過(guò)0.05和0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig．2Correlation coefficients between(a)the first and(b)second tropopause heights and monthly temperature over the Tibetan Plateau(Light and heavy shaded regions with correlation exceeding 0.05 and 0.01 significance levels are shown，respectively)

由此可見(jiàn)，TH1與其平均高度所在的200～300 hPa的溫度存在密切聯(lián)系，而TH2與100～50 hPa溫度的負(fù)相關(guān)非常顯著，這與朱保林(2005)對(duì)高原對(duì)流層頂高度典型異常年份分析后得到的結(jié)論是一致的。

為進(jìn)一步分析兩類對(duì)流層頂高度與相應(yīng)高度的溫度的逐年變化關(guān)系，圖3分別給出了近30a春季TH1與同期200 hPa溫度以及夏季TH2與同期50 hPa溫度的逐年變化曲線?？梢?jiàn)，對(duì)流層頂高度變化(實(shí)線，左縱坐標(biāo))與對(duì)應(yīng)高度層的溫度變化(虛線，表示溫度的右縱坐標(biāo)被顛倒)幾乎相反，二者存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中春季TH1與200 hPa溫度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)－0.913，夏季TH2與50 hPa溫度的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到－0.866。顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明，對(duì)應(yīng)高度層的溫度升高(降低)，則對(duì)流層頂高度降低(升高)。此外，由圖3中的線性變化趨勢(shì)線也可以看出，近30 a來(lái)春季TH1表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)(－110 m/(10 a))，而200 hPa溫度存在上升趨勢(shì)(0.388℃/(10 a));夏季TH2存在上升趨勢(shì)(59 m/(10 a))，而50 hPa溫度存在明顯的下降趨勢(shì)(－0.860℃/(10 a))。

綜上所述，在季節(jié)、年際和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上，兩類對(duì)流層頂高度與各自對(duì)應(yīng)高度的溫度存在密切的聯(lián)系，當(dāng)對(duì)流層頂高度偏高時(shí)，相應(yīng)高度上的溫度偏低，反之亦然。

3 高原上空臭氧總量變化與對(duì)流層頂高度變化的聯(lián)系

大氣臭氧主要產(chǎn)生于平流層，作為一種重要的溫室氣體，其含量變化將改變大氣垂直輻射平衡，從而導(dǎo)致氣候變化。自20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞(Farman et al．，1985)以來(lái)，大氣臭氧變化與對(duì)流層頂高度變化之間的關(guān)系一直受到關(guān)注(王衛(wèi)國(guó)和秦芳，1994;Bojkov et al．，1995;Schubert and Munteanu，1998;李國(guó)輝等，2003;楊建和呂達(dá)仁，2003;Santer et al．，2003a，2003b)。Steinbrecht et al．(1998)分析了德國(guó)南部探空站對(duì)流層頂高度和臭氧總量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)臭氧總量偏低(高)時(shí)，該站對(duì)流層頂高度偏高(低)。Chakrabarty et al．(2000)分析了印度兩個(gè)探空站的對(duì)流層頂高度和溫度資料后發(fā)現(xiàn)，近幾十年來(lái)該地區(qū)熱帶對(duì)流層頂高度(溫度)的上升(下降)趨勢(shì)與平流層臭氧減少有關(guān)。春、夏季高原存在異常的大氣臭氧低值，且臭氧虧損最大值的高度位于對(duì)流層頂附近(鄒捍等，1998)。因此，臭氧含量的變化也是影響高原對(duì)流層頂高度變化的因子之一(李鵬，2007)。

上述分析表明，TH2的變化與對(duì)流層和平流層溫度存在密切聯(lián)系，因此對(duì)流層頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與平流層下部的臭氧分布存在著密切聯(lián)系。Zhou and Zhang (2005)和Zhang and Zhou(2009)在對(duì)近24 a(1979—2002年)高原上空溫度變化特征進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在年際和年代際尺度上，高原上空各層溫度和臭氧總量變化之間均存在密切聯(lián)系，平流層低層和對(duì)流層上層(對(duì)流層中下層)的溫度與臭氧總量之間具有明顯(一定)的正(負(fù))相關(guān)關(guān)系。伴隨臭氧總量的減少，高原平流層低層(對(duì)流層中上層)的溫度出現(xiàn)了下降(上升)。這種由于高原臭氧總量改變導(dǎo)致的對(duì)流層中上層增溫和平流層下層降溫，勢(shì)必影響到高原對(duì)流層頂高度的變化。

圖3 近30 a春季第一對(duì)流層頂高度與同期200 hPa溫度(a)以及夏季第二對(duì)流層頂高度與同期50 hPa溫度(b)的年際變化(左縱坐標(biāo)表示對(duì)流層頂高度，單位:km;右縱坐標(biāo)表示溫度，為了便于比較，表示溫度的左坐標(biāo)被顛倒，單位:℃)Fig．3Interannual variations of(a)the first tropopause height and 200 hPa temperature in spring，and(b)the second tropopause height and 50 hPa temperature in summer in recent 30 years(the left coordinate indicates the tropopause height，units:km; the right coordinate by reverse indicates temperature，units:℃)

那么TH2的變化與臭氧總量變化之間又存在著怎樣的聯(lián)系呢?圖4給出了高原臭氧總量與TH2的逐月相關(guān)系數(shù)?？梢?jiàn)，高原臭氧總量與TH2之間普遍存在相反的變化關(guān)系，且大多數(shù)月份兩者之間的負(fù)相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，特別是在春夏季，TH2與臭氧總量的相關(guān)關(guān)系更密切(通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn))，這表明當(dāng)高原臭氧總量減少(增加)時(shí)，TH2將偏高(低)。

圖4 高原臭氧總量與高原第二對(duì)流層頂高度逐月相關(guān)系數(shù)(短、長(zhǎng)虛線分別表示通過(guò)0.01、0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig．4Monthly correlation coefficient between total ozone and the second tropopause height over the Tibetan Plateau(Short and long dashed lines indicate correlation coefficients exceeding 0.01 and 0.05 significance levels，respectively)

為進(jìn)一步比較TH2與臭氧總量的逐年變化情況，圖5給出了近30 a夏季TH2與同期和前期(春季)高原臭氧總量的演變曲線。由圖5a可見(jiàn)，近30 a來(lái)高原夏季臭氧總量大約減少6.5 DU(趨勢(shì)為－2.17 DU/(10 a))，而夏季TH2大約抬升180 m (為了便于比較，表示對(duì)流層頂高度的左坐標(biāo)被顛倒;趨勢(shì)為59 m/(10 a));TH2的變化與臭氧總量變化存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)－0.678 (通過(guò)0.001信度的顯著性檢驗(yàn))。不僅如此，高原春季的臭氧總量變化(趨勢(shì)為－5.72 DU/(10 a))與夏季TH2變化之間關(guān)系密切(圖5b)，相關(guān)系數(shù)達(dá)－0.477(通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))。由此可見(jiàn)，高原臭氧總量虧損導(dǎo)致高原平流層下層明顯降溫，以及包括高原臭氧總量減少等多因素導(dǎo)致的高原對(duì)流層增溫，將改變高原上空溫度場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)(Zhang and Zhou，2009)，從而引起高原對(duì)流層頂高度的抬升。

4 高原上空抬升作用與對(duì)流層頂高度的聯(lián)系

大氣環(huán)流的變化勢(shì)必影響對(duì)流層頂高度的變化。由于青藏高原的熱力作用(Li et al．，2001)和動(dòng)力作用(黃榮輝，1985;Yanai et al．，1992;Ye and Wu，1998)對(duì)中國(guó)、東亞大氣環(huán)流和氣候變化都有極其重要的影響，因此高原本身的熱力和動(dòng)力作用造成的抬升作用對(duì)其對(duì)流層頂高度變化也必定存在著影響。那么高原上空的抬升運(yùn)動(dòng)作用對(duì)高原對(duì)流層頂高度存在怎樣的影響呢?

圖5 夏季第二對(duì)流層頂(實(shí)線，左坐標(biāo)被顛倒，單位:km)與夏季(a)和春季(b)高原臭氧總量(虛線，右坐標(biāo)，單位:DU)的年際變化(直線為線性趨勢(shì)線)Fig．5Interannual variaitions of TH2(solid curves;the left coordinate by reverse;units:km)and total ozone(dashed curves;right coordinate;units:DU)over the Tibetan Plateau in(a)summer and(b)spring(The straight line indicates the linear trend)

鑒于再分析資料的垂直速度在高原地區(qū)存在較大的偏差(周任君和陳月娟，2005)，同時(shí)考慮到高原上空對(duì)流層上部和平流層下部的水汽含量低，大氣運(yùn)動(dòng)可視為干絕熱運(yùn)動(dòng)，位溫恒定不變。當(dāng)空氣上升時(shí)，將下層較低的位溫帶到上層，使上層的位溫下降，局地的等位溫面抬升。因此，參考Zou and Gao(1997)的方法，采用位溫來(lái)表示高空垂直運(yùn)動(dòng)，當(dāng)某層位溫明顯偏低時(shí)，可視為有明顯的上升運(yùn)動(dòng)。

以下根據(jù)兩類對(duì)流層頂高度在不同月份的異常偏高年和偏低年(表1)，分別對(duì)高原上空各層位溫距平進(jìn)行合成分析。在5個(gè)TH1異常偏高年(圖6a)，各月位溫在150 hPa以上(下)大致為正(負(fù))距平，尤其是冬春季300～200 hPa位溫表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平，而在春秋季100～50 hPa位溫則表現(xiàn)出明顯的正距平;而在5個(gè)TH1異常偏低年(圖6b)，位溫距平合成分布基本上與偏高年的位溫距平合成分布相反，即大致以150 hPa為界，低(高)層位溫為正(負(fù))距平。由TH1偏高年減去偏低年的位溫合成差值分布(圖6c)可見(jiàn)，150 hPa以下(上)各月位溫為負(fù)(正)距平差值，除在TH1出現(xiàn)頻率最低的夏季外，其余季節(jié)300～150 hPa位溫負(fù)距平差值非常顯著，尤其在冬春季200 hPa附近，位溫表現(xiàn)為顯著的負(fù)距平差值(超過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn))，100 hPa以上的各層位溫則為正距平差值，其中在春秋季70 hPa附近的正距平差值通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。這表明，在TH1偏高年與偏低年，高原高低層位溫距平分布相反，其中第一對(duì)流層頂所在高度的位溫差異最明顯，TH1偏高時(shí)，該層位溫偏小，反之亦然。

圖7為各月TH2偏高年和偏低年高原上空各層位溫距平合成分布，以及偏高年減去偏低年的各層位溫合成差值分布。在TH2偏高年(圖7a)，各月(除9月表現(xiàn)不明顯外)大致在150 hPa以下(上)為正(負(fù))位溫距平，尤其是春夏季100～30 hPa正位溫距平明顯。在TH2偏低年(圖7b)，各月位溫距平分布與偏高年基本相反，150 hPa以下低層為負(fù)位溫距平，而高層為正位溫距平，尤其是3—10月，100～30 hPa出現(xiàn)了明顯的正位溫距平，而春秋季200 hPa附近為明顯的位溫負(fù)距平。由圖7c可見(jiàn)，150 hPa以上(下)為負(fù)(正)位溫距平差值，其中在平流層下層(100～30 hPa)，各月負(fù)位溫距平差值顯著，而在對(duì)流層中上層(200 hPa以下)，3—6月及秋季正位溫距平差值較明顯。由此可知，TH2偏高年與偏低年，高原上空平流層下層與對(duì)流層中上層的位溫距平分布存在反相變化特征，特別100～30 hPa位溫距平差值非常顯著。

上述分析表明，兩類對(duì)流層頂高度異常年高原上空各層位溫變化存在明顯差異，特別是各自對(duì)流層頂所在高度附近的位溫存在顯著的變化特征(盡管在不同季節(jié)其密切程度存在差異)，即相應(yīng)高度抬升明顯時(shí)位溫偏低，其對(duì)應(yīng)的對(duì)流層頂高度則偏高。為了進(jìn)一步比較春夏季兩類對(duì)流層頂高度與相應(yīng)高度位溫的關(guān)系，圖8給出了近30 a春季TH1與同期200 hPa位溫以及夏季TH2與同期100 hPa位溫的年際變化曲線。由圖8a可見(jiàn)，TH1(實(shí)線)與位溫(虛線)的年際變化幾乎相反(表示位溫的右縱坐標(biāo)被顛倒)，其線性相關(guān)系數(shù)達(dá)－0.835，表明兩者關(guān)系非常密切，與TH1的下降趨勢(shì)(趨勢(shì)為－110 m/(10 a))相反，200 hPa位溫呈現(xiàn)為上升趨勢(shì)(0.079 K/(10 a))。由圖8b可見(jiàn)，TH2(實(shí)線)與位溫(虛線)存在密切的反相變化關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)為－0.619(通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))，近30 a TH2上升近180 m(趨勢(shì)為59 m/(10 a))，而100 hPa位溫每10 a減少1.67 K。由此可知，兩類對(duì)流層頂與其所在高度附近的位溫表現(xiàn)出非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這意味著各自對(duì)流層頂高度上的位溫下降(即有上升運(yùn)動(dòng))時(shí)，對(duì)流層頂高度抬高。

表1 各月兩類對(duì)流層頂高度5個(gè)異常偏高年和5個(gè)異常偏低年的情況Table 1Five abnormal high years and five abnormal low years for the first and second tropopause heights in each month

圖6 各月第一對(duì)流層頂高度偏高年(a)和偏低年(b)及偏高年減去偏低年(c)的高原上空各層的位溫距平合成分布(等值線為位溫距平，單位:K;圖中淺色和深色陰影區(qū)分別表示通過(guò)0.05和0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig．6Composite monthly potential temperature anomalies in(a)the abnormal high years and(b)abnormal low years of the first tropopause height over the Tibetan Plateau，and(c)their differences(high years minus low years) (Isoline is potential temperature anomaly，units:K;Light and heavy shaded regions with difference exceeding 0.05 and 0.01 significance levels are shown，respectively)

由此可以初步推斷，當(dāng)高原上空100 hPa位溫下降(即有上升運(yùn)動(dòng))時(shí)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于對(duì)流層低濃度的臭氧向平流層輸送，從而導(dǎo)致臭氧總量減少(周秀驥等，1995;周秀驥和李維亮，2004;卞建春等，1997)，而臭氧總量減少，又將改變高空溫度場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)，從而引起對(duì)流層頂高度的抬升。

5 結(jié)論與討論

在分析青藏高原兩類對(duì)流層頂高度季節(jié)變化特征的基礎(chǔ)上，本文分析了相應(yīng)高度上溫度的季節(jié)變化、年際變化和長(zhǎng)期趨勢(shì)變化與對(duì)流層頂高度變化的關(guān)系，并初步分析了高原上空抬升作用以及高原臭氧總量變化與高原對(duì)流層頂高度變化之間的耦合關(guān)系，得到以下結(jié)論:

1)高原第一對(duì)流層頂高度全年處在300～200 hPa，第二對(duì)流層頂高度各月基本在100 hPa高度上下波動(dòng)。在季節(jié)變化、年際變化以及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上，兩類對(duì)流層頂高度與各自對(duì)應(yīng)高度上的溫度具有密切的反相變化關(guān)系;當(dāng)對(duì)流層頂高度偏高(低)時(shí)，相應(yīng)高度上的溫度則偏低(高)。近30 a來(lái)，高原上空平流層下層(對(duì)流層中層)存在明顯(一定)的降(增)溫，導(dǎo)致第一對(duì)流層頂高度降低，而第二對(duì)流層頂普遍升高。

2)除在第一對(duì)流層頂出現(xiàn)頻率較低的夏季外，各季節(jié)該對(duì)流層頂高度偏高(低)與同期高原上空平流層下層增(降)溫和對(duì)流層中層降(增)溫有關(guān);各季節(jié)第二對(duì)流層頂高度偏高與平流層下層降溫以及對(duì)流層中層增溫存在密切關(guān)系，該對(duì)流層頂高度偏高年，對(duì)流層中層偏暖，整層氣柱伸長(zhǎng)，特別是平流層下層偏冷，引起平流層氣柱收縮，都將使得該對(duì)

圖7 各月第二對(duì)流層頂高度偏高年(a)和偏低年(b)及偏高年減去偏低年(c)的高原上空各層的位溫距平合成分布(等值線為位溫距平，單位:K;圖中淺色和深色陰影區(qū)分別表示通過(guò)0.05和0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig．7Composite monthly potential temperature anomalies in(a)the abnormal high years and(b)abnormal low years of the second tropopause height over the Tibetan Plateau，and(c)their differences(high years minus low years) (Isoline is potential temperature anomaly，units:K;Light and heavy shaded regions with difference exceeding 0.05 and 0.01 significance levels are shown，respectively)

圖8 近30 a春季第一對(duì)流層頂高度與同期200 hPa位溫(a)以及夏季第二對(duì)流層頂高度與同期100 hPa位溫(b)的年際變化(左縱坐標(biāo)表示對(duì)流層頂高度，單位:km;右縱坐標(biāo)表示位溫，為了便于比較，表示溫度的左坐標(biāo)被顛倒，單位: K)Fig．8Interannual variations of(a)the first tropopause height and 200 hPa potential temperature in spring，and(b)the second tropopause height and 100 hPa potential temperature in summer in recent 30 years(the left coordinate indicates the tropopause height，units:km;the right coordinate by reverse indicates potential temperature，units:K)

流層頂上移，反之亦然。

3)高原第二對(duì)流層頂高度與高原臭氧總量之間存在明顯的反相變化關(guān)系。當(dāng)臭氧總量減少(增加)時(shí)，第二對(duì)流層頂高度升高(降低)。臭氧總量減少引起平流層下層溫度降低以及對(duì)流層中層溫度增高，改變了高原上空溫度場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)，從而引起第二對(duì)流層頂高度的抬升。

4)對(duì)流層頂和平流層中下層的位溫變化可以反映該層的垂直運(yùn)動(dòng)。上升運(yùn)動(dòng)有助于高原上空兩類對(duì)流層頂高度抬升，尤其當(dāng)高空200 hPa附近有上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，有利于第一對(duì)流層頂高度的抬升;而當(dāng)100 hPa附近有上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，則有利于第二對(duì)流層頂高度的升高。

文中討論了高原地區(qū)對(duì)流層頂與高空溫度、上升運(yùn)動(dòng)以及臭氧總量的關(guān)系，但是對(duì)流層頂與這些因子之間的聯(lián)系極有可能不是孤立的。臭氧含量可能是通過(guò)影響對(duì)流層與平流層的溫度結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)對(duì)流層頂產(chǎn)生影響，而上升運(yùn)動(dòng)可能是通過(guò)影響臭氧和溫度的分布來(lái)影響對(duì)流層頂高度的。當(dāng)然，對(duì)流層頂高度的變化也會(huì)影響到高空溫度和臭氧含量的變化(李國(guó)輝等，2003)。

許多研究表明，影響對(duì)流層頂高度的因子眾多，如槽脊、低渦(鄒進(jìn)上等，1989)，太陽(yáng)輻射(Reid and Gage，1981;鄒進(jìn)上等，1989;Shimizu and Tsuda，2000)，云量(鄒進(jìn)上和江靜，1990;王旻燕和呂達(dá)仁，2007)，急流、鋒(Maxobep，1987;鄒進(jìn)上和江靜，1990)以及地表溫度和海洋熱含量等(Sausen and Santer，2003)。本文僅分析了高原抬升作用以及臭氧總量變化與高原對(duì)流層頂高度的耦合關(guān)系，其分析本身還顯得比較簡(jiǎn)單，其中的具體物理機(jī)理尚待進(jìn)一步深入研究。

致謝:中國(guó)國(guó)家氣象信息中心氣象資料室(Climatic DataCenter，NationalMeteorologicalInformation Center，CMA)提供了對(duì)流層頂探空資料和高空溫度資料，美國(guó)NASA提供臭氧總量觀測(cè)資料以及美國(guó)NOAA網(wǎng)站提供NCEP/NCAR再分析資料，在此一并表示感謝。

卞建春，李維亮，周秀驥．1997．青藏高原及其鄰近地區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)季節(jié)性變化的特征分析［M］//周秀驥．中國(guó)地區(qū)大氣臭氧變化及其對(duì)氣候環(huán)境的影響II．北京:氣象出版社:257-273．

陳芳，馬英芳，朱西德．2007．青海省對(duì)流層頂若干統(tǒng)計(jì)特征［J］．氣象科技，35(1):57-60．

李國(guó)輝，呂達(dá)仁，Tie X X．2003．對(duì)流層頂變化對(duì)上對(duì)流層/下平流層臭氧分布的影響［J］．空間科學(xué)學(xué)報(bào)，23(4):269-277．

李輯，蔡福，明惠青，等．2009．遼寧地區(qū)第一對(duì)流層頂高度變化特征分析［J］．氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，25(2):9-15．

李鵬．2007．青藏高原大氣臭氧與對(duì)流層頂?shù)年P(guān)系［D］．北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院．

王旻燕，呂達(dá)仁．2007．東亞強(qiáng)對(duì)流云的季節(jié)變化及其與對(duì)流層頂關(guān)系初探［J］．大氣科學(xué)，31(5):937-949．

王衛(wèi)國(guó)，秦芳．1994．臭氧層季節(jié)變化與對(duì)流層頂?shù)年P(guān)系［J］．云南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，16(增刊1):29-34．

韋惠紅，鄭有飛．2006．我國(guó)臭氧總量時(shí)空分布特征［J］．南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，29(3):390-395．

吳香玲．1995．北京地區(qū)極地對(duì)流層頂與地面要素之間的關(guān)系［J］．氣象，21(11):42-45．

楊健，呂達(dá)仁．2003．平流層—對(duì)流層交換研究進(jìn)展［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，18(3):380-385．

假設(shè)Bob想給他人轉(zhuǎn)賬，Bob就得向全網(wǎng)廣播他要轉(zhuǎn)賬的消息，并需全網(wǎng)達(dá)成共識(shí)，才能認(rèn)為他的消息是合法的，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)保存他轉(zhuǎn)賬信息。全網(wǎng)沒(méi)有中心服務(wù)器，沒(méi)有人能擁有管理的權(quán)力，只要規(guī)則定好了，就必須照著規(guī)則做，沒(méi)有人可以改變，這其實(shí)就是區(qū)塊鏈去中心化的魅力所在。

楊雙艷，周順武，陳鶴．2010．甘肅省對(duì)流層頂高度的季節(jié)變化特征分析［J］．氣象，36(4):57-62．

張廣興，李娟，崔彩霞，等．2005．新疆1960—1999年第一對(duì)流層頂高度變化及其突變分析［J］．氣候變化研究進(jìn)展，1(3):106-110．

周任君，陳月娟．2005．青藏高原和伊朗高原上空臭氧變化特征及其與南亞高壓的關(guān)系［J］．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，35(6): 899-908．

周順武，張人禾．2009．青藏高原地區(qū)上空NCEP/NCAR再分析溫度資料和位勢(shì)高度資料與觀察資料的比較分析［J］．氣候與境研究，14(2):284-292．

周順武，楊雙艷，張人禾，等．2010．青藏高原兩類對(duì)流層頂高度的季節(jié)變化特征分析［J］．大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，33(3):307-314．

周秀驥，李維亮．2004．青藏高原地區(qū)大氣臭氧變化的研究［J］．氣象學(xué)報(bào)，62(5):513-527．

周秀驥，羅超，李維亮，等．1995．中國(guó)地區(qū)臭氧總量變化與青藏高原低值中心［J］．科學(xué)通報(bào)，40(15):1396-1398．

朱保林．2005．北半球夏季對(duì)流層頂變動(dòng)的現(xiàn)象及機(jī)制研究［D］．南京:南京信息工程大學(xué)．

鄒捍，郜永祺，周立波．1998．大尺度山地上空的臭氧低值及地面加熱［J］．氣候與環(huán)境研究，3(3):209-217．

鄒進(jìn)上，江靜．1990．高空氣候?qū)W［M］．北京:氣象出版社．

鄒進(jìn)上，張降秋，王炳忠．1989．我國(guó)對(duì)流層頂?shù)臅r(shí)空分布特征及其影響因子［J］．氣象科學(xué)，9(4):417-426．

Bojkov R D，Bishop L，F(xiàn)ioletov V E．1995．Total ozone trends from quality-controlled ground-based data(1964—1994)［J］．J Geophys Res，100:25867-25876．

Camp C D，Roulston M S，Yung Y L．2003．Temporal and spatial patterns of the interannual variability of total ozone in the tropics［J］．J Geophys Res，108(D20)，4643．doi:10.1029/2001JD001504．

Chakrabarty D K，Shah N C，Pandya K V．2000．Long-term trend of tropopause over New Delhi and Thiruvananthapuram［J］．Geophys Res Lett．，27(15):2181-2184．

Farman J C，Gardiner B G，Shanklin J D．1985．Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction［J］．Nature，315:207-210．

Hu Y Y，Tung K K．2002．Interannual and decadal variations of planetary wave activity，stratospheric cooling，and Northern Hemisphere annular mode［J］．J Climate，15(13):1659-1673．

Kalnay E，Kanamitsu M，Kistler R，et al．1996．The NCEP/NCAR 40-years reanalysis project［J］．Bull Amer Meteor Soc，77(3): 437-471．

Li Dongliang，Ji Guoliang，Lü Lanzhi．2001．Impact of Tibetan Plateau surface heating field intensity on Northern Hemispherical generalcirculations and weather and the climate of China［J］．Science in China:Series D，44(3):390-399．

Maxobep 3 M．1987．對(duì)流層頂氣候?qū)W［M］．張貴銀，廖壽發(fā)，譯．北京:氣象出版社．

Randel W J，Wu F．2002．Changes in column ozone correlated with the stratospheric EP flux［J］．J Meteor Soc Japan，80(4b):849-862．

Reid G C，Gage K S．1981．On the annual variation in height of the tropical tropopause［J］．J Atmos Sci，38(9):1928-1938．

Santer B D，Wehner M F，Wigley T M L，et al．2003a．Contributions of anthropogenic and natural forcing to recent tropopause height changes［J］．Science，301(7):479-483．

Santer B D，Sausen R，Wigley T M L，et al．2003b．Behavior of tropopause height and atmospheric temperature in models，reanalyses，and observations:Decadal changes［J］．J Geophys Res，108(D1)，4002．doi:10.1029/2002JD002258．

Sausen R，Santer B D．2003．Use of changes in tropopause height to detect human influences on climate［J］．Meteorol Z，12(33): 131-136．

Schubert S D，Munteanu M J．1998．An analysis of tropopause pressure and total ozone correlations［J］．Mon Wea Rev，116(3):569-582．Shimizu A，Tsuda T．2000．Variations in tropical tropopause observed with radiosondes in Indonesia［J］．Geophys Res Lett，27(16): 2541-2544．

Steinbrehct W，Cluade H，Kohler U，et al．1998．Correlations between tropopause height and total ozone:Implications for long-term changes［J］．J Gepohys Res，103(D15):19183-19192．

Steinbrecht W，Haβler B，Claude H，et al．2003．Global distribution of total ozone and lower stratospheric temperature variations［J］．Atmos Chem Phys，3(4):3411-3449．

Yanai M，Li C F，Song Z．1992．Seasonal heating of the Tibetan plateau and its effects on the evolution of the Asian summer monsoon［J］．J Meteor Soc Japan，70(1):319-351．

Ye D Z，Wu G X．1998．The role of the heat source of the Tibetan Plateau in the general circulation［J］．Meteor Atmos Phys，67(1): 181-198．

Zhang Renhe，Zhou Shunwu．2009．Air Temperature changes over the Tibetan Plateau and other regions in the same latitudes and the role of ozone depletion［J］．Acta Meteor Sinica，23(3):290-299．

Zhou Shunwu，Zhang Renhe．2005．Decadal variations of temperature and geopotential height over the Tibetan Plateau and their relations with Tibet ozone depletion［J］．Geophys Res Lett，32(18)，18705．doi:10.1029/2005GL023496．

Ziemke J R，Chandra S．2005．A 25-year data record of atmospheric ozone in the Pacific from Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS)cloud slicing:Implications for ozone trends in the stratosphere and troposphere［J］．J Geophys Res，110(D15)，105．doi: 10.1029/2004JD005687．

Zou Han，Gao Yongqi．1997．Vertical ozone profile over Tibet using Sage I and II data［J］．Adv Atmos Sci，14(4):505-512．

(責(zé)任編輯:倪東鴻)

P403

A

1674-7097(2012)04-0438-10

楊雙艷，周順武，張人禾，等．2012．青藏高原對(duì)流層頂高度與臭氧總量及上升運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系［J］．大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(4):438-447．

Yang Shuang-yan，Zhou Shun-wu，Zhang Ren-he，et al．2012．Coupling relationship between tropopause height and total ozone as well as ascending motion over the Tibetan Plateau［J］．Trans Atmos Sci，35(4):438-447．(in Chinese)

2011-08-06;改回日期:2012-05-22

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY(QX)200906014);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB428505);中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(LPM2011015)

楊雙艷(1983—)，女，湖北隨州人，博士生，研究方向?yàn)閰^(qū)域氣候變化，152850201@163．com;周順武(通信作者)，男，博士，教授，研究方向?yàn)閰^(qū)域氣候變化，zhou@nuist．edu．cn．