低緯平流層臭氧對對流層頂溫度的影響

【摘 ?要】低緯對流層頂是全球平流層與對流層發(fā)生物質(zhì)交換的關(guān)鍵區(qū)域，而臭氧其中起了重要的作用。在一定程度上，平流層也可以對對流層及對流層頂產(chǎn)生影響。本文采用1979～2014年ECMWF再分析資料，采用合成分析的方法探究低緯平流層臭氧對對流層頂溫度的影響。發(fā)現(xiàn)：（1）低緯度地區(qū)平流層臭氧柱總量的低值區(qū)有明顯的南北半球季節(jié)調(diào)整規(guī)律。（2）低緯度120°～180°W附近均有可通過顯著性檢驗的負值區(qū)，說明此處平流層臭氧增加時，對應地區(qū)的對流層層頂溫度會下降，此區(qū)域的動力效應超過了臭氧本身的凈輻射強迫。（3）在冬季120°E的弧形區(qū)域中，平流層臭氧的輻散效應在起作用。

【關(guān)鍵詞】低緯平流層臭氧柱總量;對流層頂溫度;合成分析

引言

平流層臭氧（O3）的改變對于對流層及其對流層頂?shù)妮椛溆绊懯菑碗s的。從輻射角度來說，臭氧在9.6μm有一個強的紅外輻射吸收帶，它對于對流層尤其是對流層高層有明顯的加熱效應。但平流層內(nèi)還存在很多的其他成分也會對對流層及對流層頂溫度造成影響。從動力角度來說，當平流層臭氧通過輻射效應使得對流層及對流層高層增溫以后，對流層頂?shù)母叨壬仙?，而對流層頂溫度自然下降?/p>

至今為止，已經(jīng)有很多人研究了對流層頂對于平流層的影響，并且也取得了很大的進展。但對流層頂是強大的大氣阻擋層，不僅抑制著水汽和氣溶膠的垂直交換，且也是平流層與對流層臭氧遷移的天然屏障。因此，平流層臭氧的變化可以對對流層頂?shù)臍庀笠禺a(chǎn)生影響，平流層也在一定程度上影響了對流層。因此，現(xiàn)在我們把目光投向平流層對于對流層頂?shù)臏囟扔绊憽Ｍㄟ^對此的研究，更進一步了解對流層頂中溫度這一要素的變化特征。

1.資料和方法

1.1資料

本文采用1979至2014年ECMWF0.75°×0.75°再分析資料，低緯度地區(qū)（30°S～30°N）共有11層（100～1hPa）的臭氧質(zhì)量混合比、位勢高度、溫度的月平均資料。

1.2平流層臭氧單位轉(zhuǎn)換

一般，我們將100hPa以上視為平流層，且臭氧濃度的計量單位采用DU。1Du表示標準狀態(tài)下單位面積上有0.01mm厚的臭氧。本文將臭氧質(zhì)量混合比利用下文中的公式（1）～（3），計算出平流層臭氧列總量。

1.3對流層頂?shù)倪x取

本文采用1957年WMO給出的溫度遞減率定義（LRT）。LRT定義為：（1）在500 hPa等壓面之上溫度遞減率（）小于或等于2℃/km，而且在此高度以上2 km氣層內(nèi)的溫度平均直減率不超過2℃/km的大氣層結(jié)所對應的最低高度.該最低高度若出現(xiàn)在150百帕高度以下，定為第一對流層頂。（2）在第一對流層頂以上，當出現(xiàn)滿足由氣溫垂直遞減率開始大于3℃/kin氣層的最低高度點起，以上1000 m及其以內(nèi)的任何高度與該最低高度之間的平均氣溫直減率均大于3℃/km條件的過渡氣層時，在150 hPa高度或者以上，用判斷第一對流層頂?shù)姆椒ㄅ袛喑龅诙α鲗禹?第一對流層頂又稱極地對流層頂，第二對流層頂稱為熱帶對流層頂。

1.4合成分析

按季節(jié)分別進行合成分析，即將各季節(jié)的低緯地區(qū)平流層臭氧年際變化特征提取出來做標準化，再利用EOF經(jīng)驗正交第一模態(tài)時間序列標準化后找到各季低緯平流層臭氧的極大年和極小年。本文利用1979～2014年的臭氧數(shù)據(jù)，所得結(jié)果如表1所示。再對不同季節(jié)的對流層頂溫度年際變化資料做距平，用臭氧極大年和極小年對溫度距平資料做平均，分別得到在臭氧極大年的溫度距平場和臭氧極小年的溫度距平場，將前場減去后場，可以得到在某種平流層臭氧偏大情況下，對流層頂溫度的分布情況和特征。最后，利用公式（4）進行t檢驗。

2.結(jié)果與分析

2.1低緯平流層臭氧的季節(jié)變化特征

臭氧在低緯度生成，由BD環(huán)流引導輸送到中高緯度。由圖1可知，低緯度平流層臭氧柱總量隨季節(jié)具有顯著的變化。在北半球冬季（圖1a），10°～25°N，60°～180°E區(qū)域有小于215DU的低值區(qū)域，且在整個北半球低緯度地區(qū)有一沿緯圈分布的220DU以下低值帶。到了春季（圖1b）緯圈上的低值帶從北半球南移至南半球，且最大的臭氧低值區(qū)位于至90°～170°W。從春到夏（圖1c），緯向的平流層臭氧低值區(qū)在南半球繼續(xù)維持，且低值中心原地加強，但北半球平流層臭氧含量整體上有增加趨勢。秋季（圖1d），南半球的低值區(qū)開始減弱，北半球的低值區(qū)開始生成，逐漸向冬季分布趨勢過渡。從上述分析中可知，低緯平流層臭氧濃度的緯向低值帶隨季節(jié)有南北半球位移，冬季位于北半球，夏季位于南半球。而這種分布特點可能與BD環(huán)流對臭氧的輸送等因素有關(guān)。

2.2 合成分析結(jié)果

圖2為DJF和MAM的對流層頂溫度合成分析結(jié)果。發(fā)現(xiàn)：冬春兩季的O3極大、小值年的對流層頂溫度距平場以以及差值場具有相似性。對于冬季（左圖），O3極大值年溫度距平場的主要趨勢為+、-、+，多數(shù)區(qū)域距平值為0或為較小值，僅在15°～30°S，120°w附近有一達到-1.5的負中心。而O3極小值年溫度距平場的分布為-、+、-，且O3極大值年溫度距平場的的負中心轉(zhuǎn)變成≥3.5的正中心。再根據(jù)差值場可知，在DJF時低緯度60～120°E弧狀區(qū)域的平流層臭氧增加時，其對流層層頂溫度會上升;在80°～160°W區(qū)域的平流層臭氧增加時，對應地區(qū)的對流層層頂溫度會下降。而春季（右圖）的特征與冬季類似，但整體趨勢較弱。差值場中能通過顯著性檢驗的區(qū)域較為分散，其中較為顯著的是位于赤道附近140°E～100°W的負值中心。

同理，分析夏秋季合成分析結(jié)果。夏季，O3極大（?。┲的隃囟染嗥綀鲋胸摚ㄕ┲行牡奈恢靡延啥杭舅诘哪习肭蛞苿又帘卑肭?，并在60°W和160°W存在兩個負（正）中心（圖略）。秋季，O3極小值年溫度距平場中赤道附近出現(xiàn)明顯正值區(qū)（圖略）。但差值場（圖3）中，夏秋季能通過顯著性檢驗的區(qū)域較小且分散，僅在120°～180°W附近有較為明顯的通過檢驗的負值區(qū)。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)：（1）全年差值場中120°～180°W附近均有可通過顯著性檢驗的負值區(qū)，說明此處平流層臭氧增加時，對應地區(qū)的對流層層頂溫度會下降。此區(qū)域在冬季范圍最大?？梢越忉尀椋斊搅鲗映粞跬ㄟ^輻射效應使得對流層及對流層高層增溫以后，使得對流層頂?shù)母叨壬仙鴮α鲗禹敎囟茸匀幌陆?，此區(qū)域的動力效應超過了臭氧本身的凈輻射強迫。（2）在冬季120°E的弧形區(qū)域內(nèi)是顯著正值區(qū)，說明處平流層臭氧增加時，對應地區(qū)的對流層層頂溫度會上升，說明平流層臭氧的輻射效應在起作用。

3.結(jié)論

（1）低緯度平流層臭氧濃度隨季節(jié)變化。其中，緯向低值區(qū)隨季節(jié)有南北半球位移，冬季位于北半球，夏季位于南半球。

（2）全年120°～180°W附近均有可通過顯著性檢驗的負值區(qū)，說明此處平流層臭氧增加時，對應地區(qū)的對流層層頂溫度會下降。該區(qū)域在冬季覆蓋范圍最廣。

（3）在冬季120°E的弧形區(qū)域中，對流層層頂溫度隨平流層臭氧增加而上升，這是平流層臭氧的輻射效應在起作用。

參考文獻

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作者簡介：魏婉琳（1992-），女，漢族，碩士研究生，四川宜賓人，助理工程師，從事短臨天氣預報方向的研究。