1980—2000年北極平流層冬季十年際變化形勢的逐月演變

吳國華 劉仁強 黎穎

摘要 采用1980—2000年的ERA-Interim再分析資料，計算北半球冬季各月（12月、1月、2月）行星波的Eliassen-Palm（EP）通量及其散度，并按冬季不同月份分析平流層整層溫度和緯向風場的十年際變化特征與行星波活動變化的關系。結果表明，溫度的十年際變化在高緯度中下平流層12月呈明顯增溫趨勢，1月轉為較弱的冷卻趨勢，2月為明顯的冷卻趨勢。緯向風在中高緯平流層12月呈明顯的減速變化，1月減速區(qū)與加速區(qū)相間分布但強度均較弱，而2月為明顯的加速趨勢。12月行星波沿低緯度波導向熱帶對流層頂?shù)膫鞑p弱，沿極地波導向平流層整層的傳播明顯加強;1月沿兩支波導的傳播趨勢未變但均較弱;而2月行星波沿低緯度波導的傳播轉為加強趨勢，沿極地波導的傳播轉為減弱趨勢。相應地，EP通量散度場的十年際變化形勢沿兩支波導在12月與2月相反，1月為過渡階段。因此，北極平流層溫度、緯向風、EP通量及其散度場的十年際變化在冬季內呈現(xiàn)一個從北半球環(huán)狀模（Northern Hemisphere Annular Mode，NAM）的負極趨勢向正極趨勢逐月演變的過程。

關鍵詞 平流層; 十年際變化; 溫度; 緯向風; 行星波活動

平流層溫度變化是全球氣候變化研究的一個重要組成部分，平流層溫度趨勢在區(qū)分氣候系統(tǒng)對自然和人為強迫的響應時具有指示作用（Thompson et al.，2012;Liu and Fu，2019）。觀測和模擬研究顯示，1979—1994年平流層總體呈降溫趨勢（Ramaswamy et al.，2001;Shine et al.，2003;Thompson et al.，2012），這主要與二氧化碳的增加及平流層臭氧減少有關。但平流層的溫度分布取決于凈輻射加熱和由渦動產(chǎn)生的動力加熱之間的平衡（Andrews et al.，1987;Ivy et al.，2016），尤其在北極冬春季節(jié)，從對流層向上傳播到平流層的行星波活動可以通過改變平流層的平均經(jīng)向環(huán)流（或剩余環(huán)流）來影響其溫度變化（Newman et al.，2001;Hu et al.，2005）。然而，由于平-對流層耦合系統(tǒng)存在著相當大的年際變率，實際上難以準確計算由于動力加熱變化引起的平流層溫度變化趨勢（Haynes，2005;Thompson et al.，2012;Bohlinger et al.，2014）。

Thompson and Wallace（2000）在發(fā)現(xiàn)環(huán)狀模的同時，還指出它們在過去幾十年有向正極或高指數(shù)極演變的趨勢（Thompson et al.，2000），這在北半球1—3月即平流層行星波-平均流相互作用的“活躍季節(jié)”尤為明顯。但是，很快發(fā)現(xiàn)，北大西洋濤動、北極濤動指數(shù)以及多個場變量在12月的趨勢明顯與此不一致（Zhou et al.，2001）。Hu et al.（2005）利用NCEP/NCAR再分析資料研究發(fā)現(xiàn)在北半球熱帶外中低平流層，1979—2003年早冬（11—12月）和晚冬（2—3月）期間多個變量場十年尺度的變化呈現(xiàn)基本相反的趨勢。Thompson and Solomon（2005）利用無線電探空資料初步證實了這一現(xiàn)象。劉仁強等（2018）使用ERA-Interim再分析1980—2000年的逐日資料獲得了與此類似但更為清晰的在平流層整層的圖像。上述研究分別從晚冬或早冬與晚冬對比討論了北半球熱帶外平流層變量場的氣候變化趨勢，但仍然存在一個問題，即早冬趨勢如何轉變?yōu)殄娜徊煌耐矶厔荩℉u et al.，2005）。

利用歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）1980—2000年的ERA-Interim再分析資料，計算12月、1月和2月北半球行星波的EP通量及其散度，然后對冬季不同月份平流層整層溫度和風場的十年際變化與行星波活動變化的關系進行分析，由此探討北極平流層冬季不同月份溫度和風場十年際變化形勢逐月演變的特征及機制。

1 資料和方法

衛(wèi)星遙感資料廣泛應用于同化制作再分析數(shù)據(jù)集始于1979年，而人類活動所導致的二氧化碳增加和平流層臭氧減少在上世紀末二十年均接近單調變化，為簡化問題和考慮結果的可靠性，選取ERA-Interim逐日再分析資料的1980—2000年時段進行研究，其水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向有20個標準氣壓層（500～3 hPa）。為了得到行星波的傳播特征及其對平均環(huán)流的影響，首先對冬季不同月份的逐日溫度場、風場資料進行緯向平均，利用相應的緯向偏差來計算逐日的EP通量及散度場。

在球面氣壓p坐標系和準地轉近似下，EP通量矢量（Edmon et al.，1980;Andrews et al.，1987;施春華等，2015;劉仁強等，2018）：

F=F（φ），F(xiàn)（p）=-r0cosv′u′，fr0cosφv′θ′p。? （1）

其中：F的兩個分量F（φ）、F（p）分別表示由擾動引起的單位質量空氣渦動角動量和渦動熱量的經(jīng)向輸送;r0、φ、f分別表示地球半徑、緯度和Coriolis參數(shù);u、v、θ分別表示緯向、經(jīng)向速度和位溫;上標“-”、“'”表示緯向平均和緯向偏差;下標“p”表示對氣壓求偏導;-p是靜力穩(wěn)定度參數(shù)。

EP通量的散度：

SymbolQC@·F=1r0cosφφ（F（φ）cosφ）+p（F（p））。? （2）

再由變換的歐拉平均（Transformed Eulerian-Mean，TEM）得到緯向動量方程：

t-f*-=1r0cosφSymbolQC@·F。 ?（3）

其中：是變換所定義的剩余經(jīng)圈環(huán)流的經(jīng)向分量;是摩擦項?？梢奅P通量的散度表示擾動的復合強迫作用，擾動角動量的沉積將同時影響平均緯向及經(jīng)向環(huán)流并通過絕熱下沉運動導致溫度的變化。在實際繪制EP截面時用式（3）右端替換EP通量的散度，對EP通量則作了分量縮放和量綱統(tǒng)一處理（https：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/ep-flux/）。

在分析北半球冬季（12—2月）各物理量在1980—2000年的變化時，考慮到火山爆發(fā)會對趨勢分析產(chǎn)生較大影響（徐菊艷等，2008;宋斌等，2015;趙立龍和徐建軍，2015），其次較短的研究時段也使趨勢難以準確計算（Garcia et al.，2007;Young et al.，2012）;因此首先去除受火山爆發(fā)影響的1982—1984年和1991—1993年（Santer et al.，2000），再分別對1980—1990年和1990—2000年求平均近似得到前后兩個氣候學平均場，最后對兩者做差得到十年際變化場。Liu and Fu（2019）已經(jīng)驗證在此時段北極低平流層冬季溫度場及其動力與輻射貢獻的十年際變化和趨勢接近，以下為行文簡潔有時也稱其為趨勢（Ramaswamy et al.，2001;Shine et al.，2003）。

2 結果與分析

圖1給出了北半球熱帶外從20世紀80—90年代12月、1月及2月溫度十年際變化的緯度-高度剖面（1990s減去1980s）?？梢钥吹?，在中緯度平流層，12月、1月及2月溫度的十年際變化基本呈冷卻趨勢。但在高緯度，圖1a顯示12月中下平流層和上對流層（300～10 hPa）溫度的十年際變化呈顯著增暖趨勢，特別在30 hPa附近增溫最大達3 K/（10 a）;而圖1c表明2月在相同的區(qū)域呈顯著冷卻趨勢，降溫趨勢在下平流層（100～30 hPa）最大達6 K/（10 a）;圖1b顯示1月溫度變化在上對流層為增暖趨勢，在中下平流層為冷卻趨勢，但強度均不超過3 K/（10 a），說明1月北極中下平流層溫度的十年際變化形勢處于12月與2月之間的一種過渡狀態(tài)。

圖2給出了北半球熱帶外從20世紀80年代到90年代12月、1月及2月緯向平均的緯向風的十年際變化緯度-高度剖面。從圖2a可以看出，12月緯向風的十年際變化在中高緯度平流層整層（50～75°N，100～3 hPa）呈明顯減速趨勢，特別在中上平流層減速最大趨勢達8 m·s-1·（10 a）-1。圖2c顯示與12月基本相反，2月緯向風在50°N以北的平流層整層有明顯的加速趨勢，特別在平流層中上層加速最大達12 m·s-1·（10 a）-1。圖2b顯示，1月緯向風的十年際變化形勢與12月和2月均不相同，水平方向上，中高緯度中下平流層（50～87.5°N，100～10 hPa）由南向北呈減速、加速和弱減速的分布;垂直方向上，中高緯度（60°N附近）平流層的上層與中下層分別呈加速和減速趨勢。整體上1月中高緯度平流層整層減速區(qū)與加速區(qū)相間分布，且強度均不超過3 m·s-1·（10 a）-1，表明北極平流層緯向風的十年際變化在1月處于過渡狀態(tài)。

觀測和理論研究表明（Andrews et al.，1987;Newman et al.，2001），行星波的耗散及強迫作用對平流層的環(huán)流及溫度場有較大影響。Hartmann et al.（2000）的研究表明，當NAM呈高（低）指數(shù)時，低緯度波導偏強（弱），極地波導偏弱（強），從而極渦偏強（弱），平流層偏冷（暖）。后來的研究發(fā)現(xiàn)這種關系在年際和年代際變化的時間尺度上均存在（Chen et al.，2003;陳文和黃榮輝，2005;陳文，2006;Wang et al.，2009）。

圖3給出了北半球熱帶外從20世紀80年代到90年代12月、1月及2月EP通量及其散度場的十年際變化緯度-高度剖面。圖3a顯示，12月行星波沿低緯度波導向熱帶對流層頂?shù)膫鞑p弱，沿極地波導向平流層的傳播明顯增強。圖3c顯示與12月相反，2月行星波沿低緯度波導的傳播加強，沿極地波導的傳播明顯減弱。圖3b顯示，1月行星波的傳播沿低緯度波導仍為減弱趨勢，沿極地波導仍為加強趨勢，但與12月相比沿兩支波導的變化強度均減弱。以下根據(jù)20世紀后20年氣候平均態(tài)下的行星波傳播路徑（劉仁強等，2018）選取代表性區(qū)域：①中緯度上對流層（30～50°N，300～100 hPa）;②中高緯度中下平流層（60～75°N，50～20 hPa）;③中高緯度中上平流層（55～85°N，20～5 hPa）來分析EP通量散度場的十年際變化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)，12月（圖3a）沿低緯度波導的傳播在中緯度上對流層主要為輻散趨勢，沿極地波導的傳播在中高緯度中下平流層和高緯度上平流層均為輻合趨勢且前者通過了顯著性檢驗。而2月（圖3c）在中緯度上對流層轉為輻合趨勢，在中高緯度中下平流層和中上平流層均為輻散趨勢且在后者達到最大并通過了顯著性檢驗。1月（圖3b）散度場的變化形勢在中緯度上對流層和中高緯度中下平流層與12月類似但強度和范圍減小，在中高緯度平流層中上層則為與2月類似但強度較弱的輻散趨勢。

結合圖3和圖1、圖2，從80年代到90年代，12月行星波沿極地波導向平流層的傳播明顯增強且極區(qū)平流層主要由EP通量的輻合趨勢控制，這種形勢與北極平流層極渦的削弱（圖2a）和增暖（圖1a）相匹配。2月行星波沿極地波導向平流層的傳播明顯減弱且極區(qū)平流層主要由EP通量的輻散趨勢控制，這種形勢與北極平流層極渦的加強（圖2c）和冷卻（圖1c）相匹配。而1月EP通量及其散度的變化處于12月與2月之間的一種過渡狀態(tài)，從而對應的緯向風（圖2b）和溫度（圖1b）的十年際變化也表現(xiàn)為早、晚冬之間的一種過渡狀態(tài)。對比圖1和圖2 還可發(fā)現(xiàn)，與緯向風變化相對應的溫度場變化位置偏北且偏低，這與Newman et al.（2001）的觀測分析類似，通過TEM方程組可以定性地解釋該現(xiàn)象。以12月為例，根據(jù)緯向動量方程（3），當行星波沿極地波導向上傳播并在極區(qū)平流層輻合，擾動角動量的沉積將一邊導致平流層的緯向風減速，另一邊通過科氏力的作用產(chǎn)生向極的經(jīng)向風;再由連續(xù)性方程和向下控制原理（Haynes et al.，1991），增強的經(jīng)向剩余環(huán)流將在極區(qū)引起下沉運動進而通過絕熱壓縮過程導致溫度增加，因此溫度場響應的位置應較緯向風變化偏北偏低。

3 討論和結論

利用1980—2000年的ERA-Interim再分析資料，計算了北半球冬季各月（12月、1月、2月）行星波的EP通量及其散度，并按冬季不同月份分析了平流層整層溫度場和風場的十年際變化特征與行星波活動變化的關系。

結果表明，溫度的十年際變化在高緯度中下平流層12月呈明顯增溫趨勢，1月轉為較弱的冷卻趨勢，而2月則為明顯的冷卻趨勢。緯向風在中高緯度平流層12月呈明顯的減速變化，1月減速區(qū)與加速區(qū)相間分布但強度均明顯減弱，而2月則為明顯的加速趨勢。行星波在12月沿低緯度波導向熱帶對流層頂?shù)膫鞑p弱，沿極地波導向平流層整層的傳播明顯加強;1月沿兩支波導的傳播趨勢未變但強度與12月相比均減弱;而2月行星波沿低緯度波導的傳播轉為加強趨勢，沿極地波導的傳播轉為明顯減弱趨勢。EP通量散度場的十年際變化12月在中緯度上對流層主要為輻散趨勢，在中高緯度中下平流層和高緯度上平流層均為輻合趨勢且前者通過了顯著性檢驗;1月在中緯度上對流層和中高緯度中下平流層與12月類似但強度和范圍減小，在中高緯度上平流層呈輻散趨勢;而2月形勢與12月相反，其中在中高緯度中上平流層輻散趨勢達到最大并通過了顯著性檢驗。

綜合來說，與前人指出的在整個“活躍季節(jié)”單一的趨勢或早冬、晚冬基本相反的趨勢結果不同（Thompson et al.，2000;Hu et al.，2005），本研究發(fā)現(xiàn)，20世紀后20 a，北極平流層溫度、緯向風、EP通量及其散度場的十年際變化形勢在整個冬季（12—2月）呈現(xiàn)出一個從NAM的負極趨勢到正極趨勢逐月演變的過程，其中12月與2月的趨勢完全相反，1月為過渡階段。雖然通過分析各月之間波通量及其散度場變化的差異可以較好地解釋冬季溫度和風場十年際變化的逐月演變過程，未來還需要進一步研究造成這種差異的外強迫因素。例如海表溫度的變化及平流層臭氧減少在12月、1月和2月可能有不同的趨勢，原本很小的強迫差異也可能通過氣候系統(tǒng)內部的動力-化學-輻射過程反饋而被放大。

致謝：感謝審稿人提出的修改意見;ECMWF提供了ERA-Interim資料的在線下載服務。

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1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Hanzhong Meteorological Administration，Hanzhong 723000，China

Using ERA-Interim reanalysis data from 1980 to 2000，this study calculates the Eliassen-Palm （EP） flux and its divergence of the planetary wave in the Northern Hemisphere winter （December—February）.In the following sections，this study examines the characteristics of decadal changes in stratospheric temperature and zonal wind，as well as changes in planetary wave activity during different winter months.The results show that the changes for decadal temperature show a significant warming trend in the high-latitude mid-to-lower stratospheres in December，followed by a weak cooling trend in January，and an apparent cooling trend in February.Zones of significant deceleration in the mid-to-high latitude stratosphere in December deceleration and acceleration weak intensities in January，and significant acceleration in February，are alternately distributed in the stratosphere every month.Planetary waves propagating into the tropopause along with the low-latitude waveguide weaken in December，while those propagating along with the polar waveguide into the stratosphere strengthen.During January，both propagations along two waveguides are unchanged，but their intensities are declining.As for February，it turns into an evident strengthened tendency along the low-latitude waveguide and a noticeable weakened tendency along with the polar waveguide.In addition，December and February remain transitional months for EP flux divergence，while January is decadal.Therefore，the annual decadal changes of Arctic stratospheric temperature，zonal winds，and EP flux present an evolution from the NAM （Northern Hemisphere Annular Mode） index negative polarity tendency to positive polarity tendency throughout the winter.

stratosphere;decadal changes;temperature;zonal wind;planetary wave activity

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20191114001

（責任編輯：袁東敏）