全球?qū)α鲗禹敻叨鹊目臻g演變規(guī)律研究

成佳麗，史 燕

(云南省曲靖市氣象局，云南 曲靖 655000)

1 引言

對流層頂是19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初平流層被發(fā)現(xiàn)后形成的一個(gè)概念，科學(xué)家們將它定義為對流層的上邊界［1］，或是對流層與平流層之間的轉(zhuǎn)換層［2］。對流層頂自從被發(fā)現(xiàn)以后，就引起了科學(xué)家們的極大關(guān)注［3］。

對流層頂作為對流層和平流層兩種不同空氣團(tuán)之間的過渡層，將具有不同大氣屬性和不同痕量氣體成分(如臭氧、水汽、一氧化碳等)的對流層與平流層區(qū)分開，成為一道阻礙物質(zhì)穿越對流層頂輸送的奇特“屏障”。對流層頂是一個(gè)能反映各種大氣過程的指示器，其位置、高度、溫度等的變化也是氣候變化的關(guān)鍵指示因子。對流層頂?shù)母鞣N要素在大氣環(huán)流形勢的更替作用下發(fā)生變化，其隨時(shí)間的變化規(guī)律及其熱力結(jié)構(gòu)特征與高空急流、臭氧層等物理、化學(xué)現(xiàn)象密切相關(guān)［4］。

科學(xué)家們對對流層頂各要素的時(shí)空分布特征的研究得到了許多研究成果。其中，Santer 和Sausen (2003)等人的計(jì)算結(jié)果表明，對流層頂高度自1979年以來上升了數(shù)百米，其中80%是由于人類活動(dòng)引起平流層臭氧減少和對流層溫室氣體增加導(dǎo)致的［5，6］。John Austin 和Thoms(2008)等人使用化學(xué)氣候耦合模式AMTRAC 模擬研究熱帶冷點(diǎn)對流層頂?shù)拈L期演變趨勢，研究發(fā)現(xiàn)對流層頂高度在過去140 a 中以63 ±3m/10a的速度穩(wěn)步上升，相應(yīng)的對流層頂溫度則以大約0.13 ±0.07K/10a的速度下降［7］。然而，卻并未獲得對流層頂?shù)目臻g模態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律，本文將采用新的EOF 方法研究對流層頂?shù)目臻g模態(tài)隨時(shí)間的變化。

2 資料和方法

2.1 資料

采用歐洲數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的新一代分析產(chǎn)品ERA－interim 氣壓坐標(biāo)下的月平均溫度資料，該數(shù)據(jù)集時(shí)間長度為1979—2010年，水平分辨率為1.5°×1.5°，共計(jì)240×121 個(gè)格點(diǎn)，垂直方向37 個(gè)等壓面。

2.2 方法

2.2.1 對流層頂?shù)拇_定及其計(jì)算方案 本文選取WMO 熱力學(xué)對流層頂定義，即:500 hPa 等壓面之上溫度遞減率小到2℃/km 或以下的最低高度，并且在此高度及其上方2 km 氣層內(nèi)的溫度平均遞減率不超過2℃/km［8］。熱力學(xué)對流層頂定義具有可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，從單一的局地溫度廓線就可以確定其對流層頂氣壓，并且可以在全球找到。

本文采用Thomas Reichler 2003年提出的熱力學(xué)對流層頂計(jì)算方案［9］，如下:

其中P 為氣壓，T 為溫度，Z 為高度，R 為干空氣氣體常數(shù)，k=R/cp，cp為定壓比熱容。利用氣體方程P=ρRT，并且取靜力近似dp =－ρgdz，則(1)式可轉(zhuǎn)化為:

若假設(shè)溫度值T1，T2，…，Ti…，Tn在等壓面P1，P2，…，Pi，…，Pn上是可用且連續(xù)的，采用有限差分格式，近似認(rèn)為T 隨Pk呈線性變化，則可以計(jì)算半層上的溫度遞減率:

通過(3)式進(jìn)行線性插值，可以得到一個(gè)Γ 剖面，再根據(jù)定義標(biāo)準(zhǔn)尋找ΓTP，即滿足要求的對流層頂溫度遞減率，由ΓTP可以線性插值得到對流層頂氣壓PTP:

由以上(1)～(4)式，便可以計(jì)算得到對流層頂氣壓場。

并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣的規(guī)定，將對流層頂看作多元大氣的上界，使用多元大氣壓高公式計(jì)算得到對流層頂高度場［10］:

其中P0=1 013.25 hPa，T0=288.15 K，Γ=0.006 5 K/gpm，g=9.806 65 m/s2。

2.2.2 Running－EOF/PC分析 通常，EOF/PC分析將變量分解為相互獨(dú)立的特征向量場和時(shí)間系數(shù)，提供了簡單的大氣要素不隨時(shí)間變化的空間模態(tài)和時(shí)間變化序列，將空間變化與時(shí)間變化相分離。這就限制了EOF/PC分析，使其無法用于研究空間模態(tài)隨時(shí)間的變化趨勢(例如:Deser 和Teng(2008)空間變化的年代際尺度趨勢［11］)，并且過濾掉了常常發(fā)生在較短時(shí)間段內(nèi)的快速變化信息。于是，Zhang(2008)等人提出了一個(gè)新策略的EOF/PC分析方法:運(yùn)用一個(gè)滑動(dòng)的時(shí)間窗口，形成一個(gè)滑動(dòng)的EOF/PC分析，即Running－EOF/PC (Rn－EOF/PC)分析［12］。

本文將資料分成夏半年(每年的4—9月)和冬半年(每年的10月—次年3月)來分別研究(以北半球的季節(jié)劃分為標(biāo)準(zhǔn))。其中，以5 a 為一個(gè)時(shí)間窗口，每隔1 a 做一次EOF/PC分析，共形成28 個(gè)連續(xù)的EOF/PC 時(shí)間窗口，并取其第一特征向量來研究對流層頂高度的空間模態(tài)隨時(shí)間的變化趨勢。

3 夏半年對流層頂高度的空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間演變趨勢

Rn－EOF/PC 不僅獲得每個(gè)時(shí)間窗口中對流層頂高度的主要空間模態(tài)，還跟蹤了遍及整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)對流層頂高度的主要空間結(jié)構(gòu)的變化。

圖1 是夏半年6 個(gè)典型時(shí)間窗口中對流層頂高度的EOF 第一模態(tài)的空間分布。所有時(shí)間窗口中對流層頂高度的EOF/PC 第一空間模態(tài)都非常清楚，方差貢獻(xiàn)率均＞50%，最大時(shí)可以達(dá)到58%。由此表明，EOF分析出的第一空間向量場能很好地代表每個(gè)時(shí)間窗口中對流層頂高度結(jié)構(gòu)的平均空間特征。

圖1a 給出的是1979—1983年夏半年對流層頂高度場的第一模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為57%，空間呈明顯的緯向分布。熱帶地區(qū)為廣大的負(fù)值區(qū)，在深熱帶地區(qū)呈現(xiàn)閉合的負(fù)值中心，隨著緯度的升高逐漸增大。值得注意的是副熱帶地區(qū)，副熱帶地區(qū)南北半球的分布差異比較大，在北半球副熱帶地區(qū)為正值區(qū)，而相應(yīng)的南半球副熱帶地區(qū)則為絕對值較大的負(fù)值區(qū)，且緯向分布存在一定的波動(dòng)性，在南太平洋地區(qū)為極大的負(fù)值中心。副熱帶地區(qū)異常的空間分布剛好對應(yīng)于對流層頂斷裂帶的位置。一般說來，對流層頂斷裂帶指的是由極地對流層頂向熱帶對流層頂過渡的區(qū)域。南北半球中高緯度地區(qū)則均為最大正值區(qū)。因此，北半球呈現(xiàn)出“－+”的緯向波列狀分布結(jié)構(gòu)，且在哈薩克斯坦上方為1個(gè)異常負(fù)值區(qū)的中心;南半球則為“－+ ”的緯向均勻分布，南半球中高緯地區(qū)分布比北半球平直，幾乎與緯圈平行。該分布也表明北半球夏半年兩半球斷裂帶是全球?qū)α鲗禹斪兓畲蟮膮^(qū)域，其中北半球變化較大區(qū)域出現(xiàn)在歐亞和北美大陸上空，而南半球則出現(xiàn)在南太平洋上空，并且南北半球斷裂帶對流層頂高度的變化是相反的。而在高緯度地區(qū)，兩半球?qū)α鲗禹敻叨茸兓嗤悄习肭虻淖兓笥诒卑肭颉?/p>

圖1b 是1984—1988年夏半年對流層頂高度場的第一模態(tài)，整體的空間分布形態(tài)沒有明顯的改變，但哈薩克斯坦上方的異常負(fù)值中心減弱消失了，并且南半球副熱帶地區(qū)的極大負(fù)值中心范圍有所擴(kuò)張，從原來的南太平洋幾乎擴(kuò)張到整個(gè)副熱帶，形成一整條明顯的對流層頂斷裂帶。南極地區(qū)的空間分布隨時(shí)間逐漸加強(qiáng)，原本平直的等值線逐漸閉合形成正值中心。到1990—1994年夏半年(如圖1d 所示)哈薩克斯坦上方的異常負(fù)值區(qū)再次出現(xiàn)，南半球副熱帶的負(fù)值區(qū)逐漸斷裂成幾個(gè)閉合的高負(fù)值中心，南極地區(qū)的空間分布依然保持加強(qiáng) 且正值中心范圍也逐漸增加。

圖1 夏半年典型時(shí)間窗口中對流層頂高度的EOF 第一模態(tài)的空間分布

事實(shí)上，自1979年開始，夏半年對流層頂高度的整體空間分布形式基本維持，只是哈薩克斯坦上方的異常負(fù)值區(qū)發(fā)生了2 個(gè)周期性的變化，到了1995—1999年該負(fù)值區(qū)再次消失(如圖1e 所示)，而2004—2008年則再次出現(xiàn)(如圖1f 所示)，并一直維持到2006—2010年(圖略)。而南極附近的正變化區(qū)則出現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)的現(xiàn)象，也即該區(qū)域的對流層頂高度變化自1979年以來逐漸增大。

4 冬半年對流層頂高度的空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間演變趨勢

圖2 是冬半年幾個(gè)典型時(shí)間窗口中對流層頂高度EOF 第一模態(tài)的空間分布，所有時(shí)間窗口中對流層頂高度第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率均＞45 % ，最大時(shí)可以達(dá)到49%。

圖2 冬半年典型時(shí)間窗口中對流層頂高度的EOF 第一模態(tài)的空間分布

圖2(a)是1979/1980年—1983/1984年冬半年對流層頂高度場的第一模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為46.2%，空間上呈明顯的緯向分布。熱帶地區(qū)為廣闊的正值區(qū)，隨著緯度的升高逐漸增大，在南太平洋上空有1 個(gè)較小的負(fù)值中心。

值得注意的是副熱帶地區(qū)，副熱帶地區(qū)兩半球的分布差異較大，北半球副熱帶地區(qū)為負(fù)值區(qū)中心，而相應(yīng)的南半球副熱帶地區(qū)則為較大的正值區(qū)。并且南北半球?qū)α鲗禹敂嗔褞е袑α鲗禹敻叨茸兓臉O大值區(qū)均出現(xiàn)了位移，北半球由陸地移到了太平洋上空，而南半球則有整體的西移現(xiàn)象。并且南半球的對流層頂斷裂帶區(qū)域擴(kuò)寬，而北半球的對流層頂斷裂帶區(qū)域收窄。聯(lián)系夏半年(每年4—9月)時(shí)的情況，對比圖1 和圖2 發(fā)現(xiàn)，在北半球冬半年(每年的10月—次年3月)與圖1 中南半球冬半年(每年4—9月)的副熱帶相對稱，均為絕對值較大的負(fù)值區(qū)，緯向分布存在一定的波動(dòng)性。而此時(shí)(每年的10月—次年3月)實(shí)際上南半球?yàn)橄陌肽辏睙釒楦哒抵行?，與北半球夏半年(圖1)的副熱帶正值中心相對稱?？傊?，兩半球夏半年(北半球每年的4—9月，南半球每年的10月—次年3月)時(shí)，副熱帶為正值中心，兩半球冬半年(北半球每年的10月—次年3月，南半球每年的4—9月)時(shí)，副熱帶為絕對值較大的負(fù)值中心。

在中高緯度地區(qū)，北半球由負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)為正值，南半球?yàn)樨?fù)值并隨著緯度升高逐漸增大，中緯度地區(qū)為平緩的緯向帶狀均勻分布，到了南極地區(qū)形成絕對值較大的負(fù)值中心。因此，北半球呈現(xiàn)出“+－+”的緯向波列形狀分布結(jié)構(gòu)，南半球則為“+－”的緯向分布。

圖2b 是1981/1982年—1985/1986年冬半年對流層頂高度的第一空間模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為48.3%，在1979/1980年—1985/1986年這段時(shí)間內(nèi)，北半球高緯度地區(qū)發(fā)生了很大的變化，除格陵蘭和歐亞大陸西北部保持正值中心外，其余地區(qū)由原來的正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，北半球由原來的“+－+”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤?－”緯向分布結(jié)構(gòu)。直到1986/1987年—1990/1991年(圖2c)，這樣的形式發(fā)生改變，北半球恢復(fù)“+－+”的緯向分布結(jié)構(gòu)，并且在高緯度地區(qū)表現(xiàn)為明顯的緯向帶狀分布，高正值中心消失。

圖2d 給出的是1991/1992年—1995/1996年冬半年對流層頂高度的第一空間模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為49%，此時(shí)南太平洋的負(fù)值中心減弱消失了，而南極負(fù)值中心則加強(qiáng)。到了2000/2001年—2004/2005年(圖2e)南太平洋的負(fù)值中心恢復(fù)并增強(qiáng)，北極地區(qū)再次轉(zhuǎn)變?yōu)橐载?fù)值為主的區(qū)域。這樣的形式直到2006/2007年—2010/2011年(圖2f)，北半球再次呈現(xiàn)出“+－+”的緯向波列形狀分布結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

①從1979—2010年，夏半年對流層頂高度場的第一空間模態(tài)呈明顯的緯向分布，兩半球呈現(xiàn)出“－+”的緯向分布結(jié)構(gòu)。熱帶地區(qū)為廣大的負(fù)值區(qū)，隨著緯度的升高逐漸增加。副熱帶地區(qū)南北半球的分布相反，北半球副熱帶地區(qū)為正值區(qū)，而南半球副熱帶地區(qū)則為絕對值較大的負(fù)值區(qū)。副熱帶地區(qū)異常的空間分布對應(yīng)于對流層頂斷裂帶的位置。在所研究時(shí)段內(nèi)，夏半年對流層頂高度的第一空間模態(tài)整體上呈“－+”的緯向分布結(jié)構(gòu)，只是局部區(qū)域發(fā)生波動(dòng)。哈薩克斯坦上方的異常負(fù)值區(qū)發(fā)生了“存在—消失”的2 個(gè)周期性的變化。而南極地區(qū)的負(fù)值區(qū)隨時(shí)間逐漸加強(qiáng)。

②冬半年對流層頂高度場的第一空間模態(tài)也呈明顯的緯向分布。在所研究時(shí)段內(nèi)，南半球一直維持“+－”的緯向分布型，北半球則在“+－+”與“+－”結(jié)構(gòu)之間發(fā)生2 個(gè)周期性的變換。熱帶地區(qū)為廣闊的正值區(qū)，隨著緯度的升高逐漸升高，在南太平洋上空有1 個(gè)較小的負(fù)值中心。該負(fù)值中心在1981/1982年—1985/1986年由弱變強(qiáng)，之后減弱在1991/1992年—1995/1996年消失，之后再隨時(shí)間推移逐漸增強(qiáng)。副熱帶地區(qū)兩半球的分布差異較大，北半球副熱帶地區(qū)為負(fù)值區(qū)，而相應(yīng)的南半球副熱帶地區(qū)則為較大的正值區(qū)。

③兩半球?qū)α鲗禹斪兓^大的區(qū)域均出現(xiàn)在對流層頂斷裂區(qū)，并且南北變化相反。夏半球?qū)α鲗禹敂嗔褞П容^寬，極大值主要出現(xiàn)在陸地上空，而冬半球?qū)α鲗禹敂嗔褞П容^窄，極大值主要出現(xiàn)在海洋上空。

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