平流層和對(duì)流層大氣相互作用的研究進(jìn)展

平流層和對(duì)流層大氣相互作用的研究進(jìn)展

1平流層環(huán)流異常與下傳信號(hào)流層平面是指相對(duì)于流層和中間層的一層，高度為15.55km。雖然平流層大氣質(zhì)量只占地球大氣總質(zhì)量的15%,但是越來(lái)越多的事實(shí)表明平流層過(guò)程及其與對(duì)流層的相互作用在氣候系統(tǒng)中有著非常重要的作用,在大氣環(huán)流模式和氣候預(yù)測(cè)模式中,都必須包括對(duì)流層和平流層的相互作用。以往的觀點(diǎn)認(rèn)為平流層是穩(wěn)定的,并且被動(dòng)地接受其下方對(duì)流層內(nèi)上傳的波動(dòng)和能量,但近期的研究表明,平流層并不是完全穩(wěn)定的(由溫度隨高度升高造成的穩(wěn)定溫度層結(jié)所致),而在一定時(shí)期具有明顯的大范圍溫度和環(huán)流擾動(dòng)、變化。近年來(lái)的研究進(jìn)一步揭示,平流層與對(duì)流層的關(guān)系,也不是過(guò)去認(rèn)為的主要是對(duì)流層影響平流層,而是雙向的,即在對(duì)流層通過(guò)大氣波動(dòng)的上傳影響平流層后,平流層大氣會(huì)將下層上傳來(lái)的無(wú)序波動(dòng)重新組織起來(lái)引起平流層環(huán)流的持續(xù)異常,而這些異常又反饋給對(duì)流層并影響其天氣、氣候。此外,平流層中包含的吸收太陽(yáng)紫外輻射的大氣臭氧層,使得該層大氣的動(dòng)力—化學(xué)—輻射過(guò)程平衡對(duì)于地球氣候系統(tǒng)的維持、發(fā)展有著重要的作用,臭氧層的穩(wěn)定存在是整個(gè)地球表層生物圈得以生存、演化的關(guān)鍵保護(hù)傘。因此,對(duì)平流層過(guò)程及其與對(duì)流層相互作用的進(jìn)一步探索和研究對(duì)于深入認(rèn)識(shí)地球氣候系統(tǒng)、應(yīng)對(duì)氣候變化有著重要的科學(xué)意義。另一方面,隨著高空探測(cè)手段的提高、衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及大氣環(huán)流模式的進(jìn)步,有關(guān)平流層大氣的觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果越來(lái)越豐富。在21世紀(jì)初,Baldwin等就利用多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果提出平流層是大氣異常系統(tǒng)的前兆,平流層環(huán)流的大幅低頻變化首先出現(xiàn)在50km以上,然后逐漸向下傳到平流層低層,進(jìn)而出現(xiàn)對(duì)流層的異常。平流層的異常信號(hào)往往可以領(lǐng)先對(duì)流層約30d,因此研究平流層異常及其下傳信號(hào)對(duì)于建立和改善區(qū)域性重大天氣事件的中長(zhǎng)期(延伸)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)途徑與方法有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。這重新復(fù)蘇了停頓了近30年的從平流層獲取對(duì)流層預(yù)報(bào)信號(hào)的工作。平流層大氣過(guò)程及其與對(duì)流層相互作用的研究具有很長(zhǎng)的歷史,本文從引起平流層大氣環(huán)流擾動(dòng)的典型過(guò)程(第二部分)出發(fā),先對(duì)這些工作進(jìn)行初步的小結(jié),在第三、四部分分別討論了有關(guān)平流層環(huán)流異常對(duì)下層大氣的影響,以及平流層—對(duì)流層之間物質(zhì)交換的研究工作,第五部分總結(jié)了中層大氣模式發(fā)展和應(yīng)用的相關(guān)工作,最后在第六部分給出了全文的總結(jié)和對(duì)未來(lái)工作的展望。2導(dǎo)致河流循環(huán)擾動(dòng)的一些經(jīng)典過(guò)程2.1引發(fā)平流層爆發(fā)性增溫的信號(hào)起初對(duì)于平流層大氣的認(rèn)識(shí),大多認(rèn)為平流層僅僅是被動(dòng)接受下層對(duì)流層中天氣系統(tǒng)的能量和擾動(dòng),平流層大氣環(huán)流的動(dòng)力、熱力和化學(xué)過(guò)程受到對(duì)流層劇烈的影響。Andrews等詳細(xì)討論了發(fā)生在中層大氣特別是平流層中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及平流層—對(duì)流層的相互作用,指出大尺度的行星波是聯(lián)系對(duì)流層異常和平流層擾動(dòng)的關(guān)鍵因素之一,而小尺度的波動(dòng)僅僅存在于對(duì)流層中。根據(jù)Charney和Drazin的行星波垂直傳播理論,Rossby波只能在西風(fēng)氣流中傳播,并且滿足緯向西風(fēng)小于羅斯貝臨界風(fēng)速時(shí)行星波可以向上傳播進(jìn)入平流層,從而影響到中、高層大氣環(huán)流系統(tǒng)。因此,行星波主要在冬半年極地平流層盛行西風(fēng)時(shí)上傳到平流層中,尤其是在北半球由于地面地形和海陸差異導(dǎo)致對(duì)流層中超長(zhǎng)波活動(dòng)比南半球更加活躍,在這一時(shí)期行星波對(duì)平流層的影響也更加顯著。冬季的極地平流層處于“極夜”,沒(méi)有太陽(yáng)紫外輻射對(duì)平流層臭氧層的加熱作用,輻射的冷卻效應(yīng)非常強(qiáng),因此這里的溫度很低。但在北半球冬季,平流層中常常會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)溫度的劇烈增加,增溫幅度可以達(dá)到十幾甚至幾十?dāng)z氏度,這種急劇的增溫現(xiàn)象被稱為平流層爆發(fā)性增溫(StratosphericSuddenWarming,SSW),SSW最早由德國(guó)科學(xué)家Scherhag在1952年發(fā)現(xiàn),增溫過(guò)程前后平流層環(huán)流也有劇烈的調(diào)整,極渦擾動(dòng)發(fā)生變形或者崩潰,高緯度地區(qū)溫度增加導(dǎo)致經(jīng)向溫度梯度反向,極夜西風(fēng)急流減弱甚至消失,極區(qū)出現(xiàn)繞極的東風(fēng)環(huán)流。大量的觀測(cè)分析和理論研究表明,平流層的爆發(fā)性增溫過(guò)程與對(duì)流層中形成并上傳到平流層的行星波活動(dòng)有關(guān),行星波和平流層中基本氣流的相互作用是增溫出現(xiàn)的關(guān)鍵。1961年,Eliassen等提出用波動(dòng)的能量通量來(lái)研究行星波的傳播,即E-P通量,在此基礎(chǔ)上Matsuno提出平流層爆發(fā)性增溫是由于對(duì)流層行星波向上輸送能量并與基本流相互作用造成的,這一理論的提出得到了廣泛的認(rèn)可,Holton,Quiroz和Pierce等對(duì)對(duì)流層行星波的上傳在SSW過(guò)程中的重要作用從理論和觀測(cè)上給予了進(jìn)一步的證實(shí)。行星波活動(dòng)對(duì)平流層—對(duì)流層耦合系統(tǒng)的影響不僅存在于平流層爆發(fā)性增溫過(guò)程中,即使在一般情況下,北半球高緯度地區(qū)平流層溫度的觀測(cè)值也是高于輻射平衡溫度的值,這主要就是由對(duì)流層中行星波的向上傳播及破碎造成的。行星波上傳進(jìn)入平流層存在兩條路徑,即波動(dòng)向赤道和向極地傳播的兩支波導(dǎo),陳文等研究指出行星波的這兩支波導(dǎo)呈反相關(guān)關(guān)系,當(dāng)行星波的極地波導(dǎo)偏強(qiáng)時(shí),向上、向極傳播的波動(dòng)能量使得平流層中高緯地區(qū)的環(huán)流發(fā)生變化,極渦被擾動(dòng)并減弱;而當(dāng)行星波的向赤道波導(dǎo)較強(qiáng)時(shí),主要的波動(dòng)能量被傳播到熱帶平流層低層,行星波在熱帶外地區(qū)的平流層中、高層影響較小,平流層極渦強(qiáng)且穩(wěn)定。同時(shí),平流層不只是被動(dòng)的接受對(duì)流層行星波上傳的能量,還存在行星波的反饋機(jī)制反作用于對(duì)流層,影響對(duì)流層中行星波的活動(dòng)。Limpasuvan等研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是SSW過(guò)程中極渦崩潰或者是極渦穩(wěn)定增強(qiáng),都存在平流層和對(duì)流層強(qiáng)烈的動(dòng)力耦合過(guò)程,并且平流層異常會(huì)隨著波動(dòng)的異常向?qū)α鲗觽鞑ァ?.2qbo生成及影響機(jī)制赤道平流層緯向風(fēng)的準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)現(xiàn)象是平流層大氣環(huán)流中最主要的特征之一,它的緯向風(fēng)異常最大值出現(xiàn)在平流層上層的50km并且可以逐漸向下傳播至平流層低層的16km,它的平均周期約為28個(gè)月。對(duì)QBO現(xiàn)象最早的觀測(cè)記錄可以追溯到1883年的Krakatau火山爆發(fā),觀測(cè)發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰在兩周內(nèi)出現(xiàn)了東西振蕩的現(xiàn)象,科學(xué)家把它稱為“Krakataueasterlies”。之后隨著探測(cè)手段的豐富,Reed和Ebdon應(yīng)用Canton島(2.8°S)的探空資料,發(fā)現(xiàn)了在30km以上的平流層中存在著緯向風(fēng)的準(zhǔn)兩年周期變化,并且這一現(xiàn)象在平流層中會(huì)以每月1km的速度向下傳播,QBO的概念就這樣被首次提出。隨著時(shí)間的推移,探測(cè)資料的增加,QBO現(xiàn)象在全球的赤道地區(qū)都得到了證實(shí)。在QBO現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后的初期,有關(guān)熱帶波動(dòng)的認(rèn)識(shí)很少,既沒(méi)有觀測(cè)事實(shí)也缺乏理論依據(jù),因此有關(guān)QBO的形成原因只停留在推測(cè)階段。直到1968年,Lindzen和Holton在經(jīng)驗(yàn)二維模式中用重力波強(qiáng)迫再現(xiàn)出QBO現(xiàn)象,讓人們認(rèn)識(shí)到熱帶波動(dòng)可能是驅(qū)動(dòng)QBO形成的主要原因,之后他們又在一維模式中用Kelvin波和Rossby—重力混合波強(qiáng)迫得到了QBO過(guò)程,進(jìn)一步證明了這樣的認(rèn)識(shí)。其關(guān)鍵是:(1)有向上的緯向動(dòng)量通量,并具有所要求的量值;(2)在東西風(fēng)切變區(qū)有波的吸收和緯向動(dòng)量輻合;(3)存在半年振蕩,它可提供交替的東風(fēng)和西風(fēng)切變壓。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后關(guān)于QBO生成及影響機(jī)制的研究有了更大的突破,研究表明熱帶對(duì)流層中各種尺度的對(duì)流活動(dòng)激發(fā)了大量的熱帶波動(dòng)(重力波、慣性重力波、Kelvin波、Rossby重力混合波等)向上傳播并在平流層中堆積,這些波動(dòng)攜帶的西風(fēng)、東風(fēng)動(dòng)量驅(qū)動(dòng)了QBO東、西風(fēng)異常的生成和轉(zhuǎn)換,有一部分的重力波可以穿過(guò)平流層進(jìn)入中間層在90km附近驅(qū)動(dòng)中間層QBO的生成。除了影響緯向風(fēng)的分布外,QBO還可以通過(guò)改變熱成風(fēng)平衡來(lái)調(diào)節(jié)赤道上空不同高度平流層的溫度分布,通過(guò)調(diào)節(jié)平均經(jīng)圈環(huán)流的垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)影響赤道外地區(qū)平流層的溫度。QBO不僅是熱帶平流層中的現(xiàn)象,它還可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、赤道外波動(dòng)和經(jīng)圈環(huán)流來(lái)影響整個(gè)平流層,并影響平流層中的物質(zhì)分布和輸送,進(jìn)而影響臭氧的損耗。1980年時(shí),Holton等研究指出在QBO不同的緯向風(fēng)階段,行星波在垂直和經(jīng)向的傳播強(qiáng)度不同,在東風(fēng)態(tài)QBO時(shí)行星波的極地波導(dǎo)強(qiáng)、向赤道波導(dǎo)弱,向極、向上傳播的行星波會(huì)引起平流層中、高緯地區(qū)環(huán)流的劇烈改變;而西風(fēng)態(tài)QBO時(shí)行星波向赤道波導(dǎo)較強(qiáng),波動(dòng)以向赤道傳播為主,這被稱為“Holton-Tan關(guān)系”。QBO在平流層中還可以影響微量氣體的分布和輸送過(guò)程,如N2O,CH4等產(chǎn)生于對(duì)流中的長(zhǎng)壽命氣體主要是通過(guò)QBO調(diào)節(jié)的經(jīng)圈環(huán)流輸送到平流層中的,具體的作用過(guò)程會(huì)在第四部分中進(jìn)一步介紹。綜上所述,QBO現(xiàn)象的存在和東、西風(fēng)異常轉(zhuǎn)換過(guò)程直接影響了平流層中溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和經(jīng)圈環(huán)流的分布,并且它是聯(lián)系平流層、對(duì)流層天氣過(guò)程和氣候變化的重要因子,是平流層—對(duì)流層相互作用的重要紐帶,也是研究平流層大氣環(huán)流的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。2.3在下海溫分布的變化ElNi?o海溫異?，F(xiàn)象自被發(fā)現(xiàn)之后,引起了中外科學(xué)家的濃厚興趣,就海溫異常對(duì)全球?qū)α鲗犹鞖夂蜌夂蛴绊懙膯?wèn)題進(jìn)行了大量的研究,但作為對(duì)流層大氣的上邊界,有關(guān)中高層大氣和ENSO海溫變化之間聯(lián)系的研究不多,低層的海溫異常如何引起中高層大氣環(huán)流的變化,從而向下作用影響對(duì)流層天氣、氣候,仍然是一個(gè)有待解決并值得研究的問(wèn)題。20世紀(jì)80年代末,Labitzke和vanLoon等對(duì)海溫異常引起的平流層極渦變化進(jìn)行了研究,指出北半球平流層極渦擾動(dòng)在ElNi?o年比LaNi?a年時(shí)更加強(qiáng)烈,極渦溫度更高,但他們沒(méi)能找到ENSO事件與極地平流層間明顯的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。隨著資料的增加,Hamilton對(duì)34年中北半球冬季的平流層平均環(huán)流進(jìn)行了分析,認(rèn)為ENSO事件的影響和赤道平流層緯向風(fēng)準(zhǔn)兩年振蕩的作用很難區(qū)分。此后,這一方面的研究有所停滯,直到21世紀(jì)初,隨著氣候模式和再分析資料的進(jìn)一步完善,很多學(xué)者利用全新的模式和資料取得了突破性的進(jìn)展:Sassi等應(yīng)用WACCM-1研究得出ElNi?o年時(shí)行星波活動(dòng)頻繁,重力波又將能量堆積在中間層頂附近,使得ElNi?o年時(shí)平流層極地溫度偏高,暖平流層使得各類化學(xué)過(guò)程減弱,臭氧消耗較慢;而LaNi?a年時(shí),極地平流層溫度較低,加大了臭氧的損耗;Taguchi等則利用模式得到足夠多的平流層爆發(fā)性增溫個(gè)例,分析指出ElNi?o年平流層爆發(fā)性增溫事件出現(xiàn)的頻率是LaNi?a年的兩倍,從而建立了一個(gè)ENSO事件對(duì)極地平流層作用的影響機(jī)制;同年Garcia-Herrera等比較了兩個(gè)氣候模式和再分析資料結(jié)果,指出ENSO效應(yīng)在北半球冬季趨于頂峰,ElNi?o年時(shí)垂直輸送的波動(dòng)和E-P通量的散度都會(huì)加強(qiáng),使得平流層中的剩余環(huán)流更強(qiáng),這一經(jīng)圈環(huán)流使得熱帶地區(qū)冷卻、高緯地區(qū)增溫。在模擬研究取得重要成果的同時(shí),Camp等又從統(tǒng)計(jì)學(xué)上指出影響北半球冬季極地平流層的三個(gè)要素是東風(fēng)態(tài)的QBO、強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)和ElNi?o海溫異常,而ElNi?o事件對(duì)極地平流層溫度分布的影響與QBO相當(dāng)。ENSO海溫異常主要通過(guò)影響對(duì)流層和平流層中波動(dòng)的傳播對(duì)中層大氣環(huán)流起作用,圖1和2給出了暖、冷海溫異常出現(xiàn)后行星波、重力波和中層大氣環(huán)流變化過(guò)程的示意圖。當(dāng)熱帶太平洋海溫出現(xiàn)暖異常時(shí),會(huì)加熱熱帶區(qū)域的對(duì)流層大氣,使得對(duì)流層中副熱帶地區(qū)出現(xiàn)負(fù)的經(jīng)向溫度梯度,根據(jù)熱成風(fēng)原理,這樣的溫度分布特征會(huì)使得200hPa高度附近的副熱帶急流增強(qiáng),強(qiáng)烈的西風(fēng)急流有利于熱帶平流層中重力波的破碎和拖拽作用的增強(qiáng),對(duì)平流層中的Brewer-Dobson(B-D)環(huán)流起到了加速作用。同時(shí)暖的海溫異常有利于對(duì)流層中緯度地區(qū)行星波的形成和向上傳播,向上、向極傳播的行星波會(huì)引起平流層極渦的擾動(dòng)、極區(qū)溫度的增加,而在極渦外圍的中高緯區(qū)域會(huì)出現(xiàn)正的經(jīng)向溫度梯度,同樣根據(jù)熱成風(fēng)原理平流層中的繞極急流強(qiáng)度會(huì)減小,減弱的西風(fēng)急流不利于重力波在平流層高層、中間層中的破碎,重力波的拖拽作用也較弱,極地中間層有異常的絕熱上升運(yùn)動(dòng),對(duì)應(yīng)了這一區(qū)域的負(fù)溫度異常。當(dāng)熱帶太平洋海溫出現(xiàn)冷異常時(shí),對(duì)流層中的溫度梯度發(fā)生變化,行星波的活動(dòng)偏弱,熱帶平流層中的重力波拖拽作用相應(yīng)地減弱,平流層中B-D環(huán)流減弱、極渦增強(qiáng)、極區(qū)溫度偏冷。平流層中高緯地區(qū)這樣的溫度分布有利于中間層中重力波的破碎和拖拽作用的增強(qiáng),因此中間層中順時(shí)針的經(jīng)圈剩余環(huán)流加速,極區(qū)為絕熱下沉運(yùn)動(dòng),對(duì)應(yīng)了極地中間層的暖異常。有關(guān)ENSO事件同平流層環(huán)流異常相互關(guān)系的研究已經(jīng)取得了一定的成果,特別是它在北半球冬季中對(duì)波動(dòng)、環(huán)流的影響得到了充分的研究。但之前的工作大都集中在暖ENSO事件的影響上,而ElNi?o和LaNi?a海溫異常帶來(lái)的影響并不是完全相反的,不能簡(jiǎn)單地用反ElNi?o效應(yīng)來(lái)表示LaNi?a,這一點(diǎn)在對(duì)流層中已經(jīng)得到了證明。在平流層中,Lu等也通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果和再分析資料的分析發(fā)現(xiàn),在北半球冬季冷、暖ENSO海溫異常對(duì)平流層大氣影響的時(shí)期是不同的,在ElNi?o年冬季前半期的12和1月,行星波活動(dòng)頻繁,向上傳播后會(huì)引起平流層環(huán)流的改變;而在LaNi?a年中行星波在冬季后半期的2和3月更加活躍,平流層及中間層環(huán)流在這一時(shí)期容易出現(xiàn)較強(qiáng)的擾動(dòng)。冷、暖ENSO海溫異常事件在平流層中有著各自的作用特點(diǎn),這一部分工作值得進(jìn)一步探討。2.4太陽(yáng)活動(dòng)效應(yīng)地球作為太陽(yáng)系中的一員,太陽(yáng)輻射能是地球上各個(gè)系統(tǒng)的主要能量來(lái)源,維持地球氣候系統(tǒng)的能量也幾乎全部來(lái)自于太陽(yáng)。因此,不論是太陽(yáng)的周期性活動(dòng)還是極端的高能粒子活動(dòng)都會(huì)給地球表面的天氣、氣候帶來(lái)巨大的影響。觀測(cè)事實(shí)和理論研究都表明太陽(yáng)活動(dòng)存在一個(gè)周期為11a的循環(huán),在這一活動(dòng)周期中太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)、弱造成的輻射總能量差異不大(0.1%),但是在紫外光譜波段強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量要增加6%~8%。太陽(yáng)輻射加熱地球大氣主要會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)暖區(qū),一個(gè)是吸收長(zhǎng)波輻射的近地面,而另一個(gè)就是吸收紫外輻射的平流層臭氧層。因此,太陽(yáng)11a周期活動(dòng)引起的紫外輻射差異必然會(huì)引起臭氧層中溫度的分布差異,從而造成整個(gè)平流層大氣環(huán)流的擾動(dòng)。早在1987年時(shí),德國(guó)科學(xué)家Labitzke應(yīng)用觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)50hPa高度的溫度同太陽(yáng)活動(dòng)以及QBO存在一定的聯(lián)系,但由于觀察資料時(shí)間較短,很難得到具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)論。之后隨著高空探測(cè)手段的進(jìn)步、衛(wèi)星觀測(cè)資料的豐富和再分析資料數(shù)據(jù)質(zhì)量的不斷提高,有關(guān)太陽(yáng)活動(dòng)效應(yīng)的研究逐漸增多:Labitzke等通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)和不同等壓面上位勢(shì)高度、溫度的相關(guān)系數(shù),分析指出太陽(yáng)活動(dòng)給大氣環(huán)流年際異常帶來(lái)的影響受QBO過(guò)程的調(diào)節(jié),在不同的QBO階段太陽(yáng)活動(dòng)的輻射效應(yīng)和波動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)各不相同,特別是在熱帶、副熱帶地區(qū),強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)可以通過(guò)改變一些動(dòng)力過(guò)程影響大氣環(huán)流。此后又有很多研究進(jìn)一步證實(shí)了QBO過(guò)程在太陽(yáng)活動(dòng)效應(yīng)中的作用,Salby等用NCEP再分析資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)可以通過(guò)影響QBO的東、西風(fēng)轉(zhuǎn)化頻率和緯向風(fēng)的位置來(lái)影響平流層環(huán)流,配合E-P通量和剩余環(huán)流的擾動(dòng)可以調(diào)節(jié)平流層中經(jīng)圈環(huán)流的強(qiáng)度,從而改變平流層中的經(jīng)向溫度梯度和環(huán)流結(jié)構(gòu);Camp等應(yīng)用線性判別分析方法對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)、QBO給北半球冬季平流層極渦帶來(lái)的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,指出強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)和東風(fēng)態(tài)的QBO都會(huì)造成平流層極渦的增溫,兩者的作用相互獨(dú)立又相互促進(jìn)。除了輻射效應(yīng),太陽(yáng)活動(dòng)引起的地球磁場(chǎng)改變也可以間接地影響平、對(duì)流層的大氣環(huán)流,另外宇宙線也會(huì)在太陽(yáng)活動(dòng)影響下進(jìn)入大氣層影響云層的形成,從而影響地球氣候的異常,但這個(gè)問(wèn)題尚無(wú)確定的結(jié)果。3平原流層過(guò)程對(duì)下層土壤的影響3.1緯向風(fēng)和重力波平流層環(huán)流擾動(dòng)過(guò)程對(duì)對(duì)流層大氣的影響是平流層—對(duì)流層耦合系統(tǒng)中的重要問(wèn)題之一,Andrews等在1987年詳細(xì)討論了平流層的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題以及對(duì)流層對(duì)平流層的動(dòng)力影響,但受到當(dāng)時(shí)研究條件的限制,有關(guān)平流層對(duì)對(duì)流層作用的問(wèn)題涉及的不多,只是簡(jiǎn)單地提出行星波活動(dòng)是平流層—對(duì)流層動(dòng)力耦合的主要途徑之一。行星波在對(duì)流層中生成后向上傳播進(jìn)入平流層,由于大氣的密度隨著高度的增加而呈指數(shù)遞減,因此行星波的振幅會(huì)隨著高度的增加而逐漸增大,當(dāng)波動(dòng)傳播到平流層中某一高度時(shí)會(huì)由于振幅過(guò)大而破碎。根據(jù)波流相互作用的理論,行星波破碎后釋放的能量會(huì)導(dǎo)致平流層中西風(fēng)氣流的減小,如果波動(dòng)作用的能量足夠強(qiáng),其破碎后甚至可以使得平流層中一般情況下的西風(fēng)氣流轉(zhuǎn)變?yōu)闁|風(fēng)。行星波破碎后引起的平流層緯向風(fēng)變化會(huì)向下傳播,例如平流層發(fā)生爆發(fā)性增溫時(shí),平流層高層高緯地區(qū)的緯向風(fēng)會(huì)轉(zhuǎn)換為東風(fēng),在東、西風(fēng)轉(zhuǎn)換的區(qū)域即0層風(fēng)速線附近會(huì)形成一個(gè)緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)換區(qū),這一區(qū)域?qū)τ谛行遣▉?lái)說(shuō)是一個(gè)臨界層,當(dāng)波動(dòng)傳播到0層附近后破碎會(huì)導(dǎo)致東風(fēng)帶向下擴(kuò)展,使得東風(fēng)區(qū)隨時(shí)間不斷向下傳播。同樣當(dāng)行星波破碎或爆發(fā)性增溫之后,平流層高層的西風(fēng)氣流會(huì)由于輻射作用而逐漸恢復(fù),這一西風(fēng)重新建立的過(guò)程也會(huì)從高層逐漸向下傳播。當(dāng)平流層環(huán)流發(fā)生異常時(shí),它會(huì)影響大氣行星波向上的發(fā)展和傳播,由于行星波在垂直方向上有著深厚的分布,因此平流層擾動(dòng)引起的行星波變化必然會(huì)進(jìn)一步地影響對(duì)流層。除了行星波之外,重力波在平流層大氣環(huán)流中也扮演了非常重要的角色。通常認(rèn)為中層大氣中的重力波是來(lái)自于對(duì)流層,主要存在三種方式:一種是由于地形作用產(chǎn)生,它常常發(fā)生在北半球冬季的中緯度地區(qū),這種波動(dòng)引起的動(dòng)量通量在對(duì)流層頂高度可以達(dá)到0.3N·m—2;第二種是由穿越對(duì)流層頂?shù)纳顚?duì)流活動(dòng)激發(fā)形成,Chen等使用了一個(gè)耦合云微物理過(guò)程的非靜力平衡模式研究提出深對(duì)流激發(fā)重力波形成的三個(gè)敏感區(qū),波動(dòng)生成區(qū)、激發(fā)區(qū)和持續(xù)區(qū),這種類型的重力波主要出現(xiàn)在深對(duì)流頻發(fā)的夏季東亞中緯度地區(qū);第三種是由平流層大氣中的非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生,如平流層發(fā)生爆發(fā)性增溫時(shí),平流層大氣受到行星波的影響出現(xiàn)非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),大氣的地轉(zhuǎn)適應(yīng)作用會(huì)引起重力波的形成。在平流層大氣中,熱帶地區(qū)緯向風(fēng)的QBO是最突出的環(huán)流擾動(dòng)現(xiàn)象,而重力波活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)QBO形成和維持的重要能量來(lái)源,研究表明,熱帶區(qū)域強(qiáng)烈的積云對(duì)流活動(dòng)激發(fā)了重力波和其他一些熱帶波動(dòng)的形成,波動(dòng)破碎后釋放的能量驅(qū)動(dòng)了QBO。由于QBO具有準(zhǔn)兩年的變化周期,因此對(duì)于它的預(yù)測(cè)可以提前1a左右,通過(guò)對(duì)重力波作用過(guò)程的深入研究,可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)QBO的變化規(guī)律,從而可以應(yīng)用QBO的擾動(dòng)信息更好地提高氣候預(yù)測(cè)能力。3.2平流層和對(duì)流層環(huán)流形勢(shì)分析有關(guān)平流層環(huán)流異常對(duì)對(duì)流層的影響最早是由Quiroz提出的,他在分析1977年1月的一次平流層爆發(fā)性增溫過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn),在增溫過(guò)程中,平流層的中高緯度區(qū)域緯向環(huán)流會(huì)出現(xiàn)反氣旋性異常(西風(fēng)急流減速甚至反轉(zhuǎn)為東風(fēng)),并且這樣的反氣旋異常會(huì)從平流層一直向下延伸到近地面并影響對(duì)流層中的天氣系統(tǒng)。針對(duì)這一問(wèn)題的系統(tǒng)性研究和分析集中在近幾年關(guān)于北極濤動(dòng)(ArcticOscillation,AO)的研究。當(dāng)北極地區(qū)的氣壓偏低時(shí),中緯度區(qū)域存在著一個(gè)環(huán)狀的高壓區(qū),這種分布型被稱為AO的正位相,反之為負(fù)位相,而且這樣的空間結(jié)構(gòu)不僅僅存在于近地面,可以一直向上延伸到平流層中。在平流層中這樣的分布形態(tài)也被描述為北半球環(huán)狀模(NorthernHemisphereAnnularMode,NAM),這是因?yàn)樵诮孛鍭O位于中緯度區(qū)域的兩個(gè)高壓中心分別位于北大西洋和北太平洋,而隨著高度的升高,AO的中緯度部分逐漸趨近于一個(gè)環(huán)狀的空間分布模態(tài)。雖然有關(guān)AO是一個(gè)物理模態(tài)還是統(tǒng)計(jì)模態(tài)仍存在著很多爭(zhēng)論,但大量的研究表明這一分布型確實(shí)可以有效地用來(lái)描述和表征中高緯地區(qū)平、對(duì)流層環(huán)流的重要特征,Thompson等就指出北半球AO可以有效地解釋對(duì)流層環(huán)流變化方差的25%和平流層方差的50%。Baldwin等計(jì)算了不同高度的AO指數(shù)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是正位相或負(fù)位相的AO擾動(dòng),總是先發(fā)生在平流層上層,然后逐漸向下傳播,經(jīng)歷大約3周的時(shí)間可以到達(dá)近地面。但是并不是所有的AO擾動(dòng)都可以傳播到對(duì)流層中,只有達(dá)到一定強(qiáng)度的平流層AO異常才能夠向下傳播進(jìn)入對(duì)流層甚至地面。有一些平流層AO異常向下傳播至平流層低層時(shí)會(huì)在那里維持,可以持續(xù)近2個(gè)月的時(shí)間,之后對(duì)流層AO也會(huì)出現(xiàn)明顯異常。大部分的AO異常信號(hào)在平流層和對(duì)流層中是相同的,但也并不都是這樣,如1998年12月發(fā)生的一次SSW事件。為了得到更有說(shuō)服力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,Baldwin等合成了18個(gè)弱極渦事件(發(fā)生爆發(fā)性增溫,AO指數(shù)小于—3.0)和30個(gè)強(qiáng)極渦事件(AO指數(shù)大于1.5)的AO擾動(dòng)指數(shù),圖3即是AO指數(shù)在強(qiáng)、弱極渦事件中的合成分布情況,可以看出AO指數(shù)異常的符號(hào)在平流層和對(duì)流層中是相同的,異常信號(hào)從平流層中一直向下延伸到對(duì)流層和近地面。此外,還可以看出AO異常在平流層和對(duì)流層中的時(shí)間尺度不同,平流層中的AO異常為1~2個(gè)月的低頻擾動(dòng)過(guò)程,而傳播到對(duì)流層后的擾動(dòng)時(shí)間尺度大約是10d左右的天氣尺度過(guò)程。有關(guān)上、下層大氣這種變頻的變化特征還沒(méi)有很好的解釋,值得做進(jìn)一步的研究分析。在發(fā)現(xiàn)AO異常具有這樣的下傳特征后,Baldwin等又分析了平流層AO異常向下傳播后與北大西洋和歐洲大陸天氣系統(tǒng)之間的垂直對(duì)應(yīng)關(guān)系,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)有負(fù)的平流層AO異常向下傳播時(shí),歐洲大陸被低壓所控制、盛行偏西北氣流,會(huì)將極地高緯地區(qū)的冷空氣帶到歐洲大陸的中部和北部,使得這些區(qū)域多寒冷、風(fēng)暴天氣,同時(shí)北美大陸的東北部地區(qū)也同樣受偏西北氣流的影響而較寒冷。與此相反,當(dāng)正的平流層AO異常下傳進(jìn)入對(duì)流層時(shí),北大西洋區(qū)域通常會(huì)伴隨著較強(qiáng)的偏南氣流,這樣的流場(chǎng)會(huì)把溫暖的海洋空氣吹到歐洲大陸中南部,此時(shí)該地區(qū)又被高壓系統(tǒng)所控制,因此這些區(qū)域溫暖、晴朗;而歐洲北部卻多風(fēng)暴和寒冷天氣。此外,Thompson等通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)平流層和對(duì)流層中AO所處的位相與對(duì)流層中阻塞系統(tǒng)的發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)平流層AO處于正位相時(shí),平流層極渦較強(qiáng),繞極的西風(fēng)急流也較強(qiáng),對(duì)流層的中高緯地區(qū)盛行平直的西風(fēng)氣流,北美和歐亞大陸的阻塞事件較少;反之則對(duì)流層中的阻塞事件明顯增多,阻塞高壓將極地的冷空氣帶往下游的中緯度地區(qū),引起這些區(qū)域溫度的顯著下降。2008年冬季,我國(guó)南方出現(xiàn)的雪災(zāi)過(guò)程就是由于平流層AO負(fù)異常的下傳,引起西伯利亞阻塞高壓持續(xù)增強(qiáng)、東亞大槽加深并向南伸展,更詳細(xì)的研究表明,AO活動(dòng)與東亞地區(qū)冬季的氣候、天氣有著密切的聯(lián)系,值得進(jìn)一步討論研究。AO在垂直方向上連續(xù)的空間結(jié)構(gòu)使得它成為聯(lián)系平流層和對(duì)流層中高緯大氣的重要因素。AO的異常信號(hào)首先在平流層上層出現(xiàn),經(jīng)過(guò)3周左右的時(shí)間可以傳播至近地面,這樣的傳播特征使得很多科學(xué)家建議平流層的AO異常信號(hào)可以作為指標(biāo)將對(duì)流層的天氣預(yù)報(bào)時(shí)效提高到3周以上,目前已經(jīng)有一些氣象預(yù)報(bào)中心進(jìn)行了這種預(yù)報(bào)試驗(yàn)。3.3平流層擾動(dòng)和天氣尺度的關(guān)系眾多研究已經(jīng)表明平流層環(huán)流異常確實(shí)會(huì)對(duì)對(duì)流層大氣產(chǎn)生重要的影響,但有關(guān)平流層過(guò)程影響對(duì)流層天氣系統(tǒng)的物理機(jī)制還存在著較大的爭(zhēng)議。目前主要存在兩種觀點(diǎn)解釋這一問(wèn)題:一種是平流層環(huán)流的擾動(dòng)首先作用于行星波,在改變了行星波的強(qiáng)度、傳播方向后,再通過(guò)行星波和對(duì)流層中的天氣尺度波動(dòng)(如斜壓波)之間的相互作用來(lái)影響對(duì)流層的天氣系統(tǒng);另一種是當(dāng)平流層異常向下傳播到平流層低層時(shí),平流層的擾動(dòng)直接作用于對(duì)流層上層的天氣系統(tǒng)或天氣尺度波動(dòng),從而影響對(duì)流層中的大氣環(huán)流。不論是直接作用還是間接影響,這兩種觀點(diǎn)都有著各自的合理性,但又都缺乏足夠的證據(jù)。Kushner等對(duì)數(shù)值模式的模擬結(jié)果進(jìn)行分析后指出平流層中的環(huán)流變化主要通過(guò)對(duì)行星波活動(dòng)的影響來(lái)影響對(duì)流層,而對(duì)流層中的天氣尺度波動(dòng)和西風(fēng)氣流之間的正反饋?zhàn)饔脮?huì)加強(qiáng)平流層擾動(dòng)對(duì)對(duì)流層環(huán)流的動(dòng)力影響。Hu等也認(rèn)為平流層異常影響對(duì)流層主要是通過(guò)影響行星波的垂直傳播,他們計(jì)算和分析了行星波的折射指數(shù),發(fā)現(xiàn)行星波從對(duì)流層向平流層的傳播對(duì)對(duì)流層頂附近的緯向風(fēng)速十分敏感,緯向風(fēng)的強(qiáng)弱可以直接影響波動(dòng)的垂直傳播,從而影響對(duì)流層中的環(huán)流發(fā)展。另一方面,Baldwin等則認(rèn)為平流層中的AO擾動(dòng)對(duì)對(duì)流層天氣系統(tǒng)的影響是平流層環(huán)流(風(fēng)場(chǎng))的變化直接作用于對(duì)流層中的天氣尺度波動(dòng)造成的。和現(xiàn)有的觀點(diǎn)不同,他們認(rèn)為天氣尺度的波動(dòng)可以延伸到對(duì)流層頂以上幾千米的地方,這些天氣尺度的波動(dòng)可以直接接受到平流層低層環(huán)流的變化,而以往的研究認(rèn)為即使是大氣的第3波能夠傳播到平流層低層的已經(jīng)相當(dāng)微弱,天氣尺度的波動(dòng)應(yīng)該更難進(jìn)入平流層并對(duì)平流層中的環(huán)流變化有明顯的響應(yīng)。因此,雖然平流層環(huán)流中的擾動(dòng)是有可能直接作用在對(duì)流層中的天氣尺度波動(dòng)上的,但它是否是平流層異常影響對(duì)流層的主要形式還值得商榷,需要進(jìn)一步的研究。盡管從Baldwin等給出的合成分析結(jié)果中可以清晰地看到相當(dāng)強(qiáng)的AO異常從平流層上層向下傳播,并且對(duì)流層的AO也對(duì)平流層的AO異常有很好的響應(yīng),但仍然存在著一些不同的觀點(diǎn)。Polvani等認(rèn)為平流層AO的異常源于對(duì)流層中行星波上傳的作用,他們分析了對(duì)流層上層中高緯度地區(qū)E-P通量的平均垂直分量(代表進(jìn)入平流層中行星波的強(qiáng)弱),發(fā)現(xiàn)它與平流層極渦的負(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到—0.8,并且它的異常通常會(huì)領(lǐng)先于對(duì)流層中天氣系統(tǒng)的異常60d左右,因此他們認(rèn)為使用對(duì)流層高層E-P通量的垂直分量作為先行指標(biāo)要優(yōu)于平流層中的AO異常信號(hào)。Black等也指出并不是所有的平流層AO異常都可以傳播到對(duì)流層中,并且誘發(fā)對(duì)流層環(huán)流的擾動(dòng),只有那些足夠強(qiáng)且能夠傳播到平流層底部的AO擾動(dòng),在對(duì)流層有合適條件的配合下才能夠?qū)?duì)流層天氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響,而那些較弱的AO異常只能存在于平流層中。以上的討論表明,平流層環(huán)流的異常會(huì)對(duì)對(duì)流層大氣產(chǎn)生重要的影響,但這方面的研究工作只取得了初步的新成果,還存在著不少的問(wèn)題。在今后的工作中,可以充分應(yīng)用越來(lái)越豐富的觀測(cè)資料,加強(qiáng)診斷分析工作,進(jìn)一步揭示更加詳細(xì)、全面的平流層異常影響對(duì)流層天氣系統(tǒng)的事實(shí)。此外,在加強(qiáng)觀測(cè)分析的基礎(chǔ)上,還可以進(jìn)一步應(yīng)用數(shù)值模式,通過(guò)不同的數(shù)值實(shí)驗(yàn)更好地揭示平流層異常影響對(duì)流層的物理機(jī)制。4流動(dòng)層和相對(duì)流動(dòng)層之間的物質(zhì)交換4.1比色層結(jié)構(gòu)的環(huán)流演變及其在全球尺度上的傳播效果平流層和對(duì)流層之間的物質(zhì)交換和混合(Stratosphere-TroposphereExchange,STE)是中層大氣及平流層—對(duì)流層相互作用相關(guān)研究中的另一主要內(nèi)容,它是控制自然事件和人為活動(dòng)帶來(lái)的化學(xué)痕量物質(zhì)對(duì)大氣成分影響的一個(gè)主要過(guò)程。例如平流層低層和對(duì)流層上層之間的質(zhì)量交換可以將臭氧含量豐富的平流層空氣向下輸送到對(duì)流層中,同時(shí)也可以將引起臭氧損耗的氣體送入平流層。平流層—對(duì)流層之間的物質(zhì)交換不僅會(huì)帶來(lái)重要的化學(xué)效應(yīng),還有可能影響到上對(duì)流層—下平流層區(qū)域的輻射通量平衡。Brewer-Dobson(B-D)環(huán)流是平流層中一個(gè)全球尺度的經(jīng)圈物質(zhì)輸送環(huán)流,它的上升支位于平流層熱帶地區(qū),在中緯度區(qū)域向極、向下輸送,在平流層高緯地區(qū)下沉。這樣一支順時(shí)針的經(jīng)圈環(huán)流對(duì)于平流層熱帶和極地區(qū)域之間的物質(zhì)交換有著非常重要的作用。B-D環(huán)流的發(fā)現(xiàn)是由于Brewer在觀測(cè)平流層水汽時(shí)發(fā)現(xiàn)在平流層低層水汽的混合比較低,他提出在熱帶區(qū)域強(qiáng)烈的積云對(duì)流活動(dòng)會(huì)使得空氣穿過(guò)對(duì)流層頂進(jìn)入平流層,氣團(tuán)在低溫的對(duì)流層頂經(jīng)過(guò)脫水,水汽混合比顯著降低,隨后在平流層中向極、向下移動(dòng)。之后,Dobson等在遠(yuǎn)離臭氧光化學(xué)生成區(qū)的極地平流層低層觀測(cè)到明顯的高臭氧濃度分布,進(jìn)一步證實(shí)了這種在熱帶地區(qū)上升,向極、向下輸送的環(huán)流,即B-D環(huán)流。1979年開始的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)也進(jìn)一步充分肯定了這個(gè)經(jīng)典的全球尺度的物質(zhì)交換和輸送圖像,此后的臭氧及其他大氣成分的觀測(cè)結(jié)果,以及理論和數(shù)值試驗(yàn)的模擬結(jié)果也都證實(shí)了這一結(jié)論。Holton等認(rèn)為位于熱帶外區(qū)域的平流層波動(dòng)是驅(qū)動(dòng)全球尺度經(jīng)圈環(huán)流的主要機(jī)制,波動(dòng)的強(qiáng)迫作用使得氣團(tuán)在熱帶區(qū)域被向上、向極推動(dòng),然后從“theoverworld”區(qū)域向下推入到熱帶外的平流層低層,“theoverworld”是指380K等熵面以上的區(qū)域,在這一范圍內(nèi)的等熵面完全處于平流層中。圖4給出了全球尺度平流層—對(duì)流層物質(zhì)交換的物理概念模型,在平流層的熱帶外區(qū)域存在一個(gè)由波動(dòng)作用強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)的全球尺度的流體動(dòng)力學(xué)“抽吸泵”,它從熱帶平流層低層向上、向極方向抽吸空氣,然后向極、向下將氣團(tuán)推送到熱帶外的對(duì)流層中。形成這個(gè)“泵”的機(jī)制是由對(duì)流層向上傳播到平流層以上高度的行星波和重力波在破碎后產(chǎn)生的動(dòng)量通量輻散作用造成的。同時(shí),波動(dòng)引起的強(qiáng)迫作用是非局地控制的,在熱帶外區(qū)域主要是向下控制(downwardcontrol),即穿過(guò)某一等壓面的質(zhì)量交換是由該等壓面上的大尺度渦旋和動(dòng)量輻合、輻散作用所控制,并通過(guò)穿越平流層低層等熵面的質(zhì)量輸送到達(dá)熱帶地區(qū)。由于北半球冬季的波動(dòng)活動(dòng)更加活躍、引起的強(qiáng)迫最強(qiáng),因此最大的交換率也出現(xiàn)在冬季。這種全球范圍環(huán)流的泵機(jī)制是測(cè)試全球尺度STE,特別是季節(jié)和長(zhǎng)時(shí)間尺度STE的有效手段之一,被動(dòng)力學(xué)家廣泛認(rèn)可。B-D環(huán)流這種簡(jiǎn)單的全球物質(zhì)輸送圖像主要適用于380K等熵面以上的“theoverworld”區(qū)域,只有在時(shí)間平均和緯向平均的意義上它才可能是精確的,但并不能完全地描述交換過(guò)程的物理機(jī)制,其中渦旋過(guò)程在平流層—對(duì)流層交換過(guò)程中也起著重要的作用,很多穿越對(duì)流層頂?shù)奈镔|(zhì)交換是通過(guò)中尺度的混合作用完成的,下文將詳細(xì)討論中緯度和熱帶地區(qū)的STE過(guò)程。針對(duì)中尺度的STE過(guò)程,科學(xué)家們進(jìn)行了一些數(shù)值模擬研究,但在STE的定量化上還存在著很大的不確定性,不同的個(gè)例用不同的方法計(jì)算出的交換通量差別很大,因此這一部分的工作今后還需要進(jìn)一步的探索、研究。4.2中緯度斷層低壓引起ste的變化對(duì)流層頂折疊是中緯度地區(qū)平流層和對(duì)流層之間進(jìn)行物質(zhì)交換的最主要形式。在20世紀(jì)五六十年代,Reed等就提出在中緯度地區(qū)的高空,中尺度的氣旋生成過(guò)程會(huì)使得對(duì)流層頂發(fā)生折疊,引起平流層中物質(zhì)的向下輸送,并且折疊過(guò)程的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征都與高空的鋒生有關(guān)。之后,Hoskins提出引起對(duì)流層頂折疊的物理概念模型,他認(rèn)為西風(fēng)帶急流中斜壓不穩(wěn)定的發(fā)展和伴隨著地面氣旋的高層對(duì)流層鋒生作用是引起折疊的主要原因,這兩個(gè)過(guò)程的出現(xiàn)破壞了熱成風(fēng)的平衡,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)橫向的次級(jí)非地轉(zhuǎn)環(huán)流,次級(jí)環(huán)流的平流作用會(huì)使得溫度梯度增強(qiáng),導(dǎo)致鋒面的快速加強(qiáng),伴隨的平流層作用使氣團(tuán)從平流層低層向下、向赤道方向運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入對(duì)流層,這樣的下沉作用使得等熵面向下傾斜,具有平流層特征的高PV(位勢(shì)渦度)值氣團(tuán)沿等熵面平流,造成對(duì)流層頂?shù)恼郫B,同時(shí)長(zhǎng)舌狀的冷空氣沿鋒面進(jìn)入對(duì)流層。來(lái)自于平流層的通過(guò)折疊作用進(jìn)入對(duì)流層的氣團(tuán)PV值高且較干,通過(guò)小尺度過(guò)程和對(duì)流層空氣進(jìn)行不可逆的混合。此外,在折疊過(guò)程中一些氣團(tuán)隨時(shí)間的衰退也有可能會(huì)回到平流層中。對(duì)流層頂折疊大多發(fā)生在冬季和春季,常常出現(xiàn)在對(duì)流層高層的急流附近,通過(guò)折疊過(guò)程平流層中的臭氧會(huì)進(jìn)入到對(duì)流層,這一過(guò)程貢獻(xiàn)了全球?qū)α鲗映粞醯?0%。中緯度對(duì)流層中的一些大尺度天氣系統(tǒng)也會(huì)對(duì)STE產(chǎn)生影響,如出現(xiàn)后可以維持幾天,甚至幾周的阻塞高壓和切斷低壓系統(tǒng)。當(dāng)對(duì)流層中緯度地區(qū)出現(xiàn)阻塞高壓時(shí),會(huì)造成該區(qū)域臭氧含量的顯著減少,這一過(guò)程主要通過(guò)兩種方式進(jìn)行:首先,高壓中心的外圍流場(chǎng)會(huì)將低緯度的空氣帶到高緯度地區(qū),這些源自于熱帶或副熱帶的空氣中臭氧的含量較低,經(jīng)向的輸送使得低臭氧含量的空氣進(jìn)入高緯地區(qū),造成阻塞高壓分布的區(qū)域臭氧含量的降低;其次,向北傾入的阻塞高壓系統(tǒng)會(huì)將低緯度中溫度較高的空氣送入高緯地區(qū),溫度的暖異常會(huì)造成等熵面的上傾,對(duì)應(yīng)了對(duì)流層頂?shù)奶?由于對(duì)流層中的臭氧含量較低,因此上升的對(duì)流層頂會(huì)使得這一高度的臭氧含量明顯減少。通過(guò)影響環(huán)流的經(jīng)向輸送和改變對(duì)流層頂?shù)母叨?阻塞高壓系統(tǒng)在北半球中對(duì)STE過(guò)程做出了很大的貢獻(xiàn)。切斷低壓引起的STE主要通過(guò)對(duì)流層頂異常降低(切斷低壓的特征)引起的對(duì)流層入侵產(chǎn)生,也可以通過(guò)與切斷低壓相關(guān)的急流附近的湍流混合產(chǎn)生,或是通過(guò)沿切斷低壓邊緣的對(duì)流層頂折疊產(chǎn)生。因此,切斷低壓所在的區(qū)域是平流層、對(duì)流層混合的活躍區(qū),對(duì)STE有著很大的貢獻(xiàn)。切斷低壓所包含的空氣通常來(lái)自于高緯度地區(qū),并且中緯度切斷低壓的存在往往會(huì)引起極區(qū)高PV值的分布區(qū)向低緯地區(qū)移動(dòng),正的PV距平實(shí)際上包含了閉合的平流層空氣,因此切斷低壓所在的區(qū)域?qū)α鲗禹敻叨缺戎車?它所包含的空氣溫度通常也比周圍空氣的低。低壓中的冷空氣通過(guò)增強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定性可以誘發(fā)深對(duì)流的生成,特別是在夏季和海洋上空,深對(duì)流過(guò)程中積雨云的云砧可以穿越對(duì)流層頂,使平流層中富含臭氧的空氣進(jìn)入對(duì)流層上層,這一結(jié)論從理論到觀測(cè)都得到了很好的驗(yàn)證。4.3大氣邊界層污染作用熱帶地區(qū)平流層與對(duì)流層之間的物質(zhì)交換包括了平流層空氣和其他微量成分的向下輸送,還包括對(duì)流層水汽、氣溶膠、冰云粒子以及對(duì)臭氧光化學(xué)反應(yīng)起重要作用的微量氣體的向上輸送,進(jìn)而通過(guò)輻射、化學(xué)以及動(dòng)力過(guò)程的相互作用對(duì)平流層和對(duì)流層的天氣、氣候產(chǎn)生影響。受Hadley環(huán)流在熱帶地區(qū)上升支的影響,熱帶對(duì)流層空氣向上輸送,穿越對(duì)流層頂進(jìn)入平流層,這是熱帶空氣進(jìn)入平流層的主要方式;熱帶積云對(duì)流穿越對(duì)流層頂把空氣直接送入平流層是熱帶地區(qū)STE的另一種過(guò)程;此外,湍流混合和重力波的破碎是STE的又一種物理過(guò)程。早期的研究指出西太平洋的深對(duì)流能將空氣從邊界層輸送到對(duì)流層頂甚至以上區(qū)域,對(duì)流系統(tǒng)在熱帶對(duì)流層頂附近產(chǎn)生的毛卷云對(duì)進(jìn)入平流層空氣的脫水過(guò)程有重要的影響,盡管熱帶西太平洋地區(qū)的對(duì)流層頂溫度比熱帶平均溫度低,并且經(jīng)常能觀測(cè)到卷云,但這一區(qū)域的STE是凈向下的通量。Holton等通過(guò)二維模式模擬研究提出水平輸送使得在其他地區(qū)已經(jīng)達(dá)到對(duì)流層頂?shù)臍鈭F(tuán)被輸送到熱帶西太平洋區(qū)域?？偟膩?lái)說(shuō),在全球平均的角度上,熱帶STE是對(duì)流層物質(zhì)向平流層的凈向上輸送,但是熱帶氣旋的作用以及熱帶地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)產(chǎn)生的開爾文波的破碎導(dǎo)致的湍流活動(dòng),可以將平流層內(nèi)的物質(zhì)在熱帶地區(qū)向下輸送到對(duì)流層,而副熱帶地區(qū)Rossby波的破碎也可以將平流層的空氣直接輸送到熱帶對(duì)流層上層。QBO作為熱帶平流層大氣的強(qiáng)信號(hào),它在熱帶平流層和對(duì)流層的物質(zhì)交換中扮演了重要的角色,它對(duì)大氣中化學(xué)成分的空間分布具有顯著的影響,進(jìn)而通過(guò)化學(xué)—輻射—?jiǎng)恿︸詈舷嗷プ饔糜绊懫搅鲗雍蛯?duì)流層的大氣過(guò)程。早在1982年P(guān)lumb等就指出與經(jīng)向環(huán)流有關(guān)的經(jīng)向輸送同赤道緯向風(fēng)的QBO有著密切的聯(lián)系。之后Trepte等又發(fā)現(xiàn)氣溶膠在熱帶下平流層向中緯度輸送的機(jī)制依賴于赤道的緯向風(fēng)位相,當(dāng)QBO向西風(fēng)位相變化時(shí)示蹤物向高緯度輸送更強(qiáng)。Carr等則用微波臨邊遙感探測(cè)出22hPa等壓面上的水汽混合比與QBO指數(shù)引起的垂直速度異常有關(guān)。Liu等則應(yīng)用最新的GOMOS資料發(fā)現(xiàn)不同QBO位相中剩余環(huán)流垂直速度的輸送作用使熱帶地區(qū)的臭氧和二NO2也表現(xiàn)出準(zhǔn)兩年周期變化的特征,而NO3則由于分布在平流層高層,因此主要受緯向風(fēng)準(zhǔn)半年振蕩過(guò)程的影響。除了這些觀測(cè)結(jié)果,Marco等用GCM模式進(jìn)行了一系列的數(shù)值試驗(yàn)研究QBO對(duì)赤道平流層低層的溫度、垂直輸送及比濕的影響,指出QBO的溫度信號(hào)會(huì)改變向上輸送的空氣的比濕,且QBO的次級(jí)環(huán)流會(huì)改變向上輸送的速率。但由于以往的大氣環(huán)流模式大多不包括完整的平流層和大氣化學(xué)過(guò)程,因此對(duì)發(fā)生在平流層內(nèi)的化學(xué)—輻射—?jiǎng)恿^(guò)程的反饋無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)的研究。近年來(lái)隨著中層大氣模式的發(fā)展、衛(wèi)星觀測(cè)資料的豐富,這方面的研究越來(lái)越受到重視,并取得了不小的進(jìn)步。此外,最新的研究表明,亞洲季風(fēng)環(huán)流在平流層—對(duì)流層物質(zhì)交換中也有著非常重要的作用,亞洲季風(fēng)區(qū)是對(duì)流層向平流層輸送的一個(gè)重要通道,對(duì)流層的水汽、化學(xué)成分等都可以通過(guò)這個(gè)通道進(jìn)入下平流層,從而影響平流層中的化學(xué)和輻射平衡,Randel等的研究發(fā)現(xiàn)亞洲季風(fēng)環(huán)流對(duì)STE的貢獻(xiàn)比平流層B-D環(huán)流的貢獻(xiàn)還大。5中壓機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用5.1不同模式大氣模式的研究背景中層大氣的科學(xué)問(wèn)題中包含了復(fù)雜的大氣動(dòng)力、熱力、化學(xué)和微物理過(guò)程,研究它們之間的相互作用和反饋僅靠有限的中層大氣觀測(cè)資料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,無(wú)法對(duì)其進(jìn)行全面、深入的理解和認(rèn)識(shí),需要借助合適且完備的中層大氣模式進(jìn)行模擬分析和診斷。在中層大氣模式發(fā)展的初期,受到計(jì)算機(jī)條件的約束和對(duì)中層大氣基本過(guò)程認(rèn)識(shí)的限制,通常使用的是比較簡(jiǎn)單的機(jī)制型大氣動(dòng)力模式,這類模式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、計(jì)算省時(shí),有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),但局限性也非常明顯,首先,機(jī)制型模式中不涉及平流層和對(duì)流層的相互作用,只包含了簡(jiǎn)單的平流層過(guò)程;其次,模式中只描述一些簡(jiǎn)單的物理、化學(xué)過(guò)程,對(duì)于不同物理過(guò)程相互之間,以及與大氣動(dòng)力、化學(xué)過(guò)程的相互作用,模式不能進(jìn)行真實(shí)的反映和再現(xiàn)。要進(jìn)行中層大氣中動(dòng)力、化學(xué)和物理等過(guò)程之間相互作用的研究,理想的模式是基于大氣環(huán)流模式的框架下耦合了中層大氣全過(guò)程的完備的大氣模式,這類模式對(duì)描述行星大氣運(yùn)動(dòng)的原始方程組進(jìn)行計(jì)算,其中包括了各類大氣過(guò)程,如化學(xué)過(guò)程、輻射過(guò)程、對(duì)流和云的物理過(guò)程,甚至大氣行星邊界層內(nèi)的物理過(guò)程等。但是這一類中層大氣模式由于設(shè)計(jì)復(fù)雜、計(jì)算量大,受到了計(jì)算機(jī)發(fā)展水平很大的制約,同時(shí)也很大地依賴于現(xiàn)有大氣環(huán)流模式的性能和水平,因此發(fā)展速度相對(duì)緩慢。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高,在過(guò)去的幾十年內(nèi)一系列的二維和三維的基于大氣環(huán)流模式的中層大氣模式得以發(fā)展,這些模式大多是模擬了平流層中的動(dòng)力和化學(xué)過(guò)程,少數(shù)的包括了熱層中的大氣過(guò)程。盡管中層大氣模式在近些年中得到了迅速的發(fā)展,但在模擬中層大氣中的動(dòng)力、化學(xué)過(guò)程時(shí)仍然存在著顯著的差異和很多的不確定性。表1給出了一些不同研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的三維大氣化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ降幕究蚣芤约澳Ｊ街邢嚓P(guān)的背景信息,從中可以看出這些模式除了水平和垂直的分辨率存在著顯著的差異,模式層頂?shù)母叨纫哺鞑幌嗤?最高的可以達(dá)到10—6hPa,而最低的只能延伸到平流層的高層10hPa。這些現(xiàn)有的含有平流層化學(xué)過(guò)程的中層大氣模式各自都存在著一些缺點(diǎn),有的不能很好模擬出南極上空的臭氧空洞和平流層痕量氣體的空間分布、時(shí)間演變特征,有的不能模擬出平流層赤道上空緯向風(fēng)的準(zhǔn)兩年振蕩和極地平流層的爆發(fā)性增溫過(guò)程,一部分模式甚至不能合理地模擬出平流層上層以上大氣層的溫度分布。圖5給出了一組最新的大氣化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ侥M的氣候平均(1980—1999年)溫度在南北半球高緯地區(qū)相對(duì)于ERA-40和NCEP再分析資料的偏差,從中可以看出溫度偏差在垂直方向上的分布在不同高度有著不同的變化特征,從對(duì)流層高層到平流層中低層模式的結(jié)果相互差異不大,并且和再分析資料的結(jié)果相差也只有3~4K;但到了中、高層大氣,模擬結(jié)果相互之間以及和NCEP資料的偏差隨著高度的增加越來(lái)越大。不同的中層大氣模式模擬結(jié)果之間的差異除了與模式的數(shù)值方案設(shè)計(jì)、模式的分辨率以及模式頂高度的選取有關(guān)外,最主要的原因是模式對(duì)于中層大氣中各種物理和化學(xué)過(guò)程處理的不夠完善。更加值得注意的是一些模式中雖然包括了平流層中的大氣化學(xué)過(guò)程,但這些化學(xué)過(guò)程并沒(méi)有完全和大氣環(huán)流模式實(shí)現(xiàn)雙向的耦合,因此不能很好地再現(xiàn)中層大氣內(nèi)輻射—?jiǎng)恿Α瘜W(xué)過(guò)程的相互反饋和作用。5.2中層大氣模式經(jīng)過(guò)近十幾年的快速發(fā)展,中層大氣模式雖然仍存在一些不足,但它已經(jīng)受到了越來(lái)越多大氣科學(xué)工作者的重視,并且在中層大氣研究領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用。早期受到觀測(cè)資料缺乏、理論依據(jù)不完善的限制,對(duì)中層大氣自身變化特征和擾動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠具體、深入,中層大氣模式首先可以用來(lái)從事這一方面的工作。到目前為止,對(duì)于“平流層大氣的擾動(dòng)是由哪些大氣過(guò)程驅(qū)動(dòng)”這一問(wèn)題仍然沒(méi)有完全理解,平流層大氣內(nèi)的赤道緯向風(fēng)準(zhǔn)兩年振蕩和準(zhǔn)半年振蕩(SAO)、平流層頂附近的兩天波擾動(dòng)以及冬季極地平流層的爆發(fā)性增溫等一些突出的物理現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制、變率及其對(duì)整個(gè)大氣環(huán)流的影響還不是非常清楚,可以結(jié)合越來(lái)越豐富的氣象再分析資料、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)等,應(yīng)用模式對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入、詳細(xì)的探討?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些工作應(yīng)用中層大氣模式研究了赤道海溫異常(ENSO)對(duì)北半球冬季平流層中高緯地區(qū)環(huán)流的影響;Tian等也應(yīng)用中層大氣模式較好地模擬出赤道平流層緯向風(fēng)的準(zhǔn)兩年振蕩和準(zhǔn)半年振蕩。中層大氣模式另一個(gè)重要的作用是模擬研究大氣中的痕量化學(xué)物質(zhì)和氣溶膠粒子的分布及傳輸特征,其中對(duì)平流層中痕量化學(xué)物質(zhì)的模擬已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展,圖6給出了一組大氣化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ侥M得到的在不同緯度地區(qū)緯向平均的臭氧混合比氣候態(tài)分布及其同HALOE衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果的比較?？梢钥闯鲈跓釒搅鲗拥蛯?大部分的模式模擬結(jié)果都和觀測(cè)事實(shí)接近(13個(gè)模式中有9個(gè)符合),與衛(wèi)星觀測(cè)到的平均值相差1ppmv(1ppmv=10—6)左右;而在平流層的高層只有4個(gè)模式的模擬結(jié)果和衛(wèi)星觀測(cè)相差不到1ppmv,在熱帶區(qū)域,模式中重力波的參數(shù)化方案非常重要,模式中的動(dòng)力過(guò)程對(duì)臭氧等痕量氣體的分布影響很大。在南、北半球的中高緯地區(qū)大部分的化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ揭捕伎梢暂^好地模擬出臭氧的垂直分布特征,有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)衛(wèi)星觀測(cè)缺測(cè)區(qū)域臭氧的分布情況。此外,這些大氣化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ竭€能夠很好的模擬出甲烷、水汽等溫室氣體,以及氯化氫等對(duì)平流層臭氧有直接影響的化學(xué)物質(zhì)的分布特征。近些年來(lái),對(duì)流層以上大氣已經(jīng)逐漸成為天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)模式的一部分,但是平流層大氣通過(guò)怎樣的方式和機(jī)制影響對(duì)流層的天氣、氣候仍然存在很多疑問(wèn)。一些研究表明對(duì)流和平流層的聯(lián)系主要集中在季節(jié)尺度、年際尺度和十年以上的時(shí)間尺度上。Thompson等應(yīng)用中層大氣模式研究發(fā)現(xiàn)在平流層的低層長(zhǎng)期存在的一個(gè)熱力異常會(huì)增加對(duì)流層中的風(fēng)速;Chanin則通過(guò)研究近45年來(lái)熱層到平流層大氣的熱力結(jié)構(gòu)得到了確信的證據(jù)表明太陽(yáng)11a的周期活動(dòng)會(huì)對(duì)中層大氣,甚至對(duì)流層大氣產(chǎn)生顯著的影響。因此,中層大氣特別是平流層大氣的變化和變率對(duì)于季節(jié)內(nèi)、年際尺度的天氣預(yù)報(bào)以及氣候預(yù)測(cè)具有非常重要的指示意義。要深入全面地研究平流層—對(duì)流層耦合大氣系統(tǒng)的變化規(guī)律和相互作用,提高中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的能力,一個(gè)包括動(dòng)力過(guò)程、輻射過(guò)程、大氣化學(xué)甚至微物理過(guò)程的全面的中層大氣環(huán)流模式是必不可少的。另外值得指出的是,近些年來(lái),用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的大氣環(huán)流模式也逐漸將模式層頂高度向上擴(kuò)展到中層大氣,與此相對(duì)應(yīng)的是應(yīng)用中層大氣模式進(jìn)行資料同化的工作也成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。5.3城市中層大氣模式的發(fā)展方向關(guān)于中層大氣模式未來(lái)的發(fā)展還有很多工作需要做,和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)有關(guān)中層大氣模式的研究工作起步的較晚,雖然也取得了一些可喜的進(jìn)展,但仍存在著一定的差距。近些年來(lái),WMO的CCMVAL、GRIPS計(jì)劃,WCRP建立的SPARC核心計(jì)劃,以及IPCC的AR4、AR5模擬計(jì)劃的實(shí)施,讓我們對(duì)中層大氣模式的現(xiàn)狀有了更加全面、完整的認(rèn)識(shí),也進(jìn)一步明確了它存在的不足和未來(lái)的發(fā)展方向。發(fā)展中層大氣模式首先要做的工作就是進(jìn)一步完善現(xiàn)有模式中的動(dòng)力學(xué)框架,即基本的大氣環(huán)流模式。目前的中層大氣模式大多是在對(duì)流層大氣環(huán)流模式的基礎(chǔ)上向上延伸至平流層、中間層,雖然對(duì)流層的大氣環(huán)流模式已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,但這部分工作無(wú)論是技術(shù)上還是理論上都是一件十分具有挑戰(zhàn)性的事。Butchart等詳細(xì)比較了CCMVAL計(jì)劃中各個(gè)中層大氣模式對(duì)平流層氣候及環(huán)流變化的模擬結(jié)果,這些包含了