冬季冬奧會爆發(fā)性增溫對大氣環(huán)流和大氣成分的影響

冬季冬奧會爆發(fā)性增溫對大氣環(huán)流和大氣成分的影響

1增溫和增溫作用中的極豫變化結果表明，ssw是流層的滑動波向上傳播的，與平均流相互作用，突然增加了臨界層附近的溫度。之后許多學者開始根據(jù)行星波的變化從不同角度利用不同方法來研究SSW的增溫機制,Labitzke通過1978/1979年冬季行星波振幅的研究提出:行星波1波的增幅是強增溫爆發(fā)的特征先決條件,同時2波振幅達最小值,而極渦的崩潰常常伴隨著1波振幅的迅速減弱和2波振幅的增強。Tao用等熵模式研究SSW,提出平均緯向環(huán)流的變化可以作為行星波從向低緯傳播轉為向高緯傳播的狀態(tài)變化的先決條件。Taguchi在2003年利用簡單的全球環(huán)流模式給出的數(shù)據(jù)綜合分析了132個SSW事件,也證實了Labitzke的論點,他還認為在增溫后期增暖信號下傳到較低平流層。近年,鄧淑梅等提出了SSW期間行星波活動的3種類型,進一步證明行星1波的增強是SSW爆發(fā)的前提,行星2波變化特征的不同決定了增溫期間極渦變化型的不同。行星波產(chǎn)生于對流層,在適宜的條件下逐漸向上傳播到平流層。Eliassen等提出用波的能量通量Eliassen-Palm通量(簡稱E-P通量)來研究波的傳播,此后E-P通量發(fā)展成為診斷波流相互作用的有利工具。Palmer指出在SSW期間E-P通量的傳輸方向會發(fā)生多次改變,當中緯度平流層的E-P通量有正的向極并且是向上的分量時,緯向平均環(huán)流減速劇烈;相反,當E-P通量是向赤道傳輸時,環(huán)流減速最小。近期陸春暉等研究發(fā)現(xiàn),SSW的增溫強度和增溫影響的高度取決于緯向東風形成的高度和維持的時間,緯向東風帶作為行星波傳播的屏障可以將能量在其下層堆積,造成強烈的增溫和環(huán)流變化,并向下作用到大氣低層。SSW過程中強烈的行星波向上、向極傳播會引起經(jīng)圈次級環(huán)流即剩余環(huán)流的變化。剩余環(huán)流是中層大氣中主要的經(jīng)向—垂直環(huán)流,它對于平流層—對流層相互作用和物質交換起著十分重要的作用。Andrews等曾指出平流層變形歐拉平均剩余環(huán)流可以用來表示拉格朗日平均環(huán)流,而物質輸送是沿著拉格朗日環(huán)流進行的,所以SSW過程中伴隨著平均剩余環(huán)流的變化,平流層與對流層之間的物質輸送也發(fā)生了改變。對于冬季處于極夜狀態(tài)的北半球高緯度地區(qū)來說,平流層大氣中化學成分的輸送對其含量和分布有著十分重要的影響,同樣對于中緯度地區(qū)來說,大氣化學成分特別是不同濃度臭氧的注入或輸出直接影響著輻射能量平衡的改變,從而直接影響了平流層和對流層大氣的變化。本文以2003—2004年冬季北半球發(fā)生的一次強爆發(fā)性增溫為例,著重分析了SSW過程中平流層、對流層大氣環(huán)流的變化(第3節(jié)),以及SSW對平流層物質分布與輸送的影響(第4節(jié))。文中分析用到的MIPAS衛(wèi)星資料和NCAR最新的化學輸送模式MOZART-3在第2節(jié)進行介紹。2數(shù)據(jù)和模式介紹2.1垂直剖面位置及資料來源本文利用ECMWF提供的氣象分析資料進行診斷分析,其水平分辨率為1.875°×1.875°;垂直方向上具有60層,從地面到達中間層低層(0.1hPa);資料的時間間隔為6小時。資料主要包括:水平風速、垂直速度、溫度、比濕、位勢高度以及地面氣壓等物理變量。在本研究中,這一氣象資料還同時用來驅動化學輸送模式。2.2常規(guī)大氣輻射觀測MIPAS(MichelsonInterferometerforPassiveAtmosphericSounding)被動大氣探測邁克耳遜干涉儀是搭載在歐洲環(huán)境衛(wèi)星(ENVISAT)上的高分辨率傅立葉紅外光譜儀,可以對中層大氣進行臨邊觀測。由于MIPAS利用大氣中紅外譜段輻射進行觀測,因此即使是在極夜期間也可以得到高時空分辨的觀測數(shù)據(jù),這是過去HALOE等衛(wèi)星探測儀器所無法實現(xiàn)的。目前,歐洲空間局(ESA)所提供的業(yè)務化二級產(chǎn)品主要包括溫度以及H2O、CH4、N2O、O3、HNO3與NO2的體積混合比資料,這些衛(wèi)星遙感產(chǎn)品已經(jīng)得到探空、雷達等其他觀測資料的驗證,其中MIPAS對流層上層至平流層中下層的臭氧垂直廓線同北京的臭氧探空資料具有很高的相關性。本文采用經(jīng)過驗證的(ConsolidatedDataset)Level2觀測數(shù)據(jù)中的O3、N2O、CH4及H2O的濃度的逐日資料。2.3熱化學成分與大氣地層耦合本文中,我們使用了美國NCAR/ACD的平流層—對流層大氣化學輸送模式MOZART-3(ModelforOzoneandRelatedChemicalTracers,version3),其中包括了涉及106種化學成分的260種熱化學與18種異相化學過程,涵蓋了中層大氣中主要的物理、化學過程,因此尤其適合研究平流層動力—化學耦合過程。同時,MOZART模式考慮了NOx、CO、NMHCs等的地面排放、飛機排放的NOx與CO以及閃電產(chǎn)生的NOx。近年來的研究表明,MOZART-3在對流層頂過渡區(qū)域(UTLS區(qū)域)同樣具有較好的模擬能力。3冬季，北半球平原的爆發(fā)性增溫過程ssw3.1極群的恢復及傳播特征進一步梳理2003—2004年冬季,在北半球平流層發(fā)生了一次強烈的爆發(fā)性增溫事件,根據(jù)歐洲中心(ECMWF)的60層數(shù)值模式資料分析,這次增溫最早發(fā)生在平流層高層的0.3hPa,最大增溫中心出現(xiàn)在12月23日的1hPa高度。在增溫最大值出現(xiàn)前,平流層高層出現(xiàn)了緯向東風并隨著高溫一起從上向下傳播,當緯向東風下傳到10hPa高度時,維持了長達一個半月的時間;從這一年冬季緯向平均風和溫度在高緯地區(qū)的分布圖中(圖1)可以看出,自2004年1月1日起,緯向東風帶在10hPa高度維持,一直到2月中旬結束;同期10hPa以上的溫度場、風場逐漸恢復。極渦的分布圖中平流層高層的極渦在1月1日后逐漸恢復,而增溫在10hPa以下繼續(xù),平流層中、下層極渦逐漸減弱、偏轉、變形直到分裂;當中、下層極渦徹底分裂時上層極渦已經(jīng)恢復,表1給出了SSW過程中平流層不同高度極渦的變化特征。2003—2004年增溫過程的3個主要特征為:(1)增溫從平流層高層向下影響的程度和范圍大,增溫信號一直影響到對流層。(2)緯向東風在10hPa維持了1個半月,是以往SSW事件中東風持續(xù)時間最長的一次。(3)當10hPa緯向東風維持時平流層高層極渦開始恢復,增溫中后期形成上層極渦恢復、下層極渦分裂的特殊現(xiàn)象。這些特征為研究平流層爆發(fā)性增溫過程、特別是增溫過程中平—對流層相互作用提供了新的素材。Matsuno提出的平流層爆發(fā)性增溫的機制:對流層上傳的行星波向平流層基本環(huán)流輸送大量能量和動量,波動和基本氣流的相互作用引起了平流層中短時間內的溫度激增和緯向風偏轉。Eliassen-Palm通量是研究行星波傳播的有效診斷工具。圖2給出了增溫過程中行星1波在平流層高層的E-P通量分布,在增溫初期,行星1波有很強的向極、向上傳播,一直發(fā)展到3hPa;而在1月,行星1波作用的高度明顯下降,主要作用于10hPa以下氣層;隨著增溫過程的發(fā)展行星1波的強度逐漸減弱、作用高度逐漸下降,此時行星2波為繼續(xù)增溫提供能量和動量,對1波進行補充。行星波的這一傳播特征與緯向風的分布特征完全一致。根據(jù)傳播條件:行星波只能在小于Rossby臨界速度的緯向西風中傳播,1月份緯向東風帶出現(xiàn)并在10hPa高度維持,將行星波限制在其下氣層,使波動攜帶的能量堆積在10hPa以下氣層,造成增溫影響到比以往SSW更低的對流層中;而上層大氣由于沒有持續(xù)波動能量,極渦開始重建、恢復。這一特殊的環(huán)流變化過程對平、對流層中化學成分的變化有著特殊的貢獻,在后一部分作進一步的分析。3.2極菌擾動的傳播特征北半球冬季整層大氣中主要的分布形式是北半球環(huán)狀模(NAM),它的特點是在亞熱帶和中緯度地區(qū)熱力、動力場都呈環(huán)狀的秋千式振蕩分布,并且能維持幾個星期到幾個月的時間,它的地面信號是北大西洋濤動(AO)。根據(jù)Holton等提出的波流相互作用理論:當平流層中發(fā)生爆發(fā)性增溫時,中緯度地區(qū)對流層生成的行星波上傳到平流層,向基本氣流輸送大量的向西的動量,造成了平流層中極渦的減弱和西風急流的減速,這一過程對應了NAM的負階段;SSW過程中極渦的擾動會引起高緯度地區(qū)平流層異常,其表現(xiàn)為多種形式的響應向下傳播,對應了NAM的正階段。很多學者也對SSW過程中極渦擾動引起的環(huán)流變化進行了研究,發(fā)現(xiàn)在這一過程中,中高緯地區(qū)有緯向風異常的向極輸送;在熱帶地區(qū)存在為期40～50天的角動量異常的向極、向下輸送;近期,Cai等的研究指出:在極渦擾動過程中,平流層中存在著一對位渦及環(huán)流異常向極、向下的傳播模態(tài)。這些研究突破了傳統(tǒng)觀點:平流層只能被動接受其下方對流層內的能量及波動,表明平流層大氣可以將下層上傳來的無序波動重新組織起來引起平流層環(huán)流的持續(xù)異常,而這些異常又反饋給對流層并影響天氣氣候。通過建立半拉格朗日的二維等熵位渦(θ-PVLAT)坐標,可以分析平流層爆發(fā)性增溫期間強極渦擾動過程中的環(huán)流變化特征。θ-PVLAT坐標由垂直方向的等熵面和經(jīng)向的位渦緯度(PVLAT)組成,等熵面作為物質面具有位溫和位渦守恒的性質,非常適用于有關物質輸送的研究,而由位渦分布確定的位渦緯度經(jīng)檢驗也能更加真實地描述大氣的熱力學、動力學特性。在θ-PVLAT坐標中對北半球的位渦距平場作EOF分析得到SSW過程中的極渦擾動指數(shù),由極渦擾動指數(shù)對等熵面和等壓面上的緯向風場、溫度場作超前/滯后回歸分析,得到SSW過程中極渦擾動對平、對流層環(huán)流輸送的影響。圖3給出了回歸分析后的緯向風場的高度和緯度分布,在極渦擾動過程中平流層中存在明顯的緯向風異常(不論信號正、負)在全球范圍內的向極輸送,這一向極的輸送在熱帶低緯度地區(qū)和極地高緯度地區(qū)相對較快、中緯度地區(qū)較慢,在整個極區(qū),向極輸送的不同信號的緯向風異常引起了極渦強度的擾動;隨著高度的下降,各緯度帶上向極輸送的緯向風異常信號逐漸減弱,在低緯度地區(qū)還出現(xiàn)了向赤道輸送的異常信號,到了對流層中,向赤道輸送異常信號的范圍逐漸擴大,在5km以下高度這一趨勢占據(jù)了整個北半球,其中對流層頂在上、下層不同方向的經(jīng)向輸送中起到了分隔面的作用。SSW的極渦擾動過程中除了存在著環(huán)流場異常的經(jīng)向輸送,在不同緯度還存在著明顯的垂直輸送,圖3中可以看出緯向風正負異常中心最早出現(xiàn)在高層,隨著SSW的發(fā)展正、負異常信號交替著向下傳播,其中在極地高緯地區(qū)傳播最快,中低緯地區(qū)速度較慢,但向下傳播的趨勢最早開始于熱帶低緯地區(qū),這些特征反映出SSW極渦擾動過程中環(huán)流場異常的經(jīng)向、垂直輸送在時間上存在著一定的聯(lián)系,兩者的共同作用為平流層大氣環(huán)流的巨大擾動做出了貢獻。平流層爆發(fā)性增溫作為平流層中最為顯著的結構變化過程,對它的深入研究有利于了解平流層大氣環(huán)流變化以及平流層—對流層相互作用機制。分析表明半拉格朗日的θ-PVLAT坐標為這一研究提供了新的方法和思路,今后的研究中可以通過提高等熵面資料的精確度,進一步量化經(jīng)圈質量環(huán)流在整個SSW極渦活動中的作用和平流層極渦變化對對流層大氣環(huán)流的影響。4北半球爆發(fā)性增溫ssw對平流層化學成分分布和輸送的影響4.1模擬結果與觀測結果分析爆發(fā)性增溫事件對應著平流層環(huán)流結構突變過程,而其中變化最為劇烈的系統(tǒng)就是平流層極渦。極渦是北半球冬季平流層中最為顯著的行星尺度環(huán)流系統(tǒng),其外圍強大的極夜急流造成極渦內外空氣在物理性質與組成成分等方面都具有顯著區(qū)別。因此,當極渦穩(wěn)定的條件下,平流層極渦對應著半球尺度上的溫度與位勢高度低值中心;同時,歐洲空間局(ESA)ENVISAT衛(wèi)星上搭載的MIPAS傳感器的觀測資料還表明,極渦中心還對應著平流層多種微量氣體濃度的極值中心;在冬季平均情況下,平流層中層850K等熵面上,極渦內分別對應著臭氧(O3)、氧化亞氮(N2O)的低濃度中心以及水汽(H2O)、硝酸(HNO3)的高濃度中心。而在爆發(fā)性增溫過程中,隨著極渦在行星波動的擾動下發(fā)生了顯著的變形、分裂,上述各種化學成分的濃度中心也發(fā)生了相應的變化。為了更加詳細和定量地研究這次增溫事件對于平流層O3的影響,我們使用MOZART-3模式對這一過程進行了數(shù)值模擬,將模擬結果與觀測進行對比分析。此外,為了區(qū)別平流層動力與化學對于化學成分分布的影響,同時選取相對惰性的N2O進行分析。圖4與圖5分別給出了2003—2004年爆發(fā)性增溫過程前、后平流層N2O與O3體積混合比濃度垂直與水平分布的觀測與模擬結果,圖中的MPV(ModifiedPV)等值線用來表示極渦的位置。圖4與圖5中平流層N2O的模擬結果與觀測分布基本一致。SSW出現(xiàn)前,整個平流層極渦穩(wěn)定的位于北極地區(qū),N2O濃度的低值中心與平流層極渦位置吻合得很好:2003年12月15日,極渦內N2O濃度較低,強大的極夜急流在中高緯度地區(qū)形成穩(wěn)定的經(jīng)向輸送障礙,從而造成極渦邊緣存在顯著的N2O水平濃度梯度(圖4a,b),類似分布特征在30km高度上的水平分布圖中也同樣清楚(圖5a,b)。2004年1月初,平流層極渦逐漸偏離極地地區(qū),強烈的向極運動將中低緯度地區(qū)高濃度的N2O空氣輸送進入極地,從而造成北極地區(qū)N2O濃度顯著增加。1月下旬,平流層中層極渦崩潰,與極渦對應的低N2O濃度中心也分裂成多個中心,并與中緯度空氣發(fā)生混合和稀釋(圖5c,d);同時,平流層高層極渦發(fā)生了快速的恢復過程,這主要由于平流層中低層緯向東風的長期維持限制了行星波的進一步上傳。平流層O3分布的變化特征與N2O具有很多相似性。極渦穩(wěn)定時,平流層中層(24～40km)由低緯度伸向極地的臭氧高值帶被阻擋在極渦以外(圖4e,f),這種特征在水平分布圖中也有所體現(xiàn)(圖5e,f)。增溫現(xiàn)象出現(xiàn)后,隨著行星波擾動的強烈發(fā)展,極渦偏離北極并移至中緯度地區(qū);同時,行星波引起的向極運動將高濃度臭氧空氣占據(jù)北極地區(qū)(圖4g,h;圖5g,h)。此外,爆發(fā)性增溫過程中溫度的變化還會顯著減少極地平流層云(PSCs)的出現(xiàn)頻率,從而減少冬、春季節(jié)極地平流層臭氧的異相化學損耗。然而,平流層O3濃度的水平分布與N2O也存在一些不同點。其中最為顯著的是,在30km高度上北太平洋—北美地區(qū)存在一個O3濃度的次低值中心(圖5e,f),這種與平流層反氣旋相聯(lián)系的臭氧低值一般被稱為“Low-ozonepockets”。當極渦崩潰后,極渦內低濃度的O3空氣混和進入中緯度地區(qū),造成這一臭氧低值帶的進一步增強(圖5g,h)。以上對比分析還表明,衛(wèi)星觀測與MOZART-3模擬的平流層中低層O3分布具有高度的一致性,因此我們將在4.3節(jié)中利用MOZART-3的模擬結果進一步對這次爆發(fā)性增溫事件中上對流層—下平流層(UTLS)區(qū)域臭氧通量的變化特征進行定量分析。4.2ch4和ho的垂直分布平流層中甲烷(CH4)與水汽(H2O)是平流層中H元素總量的主體部分,且都具有較長的壽命,因此這兩種氣體的濃度分布可以作為平流層中較好的動力示蹤物。圖6是北極地區(qū)(60°N以北)平均的平流層CH4、H2O隨時間演變圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn):增溫出現(xiàn)以后(2003年12月中旬至2004年1月上旬),平流層中上層CH4表現(xiàn)出高濃度逐漸“向上輸送”的特征;而平流層中上層H2O在不同高度上則具有不同的演變特征:上層增加,而下層減少,從而表現(xiàn)為H2O高值帶發(fā)生整體“向上輸送”。進一步分析表明,平流層中層CH4、H2O的“向上輸送”特征在時間上與北極平流層中層的上升運動基本一致;考慮到極地平流層中CH4與H2O濃度的垂直梯度,可以認為上述CH4、H2O的垂直演變特征主要是由極渦內部的上升運動所造成的。從圖6中還可以發(fā)現(xiàn),平流層高層CH4的“上升”特征要超前于平流層中層,這主要是由于行星波造成的向極輸送在高層具有超前性(圖7)。爆發(fā)性增溫過程中的這種向極輸送運動,可以將中低緯度地區(qū)的空氣(溫度和CH4濃度高)向高緯輸送,因而造成北極平流層地區(qū)增溫的同時,CH4等微量成分的濃度顯著增加。此外,極地與中低緯度地區(qū)之間水汽的經(jīng)向濃度梯度在平流層中低層和高層是相反的,因此向極輸送運動造成極地水汽在不同高度分別表現(xiàn)出不同的演變特征:平流層中低層極地水汽濃度減少,而高層極地水汽濃度隨時間增加,最終造成極地水汽濃度表現(xiàn)為整體的“向上輸送”特征。4.3垂直臭氧下沉通量和等熵輸送通量的變化為了進一步分析SSW事件對于UTLS區(qū)域臭氧通量的影響,選取兩個北半球爆發(fā)性增溫冬季(2002—2003年,2003—2004年)以及一個強極渦冬季(1999—2000年)進行對比研究。同時,在MOZART-3模擬過程中,將每個模式網(wǎng)格上的三維臭氧通量進行逐日輸出。熱帶外地區(qū)100hPa上的垂直臭氧通量近似對應著平流層低層(lowerstratosphere)與平流層底層(lowermoststratosphere)之間的臭氧通量,它基本可以表示“overworld”與“middleworld”之間的臭氧通量。定量計算的結果表明,在3個冬季中,北半球垂直臭氧通量的下沉區(qū)都位于東亞地區(qū)上空(40～65°N,80～150°E),這種下沉通量主要與中層大氣Brewer-Dobson環(huán)流的向下輸送相聯(lián)系。由于這一經(jīng)圈環(huán)流主要是由平流層中行星波的拖曳作用所驅動,而SSW期間行星波活動發(fā)生劇烈變化,因此必然會造成平流層Brewer-Dobson環(huán)流以及與其相關的臭氧下沉通量顯著變化。而2003—2004年SSW事件中,中高緯地區(qū)平流層中低層緯向東風的持續(xù)限制了行星波的上傳,因此造成這一年冬季的臭氧下沉通量(171Tg)比2002—2003年同期通量(186Tg)偏低10%,這一通量值甚至低于強極渦年(1999—2000)冬季同期的數(shù)值(173Tg)。同時,為了區(qū)分UTLS區(qū)域的不同輸送過程,分別用30～90°N區(qū)域中穿越290hPa等壓面的垂直臭氧凈通量和100～290hPa等壓面之間穿越30°N的經(jīng)向臭氧凈通量作為熱帶外地區(qū)穿越對流層頂?shù)某粞跬?Cross-TropopauseOzoneFlux,CTOF)。對CTOF的定量分析結果表明:SSW事件造成高緯度地區(qū)(60～90°N)CTOF比強極渦冬季增加10倍以上,而在中緯度地區(qū)(30～60°N)減少20%～40%。此外,2002—2003年冬季增溫期間,100～290hPa之間由北向南穿越30oN的經(jīng)向臭氧凈通量比強極渦年(1999—2000)冬季同期增加了2倍,這種水平臭氧通量可以近似看作“middleworld”區(qū)域中跨對流層頂?shù)牡褥爻粞踺斔?它與對流層頂附近行星波活動有密切聯(lián)系;而2003—2004年冬季,由于行星波活動受到緯向東風的限制,這種等熵輸送通量與1999—2000冬季相當。上述分析還表明,SSW年