全球平均經圈環流的基本特征及其與臭氧關系研究

郭世昌 戴敏 楊沛瓊 黎成超 常有禮 劉煜 呂達仁

1 云南大學大氣科學系，昆明 650091

2 中國氣象科學研究所，北京 100081

3 中國科學院大氣物理研究所中層大氣與全球環境探測實驗室，北京 100029

1 引言

平均經圈環流（mean meridional circulation，MMC）聯系了低緯和中高緯的風場，在大氣環流的調整、全球能量平衡方面扮演重要角色，是研究天氣、氣候變化時需要考慮的一個重要的問題，很早就受到了氣象學家們的重視。關于MMC的重要意義，葉篤正和朱抱真（1958）、洛倫茨（1976）等已進行過全面論述。構成 MMC的主要系統是Hadley 環流圈、Ferrel 環流圈和極地環流圈，其中Hadley 環流是南、北半球中低緯度地區大氣中尺度和強度最大、研究歷史最悠久的直接熱力垂直經圈環流。

由于大氣環流是一個相互影響、相互制約的整體，熱帶地區的大氣環流可以通過遙相關對全球大氣環流以及全球氣候產生影響（Lau，1997；Alexander et al., 2002；Yang and Liu，2005）。作為熱帶大氣中一個顯著的大尺度環流因子，Hadley環流通過角動量、水汽和能量的輸送，不僅影響著低緯大氣活動，而且也能影響到中高緯大氣環流和氣候的變化（Oort and Peixoto，1983；吳國雄和Tibaldi，1988；Hou and Molod，1995；Hou，1998；Zhou and Wang，2006）。由于Hadley環流一直上升到對流層頂附近，而下平流層與上對流層可以有較強的物質、能量交換，下平流層和上對流層之間的質量交換可以將引起臭氧損耗的氣體輸送到平流層，這種交換還將臭氧富集的平流層空氣向下輸送到對流層（楊健和呂達仁，2003），故而Hadley環流可能對平流層臭氧產生重要的影響。郭世昌等（2008a，2008b）已通過表征不同Hadley環流特征的指數，對Hadley環流與臭氧的關系進行過一些研究。那么，MMC的變化和異常與臭氧變化之間是否存在聯系？在此，本文將著眼于MMC的基本特征，應用經驗正交函數-典型相關分析（EOF-CCA），來研究其與臭氧變化的關系。

2 數據和方法

本文采用的經向風和臭氧質量混合比資料，均來源于歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）全球多層月平均資料。變量的月平均場在垂直方向分為23層，即23個二維場，依次是1000、925、850、775、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10、7、5、3、2、1 hPa等壓面。每個二維場用間距為 2.5° 經、緯度網格點上的值來表示，X方向從西向東共 144個格點，對應 0°～357.5°E，Y方向從南向北共73個格點，對應90°S～90°N。

由于臭氧的分布在垂直方向上極不均勻，所以將臭氧濃度的垂直分布分為400～30 hPa和1000～400 hPa兩個層次進行分析。

3 結果分析和討論

3.1 MMC的季節、年代際變化特征

利用ECMWF的資料，采用秦育婧等（2006）的疊加算法，計算出質量流函數ψ場。在之前的工作中郭世昌等（2008a，2008b）已經詳細討論過近45年的MMC氣候態分布，得知MMC具有很強的季節性。

在垂直平均的MMC質量流函數經向分布季節變化（圖 1）中可以看到其季節變化在不同緯度帶有不同的特征，且很清楚地表現出了三圈環流的基本緯度位置、強弱和季節變化規律。季節變化主要集中在低緯度地區，其中Hadley環流的季節變化在三圈環流中最為顯著，控制范圍為35°S～40°N，出現正、負交替的分布。10月至次年的4月主要向北輸送，1月達到最盛，中心位于北半球；4～10月主要向南輸送，中心位于南半球，隨季節變化，改變向南北輸送的強度。其次有季節變化的MMC是南半球的Ferrel環流，10月到第二年的4月較強，其余月份較弱，且Ferrel環流在強度上還表現出了南北半球不對稱。

圖1 MMC質量流函數的經向分布和季節變化（單位：1010 kg s–1）Fig.1 Meridional distribution and seasonal change of MMC (mean meridional circulation) mass stream function（unit: 1010 kg s–1)

在垂直平均質量流函數的距平場偏差圖（圖略）中我們發現，MMC距平場在低緯度地區有明顯的年際和年代際變化特征，其他緯度不是很明顯，70年代之前為負距平，而后多表現為正距平。同時還可以發現有3個明顯的正距平異常，分別出現在1973年、1983年、1998年。為此，我們對這三個年份做了進一步的分析，在圖3中給出了更清晰的圖像。

Hadley環流是低緯度地區主要的環流系統，我們定義 0°～30°N 區域里最大的質量流函數為北半球 Hadley環流強度指數（NHCI），0°～30°S區域里最大的質量流函數為南半球 Hadley環流強度指數（SHCI)。定義 Hadley環流上升支強度 THCI=︱NHCI︱＋︱SHCI︱。圖2中可以看出Hadley環流上升支強度在 1975年左右由負距平轉換為正距平之后在0線附近擺動，1990年后正距平的趨勢增強，說明上升支的強度呈增強的趨勢，即向南北輸送的強度都增強。除去季節變化的臭氧總量距平偏差的時間序列（圖略）則發現：全球平均臭氧總量在 1980年前為正距平，之后為負距平，說明全球臭氧總量呈現減少的趨勢。北半球、南半球的臭氧總量的變化趨勢和全球臭氧總量的變化趨勢基本相同；赤道的臭氧總量也在1980年前為正距平，之后為負距平，但在 1990年代后有增加的趨勢。可以看出 Hadley環流強度和臭氧總量存在一個反向變化的關系。

對三個正距平異常年份的分析發現（圖 3），1973年的正距平最大值出現在1月、2.5°N的位置，量值超過平均值0.3×1010kg s–1，這種異常一直從1972年的8月維持到1973年的2月。1983年的正距平最大值也出現在1月、2.5°N的位置，量值超過平均值0.5×1010kg s–1，異常一直從1982年的10月維持到1983年的7月。1998年的正距平最大值與1983年的一樣，出現在1月、2.5°N的位置，量值超過了平均值0.5×1010kg s–1，從1997年的10月到1998年的7月都表現出這種異常。綜合以上分析，我們得出：（1）三個異常年份正距平最大值均出現在 1月份。（2）正距平最大值均出現在2.5°N的位置。所表現出的正距平異常，說明向北輸送環流在上述3個時刻的突然增大。

3.2 垂直層次上MMC與臭氧的對應

將臭氧的經向垂直剖面與MMC疊加，發現對流層中MMC與臭氧濃度的垂直和經向分布有很好的對應，而平流層中臭氧的季節變化與MMC也有一定的聯系。

圖2 剔除季節變化的Hadley環流上升支強度的距平時間序列（直方圖，單位：1010 kg s–1）和11年滑動平均曲線（實線）Fig.2 Time series (histogram) and 11-year moving average curve (solid line, unit: 1010 kg s–1) of ascending branch intensity anomaly of Hadley cell

圖3 MMC質量流函數距平場（單位：1010 kg s–1）Fig.3 The MMC mass stream function anomalies field (unit:1010 kg s–1)

從圖4的1000～400 hPa臭氧質量混合比經向平均剖面與MMC的疊加圖可以看到，MMC與高濃度的臭氧有很好的對應，特別是在Hadley環流控制的范圍內，說明了經圈環流，特別是Hadley環流對臭氧的輸送作用，將高層含有高濃度臭氧的空氣卷入環流中，并隨著環流輸送到了對流層低層，這些含有高濃度臭氧的空氣一直在環流（主要是Hadley環流）的控制中，這樣就形成了臭氧在對流層中低緯度的氣候態分布。同時卷入環流的高濃度臭氧空氣隨著MMC的季節變化而變化，形成了低層臭氧的季節變化特征。這主要是由于太陽活動導致了Hadley環流的季節變化，通過環流的變化，形成了臭氧的氣候態分布。同時可以發現在對流層垂直方向上北半球臭氧濃度的變化比南半球的變化更明顯，我們認為這是由于南北半球海陸分布不均導致南北半球海陸熱力差異進而引起環流差異而出現這種現象的。

近年來，平流層—對流層的交換（STE）是一個熱點及難點問題，陳洪濱等（2006）指出該區域（STE）高度范圍大致為5～20 km，而這個區域中的Brewer-Dobson環流對平流層微量氣體的分布有著很大的影響。因此我們分析了400～30 hPa臭氧質量混合比經向平均剖面與MMC的疊加圖（圖4）。對于MMC來說，經向的質量流函數在平流層下部同樣存在，只是量級遠小于對流層，只有對流層的百分之一，但對空氣質量同樣有向南北半球輸送的作用。可以看到MMC與低濃度的臭氧有很好的對應，特別是 Hadley環流控制的緯度范圍（35°S～40°N）內，MMC的下沉支與臭氧濃度向低層彎曲的位置有很好的對應，同樣說明了經圈環流，特別是 Hadley環流對臭氧的輸送作用，環流將原本處于較高層次的高濃度臭氧帶入較低的層次，即在Hadley環流控制的緯度范圍（35°S～40°N）內的低濃度區。MMC對臭氧的輸送作用隨著季節變化而改變，形成了400～30 hPa以下的臭氧氣候態分布。

大氣臭氧在全球范圍的分布特征及時空變化主要由大氣化學和動力學過程來決定。大氣化學過程決定了臭氧的產生和消亡，平流層的光化學過程造成了平流層中部的高濃度臭氧層的存在，垂直交換又可以將光化學過程所產生的臭氧從25～30 km層輸送到平流層底層和對流層,再通過大型環流的輸送，形成我們所觀測到的臭氧垂直和水平分布的差異和變化。平流層大氣臭氧的分布變化通過加熱作用會影響溫度場結構，進而對大氣環流產生影響。

3.3 垂直剖面上臭氧與MMC的時空特征分析

為了進一步說明臭氧與MMC在垂直方向上的關系，對540個月的臭氧垂直經向剖面場與MMC場進行EOF-CCA 的典型相關分析。通過EOF展開后，其前k個主分量的方差貢獻率反映了臭氧垂直經向剖面場與MMC場的大尺度特征所占的比重，為了分析其大尺度特征，我們將第一特征向量方差貢獻率和當累積方差貢獻率達 85%時所需主分量的個數列表（見表1）。由表1可見，臭氧垂直濃度的累積方差貢獻率達 85%時所需主分量個數都比MMC少，說明臭氧垂直濃度的大尺度特征比MMC的大尺度特征明顯。

圖4 1000～400 hPa、400～30 hPa臭氧質量混合比（陰影）與MMC質量流函數（等值線，單位：1010 kg s–1）經向平均剖面的疊加圖Fig.4 Composites of meridionally averaged ozone mass mixing ratio (shaded areas) and MMC mass stream function for 1000-400 hPa, 400-30 hPa(contours, units: 1010 kg s–1)

表1 主分量累積方差貢獻率Table 1 Principal components cumulative contribution rate

圖5為臭氧垂直經向剖面與MMC場第一特征向量場，圖中量值為權重系數值。由圖 5a可見，臭氧場垂直經向剖面圖呈現出南北半球反向變化的特征，北半球主要為負值，南半球主要為正值，并且隨高度的增加有向兩極傾斜的趨勢。在兩半球對流層的高緯地區則表現出南負北正的分布。兩半球權重系數高值中心均出現在200～60 hPa的中高緯地區，從權重系數的絕對值來看，北半球臭氧濃度的變化比南半球的變化更明顯。由圖 5b可見，MMC由南半球到北半球呈現出“－、＋、－、＋、－”的分布特征。低緯地區從低層對流層一直到40 hPa附近都為權重系數大值區，表明低緯地區MMC的變化最為明顯。

選取主分量累積方差貢獻率達到 85%的情況進行CCA分析，并通過2χ檢驗方法對典型相關分析結果進行檢驗，臭氧垂直經向剖面場與MMC場的第一典型相關系數為0.99，這表明臭氧濃度場與MMC的關系密切。于是我們把南、北半球高度場的第一對典型載荷特征向量繪成典型相關場圖（圖6），進一步分析南北半球環流場的相互關系。

由圖 6a可見，在第一對典型相關場上臭氧場的典型載荷特征向量在南半球300 hPa以上的相關系數值較高。其中，中低緯地區為正相關，中高緯地區為負相關。而北半球除在中高緯的對流層有較弱的正相關區外，其余地區表現為負相關。圖 6b為第一對典型相關場的MMC場，在低緯對流層地區出現典型載荷特征向量的大值中心，這正好是Hadley環流所在的位置，在南半球30°S附近的對流層地區存在典型載荷特征向量的次大值中心，這恰是南半球的Ferrel環流所在區域。

圖5 臭氧質量混合比（a）和MMC質量流函數（b）垂直—經向剖面的第一特征向量空間場Fig.5 The first eigenvector fields of vertical-meridional profiles of (a) ozone mass mixing ratio and (b) MMC mass stream function

圖6 臭氧質量混合比（a）與MMC質量流函數（b）垂直—經向剖面的第一對典型相關場Fig.6 The first canonical correlation fields of vertical-meridional profiles of (a) ozone mass mixing ratio and (b) MMC mass stream function

從典型相關分析中我們發現 MMC和臭氧存在著較好的相關性：當MMC場正相關區的MMC增強或減弱時，臭氧場中正相關區域的臭氧隨之增強或減弱，而負相關區域的臭氧則相反地呈減弱或增強的趨勢；反之亦然。同時，典型載荷特征向量絕對值的大小反映了選取的要素場的重要性，還反映出相關最大區域的所在。低緯地區是載荷向量絕對值的大值區，說明Hadley和Ferrel環流在臭氧的變化中起著重要作用。由于中低緯熱帶大氣有凈熱量收入，是全球主要的熱源，在熱力環流的作用下將對流層相對高濃度的臭氧向高緯輸送，低緯環流與中、高緯環流關系十分密切，所以一旦低緯環流異常，中高緯環流就會隨之變化，導致不同地區臭氧濃度的變化。對流層中的臭氧濃度增強或減弱所產生的溫室效應對Hadley環流和Ferrel的增強或減弱又有一定的影響。

大氣環流的變化與熱帶海洋的變化密切相關，西太平洋“暖池”區、El Ni?o事件發生的東太平洋海區等都對大氣環流變化產生著重要的影響，而這些海區都分布在低緯。因此低緯的Hadley環流是研究臭氧與MMC關系的一個關鍵區域，其對全球大氣臭氧變化影響的機制還有待我們進一步深入研究。

4 結論與討論

通過對MMC的基本特征及其與臭氧關系的初步研究，得出以下初步結論：

（1）MMC具有很強的季節性，Hadley環流是MMC中最顯著的組成部分，1月向北輸送，7月向南輸送，4、10月為過渡月份，上升支偏于赤道附近的處于夏季的半球，冬半球Hadley環流較強，夏半球較弱。在季節變化中Hadley環流的季節變化最突出，控制范圍為35°S～40°N。

（2）平均經圈環流與臭氧在垂直方向上有很好的對應和相關關系。平均經圈環流是形成臭氧水平、垂直的氣候平均態分布，季節變化，年代際變化的重要因素。

（3）臭氧垂直濃度的大尺度特征比MMC的大尺度特征明顯。

（4）MMC與臭氧的典型載荷特征向量在對流層低緯度地區出現大值中心，說明在對流層中，臭氧主要與MMC中的Hadley環流及Ferrel環流存在密切的相關關系，這意味著Hadley和Ferrel環流在臭氧的變化中起著重要作用。當然，當對流層中臭氧濃度增強或減弱時，其溫室效應也可能會通過影響溫度場進而影響風壓場而對低緯的經圈環流產生一定的影響，這值得關注。

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