低緯平流層臭氧對對流層頂溫度的影響

【摘 ?要】低緯對流層頂是全球平流層與對流層發生物質交換的關鍵區域，而臭氧其中起了重要的作用。在一定程度上，平流層也可以對對流層及對流層頂產生影響。本文采用1979～2014年ECMWF再分析資料，采用合成分析的方法探究低緯平流層臭氧對對流層頂溫度的影響。發現：（1）低緯度地區平流層臭氧柱總量的低值區有明顯的南北半球季節調整規律。（2）低緯度120°～180°W附近均有可通過顯著性檢驗的負值區，說明此處平流層臭氧增加時，對應地區的對流層層頂溫度會下降，此區域的動力效應超過了臭氧本身的凈輻射強迫。（3）在冬季120°E的弧形區域中，平流層臭氧的輻散效應在起作用。

【關鍵詞】低緯平流層臭氧柱總量;對流層頂溫度;合成分析

引言

平流層臭氧（O3）的改變對于對流層及其對流層頂的輻射影響是復雜的。從輻射角度來說，臭氧在9.6μm有一個強的紅外輻射吸收帶，它對于對流層尤其是對流層高層有明顯的加熱效應。但平流層內還存在很多的其他成分也會對對流層及對流層頂溫度造成影響。從動力角度來說，當平流層臭氧通過輻射效應使得對流層及對流層高層增溫以后，對流層頂的高度上升，而對流層頂溫度自然下降。

至今為止，已經有很多人研究了對流層頂對于平流層的影響，并且也取得了很大的進展。但對流層頂是強大的大氣阻擋層，不僅抑制著水汽和氣溶膠的垂直交換，且也是平流層與對流層臭氧遷移的天然屏障。因此，平流層臭氧的變化可以對對流層頂的氣象要素產生影響，平流層也在一定程度上影響了對流層。因此，現在我們把目光投向平流層對于對流層頂的溫度影響。通過對此的研究，更進一步了解對流層頂中溫度這一要素的變化特征。

1.資料和方法

1.1資料

本文采用1979至2014年ECMWF0.75°×0.75°再分析資料，低緯度地區（30°S～30°N）共有11層（100～1hPa）的臭氧質量混合比、位勢高度、溫度的月平均資料。

1.2平流層臭氧單位轉換

一般，我們將100hPa以上視為平流層，且臭氧濃度的計量單位采用DU。1Du表示標準狀態下單位面積上有0.01mm厚的臭氧。本文將臭氧質量混合比利用下文中的公式（1）～（3），計算出平流層臭氧列總量。

1.3對流層頂的選取

本文采用1957年WMO給出的溫度遞減率定義（LRT）。LRT定義為：（1）在500 hPa等壓面之上溫度遞減率（）小于或等于2℃/km，而且在此高度以上2 km氣層內的溫度平均直減率不超過2℃/km的大氣層結所對應的最低高度.該最低高度若出現在150百帕高度以下，定為第一對流層頂。（2）在第一對流層頂以上，當出現滿足由氣溫垂直遞減率開始大于3℃/kin氣層的最低高度點起，以上1000 m及其以內的任何高度與該最低高度之間的平均氣溫直減率均大于3℃/km條件的過渡氣層時，在150 hPa高度或者以上，用判斷第一對流層頂的方法判斷出第二對流層頂.第一對流層頂又稱極地對流層頂，第二對流層頂稱為熱帶對流層頂。

1.4合成分析

按季節分別進行合成分析，即將各季節的低緯地區平流層臭氧年際變化特征提取出來做標準化，再利用EOF經驗正交第一模態時間序列標準化后找到各季低緯平流層臭氧的極大年和極小年。本文利用1979～2014年的臭氧數據，所得結果如表1所示。再對不同季節的對流層頂溫度年際變化資料做距平，用臭氧極大年和極小年對溫度距平資料做平均，分別得到在臭氧極大年的溫度距平場和臭氧極小年的溫度距平場，將前場減去后場，可以得到在某種平流層臭氧偏大情況下，對流層頂溫度的分布情況和特征。最后，利用公式（4）進行t檢驗。

2.結果與分析

2.1低緯平流層臭氧的季節變化特征

臭氧在低緯度生成，由BD環流引導輸送到中高緯度。由圖1可知，低緯度平流層臭氧柱總量隨季節具有顯著的變化。在北半球冬季（圖1a），10°～25°N，60°～180°E區域有小于215DU的低值區域，且在整個北半球低緯度地區有一沿緯圈分布的220DU以下低值帶。到了春季（圖1b）緯圈上的低值帶從北半球南移至南半球，且最大的臭氧低值區位于至90°～170°W。從春到夏（圖1c），緯向的平流層臭氧低值區在南半球繼續維持，且低值中心原地加強，但北半球平流層臭氧含量整體上有增加趨勢。秋季（圖1d），南半球的低值區開始減弱，北半球的低值區開始生成，逐漸向冬季分布趨勢過渡。從上述分析中可知，低緯平流層臭氧濃度的緯向低值帶隨季節有南北半球位移，冬季位于北半球，夏季位于南半球。而這種分布特點可能與BD環流對臭氧的輸送等因素有關。

2.2 合成分析結果

圖2為DJF和MAM的對流層頂溫度合成分析結果。發現：冬春兩季的O3極大、小值年的對流層頂溫度距平場以以及差值場具有相似性。對于冬季（左圖），O3極大值年溫度距平場的主要趨勢為+、-、+，多數區域距平值為0或為較小值，僅在15°～30°S，120°w附近有一達到-1.5的負中心。而O3極小值年溫度距平場的分布為-、+、-，且O3極大值年溫度距平場的的負中心轉變成≥3.5的正中心。再根據差值場可知，在DJF時低緯度60～120°E弧狀區域的平流層臭氧增加時，其對流層層頂溫度會上升;在80°～160°W區域的平流層臭氧增加時，對應地區的對流層層頂溫度會下降。而春季（右圖）的特征與冬季類似，但整體趨勢較弱。差值場中能通過顯著性檢驗的區域較為分散，其中較為顯著的是位于赤道附近140°E～100°W的負值中心。

同理，分析夏秋季合成分析結果。夏季，O3極大（?。┲的隃囟染嗥綀鲋胸摚ㄕ┲行牡奈恢靡延啥杭舅诘哪习肭蛞苿又帘卑肭?，并在60°W和160°W存在兩個負（正）中心（圖略）。秋季，O3極小值年溫度距平場中赤道附近出現明顯正值區（圖略）。但差值場（圖3）中，夏秋季能通過顯著性檢驗的區域較小且分散，僅在120°～180°W附近有較為明顯的通過檢驗的負值區。

基于以上分析發現：（1）全年差值場中120°～180°W附近均有可通過顯著性檢驗的負值區，說明此處平流層臭氧增加時，對應地區的對流層層頂溫度會下降。此區域在冬季范圍最大?？梢越忉尀?，當平流層臭氧通過輻射效應使得對流層及對流層高層增溫以后，使得對流層頂的高度上升，而對流層頂溫度自然下降，此區域的動力效應超過了臭氧本身的凈輻射強迫。（2）在冬季120°E的弧形區域內是顯著正值區，說明處平流層臭氧增加時，對應地區的對流層層頂溫度會上升，說明平流層臭氧的輻射效應在起作用。

3.結論

（1）低緯度平流層臭氧濃度隨季節變化。其中，緯向低值區隨季節有南北半球位移，冬季位于北半球，夏季位于南半球。

（2）全年120°～180°W附近均有可通過顯著性檢驗的負值區，說明此處平流層臭氧增加時，對應地區的對流層層頂溫度會下降。該區域在冬季覆蓋范圍最廣。

（3）在冬季120°E的弧形區域中，對流層層頂溫度隨平流層臭氧增加而上升，這是平流層臭氧的輻射效應在起作用。

參考文獻

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作者簡介：魏婉琳（1992-），女，漢族，碩士研究生，四川宜賓人，助理工程師，從事短臨天氣預報方向的研究。