东亚冬季风气候变异和机理以及平流层过程的影响

本文综述了近几年来关于东亚冬季风变异特征和机理方面的研究,特别对平流层过程对东亚冬季风和气候异常的可能影响作了回顾和进一步分析.东亚冬季风的变异除了季风强弱变化外,还有东亚冬季风的路径变化;研究表明,前者往往对应全国气温一致的变化,而后者可以引起我国气温的南北反相振荡,并导致东亚冬季风变异存在南北两个子系统.此外,进入本世纪后,东亚冬季风的建立推迟,并且东亚冬季风在盛期明显减弱,但冬季风活动在早春比以往要更为活跃,这些变化与冬季气温南北反相变化也有密切的联系.进一步的分析揭示出东亚气温的南北反相变化是东亚冬季风变异的主要模态之一,而且它与平流层极涡强度密切相关.当异常的平流层极涡向下传播时,可以引起对流层低层北极涛动(AO)的异常以及西伯利亚高压的异常,并在东亚地区出现南北反相的温度变化.有关东亚冬季风变异的成因研究表明,上世纪70年代中后期以后,热带厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响变弱,而中高纬的北太平洋涛动(NPO)和乌拉尔地区阻塞强度的影响显著增强,相关研究还揭示了这些变化的原因.此外,东亚冬季风在1987年以后的持续减弱主要与准定常行星波活动年代际变化有关,行星波活动通过波流相互作用可以影响AO以及西伯利亚高压和阿留申低压,从而导致冬季风异常.最后,本文还讨论了太阳活动11年周期变化对东亚冬季气候异常的可能影响和过程.     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

深对流云向平流层的水汽垂直输送问题研究进展

水汽是一种比CO₂温室效应更强的温室气体,在平流层中为光化学反应提供氢氧自由基,凝结成冰晶后还能为臭氧的消耗提供非均相化学反应界面,从而加速臭氧的消耗,因而对气候有重要影响.深对流云对水汽的垂直输送是平流层水汽的重要来源之一,因此研究深对流云向平流层的水汽输送可以为研究气候变化提供参考.回顾了近年来关于深对流云向平流层的水汽垂直输送问题的研究进展,包括水汽垂直输送到平流层的证据、穿透性深对流云的识别方法、水汽被深对流云垂直输送到平流层的机理以及穿透性深对流云对平流层湿度作用的影响因子4个方面,并进行了小结和展望.     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

2002/2003年与2003/2004年冬季爆发性增温期间的动力特征

利用ECMWF提供的60层气象场资料诊断分析了2002/2003和2003/2004年两个冬季的爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)过程,比较了两次SSW期间高纬温度和纬向风的差异,计算了SSW期间的EP通量和剩余环流.结果表明:2003/2004年增温持续时间长、强度大,而2002/2003年则发生了波动;增温都是从平流层上层开始向下传播,但是2003/2004年高层极涡崩溃后迅速恢复,低层极涡恢复得慢,2002/2003年极涡在高层和低层都是缓慢恢复;SSW期间行星渡活动较多,2003/2004年极地EP通量的辐合引起东风长时间持续从而阻止了行星渡再次上传,而2002/2003年行星波则发生多次上传;2002/2003年SSW发生时高纬地区为下沉气流,没有形成环流圈,增温后形成逆时针的环流圈比2003/2004年偏低.     

低纬地区平流层准零风层时空分布特征分析

利用ERA-Interim逐日再分析资料,使用EOF（Empirical Orthogonal Function）等统计方法,分析了中国低纬地区平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）的时空分布特征,旨在为平流层飞艇寻找合适的运行区域及时段。低纬地区QZWL主要受到热带平流层大气环流季节性变化和平流层准两年振荡（Quasi-BiennialOscillation,QBO）的影响。在二者共同作用下,低纬地区QZWL高概率带可分为南北两支:“北支”出现在10月至次年4月间,QBO东风位相时期,“北支”中心纬度基本维持在20°N附近,西风位相时期,“北支”中心纬度随高度降低南移明显;“南支”仅出现在QBO西风位相期间,5~11月在5°N附近,其余时段与“北支”合并,可以认为是“北支”向南延伸。通过对比海口站和南沙站Weibull概率密度函数与风速资料的拟合结果,表明Weibull分布可以很好拟合不同QBO位相下平流层逐月风速频率分布,根据Weibull分布计算特定的累积概率风速值,可以作为选取适宜平流层飞艇运行的低风速风场的判据。海口站30~50 hPa高度11月至次年4月、南沙站50~70 hPa高度QBO西风位相时期全年均较为适合平流层飞艇运行。     

纬向平均的风向改变指数与季节转换

通过定义一个能客观定量描述大气环流四维时空变化的风向改变指数WI,用以研究大气环流的时空演变规律和季节转换。在对纬向平均的WI做了经验正交函数(EOF)分析后,得到了其前四个模态。第一模态揭示的是全年平均的WI空间分布的基态。第二模态反映的是WI场的偏差中呈现准调和变化的部分,热带、副热带、温寒带季风区在该模态中均有明显体现。第三模态反映的是WI场的偏差中呈现非调和变化的部分,该部分揭示了因南北半球海陆分布的差异和因大气、海洋流体的非线性效应,其所造成的从春到秋与从秋到春的季节变化的不对称性以及平流层的二月突变现象。第四模态反映的是全球各层盛行风反向区域从春到夏的北进和从夏到秋南撤的现象。     

夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究

基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART, 通过气块轨迹计算, 对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送 (Troposphere to Stratosphere Transport, 简称TST) 的近地层源区、 输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明: (1) 夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区, 一个是热带西太平洋地区; 另一个是青藏高原南部、 孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区, 上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近 (约16 km高度), 两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现, 穿越对流层顶高度的质量输送只有约10％能够进入20～22 km高度的平流层中, 且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区 (约贡献75%), 这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。 (2) 轨迹分析显示, 夏季亚洲季风区对流层进入平流层的 “入口区” 主要在 (25°N～35°N, 90°E～110°E) 区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、 北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。 (3) 亚洲季风区TST两个主要的过程, 一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程, 它可以使近地层大气在1～2天内输送到平流层中, 贡献了整个TST的10%～30%; 另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送, 该输送是一个相对的慢过程, 时间尺度一般为5～30天。此结果意味着, 源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。     

两种再分析资料平流层温度场的对比分析

在Lorenz环流分解基础上,比较了全球平流层低层ECMWF和NCEP/NCAR两种再分析资料月平均温度场的差异。结果表明：（1）纬向的平均温度无论DJF季度还是JJA季度100 hPa,30°S～30°N纬带都是冷中心;在该冷纬带ECMWF资料温度均值显著低于NCEP资料,ECWMF资料的年际方差显著小于NCEP资料。（2）30 hPa以上NCEP资料的定常波比较杂乱,在中纬大陆上出现与事实不符的高低中心,而ECMWF资料反映的气温定常波则比较合理。（3）ECMWF资料在100 hPa和10 hPa上气温异常未能充分地反映近50 a来3次强的火山喷发引起的平流层增温。     

低平流层涡动热通量近似的最佳参考纬度

通常基于准地转的变换的欧拉平均框架下提出的涡动热通量近似理论计算极区平流层温度变化的动力和非绝热加热贡献,但是这可能会带来一定的误差。本文根据Liu and Fu(2019)提出的欧拉平均框架下新形式的面积加权平均的热力学能量方程,通过滑动累加得到逐月的温度变化方程。再利用1980-2019年欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(EuropeanCentreforMedium-range Weather Forecasts fifth reanalysis data, ERA5),计算北半球极区低平流层100 hPa在全时段(1980-2019年)和两个分时段(1980-1999年、 2000-2019年)各月温度增量、动力加热、非绝热加热和对流加热项(W项)的气候平均值,进而讨论涡动热通量近似理论成立的最佳参考纬度。结果表明,新导出的W项使得极区累积的动力和非绝热加热项之和与温度增量项之间的误差在冬春季减少了一半。在100 hPa上,W项随月份和纬度变化,尤其在冬春季节对温度变化贡献明显,由此得到涡动热通量近似成立的最佳参考纬度应该在W项的零等值线附近。进一步验证表明参考纬度可以取在...