全球平流层、对流层质量交换的季节变化特征.pdf
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
! *," !* &切断低 气 尺 度 相 联 系 的 温 带 对 流 层 顶 折 叠) " "," +* ! !* 压) 以 及 风 暴) 是温带I L?- 的 重 要 机 制 $ )** 副热 带 急 流 也 能 够 带 来 I L?- " $J 8 5 X 8 1 1 8 S B B ) " (* " ’* 等) 和D 等 研 究 了 平 & 对 流 层 之 间 交 8 C C 8 1 . / 5 )&* ) ! #* !Y !I 换 的 年 循 环 $@ 2 8 5" A 8 S 1 0 5 0 8 . 7 5 9 Q等 Q )%* ! ,* !Y !I 等) 2# / 5 8 > 和 I 2 7 : M = 7 S 8 A 和 H A P ) 3 Q ) * ) * ) # ! # " # #* 丛 春 华 等 杨 健 和 吕 达 仁 ! ! ! . / 5 I : 2 A 8 ) )+* 的研究则侧重于穿越对流层顶交换的季节和 = 8 S 1! 空间变化$
% % ( ) % ! ) ! ! 收稿 !" % % ( ) % , ) " " 收修改稿 !" 批准号 $, % % # # # % # , ! " 国家自然科学基金资助项目 # $ ) . / 0 1 Z 0 X 2 0 1 / 5 ! & ( &!> A 2 7$ : A . !" "Q
那些经常发生气旋 和 对 流 层 顶 折 叠 的 地 区 ! 如 北 美
" 其中 X UM 时 !X U!". > 8 : 2 % q .[T . [C!.U# 时 !X U%".U" 时 !X U%/ U! % q % q +/
&=( 的季节变化特征 +! 全球 ’
我们主要分析全球 I L?- 季节变化的大尺 度特 征 ! 因此将结果在空 间 上 进 行 滤 波 以 突 出 大 尺 度 特
摘要 !! 用 ! & + ’ 年到 " % % !年, , /@?\] 资料 !* 坐 标系下 \ 8 0公式 诊 断 了 全 球 对 流 层 # 平 流 层交换的季节变化 $ 结果表明 ( 印 尼 # 孟 加 拉 湾 以 及 南 美 中 西 海 岸 附 近 是 物 质 由 对 流 层 向 平 流 层 输送的主要通道 $ 中高纬度地区 同 时 存 在 向 上 # 向 下 的 通 量 ! 大 尺 度 槽 区 伴 随 着 平 流 层 向 下 的 输 送 $ 一年中 ! 秋 # 冬季 向 下 的 输 送 强 ! 春 # 夏 季 较 弱 $ 东 亚 地 区 存 在 很 强 的 平 流 层 向 下 的 输 送 ! 且中心位置移动不大 & 只占北 半 球 +$ *T 面 积 的 东 亚 ! 其 多 年 平 均 质 量 净 交 换 量 却 占 到 北 半 球 的 ! +$ ’ #T ! 这说明东亚地区对流层与平流层之间的质量交换对北 半球乃 至全 球对流 层 # 平流层 交换 研究的重要性 $ 从 ! & + ’ 年到 " % % !年!穿 越 对 流 层 顶 的 空 气 都 是 更 多 地 从 平 流 层 进 入 对 流 层! 这 与同化数据本身存在系统性偏差以及对 流 层 顶 高 度 , , /来 始 终 升 高 有 关$ 南# 北 半 球 质 量 交 换 量 以及质量交换通量对所占纬度带 的 贡 献 都 是 从 赤 道 向 两 极 逐 渐 增 大 ! 且 北 半 球 的 贡 献 比 南 半 球 要 大得多 $ 高纬度地区单位面积上的 质 量 交 换 量 以 及 质 量 交 换 通 量 比 低 纬 度 要 大 ! 说 明 高 纬 度 地 区 质量交换的效率要比低纬度更高 $ 关键词 !! 平流层 ! 对流层 ! 质量交换 ! 季节变化 > C S / C A > 2 8 S 8 ) !! 平流层与对流 层 之 间 的 质 量 交 换 # B !I 对于研究两个 8 C S A A > 2 8 S 8. / > >8 Z : 2 / 5 L?-% B B Q 区域的耦合 ! 特别 是 化 学 成 分 的 变 化 很 重 要 $ 相 对 于对流层 而 言 ! 平 流 层 大 气 具 有 更 大 的 位 势 涡 度 ! 更加丰富的臭氧和 @ ] @! 平 & 对 流层 之 间 的 混 合 也 必将带来 大 气 化 学 特 征 和 动 力 特 征 的 改 变 $长 期的大尺度的交换 过 程 对 气 候 变 化 有 一 定 影 响 ! 短
)%* 征 $ 此处所用 的 是 I 的 滤 波 方 法! 即 首 先 : 2 / / : M,
综上所述 ! 可以 看 出 ! 以 前 的 研 究 着 重 于 局 地 现象 & 短时间尺 度 以 及 个 例 研 究 $ 然 而 ! 为 了 了 解 季节 & 年际甚至是年代际全球 I L?- 的特征 ! 大 空 间尺度和长时间尺度 I L?- 的研究必不可少 $ 本 文 即给出了 , , / 平均的全球 I L?- 的季节变化特征 $
)*
时间的 区 域 的 交 换 过 程 对 局 地 空 气 质 量 有 一 定 影 响 $ 平流层和对流层之间的质量交换可以将引起 F # 损耗 的 气 体 ! 如 @ ] @ I ! _F "! Y "F 等 ! 输 送 到 平 流层 $ 大量证据表 明 ! 从 对 流 层 输 送 到 平 流 层 的 人 为排放物 ! 引 起 了 平 流 层 F # 的 损 耗 反 应$ 这 种 交 换还 将 F # 富 集 的 平 流 层 空 气 向 下 输 送 到 对 流 层$ 平流层到对 流 层 的 输 送 不 仅 包 含 平 流 层 臭 氧 # 包括 与F 的清 除机 制 ! 而 且 也 代 表 了 # 损耗有关的物质 %
在纬圈方 向 通 过 ] 包括 + 波% A 7 S 0 8 S变 换 滤 掉 + 波 # 以上的波 ! 然后在经 圈 方 向 上 采 用 低 通 滤 波 先 进 行 % 四次 # 的变换再 进 行 一 次 # 的 "!#!" N!!+! N!% 逆变换 $ 我们 每 隔 *2 计 算 一 次 全 球 向 上 & 向 下 穿 越 对 ! 流层 顶 的 质 量 通 量 # A : S A > > ) C S A / 7 > 8. / > >4 1 7 Z B B ! 然后进行滤波和时间平均 ! 给出穿越对流 @ L?]% % 层顶质量通量的季平均分布图 # 图! $
* , X*9 !’ X % *# 5.# ’ %< 3
# % "
用于计算 I L?- 的方法有 , 种 $ 包含质量 平 衡
)"! ! #! " (! " ’! # ,! # +* ! 计算的 7 1 8 S方法 ! > 8 . 0 ) W / S / 5 Q Q 传输 * " & 模式 ) !7 1 8 S方法 与 > 8 . 0 ) W / S / 5 Q Q方法相 结 合 的 * ) # * # !! # (! # ’* 以及 W 方法 ) / S / 5 Q Q 方法
) ! #* 长期 穿 越 对 流 层 顶 通 量 问 题 $ Y 和 A 8 S 1 0 5 Q等 ), * 的 研 究 尽 管 考 虑 了 整 个 北 半 球! 但 I 0 8 . 7 5 9等 ! Q 他 们 的 研 究 只 局 限 于 冬 季 的 ! 月 份 $I : 2 A 8 = 8 S 1 * ! + 等) 分析 了 全 球 中 纬 度 平 流 层 & 对 流 层 的 质 量 交
"卷!第! # 期 !$ # # "年! #月 ! 第!
! # & !
全球平流层 % 对流层质量交换的季节变化特征 "
"" " ! " 郭 ! 冬!! ! 吕达仁 ! 孙照渤 !$南京信息工程大学大气科学学院 ! 南京 " ! % % , ," "$中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室 ! 北京 ! % % % " &
* +* * 东北部 ) 和日本海附 近 ) 这种强烈的事件也很少发
生$
)* )* )* H S 8 P 8 S( ! ^ A = > A 5’ !Y A 1 C A 5& 通 过 对 平 流 层 水汽和臭氧的观测 研 究 指 出 ! 空 气 从 热 带 上 升 进 入
平流层 ! 然后在温 带 下 沉 进 入 对 流 层 ! 这 就 是 众 所 周知的 H S 8 P 8 S ) ^ A = > A 5 环 流$ 对 于 全 球 的 平 流 层& 对流层交换的认识 主 要 是 通 过 区 域 现 象 的 研 究 得 到
"! 资料和计算公式
"# "! 使用的资料 ! & + ’到" % % !年, , /一 天 , 次 的 @?\] 再 分 析资料 ! 水平分辨率为 "$ !垂直方向为" + q h"$ + q # 个等压面层 $
换 ! 指出中纬度地区的 I L?- 主要由进出对流层 顶 及# ’ %< 等位温面 之 间 的 空 气 交 换 决 定 ! 且 年 平 均 质量通量 与 对 流 层 顶 的 定 义 无 关 ! 而 仅 仅 由 穿 过 # ’ %< 等位温面的通量决定 $ 很多观 测 和 模 拟 研 究 表 明! 与 行 星 尺 度 和 天
*C * , B ! 9 ;# ’ ’U 1* ,’H’ C B , +% 9 ! ! ,
% * ! !, U 1*% ’ - . !# # , ! % H H H ,
C B C B
#
!;J? .;L?
# % !
其中 ! * 9 ! 为 垂 直 速 度 !U 为 水 平 风 场 !* -U9 C B 为对流层顶 的 气 压 !;J? 为 空 气 运 动 引 起 的 质 量 交 换 !;L? 为对流层顶运动引起的质量交换 / \ 8 0公式要求 同 化 资 料 的 精 确 性 ! 而 同 化 资 料 本身存在偏差 ! 但这 个 偏 差 的 扰 动 对 于 平 均 偏 差 而 言却是个小量 ! 所以 我 们 还 是 能 够 通 过 分 析 得 到 全 球区域性的 I L?- 分布 $ , 本文 对 流 层 顶 的 选 择 为 $ 北 # 南% 半球# % q
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ) !! "*
对流层化学系统中 F 8 ) # 及 其 他 活 性 物 质 的 输 入 $W 1 0 8 R 8 1 9# 认为平 流 层 & 对 流 层 交 换 对 上 对 流 层 臭 氧 有很大影响 ! 在对流层下层 I L?- 只对辐射 和光化
)*
学不活跃地区的臭 氧 影 响 很 大 ! 在 其 他 地 区 地 面 臭 氧的季 节 循 环 主 要 由 光 化 学 过 程 控 制 $^ / R 0 8 >和 I : 2 7 8 = / : 2, 认为来自 平 流 层 的 臭 氧 富 集 的 空 气 可 B 以被输送到近地 面 或 对 流 层 中 下 部 $ 然 而 ! 即 使 在
)! * )"* 近 $I 和W 的研 究 也 是针 对 / 8 C 8等 ! / . / S 7 8等 ! B k
"# +! 质量通量的计算方法 本文计算穿越对流 层 顶 质 量 通 量 的 方 法 采 用 *
)& * 坐标系下的 \ 8 0公式 #
个例进行的 ! 这并不 能 回 答 整 个 北 半 球 甚 至 全 球 的
" N* N! N! % 3<3M 采用 #$ I . & % q _# +h! % Q 3> 动 力 学 ) * , % 对流层顶 # 以# !%,! % q _# ’ %< 等 位 温 面 *9 I% 5% 3 ) &* 的对 定义热力学对流层 顶 # ,# ! % q % q _# *# I% ’ %< % ! ! #* 流层顶用两种定义的权重平均 )
! # & "
"卷!第! # 期 !$ # # "年! #月 !第!
)%* 的 $E 通过个 例 研 究 得 到 大 尺 度 的 纬 向 平 均 8 0 C 8 S!
的质量循 环 ! 指 出 在 年 平 均 的 尺 度 上 Y / 9 1 8 3环流 是对流层向平流 层 输 送 的 主 要 机 制 ! 中 高 纬 度 地 区 平流层 向 对 流 层 的 输 送 主 要 发 生 在 大 尺 度 涡 旋 附
% % ( ) % ! ) ! ! 收稿 !" % % ( ) % , ) " " 收修改稿 !" 批准号 $, % % # # # % # , ! " 国家自然科学基金资助项目 # $ ) . / 0 1 Z 0 X 2 0 1 / 5 ! & ( &!> A 2 7$ : A . !" "Q
那些经常发生气旋 和 对 流 层 顶 折 叠 的 地 区 ! 如 北 美
" 其中 X UM 时 !X U!". > 8 : 2 % q .[T . [C!.U# 时 !X U%".U" 时 !X U%/ U! % q % q +/
&=( 的季节变化特征 +! 全球 ’
我们主要分析全球 I L?- 季节变化的大尺 度特 征 ! 因此将结果在空 间 上 进 行 滤 波 以 突 出 大 尺 度 特
摘要 !! 用 ! & + ’ 年到 " % % !年, , /@?\] 资料 !* 坐 标系下 \ 8 0公式 诊 断 了 全 球 对 流 层 # 平 流 层交换的季节变化 $ 结果表明 ( 印 尼 # 孟 加 拉 湾 以 及 南 美 中 西 海 岸 附 近 是 物 质 由 对 流 层 向 平 流 层 输送的主要通道 $ 中高纬度地区 同 时 存 在 向 上 # 向 下 的 通 量 ! 大 尺 度 槽 区 伴 随 着 平 流 层 向 下 的 输 送 $ 一年中 ! 秋 # 冬季 向 下 的 输 送 强 ! 春 # 夏 季 较 弱 $ 东 亚 地 区 存 在 很 强 的 平 流 层 向 下 的 输 送 ! 且中心位置移动不大 & 只占北 半 球 +$ *T 面 积 的 东 亚 ! 其 多 年 平 均 质 量 净 交 换 量 却 占 到 北 半 球 的 ! +$ ’ #T ! 这说明东亚地区对流层与平流层之间的质量交换对北 半球乃 至全 球对流 层 # 平流层 交换 研究的重要性 $ 从 ! & + ’ 年到 " % % !年!穿 越 对 流 层 顶 的 空 气 都 是 更 多 地 从 平 流 层 进 入 对 流 层! 这 与同化数据本身存在系统性偏差以及对 流 层 顶 高 度 , , /来 始 终 升 高 有 关$ 南# 北 半 球 质 量 交 换 量 以及质量交换通量对所占纬度带 的 贡 献 都 是 从 赤 道 向 两 极 逐 渐 增 大 ! 且 北 半 球 的 贡 献 比 南 半 球 要 大得多 $ 高纬度地区单位面积上的 质 量 交 换 量 以 及 质 量 交 换 通 量 比 低 纬 度 要 大 ! 说 明 高 纬 度 地 区 质量交换的效率要比低纬度更高 $ 关键词 !! 平流层 ! 对流层 ! 质量交换 ! 季节变化 > C S / C A > 2 8 S 8 ) !! 平流层与对流 层 之 间 的 质 量 交 换 # B !I 对于研究两个 8 C S A A > 2 8 S 8. / > >8 Z : 2 / 5 L?-% B B Q 区域的耦合 ! 特别 是 化 学 成 分 的 变 化 很 重 要 $ 相 对 于对流层 而 言 ! 平 流 层 大 气 具 有 更 大 的 位 势 涡 度 ! 更加丰富的臭氧和 @ ] @! 平 & 对 流层 之 间 的 混 合 也 必将带来 大 气 化 学 特 征 和 动 力 特 征 的 改 变 $长 期的大尺度的交换 过 程 对 气 候 变 化 有 一 定 影 响 ! 短
)%* 征 $ 此处所用 的 是 I 的 滤 波 方 法! 即 首 先 : 2 / / : M,
综上所述 ! 可以 看 出 ! 以 前 的 研 究 着 重 于 局 地 现象 & 短时间尺 度 以 及 个 例 研 究 $ 然 而 ! 为 了 了 解 季节 & 年际甚至是年代际全球 I L?- 的特征 ! 大 空 间尺度和长时间尺度 I L?- 的研究必不可少 $ 本 文 即给出了 , , / 平均的全球 I L?- 的季节变化特征 $
)*
时间的 区 域 的 交 换 过 程 对 局 地 空 气 质 量 有 一 定 影 响 $ 平流层和对流层之间的质量交换可以将引起 F # 损耗 的 气 体 ! 如 @ ] @ I ! _F "! Y "F 等 ! 输 送 到 平 流层 $ 大量证据表 明 ! 从 对 流 层 输 送 到 平 流 层 的 人 为排放物 ! 引 起 了 平 流 层 F # 的 损 耗 反 应$ 这 种 交 换还 将 F # 富 集 的 平 流 层 空 气 向 下 输 送 到 对 流 层$ 平流层到对 流 层 的 输 送 不 仅 包 含 平 流 层 臭 氧 # 包括 与F 的清 除机 制 ! 而 且 也 代 表 了 # 损耗有关的物质 %
在纬圈方 向 通 过 ] 包括 + 波% A 7 S 0 8 S变 换 滤 掉 + 波 # 以上的波 ! 然后在经 圈 方 向 上 采 用 低 通 滤 波 先 进 行 % 四次 # 的变换再 进 行 一 次 # 的 "!#!" N!!+! N!% 逆变换 $ 我们 每 隔 *2 计 算 一 次 全 球 向 上 & 向 下 穿 越 对 ! 流层 顶 的 质 量 通 量 # A : S A > > ) C S A / 7 > 8. / > >4 1 7 Z B B ! 然后进行滤波和时间平均 ! 给出穿越对流 @ L?]% % 层顶质量通量的季平均分布图 # 图! $
* , X*9 !’ X % *# 5.# ’ %< 3
# % "
用于计算 I L?- 的方法有 , 种 $ 包含质量 平 衡
)"! ! #! " (! " ’! # ,! # +* ! 计算的 7 1 8 S方法 ! > 8 . 0 ) W / S / 5 Q Q 传输 * " & 模式 ) !7 1 8 S方法 与 > 8 . 0 ) W / S / 5 Q Q方法相 结 合 的 * ) # * # !! # (! # ’* 以及 W 方法 ) / S / 5 Q Q 方法
) ! #* 长期 穿 越 对 流 层 顶 通 量 问 题 $ Y 和 A 8 S 1 0 5 Q等 ), * 的 研 究 尽 管 考 虑 了 整 个 北 半 球! 但 I 0 8 . 7 5 9等 ! Q 他 们 的 研 究 只 局 限 于 冬 季 的 ! 月 份 $I : 2 A 8 = 8 S 1 * ! + 等) 分析 了 全 球 中 纬 度 平 流 层 & 对 流 层 的 质 量 交
"卷!第! # 期 !$ # # "年! #月 ! 第!
! # & !
全球平流层 % 对流层质量交换的季节变化特征 "
"" " ! " 郭 ! 冬!! ! 吕达仁 ! 孙照渤 !$南京信息工程大学大气科学学院 ! 南京 " ! % % , ," "$中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室 ! 北京 ! % % % " &
* +* * 东北部 ) 和日本海附 近 ) 这种强烈的事件也很少发
生$
)* )* )* H S 8 P 8 S( ! ^ A = > A 5’ !Y A 1 C A 5& 通 过 对 平 流 层 水汽和臭氧的观测 研 究 指 出 ! 空 气 从 热 带 上 升 进 入
平流层 ! 然后在温 带 下 沉 进 入 对 流 层 ! 这 就 是 众 所 周知的 H S 8 P 8 S ) ^ A = > A 5 环 流$ 对 于 全 球 的 平 流 层& 对流层交换的认识 主 要 是 通 过 区 域 现 象 的 研 究 得 到
"! 资料和计算公式
"# "! 使用的资料 ! & + ’到" % % !年, , /一 天 , 次 的 @?\] 再 分 析资料 ! 水平分辨率为 "$ !垂直方向为" + q h"$ + q # 个等压面层 $
换 ! 指出中纬度地区的 I L?- 主要由进出对流层 顶 及# ’ %< 等位温面 之 间 的 空 气 交 换 决 定 ! 且 年 平 均 质量通量 与 对 流 层 顶 的 定 义 无 关 ! 而 仅 仅 由 穿 过 # ’ %< 等位温面的通量决定 $ 很多观 测 和 模 拟 研 究 表 明! 与 行 星 尺 度 和 天
*C * , B ! 9 ;# ’ ’U 1* ,’H’ C B , +% 9 ! ! ,
% * ! !, U 1*% ’ - . !# # , ! % H H H ,
C B C B
#
!;J? .;L?
# % !
其中 ! * 9 ! 为 垂 直 速 度 !U 为 水 平 风 场 !* -U9 C B 为对流层顶 的 气 压 !;J? 为 空 气 运 动 引 起 的 质 量 交 换 !;L? 为对流层顶运动引起的质量交换 / \ 8 0公式要求 同 化 资 料 的 精 确 性 ! 而 同 化 资 料 本身存在偏差 ! 但这 个 偏 差 的 扰 动 对 于 平 均 偏 差 而 言却是个小量 ! 所以 我 们 还 是 能 够 通 过 分 析 得 到 全 球区域性的 I L?- 分布 $ , 本文 对 流 层 顶 的 选 择 为 $ 北 # 南% 半球# % q
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ) !! "*
对流层化学系统中 F 8 ) # 及 其 他 活 性 物 质 的 输 入 $W 1 0 8 R 8 1 9# 认为平 流 层 & 对 流 层 交 换 对 上 对 流 层 臭 氧 有很大影响 ! 在对流层下层 I L?- 只对辐射 和光化
)*
学不活跃地区的臭 氧 影 响 很 大 ! 在 其 他 地 区 地 面 臭 氧的季 节 循 环 主 要 由 光 化 学 过 程 控 制 $^ / R 0 8 >和 I : 2 7 8 = / : 2, 认为来自 平 流 层 的 臭 氧 富 集 的 空 气 可 B 以被输送到近地 面 或 对 流 层 中 下 部 $ 然 而 ! 即 使 在
)! * )"* 近 $I 和W 的研 究 也 是针 对 / 8 C 8等 ! / . / S 7 8等 ! B k
"# +! 质量通量的计算方法 本文计算穿越对流 层 顶 质 量 通 量 的 方 法 采 用 *
)& * 坐标系下的 \ 8 0公式 #
个例进行的 ! 这并不 能 回 答 整 个 北 半 球 甚 至 全 球 的
" N* N! N! % 3<3M 采用 #$ I . & % q _# +h! % Q 3> 动 力 学 ) * , % 对流层顶 # 以# !%,! % q _# ’ %< 等 位 温 面 *9 I% 5% 3 ) &* 的对 定义热力学对流层 顶 # ,# ! % q % q _# *# I% ’ %< % ! ! #* 流层顶用两种定义的权重平均 )
! # & "
"卷!第! # 期 !$ # # "年! #月 !第!
)%* 的 $E 通过个 例 研 究 得 到 大 尺 度 的 纬 向 平 均 8 0 C 8 S!
的质量循 环 ! 指 出 在 年 平 均 的 尺 度 上 Y / 9 1 8 3环流 是对流层向平流 层 输 送 的 主 要 机 制 ! 中 高 纬 度 地 区 平流层 向 对 流 层 的 输 送 主 要 发 生 在 大 尺 度 涡 旋 附