（气象学专业论文）北半球冬季平流层爆发性增温的动力诊断分析.pdf

摘要 使用欧洲中心6 0 层逐日模式资料，研究了2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季北半球平流层的爆发性增 温事件，对增温过程中平流层环流的异常、行星波与基本气流的相互作用、极涡扰动带来 的风、温异常的输送、平对流层相互作用等方面进行了动力诊断分析，结果表明： 1 本次s s w 增温时间长、增温强度大，高温和纬向风异常最早在平流层上层出现后逐渐 向下发展并增强，一直持续了近三个月的时间。在s s w 过程中极涡从上层开始逐层向 下减弱分裂，随着纬向东风在l o h p a 的建立，行星波向上作用的高度逐渐降低，使得 极涡又从上层开始逐层恢复，在l o h p a 以上的平流层高层极涡在增温开始后不久就恢 复、重建了。 2 在平流层的增温过程中，极涡的异常活动使得平流层里存在着一对向极、向下的传播 模态，不同符号的纬向风和温度异常的信号沿着这两个模态传播，而近地面对流层中 也有一向赤道的传播模态；平流层中向极、向下的传播模态和对流层中向赤道的传播 模态在时间上存在着一定的联系，几乎是当纬向风异常在高层传播到达极区时，低层 传播开始。整个极涡活动过程可以用一个非绝热加热作用和斜压波动作用共同驱动的 经圈质量环流饵释，这一环流造成了中低纬地区的暖空气和极地区域的冷空气在平、 对流层的交换，对整层大气的热力学、动力学配置进行了重新组合。 3 在s s w 过程前后，平流层中的剩余环流在上下层发生反转，影响了平流层中、高纬地 区同低纬地区之间的物质交换，造成大气上、下层物质的重新分配。由于平流层大气 中的臭氧是维持辐射平衡的重要气体，故剩余环流的变化对于平流层大气环流的影响 是不容忽视的。 4 通过将两次增温过程的比较，发现平流层增温的高度和强度取决于行星波的作用高度 和作用时间，0 3 一0 4 年的增温过程中在1 0 h p a 高度形成纬向东风带，使得之后的行星波 i i i 作用集中在这一高度以下。建立等熵位涡坐标分析后，发现这样的增温形式更加利于 平流层环流异常的向下、向赤道的输送，对于平对流层相互交换的影响更大，更利于 将平流层异常作为信号对对流层环流演变进行预测，也就更值得我们进一步的关注、 研究。 关键词：平流层爆发性增温、行星波、e - p 通量、剩余环流、0 一p v l a t 坐标、质量环 流 i v a b s t r a c t i n t h i sp a p e rw ed i a g n o s et h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa l li n t e n s es t r a t o s p h e r i cs u d d e n w a r m i n gb r o k eo u tf r o md e c e m b e r2 0 0 3t om a r c h2 0 0 4b yu s i n gt h ee c m w f m o d e l d a i l yd a t a b yi n v e s t i g a t i n gt h ea b n o r m a l i t yo fs t r a t o s p h e r i cc i r c u l a t i o n , i n t e r a c t i o nb e t w e e np l a n e t a r yw a v e a n db a s i cf l o w , p r o p a g a t i o no fz o n a lw i n da n dt e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni n d u c i n gb yt h eo s c i l l a t i o n o fp o l a rv o r t e x , a n de x c h a n g eb e t w e e ns t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r e ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o n sa s f o l l o w s ： 1 t h i ss s we v e n th a sal o n ga n di n t e n s ep r o c e s s a f t e rt h eb e g i n n i n go fw a r m i n ga n d v a r i a t i o no fz o n a la v e r a g ew i n di nh i g h e rs t r a t o s p h e r e ，t h ea b n o r m a l i t yo fs t r a t o s p h e r i c c i r c u l a t i o nd e v e l o p e dd o w n w a r da n dt h es s wl a s t e da b o u tt h r e em o n t h s d u r i n gt h e p r o g r e s so ft h i ss s w ：p o l a rv o r t e xw e a k e n e da n dd i v i d e di n t ot w op a r t sf r o mu p p e r s t r a t o s p h e r et ol o w e r w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fz o n a le a s t e f l i e si n10 h p aa l t i t u d e ，t r a n s p o r t o fe n e r g ya n dh e a tb yp l a n e t a r yw a v eb e g a nt od e s c e n d ，m a k i n gt h eb r o k e np o l a rv o r t e x s t a r tt or e c o n s t r u c tf r o mu p p e rl e v e l a b o v et h elo h p aa l t i t u d e ，p o l a rv o r t e xr e c o v e r e da n d r e e s t a b l i s h e ds o o na f t e rt h eb e g i n n i n go fs s w 2 d u r i n gt h ep r o c e s so fs s ww i t hp o l a rv o r t e xo s c i l l a t i o n , t h e r ei sap a i ro fp r o p a g a t i n g m o d e sw h i c ha r ep o l e w a r da n dd o w n w a r di ns t r a t o s p h e r ea n da ne q u a t o r - w a r dp r o p a g a t i n g m o d ei nt r o p o s p h e r e a l o n gw i t ht h e s et w om o d e s ，z o n a lw i n da n dt e m p e r a t u r ea n o m a l i e s t r a n s p o r ta st w oo p p o s i t es i g n a l s t h e s et w op r o p a g a t i n gm o d e sm e n t i o n e da b o v eh a v e s o m er e l a t i o n si nt i m es c a l e ，w h i c hi st h a tt h es t a r t i n gt i m eo ft h ee q u a t o rw a r dp r o p a g a t i n g i sn e a r l yt h es a m ea st h ea r r i v a lt i m eo fp o l ew a r dp r o p a g a t i n g ，a n dw ec a ne x p l a i nt h e v a r i a n c eo fp o l a rv o r t e xb yam e r i d i o n a lm a s sc i r c u l a t i o nd r i v e nb yb o t hd i a b a t i ch e a t i n gi n l o wl a t i t u d e sa n db a r o c l i n i ce d d i e s t h i sc i r c u l a t i o nl e a d st ot h ee x c h a n g eo fw a r ma n dc o l d a i rb e t w e e nt h eh i g ha n dl o wl a t i t u d e sa r e a sa n ds t r a t o s p h e r et ot r o p o s p h e r e ，m a k i n gt h e v r e e s t a b l i s h m e n to f t h ew h o l ea t m o s p h e r ed y n a m i c a la n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s 3 t h er e s i d u a lc i r c u l a t i o ni ns t r a t o s p h e r er e v e r s e da f t e rs s w ：i n d u c i n gt h ea l t e r n a t i o no f t r a n s m i s s i o nb e t w e e nh i g ha n dl o wl a t i t u d e sa n dd i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tv e r t i c a ll e v e l s b e c a u s eo z o n ei st h em o s ts i g n i f i c a n ta i rt ot h es u s t a i n m e n to fs t r a t o s p h e r i cr a d i a t i o n e q u i l i b r i u m ，t h ea f f e c t i o no fr e s i d u a lc i r c u l a t i o nt ot h es t r a t o s p h e r ec a n tb ei g n o r e d 4 b yc o m p a r i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f0 2 - 0 3s s w ：w ef o u n dt h a tt h ec o n s t i t u t i o no fz o n a l e a s t e r l i e si nlo h p aa l t i t u d ep r e v e n tt h ep l a n e t a r yw a v et r a n s p o r t i n gt h r o u g ht h i sl e v e la n d t h ee n e r g yb r i n g i n gb yp l a n e t a r yw a v eo p e r a t e dt ot h el o w e ra t m o s p h e r eb e l o wlo h p a a f t e r e r e c t i n g0 一p v l a tc o o r d i n a t e ，w ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h i sk i n do fw a r m i n gm o d e l i k e0 3 0 4i sp r o p i t i o u st ot h ep r o p a g a t i o no fc i r c u l a t i o na n o m a l i e sf r o ms t r a t o s p h e r et o t r o p o s p h e r e ，a n dh a sm o r ea f f e c t i o no ns t e t h e r e f o r e ，t h i sf a c e to fs s wa t t r a c t su st o c o n t r i b u t em o r ea t t e n t i o nt oi n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o no fs t r a t o s p h e r i cc i r c u l a t i o na b n o r m a l s i g n a l s k e yw o r d s ：s t r a t o s p h e r i cs u d d e nw a r m i n g ，p l a n e t a r yw a v e ，e - pf l u x , r e s i d u a lc i r c u l a t i o n , a 一尸幽tc o o r d i n a t e sm a s sc i r c u l a t i o n v i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日 期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 1 1 引言 第一章绪论 气候条件是人类生产、生活的一个重要自然条件，经济建设和人民生活都直接或间接地 与它有着密切的联系，所以对气候预测的要求和需求是与时俱进的。而气候预测的时间尺 度较长，少则数月多则几十年、几百年，想要提高它的预测准确性，需要对大气的状况有 更加真实、准确的认识。以往由于观测手段的局限和观测资料的缺乏，研究大多集中在对 流层和近地面大气，对于平流层大气，以及平流层与对流层大气间相互作用的研究相对缺 乏，但众多事实表明，大气环流在垂直方向上存在着相互作用、相互影响，对流层通过大 气波动的上传影响平流层，平流层大气则将下层上传来的无序波动重新组织，引起平流层 环流的持续异常，而这些异常又反馈给对流层并影响天气、气候，所以对平流层大气变化 发展的研究是十分重要和必要的。爆发性增温( s s w ) 是平流层大气中一种十分突出的天 气现象，它的出现直接改变了平流层大气的温度、风场等气象要素，并对极涡和臭氧的分 布造成了重要的影响，研究表明平流层中的这一强天气异常信号可以逐层向下传播，作为 对流层天气异常的预兆因子。本文以2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季的平流层爆发性增温为例，从动力 学诊断的角度出发，对其进行了全面的分析研究，为进一步的全大气模式( w a c c m ) 模 拟研究做好准备、打下基础。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 平流层大气概要 对流层顶向上直至离地面约5 0 公里的中间层之下的大气层称为平流层。在这一层里， 温度的垂直分布于对流层不同( 对流层中温度随高度的增加按每公里约降低6 5 0 c 的规律 分布) ；从对流层项起，有一个温度随高度不变或随高度变化很小的层次，称为同温层；在 2 5 公里以上，温度随高度迅速增加，升温率约为每公里2 。c ，到5 0 公里附近温度达极大值， 这即为平流层顶。而且本层大气的垂直对流不强，多为大尺度的平流运动；大气中只有少 量的水汽，但包含了大气臭氧层中臭氧的主要部分，水汽和臭氧在辐射平衡中起着主要作 用；由于此层大气中尘埃的含量很小，故大气的透明度很高。平流层具有高温的特征是由 于大气中的臭氧吸收太阳紫外辐射增温所致，虽然平流层中的水汽、二氧化碳和臭氧向外 的长波辐射使大气损失热量，但臭氧对太阳紫外线辐射的吸收，以及水汽对太阳红外辐射 的吸收，不但能补偿此项辐射损失，而且还能使大气升温。因此臭氧对太阳紫外辐射的吸 收，臭氧、水汽和二氧化碳向外的长波红外辐射，构成了平流层大气中的冷热源汇，产生 了平流层大气的温度分布和大气环流。 在北半球冬季，平流层的极地区域为冷中心，温度自南向北递减；而夏季则为暖中心， 温度自北向南递减。按照热成风近似平衡的关系，相应于温度的水平分布，平流层的环流 分布在冬夏季截然不同。夏季，整个北半球被一个强大的反气旋所控制，高气压中心位于 北极，故从北极到热带都盛行东风；冬季则完全相反，一个强大的绕极气旋性涡旋控制了 整个北半球，低气压中心位于极地上空，故从北极到热带盛行西风环流。不过无论冬夏， 平流层的环流都比较平直，超长波较为突出，平流层和对流层之间的大气环流可以相互影 响。例如，对流层的波动将能量向上传播，以及平流层对上传能量的拦截和吸收，都将会 影响平流层的环流演变。平流层冬、夏季大气环流的基本状态随着季节变化其转变的形式 每次不尽相同，通常有自夏至冬的缓变型和自冬至夏的突变型。从夏至冬通常是绕极的反 气旋环流逐渐减弱，极地高纬度地区逐渐出现气旋性环流，极夜来临之后，气旋性环流进 一步加强，终于形成冬季的典型形势；而从冬到夏则常常是：大气环流由冬天的气旋形势 突变为反气旋形势后不再恢复；另外还有一种与此不同的特别情况就是冬末春初有时候在 高纬极区会出现几天之内升温达几十度的爆发性增温现象，在此增温期间，极涡和极夜急 流崩溃，即绕极气旋性环流受到破坏，在一个较短时间内，反气旋环流控制极区，随着增 温的结束反气旋减弱并逐渐恢复为气旋，人们称这一过程为平流层爆发性增温现象。平流 层爆发性增温与季节转换不同，爆发性增温过程完全结束后会再一次出现增温( f i n a l w a r m i n g ) ，而这次增温就使得冬季气旋性环流减弱并逐渐转变成典型的夏季反气旋性环流 2 形势。平流层环流的季节变化，常常成为对流层环流产生变化的先兆，故有助于长期的气 候预测。 对于平流层大气的研究，除了爆发性增温现象外，还有一些其它问题也受到广泛关注， 例如热带地区平流层纬向风的准两年周期振荡现象( q b o ) 、行星波与平流层大气基本气流 的相互作用、剩余环流和各种微量气体分布对臭氧、温度的影响、南半球极地平流层臭氧 损耗问题等。这一系列问题相互问都存在着联系和影响，都值得也需要我们进行更加深入 的学习和研究。 1 2 2 平流层爆发性增温的观测和研究 爆发性增温是冬季平流层经常发生的现象，因此研究爆发性增温的动力学过程有助于 进一步认识平流层大气的变化发展。研究表明平流层爆发性增温几乎每年都发生，在它发 生期间温度场和环流场的变化不仅出现在平流层中，在对流层中、高层，中低纬和中高纬 环流也出现相应的变化。因而在平流层过程对气候影响的研究中对平流层爆发性增温的研 究占着重要的地位。它的发生是由于准定常的行星波与平流层基本气流相互作用，导致行 星波在平流层中增强，从而加强了对流层向上传播的能量所致。因此，围绕爆发性增温的 研究是平流层大气研究的中心课题之一。 自1 9 5 2 年德国科学家谢尔哈格( q s c h e r a g ) 发现了平流层爆发性增温( 简称s s w ) 以后， 人们采用人造卫星红外分光计、温度垂直廓线辐射仪、飞机、火箭、雷达、高空气球等探 测技术对其进行观测和研究。例如，早在1 9 5 9 年r i c h a r d 1 1 等就利用探空资料描述了1 9 5 7 年发生的爆发性增温现象：1 9 5 7 年1 月中旬高纬大约1 0 h p a 高度处出现温度突然增加的现 象，而且此处不寻常的增温现象逐渐向低层传递并北移，同时平流层的环流场也发生了剧 烈的变化，西风急流减弱。这种温度场和环流场的剧烈变化势必涉及到能量的变化，因此 s i d n e y t 2 】利用s a l t z m a n l 3 l 的谱能量方程谱分析了1 9 5 8 年发生的增温，研究表明在增温前平 流层的行星波l 波动能迅速增加；同时b o v i l l e t 4 l 用谐波分析方法从动力方面研究了1 9 5 8 5 9 年平流层极涡的崩溃。对于早期的爆发性增温现象，学者们主要是进行个例分析。f r e d e r i c k 陋】 等用雷达探测数据分析了1 9 6 3 年冬天平流层爆发性增温期间环流的变化，而p a u l 和 3 l a b i t z k e i 6 1 从大气能量方面描述了此次增温现象，发现高纬增温时低纬降温。同期r e e d l 7 1 ， l a t e e f t | 8 1 ，m i y a k o d a l g l ，s e k i g u c h i t l 0 1 等人分别对这段时间( 1 9 5 7 1 9 6 3 年) 发生的爆发性增温现 象进行了个例分析。以上研究结果都表明平流层爆发性增温是平流层环流的一种特殊现象， 而且它的发生伴随着斜压不稳定的加强。 随着卫星、雷达等探测技术的改善和成熟，特别是地球观测卫星技术的突破，所获取 的大量大气观测资料使平流层爆发性增温的研究进入快速发展阶段。f r i t z t i l l 利用n i m b u si i i 卫星获得的资料分析了平流层大尺度温度变化，再一次证实极地发生增温时热带和夏半球 的平流层的温度降低，而且这种高纬和低纬的负相关是由于经向环流和大尺度涡旋变化导 致的热量传输的变化而引起的；并分析了高纬和低纬的负相关程度，即当北纬5 0 度温度升 高7 度时赤道就下降1 度，而当极地有更强的增温时赤道并没有大幅度的温度下降。 1 9 6 3 年世界气象组织把平流层爆发性增温分为强增温和弱增温两类，强增温是指 l o h p a 及其以下的平流层北纬6 0 0 n 以北经向温度梯度反转的同时伴随着极涡的崩溃，6 0 。n 以北的纬向平均风场反转为东风，而弱增温是只有温度梯度发生反转而极涡不发生崩溃， 关于这一规定得到了气象学者们的认可。平流层爆发性增温主要发生在北半球，而南半球 很少发生，早期只有q u i r o z l l2 】在1 9 7 4 年研究了1 9 6 9 1 9 7 3 年问南半球的一次弱爆发性增温 现象。自有记录以来只观测到2 0 0 2 年9 月唯一的一次南半球强爆发性增温事件。 1 2 3 平流层爆发性增温形成机制的研究概况 对于平流层爆发性增温现象在上世纪六、七十年代已经给予了充分的研究，然而对于 它发生的原因还是很模糊。人们开始探索它的发生机制，发现在平流层增温开始的地方出 现反气旋阻塞形式并且上涌。r e e d 在1 9 6 3 对s s w 发生的原因给了初步的解释：极地增温 时低纬盛行上升气流并向北传播，他认为增温是由于气流质量与能量的向北输送而引起的。 这与s t a 一”】、n e w e l l t l 引、w h i t e 等认为的涡动动量通量和热通量向北输送引起环流加强 和温度增加是一致的。而p a u l 1 6 等、c r a i g 和l a t e e f t l 引、d u t s c h 1 8 1 等认为增温的发生是由于 对流层能量的堆积然后通过垂直运动的输送而引起的。直到1 9 7 1 年m a t s u n o 提出：平流层 爆发性增温的发生是由于对流层行星波向平流层传播并与平均流相互作用而引起的，此时 4 关于增温机制才有了更深的认识，这一理论的提出得到了广大学者们的认可，并且 h o l t o n t l9 1 、l a b i z t k e l 2 0 1 、q u i r o z t 孔1 、p i e r e 和f a i r l i e l 2 2 1 等人对对流层行星波的上传而引起平 流层爆发性增温的效应从理论和观测上给予了很好的研究并给予证实。1 9 7 6 年h o l t o n l 2 3 i 在m a t s u n 0 1 2 4 的基础上利用半波模式进一步模拟了平流层的波流相互作用来阐述增温机 制，然而他对于行星波1 波的模拟结果没有体现出m a t s u n o 2 4 发现的多层增温结构，也没 有下传的临界层。1 9 8 0 年h s u t 婪】采用h o l t o n 的半波模式通过模拟爆发性增温过程中空气粒 子的拉格朗日运动证实了m a t s u n o t 2 4 j 的理论。 1 2 4 平流层爆发性增温与行星波关系的研究概况 早期对于行星波的研究还没有很好的表达工具。直到1 9 6 1 年e l i a s s e n 和p a l m 【2 6 1 以及 c h a m e y 和d r a z i n l 2 7 研究了行星波的垂直传播，提出了用波的能量通量来研究波的传播， 即e p 通量。人们对行星波的认识才逐渐完善。后来d i c k i n s o n t 2 8 - 3 1 1 又提出了行星波会从高 纬度向平流层传播，即极地波导理论以及行星波传播的临界层理论，以及他随后提出的波 流相互作用理论。这些理论的提出为m a t s u n o 解释平流层爆发性增温机制奠定了理论基础。 之后，由于波在具有切变的基本气流中传播，其能量不守恒，因而a n d r e w s 、m c i n t y r e t 3 2 1 和b o y d t 3 3 1 以及e d m o n l 3 4 1 等在前人的基础上发展了波作用通量，提出了广义的e p 通量， 即把传统的e p 通量关系推广到现在广泛使用的变形欧拉e p 通量关系。 后来我国学者黄荣辉【3 5 】等在前人的基础上完善了这一理论，提出：波还会从中高纬度的 对流层下层通过对流层向低纬的对流层项附近传播。陈文【3 6 l 等分别用n c e p n c a r 再分析 资料和数值模拟的资料基于1 9 8 7 年a n d r e w s l 3 7 1 等提出的变形欧拉方程的基础上计算了冬季 北半球准定常行星波的e p 通量，证明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿 两支波导传播的特征，与理论研究的结果一致，同时还用此计算数据讨论了冬季准定常行 星波的e - p 通量分布的年际变化，发现这两支波导有明显的年际振荡。高守亭【3 8 l 等为了更 好地研究高空波动与高空急流的相互作用，提出了一个广义斜压大气e p 通量，对高空急 流的加速进行了诊断和解释。在此基础上冉令坤【3 0 】等又推导出一个新形式的e - p 通量，讨 论高空急流区内纬向基本气流加速与e p 通量的关系。 5 波流相互作用理论和e - p 通量的提出对于近代平流层动力过程的研究起了很好的推动 作用。e - p 通量不仅可以表征行星波的传播，也是诊断波流相互作用的有力工具。自m a t s u n o 提出平流层爆发性增温是由于对流层行星波的上传而引起的，之后，人们就利用行星波的 变化来讨论爆发性增温。l a b i t z k e 4 0 1 曾通过研究冬季行星波振幅的变化发现：行星波1 波的 增幅是强增暖爆发前的先决条件，同时2 波振幅达最小值；极涡的崩溃经常伴随着1 波振 幅的迅速减弱和2 波振幅的增强。在此基础上，人们就行星波活动对爆发性增温影响的研 究越来越深入，k a n z a w a l 4 、p a l m e r t 4 2 i 、o n e i la 和y o u n g b l u t l 4 3 1 等用e - p 通量诊断平流层 爆发性增温。其中o n e i la 和y o u n g b l u t 利用变形欧拉方程计算了1 9 7 6 1 9 7 7 年冬天爆发 性增温时e p 通量和剩余环流的变化。本文也应用了黄荣辉等推导得出的p 坐标系下e p 通量及其散度公式对2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季的这次特殊的平流层爆发性增温过程中的行星波特 征进行了诊断分析。 1 2 5 平流层变化对对流层影响的研究概况 在早期人们就注意到平流层爆发性增温发生时不仅使平流层发生剧烈的反常变化而 且对流层也受其影响发生一系列的变化。很早人们就发现平流层极地发生爆发性增温时对 流层有很强的气旋活动，并且在爆发性增温发生前后对流层和平流层是相互依赖发展的。 1 9 6 5 年p a u l 和l a b i t z k e 6 】详细解释了平流层和对流层的这种相互依赖关系：1 9 7 7 年 r a m a n a t h a n 4 4 】在前人( l a b i t z k e l 45 1 、p a u l 6 1 、q u i r o z 4 们、m a d d e n l 4 7 1 、m a t s u n o l 2 4 1 和h o l t o n 4 8 j 等) 的基础上提出：在平流层发生爆发性增温时平流层和对流层间存在着反馈机制，即极 地温度大幅度增加对极地对流层及其表面产生热效应，而平流层增温的发生是由于对流层 行星波强迫产生的位能的向上输送。波流相互作用即e - p 通量理论的完善为我们更好的研 究爆发性增温时平流层和对流层之间的相互影响提供了坚实的理论基础。a n d r e w s 和 m c i n t y r e e 3 _ 、e d m o n 3 4 等认为对于平流层和对流层关系的物理机制可以通过e - p 通量诊断 和波流相互作用理论来解释。1 9 7 1 年m a t s u n o m 】得出的爆发性增温期间对流层行星波的上 传机制就是一个很好证明。 关于平流层异常的下传而引起对流层变化的研究目前尚未完善。b a l d w i n 和 6 d u n k e r t o n l 4 9 1 发现作为平流层向对流层传播信号的北极涛动( n a o ) 与爆发性增温有关，它 不单由平流层向下传播，而且通过对流层时有大的振幅并能维持；k o d e r a s o 等也发现和北 极涛动相关的环流不但具有行星波的经向输送特征而且还有很明显的极涡强弱的变化。 k u r o d a t 引1 等研究得出冬季平流层存在着纬向平均纬向风异常的缓慢传播，并且这种异常是 从平流层上层的副热带向极地的平流层低层和对流层传播，历时大约2 3 个月；接着 k o d e r a t 5 2 1 等采用经验正交函数研究了与爆发性增温有关的纬向平均纬向风异常的缓慢传 播，发现爆发性增温的发生与纬向风异常的缓慢传播是同步的，即它是作为纬向风异常缓 慢传播的一个阶段。y 0 d e n 等利用柏林对流层平流层中间层大气的全球模式研究爆发性 增温，根据行星波1 波和2 波的相对强度在模式结果里对多次爆发性增温进行合成，发现 由1 波引起的增温在许多方面与2 波引起的增温不同，尤其是只有2 波引起的增温才会下 传到对流层。p e r l w i t z 和g r “l 应用一个单波方法分析5 0 h p a 极涡和5 0 0 h p a 位势高度来 研究平流层和对流层的关系，他们发现极涡强度是平流层下传引起对流层环流变化的主要 因素，尤其是纬向1 波，例如5 0 0 h p a 的纬向2 波无论极涡强度如何它都与5 0 h p a 的纬向 2 波有一个很好的滞后相关，然而对于1 波，它只有在强极涡形式下才存在这种相关。在 近期的研究中，2 0 0 1 年b a l d w i n 和d u n k e r t o n t 5 5 研究了平流层对于异常天气的预报作用， 即弱极涡事件( 爆发性增温) 和强极涡事件对对流层的影响，指出平流层的异常能够影响到 对流层。2 0 0 2 年z h o us h u n t a i 5 6 1 分别从天气尺度和行星尺度来研究极地平流层温度的异常 对对流层的影响，进而确定它们之间所必须的动力条件，同时也指出了爆发性增温对对流 层的影响，即极地平流层的增温向下传播引起对流层的增暖大约要用2 3 个星期左右。2 0 0 4 年v a r a v u t 、l i m p a s u v a n t 5 7 1 等利用4 0 年n c e p n c a r 再分析资料合成分析了3 9 次强爆发性 增温和弱爆发性增温的演变以及行星波在此过程中的演变，研究表明，增温初期在平流层 和对流层存在行星波1 波强迫，而在加强期行星波驱动使平流层极涡减弱，它的向下传播 使东风环流和正温度异常形成，并且这种异常向对流层下传，而环流异常的下传伴随着e p 通量散度异常的下传，表现了波流相互作用理论，当环流异常下传到对流层顶时，对流层 环流就具有了动量通量和热通量的异常。2 0 0 6 年，c a i 和任荣彩 5 8 - 6 1 1 利用n c a r 的2 3 年 等熵面再分析资料研究指出：北半球冬季平流层极涡变化的周期大约是三个半月( 1 0 7 天) ， 7 整个过程里，平流层中存在着一对位涡及环流异常向极、向下的输送模态。之后他们又利 用极涡扰动指数和等压面资料对温度场进行了合成分析，得到：在对流层中、下层存在温 度场异常的向赤道传播，并且与上层的温度异常输送在时间上有着一定的联系。 1 2 6 我国平流层爆发性增温的研究情况和最新研究进展 我国学者对一平流层爆发性增温也进行过研究。1 9 8 5 年仇永炎以及后来的翟章、张可 苏等对爆发性增温发生时表现出的环流特征进行过研究。陈隆勋6 2 j 在研究冬半年平流层中 部环流的变化及爆发性增温现象时曾指出：冬季平流层环流变化和对流层的环流变化有相 当好的对应关系。金继明删指出3 0 6 0 天的低频振荡对平流层爆发性增温有相当大的贡献。 王强等f 删又研究了平流层爆发性增温过程中的平均环流特征，指出增温期间温度为正距平， 增温前后为负距平，同时还指出纬向环流增温前到后北半球5 0 h p a 上由高纬2 波，中纬3 波波型转变为绕极涡旋的3 波型。邓淑梅、陈月娟睁5 】根据s s w 期间行星1 波、2 波的不同 作用特点提出了行星波活动的三种类型，对爆发性增温发生的行星波条件进行了补充。 对于平流层爆发性增温c h a r l t o n l 6 6 】有新的认识，根据爆发性增温发生时是否引起极涡 分裂而分为两类，一类是极涡分裂的增温事件，一类是极涡转移的增温事件，而两类增温 事件对平流层中层和对流层的影响也不同，极涡分裂的增温事件对平流层中层温度的影响 要比极涡转移的增温事件长2 0 天，相反对对流层的影响反而不如极涡转移的增温事件敏 感。 1 3 本文的主要研究内容 根据以上对平流层爆发性增温研究现状的分析，确定本论文采用数据分析结合理论计 算的方法，研究平流层爆发性增温期间的动力过程，极涡、行星波、剩余环流的演变以及 它们对微量气体输送的影响等，具体内容如下： 1 使用欧洲中心的6 0 层模式分析资料对2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季发生在北半球平流层的爆发性 增温现象进行动力诊断分析，通过对不同高度等熵位涡分布的分析，研究极涡在s s w 发生 8 前后的变化发展；通过对e p 通量及其散度的分析，研究s s w 过程中行星波的变化特点； 通过对剩余环流的分析，研究在s s w 过程中北半球中高纬地区经圈环流的变化，及其对不 同物质、化学成分输送的影响。 2 充分利用本资料垂直层次高( 最高层为o 1 h p a ) 、分辨率细( 垂直方向共6 0 层) 的优势， 着重分析了平流层中高层( 1 0 0 h p a - 0 1 h p a ) 在s s w 前后的变化特征，探索了平流层异常信 号对对流层天气影响的预报可能性。 3 应用欧洲中心同样的资料构建了半拉格朗日的二维0 一p v l a t 坐标，在新坐标中对 2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季北半球平流层极涡的活动过程进行动力诊断分析。得到了极涡活动过程中 环流的输送特征。 4 通过比较2 0 0 2 0 3 年与2 0 0 3 0 4 年冬季发生的两次爆发性增温事件，分析得出行星波的 传播特征与s s w 的增温特征所对应的关系，以及怎样的爆发性增温类型更加容易对对流层 大气环流造成影响。 1 4 研究意义 本论文的目的和意义在于：对本次较为特殊的爆发性增温现象进行系统分析，利用资 料的优势挖掘平流层中高层独特的变化规律；从理论上分析研究增温过程中行星波和剩余 环流的演变，对其动力过程的认识更加清晰；建立半拉格朗日的9 一p 阳4 r 坐标，从物质 输送的角度分析极涡在爆发性增温过程中的变化特征；结合最新的卫星资料来认识爆发性 增温对微量气体分布的影响以及u t l s 区域平对流层交换的特征。这些工作为整层大气系 统( 对流层平流层中间层) 的研究提供了有力的依据和信息，同时也利于了解整个气候 系统的变化而有助于中长期天气预报和气候模式的发展、完善。 9 第二章资料与方法介绍 本章主要介绍论文中使用到的资料和方法。资料包括：e c m w f e r a 4 0 、e c m w f 模 式资料以及m i p a s 卫星资料。 2 1 资料说明 2 1 1e c m w f ( e u r o p e a nc e n t r ef o rm e d i u mr a n g ew e a t h e rf o r e c a s t s ) 资料 e c m w f e r a - 4 0 资料是欧洲中心u r o p e a nc e n t r ef o rm e d i u mr a n g ew e a t h e rf o r e c a s t s ) 提供的再分析气象资料，覆盖时间从1 9 5 7 年9 月至2 0 0 2 年8 月，使用当前最新的技术， 采用t 1 5 9 l 6 0 谱模式结合n 8 0r e d u c e dg a u s s i a ng r i d d e d 方案，是使用三维变分同化技术的 再分析资料。该资料有两种水平分辨率：2 5 0 2 5 0 ( 气压分层) 、1 2 5 0 1 2 5 0 ( 模式分层) ， 水平覆盖范围是从南纬9 0 度至北纬9 0 度、西经1 8 0 度至东经1 8 0 度，该资料提供了多种 垂直分层方案，包括指定气压层p r e s s u r el e v e l s ( 从近地面的1 0 0 h p a 至0 1 h p a ，共2 3 层) ； 指定位温层p o t e n t i a lt e m p e r a t u r el e v e l s ( 2 5 6 k 至8 5 0 k , 共1 5 层) ；和本文主要使用的模式内 分层m o d e ll e v e l s ，从近地面的9 9 8 h p a 至平流层顶的0 1 h p a ( 约6 0 公里) ，高于n c e p 再 分析资料最高层的1 0 h p a ( 约3 0 公里) 和它本身的再分析资料最高层的l h p a ( 约4 0 公里) ， 并且从1 0 h p a 到0 1 h p a 共有1 4 层资料，这一特点使得该资料可以很好的用来表征平流层 的变化过程。该资料提供了月平均和逐日( 每6 小时一次) 两种精度的资料，变量包括了气 温、纬向风速、经向风速、垂直速度、位势高度资料等气象要素。关于该资料的详细说明 参见它们的技术手册。 2 1 2m i p a s 卫星资料 m i p a s ( m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rf o rp a s s i v ea t m o s p h e r i cs o u n d i n g ) 是搭载在极轨太阳 同步卫星e n v i s a t 上的一个传感器，它表示使用迈克耳逊干涉仪对被动大气进行探测， 是一种高分辨率的傅立叶变换分光计探测方法。e n v i s a t 是欧洲空间局发射的对地观测卫 1 0 星系列之一，它位于8 0 0 公里的高空，倾角为9 8 5 5 度，主要对陆地、海洋和大气进行观 测。而m i p a s 传感器是第一次在宇宙空间获得地球大气的高光谱分辨率的中红外区辐射光 谱，在6 8 5 至2 4 1 0 c m - 1 ( 对应得波长为1 4 6 至4 1 5 微米) 的辐射光谱中( 光谱分辨率为 0 0 2 5c 聊- 1 ) 可以同时得到四条光谱带。因为m i p a s 的使用寿命大约是5 年，所以它不分 昼夜的对地球大气进行观测，每天提供一次全球覆盖的观测数据。并且m i p a s 的每条观测 轨道都会进行7 5 次的扫描，以提供足够的数据对探测结果进行校正，对每次扫描结果的分 析决定了各种大气成分、温度场和气压场的最终垂直分布扩线。这里使用了二级( l e v e l2 ) 的实时最优分析法对m i p a s 的观测数据进行分析，通过这一方法，我们可以自动的连续获 得地球大气的温度、气压以及六种微量气体( 臭氧、水汽、甲烷、硝酸、氧化二氮和二氧 化氮) 从1 2 公里至6 8 公里的垂直分布情况，再通过一定的质量控制将这些卫星观测数据 插值到气象分析所需要的等压面、等熵面上。 2 2 方法说明 2 2 1 经验正交函数( e o f ) 分解法 经验正交函数分解是针对气象要素