低纬平流层臭氧对对流层顶温度的影响

【摘  要】低纬对流层顶是全球平流层与对流层发生物质交换的关键区域，而臭氧其中起了重要的作用。在一定程度上，平流层也可以对对流层及对流层顶产生影响。本文采用1979～2014年ECMWF再分析资料，采用合成分析的方法探究低纬平流层臭氧对对流层顶温度的影响。发现：（1）低纬度地区平流层臭氧柱总量的低值区有明显的南北半球季节调整规律。（2）低纬度120°～180°W附近均有可通过显著性检验的负值区，说明此处平流层臭氧增加时，对应地区的对流层层顶温度会下降，此区域的动力效应超过了臭氧本身的净辐射强迫。（3）在冬季120°E的弧形区域中，平流层臭氧的辐散效应在起作用。

【关键词】低纬平流层臭氧柱总量;对流层顶温度;合成分析

引言

平流层臭氧（O3）的改变对于对流层及其对流层顶的辐射影响是复杂的。从辐射角度来说，臭氧在9.6μm有一个强的红外辐射吸收带，它对于对流层尤其是對流层高层有明显的加热效应。但平流层内还存在很多的其他成分也会对对流层及对流层顶温度造成影响。从动力角度来说，当平流层臭氧通过辐射效应使得对流层及对流层高层增温以后，对流层顶的高度上升，而对流层顶温度自然下降。

至今为止，已经有很多人研究了对流层顶对于平流层的影响，并且也取得了很大的进展。但对流层顶是强大的大气阻挡层，不仅抑制着水汽和气溶胶的垂直交换，且也是平流层与对流层臭氧迁移的天然屏障。因此，平流层臭氧的变化可以对对流层顶的气象要素产生影响，平流层也在一定程度上影响了对流层。因此，现在我们把目光投向平流层对于对流层顶的温度影响。通过对此的研究，更进一步了解对流层顶中温度这一要素的变化特征。

1.资料和方法

1.1资料

本文采用1979至2014年ECMWF0.75°×0.75°再分析资料，低纬度地区（30°S～30°N）共有11层（100～1hPa）的臭氧质量混合比、位势高度、温度的月平均资料。

1.2平流层臭氧单位转换

一般，我们将100hPa以上视为平流层，且臭氧浓度的计量单位采用DU。1Du表示标准状态下单位面积上有0.01mm厚的臭氧。本文将臭氧质量混合比利用下文中的公式（1）～（3），计算出平流层臭氧列总量。

1.3对流层顶的选取

本文采用1957年WMO给出的温度递减率定义（LRT）。LRT定义为：（1）在500 hPa等压面之上温度递减率（）小于或等于2℃/km，而且在此高度以上2 km气层内的温度平均直减率不超过2℃/km的大气层结所对应的最低高度.该最低高度若出现在150百帕高度以下，定为第一对流层顶。（2）在第一对流层顶以上，当出现满足由气温垂直递减率开始大于3℃/kin气层的最低高度点起，以上1000 m及其以内的任何高度与该最低高度之间的平均气温直减率均大于3℃/km条件的过渡气层时，在150 hPa高度或者以上，用判断第一对流层顶的方法判断出第二对流层顶.第一对流层顶又称极地对流层顶，第二对流层顶称为热带对流层顶。

1.4合成分析

按季节分别进行合成分析，即将各季节的低纬地区平流层臭氧年际变化特征提取出来做标准化，再利用EOF经验正交第一模态时间序列标准化后找到各季低纬平流层臭氧的极大年和极小年。本文利用1979～2014年的臭氧数据，所得结果如表1所示。再对不同季节的对流层顶温度年际变化资料做距平，用臭氧极大年和极小年对温度距平资料做平均，分别得到在臭氧极大年的温度距平场和臭氧极小年的温度距平场，将前场减去后场，可以得到在某种平流层臭氧偏大情况下，对流层顶温度的分布情况和特征。最后，利用公式（4）进行t检验。

2.结果与分析

2.1低纬平流层臭氧的季节变化特征

臭氧在低纬度生成，由BD环流引导输送到中高纬度。由图1可知，低纬度平流层臭氧柱总量随季节具有显著的变化。在北半球冬季（图1a），10°～25°N，60°～180°E区域有小于215DU的低值区域，且在整个北半球低纬度地区有一沿纬圈分布的220DU以下低值带。到了春季（图1b）纬圈上的低值带从北半球南移至南半球，且最大的臭氧低值区位于至90°～170°W。从春到夏（图1c），纬向的平流层臭氧低值区在南半球继续维持，且低值中心原地加强，但北半球平流层臭氧含量整体上有增加趋势。秋季（图1d），南半球的低值区开始减弱，北半球的低值区开始生成，逐渐向冬季分布趋势过渡。从上述分析中可知，低纬平流层臭氧浓度的纬向低值带随季节有南北半球位移，冬季位于北半球，夏季位于南半球。而这种分布特点可能与BD环流对臭氧的输送等因素有关。

2.2 合成分析结果

图2为DJF和MAM的对流层顶温度合成分析结果。发现：冬春两季的O3极大、小值年的对流层顶温度距平场以以及差值场具有相似性。对于冬季（左图），O3极大值年温度距平场的主要趋势为+、-、+，多数区域距平值为0或为较小值，仅在15°～30°S，120°w附近有一达到-1.5的负中心。而O3极小值年温度距平场的分布为-、+、-，且O3极大值年温度距平场的的负中心转变成≥3.5的正中心。再根据差值场可知，在DJF时低纬度60～120°E弧状区域的平流层臭氧增加时，其对流层层顶温度会上升;在80°～160°W区域的平流层臭氧增加时，对应地区的对流层层顶温度会下降。而春季（右图）的特征与冬季类似，但整体趋势较弱。差值场中能通过显著性检验的区域较为分散，其中较为显著的是位于赤道附近140°E～100°W的负值中心。

同理，分析夏秋季合成分析结果。夏季，O3极大（小）值年温度距平场中负（正）中心的位置已由冬春季所在的南半球移动至北半球，并在60°W和160°W存在两个负（正）中心（图略）。秋季，O3极小值年温度距平场中赤道附近出现明显正值区（图略）。但差值场（图3）中，夏秋季能通过显著性检验的区域较小且分散，仅在120°～180°W附近有较为明显的通过检验的负值区。

基于以上分析发现：（1）全年差值场中120°～180°W附近均有可通过显著性检验的负值区，说明此处平流层臭氧增加时，对应地区的对流层层顶温度会下降。此区域在冬季范围最大。可以解释为，当平流层臭氧通过辐射效应使得对流层及对流层高层增温以后，使得对流层顶的高度上升，而对流层顶温度自然下降，此区域的动力效应超过了臭氧本身的净辐射强迫。（2）在冬季120°E的弧形区域内是显著正值区，说明处平流层臭氧增加时，对应地区的对流层层顶温度会上升，说明平流层臭氧的辐射效应在起作用。

3.结论

（1）低纬度平流层臭氧浓度随季节变化。其中，纬向低值区随季节有南北半球位移，冬季位于北半球，夏季位于南半球。

（2）全年120°～180°W附近均有可通过显著性检验的负值区，说明此处平流层臭氧增加时，对应地区的对流层层顶温度会下降。该区域在冬季覆盖范围最广。

（3）在冬季120°E的弧形区域中，对流层层顶温度随平流层臭氧增加而上升，这是平流层臭氧的辐射效应在起作用。

参考文献

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[3]汪自军， 陈圣波， 吕航，等. 大气臭氧不同量纲之间的转换[J]. 气象与环境学报， 2010， 26（2）：63-67.

作者简介：魏婉琳（1992-），女，汉族，硕士研究生，四川宜宾人，助理工程师，从事短临天气预报方向的研究。