对流层顶研究回顾

第38卷第2期2010年4月

气　象　科　技

METEOROLOGICALSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol.38,No.2Apr.2010

对流层顶研究回顾

杨双艳1　周顺武1,2

(1南京信息工程大学大气科学学院,2南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京210044)

摘要　大气急流、飞机颠簸、臭氧层顶等重要物理、化学现象均与对流层顶的位置、强度及其变动密切相关,因此在研究自由大气的气候和大气环流时,作为对流层与平流层过渡层的对流层顶是非常重要的,对流层顶研究已成为当今大气科学的研究热点之一。对近几十年来对流层顶研究领域的有关研究作了简要回顾,主要从对流层顶的分布特征、对流层顶要素变化以及对流层顶与臭氧的关系等几个方面进行综述。在此基础上,总结出对流层顶研究遇到的几个困难。

关键词　对流层顶　臭氧　气候变化

引言

对流层顶是对流层和平流层之间一个明显的过渡层,是19世纪末20世纪初与平流层同时被发

现[1～2],研究兴趣。,它阻碍、气溶胶和水汽的垂直交换[3～4]。对流层顶在平流层和对流层的交换(Strato2sphere2TroposphereExchange,STE)中具有相当重要的作用[4～6]。此外,大气急流、飞机颠簸、臭氧层顶等重要物理、化学现象均与对流层顶的位置、强度及其变动密切相关。

对流层顶也是反映各种大气过程的一个很好的指示器,它在气压形势、气团平流、大气环流形势更替等作用下发生变化[7]。在许多数值天气预报模式中,对流层顶均被作为一个特殊的、便于计算的、永久存在于大气之中的高度层“顶”来加以利用。温室效应导致全球变暖是公认的事实,由于温室气体增多导致的对流层变暖和由于臭氧减少导致的平流层变冷可能是对流层抬升的主要原因[8～10],对流层顶高度上升已成为全球气候变化的又一标志[11]。因此,有关对流层顶要素的变化也受到广泛的关注。

近几十年来,随着高空观测资料的积累以及卫星资料的应用,,,着重探讨对流层顶分、对流层顶要素的变化以及对流层顶与臭氧的关系等几个方面的问题。最后,在此基础上,总结和归纳出该研究领域遇到的几个关键问题和难点问题。

1　对流层顶概述111　定义和分类

从不同角度出发,对流层顶有着不同的定义,例如:热力对流层顶(温度递减率)、动力对流层顶(位涡)、化学成分对流层顶、最冷点对流层顶(热带)等[12]。

1957年WMO给对流层顶作了如下定义[13]:500hPa等压面之上温度递减率小到2℃/km或以下的最低高度,而且在此高度与其上2km气层内的温度平均递减率不超过2℃/km,这就是通常所说的对流层顶的“热力学”定义。在用该定义确定的对流层顶之上,如果任意高度与其上1km所有高度之间的平均温度递减率超过3℃/km,就要按上述判据确定“第2对流层顶”。这个对流层顶或处于

国家自然科学基金项目(40675058)、中国气象局成都高原气象研究所开放实验室基金项目(LPM2008007)资助作者简介:杨双艳,女,1983年生,硕士研究生,主要从事气候学研究,Email:152850201@1631com收稿日期:2009年2月4日;定稿日期:2009年5月5日

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该1km层内,或处于该1km层之上[14]。对流层顶

还有另外一个热力学定义经常用到,即温度最低点定义(CPT:ColdPointTropopause),它定义为垂直温度廓线上温度最低点所对应的层结高度[15]。此外,对流层顶还有基于位涡的“动力学”定义[16～19]。

对流层大气湿润而缺乏臭氧,平流层干燥而富含臭氧,因此,Bathan等[20]1996年又提出了臭氧对流层顶的概念。但不管哪一种定义,其物理本质是相同的,都是将对流层顶看作是不连续面。热力学对流层顶是温度梯度的不连续面,动力学对流层顶是位涡的零阶不连续面,而臭氧对流层顶是臭氧混合比垂直梯度的不连续面。目前比较常用的是对流层顶的热力学定义。

根据温度的垂直剖面分布可将对流层顶高度分为热带对流层顶和极地对流层顶,据统计,极地类对流层顶一般在150hPa以下,热带类对流层顶一般在150hPa或以上[21]。对流层顶的厚度约数百米到1～2km,最大厚度可达4～5km。[22]1942～1945年期间80°即只有在某些天气过程中才会出观,并且时间不长。

它们的空间变化性很大,所以在对长时期的观测资料进行统计整理过程中发现不了它的断裂[1]。1972年Hoskins等[23]首次用准地转原理对对流层顶折叠进行了详尽分析。王卫国等[24]指出冬半年对流层顶断裂区的地理位置较夏半年稳定。

对流层断裂区是平流层和对流层进行物质和能量交换的主要区域,因此副热带地区最有利于对流层和平流层的空气进行交换,因为这里常出现对流层顶断裂现象,在中纬度平流层下部和低纬度对流层之间没有重要的障碍。Ramanathan等[25]推测,物质从平流层向对流层的输送发生在副热带对流层顶的断裂区中。Reed[26]和Danielsen[27]等先后提出了中纬度地区平流层向对流层输送的概念模式,指,。在20°～,且较为密,即由热带,在这个过渡带中更有利于空气质量在对流层与平流层间发生交换[11]。在热带外中高纬地区,天气系统引发的区域内对流层与平流层交换,特别是对流层顶折叠现象十分明显[12]。还有很多观测和模拟研究表明[28～33],与行星尺度和天气尺度相联系的温带对流层顶折叠是温带平流层与对流层之间质量交换的重要机制。赵柏林等[34]利用卫星遥感资料来研究大气对流层顶高度,并估算了全球平流层与对流层之间穿越对流层顶的质量通量,指出对流层顶断裂带中向下的通量形势较复杂。

近年来,青藏高原对流层顶也是学者们研究的一个重点。青藏高原占亚洲面积的1/6,平均海拔4000m以上,作为全球面积次大、海拔最高、地形最复杂的高原,它通过辐射、感热和潜热作用形成了一个高耸的冷热源,对东亚大气环流、气候变化以及灾害性天气的形成和发展都有重要影响。青藏高原所处的中纬度地区是对流层2平流层间物质和能量交换的重要区域,也是主要通过对流层顶折叠等大气尺度过程完成的[4]。傅云飞[35]的研究表明,夏季高原地区强对流降水云团十分深厚,平均“雨顶”可达17km(相当于对流层顶高度)。不仅如此,夏季强烈的对流活动使高原上空的对流层成为质量源,高原地区成为对流层2平流层交换的活跃区[15,36]。

值,,偏北地区低。(急流)的纬度地区上空,、低对流层顶会出现局部重叠。Hess把高对流层顶称为热带对流层顶(第2对流层顶),把低对流层顶称为极地对流层顶(第1对流层顶)。介于这两类对流层顶之间的区域称为对流层顶断裂区。

在全球大气模式中也采用两类对流层顶[1]:极地对流层顶和热带对流层顶。冷而高的热带对流层顶出现于赤道和副热带纬度之间,其高度随纬度增高而逐渐减小。在30°～45°纬度地带内的各高度内既可出现热带对流层顶,同时也可存在极地对流层顶,它们互相重叠,在这一地带两类对流层顶的高度差为4～5km。112　对流层顶断裂

介于第1对流层顶和第2对流层顶之间的区域称为对流层顶断裂区。对流层顶断裂总是在高空急流或高空锋等天气背景下出现的。可以认为在强副热带急流中对流层顶经常发生断裂,因为那里相互作用的气团之间的温度差很大[1]。但是,也有些研究[22]指出,不仅在副热带急流中,而且在中纬度地区甚至北极地带上空,均可观测到对流层顶的断裂现象。对流层顶断裂在高纬度地区只是偶尔发生,

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2　对流层顶与臭氧的关系

由于青藏高原及其上空臭氧的特殊分布,使得

臭氧对青藏高原上空对流层顶的影响更特殊。高原存在异常的大气臭氧低值,与高原热动力过程紧密相关[45～46],而大气臭氧总量的变化与对流层顶高度密切相关[47～48]。卞建春等[49]通过TOMS和地基观测提供的臭氧总量资料发现,2003年12月14～17日高原上空出现了大面积臭氧极低值区域。周秀骥等[46]发现青藏高原在夏季存在大气臭氧总量低值中心的事实并证实了青藏高原地区确为对流层与平流层物质输送的通道之一。李鹏[50]研究了青藏高原上空臭氧和对流层顶的关系,得出青藏高原南部表现为闭合的臭氧总量低值区,而在青藏高原北部为低值扰动。将北半球分为青藏高原地区、同纬度地区和同纬度其他地区进行研究,得出青藏高异区[51],大气臭氧亏损。Zhou等[52]分析能作用,提出高原上空臭氧总量减少,使得高原平流层对太阳紫外辐射吸收减少,而进入对流层底层的辐射增加,从而导致高原上空平流层低层降温,对流层增温。平流层降温和对流层增温使得对流层顶结构变化。另外,对流活动的强弱对对流层顶有很重要的影响[53]。

到目前为止,在影响对流层顶高度变化的诸多因子中,虽然还无法定量地确定各因子在对流层顶高度变化中的贡献,但Santer等[9]利用探空资料和NCEP/NCAR再分析资料,证明了近20年来(1979～1999年)全球对流层顶高度升高了几百米,并利用复杂的大气模式评估硫酸盐气溶胶、太阳辐射变化、火山气溶胶、温室气体和臭氧对对流层顶高度的影响,发现由于温室气体导致的对流层变暖和臭氧导致的平流层变冷是对流层抬升的主要原因。3　对流层顶要素变化

长期以来,大气臭氧与对流层顶高度之间的关

系一直受到特别的关注[3,6,37～39]。Goody的1949年的早期研究发现[40],二氧化碳、水汽、臭氧对对流层顶的形成有着重要影响,于是提出了“地面温度降低平流层温度就会升高”的结论。由于臭氧对太阳紫外线有很强的吸收能力,而臭氧又主要集中在下平流层,臭氧的浓度会直接影响到达对流层底层的紫外线强度,从而影响平流层和对流层的温度,进而影响它们之间的过渡层———对流层顶的结构变化。因此,对流层顶与臭氧之间存在着十分紧密的联系。Manabe等[41]用臭氧的吸收来解释平流层下部和对流层上部的热状态,认为平流层下部冷却的主要因素是长波辐射,而增温的主要因素则是臭氧对大气和地球红外辐射的吸收。热带平流层的低温和40km以上的“暖层”的高温,可以用辐射的分布和臭氧对辐射的吸收特征来解释。Steinbrecht[8通过分析德国南部,(高,(),并且自20世纪60年代末对流层顶高度上升了大约150±70m。Chakrabarty等[42]根据利用印度新德里32年(1965～1996年)和印度西南部的特里凡得琅(Thrivan2drum)26年(1965～1991年)对流层顶探空资料分析了热带对流层顶高度和对流层顶温度的变化趋势,发现近几十年来两地区上空对流层顶高度(温度)存在上升(下降)趋势与平流层臭氧减少有关。副热带地区也明显地存在着两类臭氧层顶[1],两类臭氧层顶之间也同样存在断裂,它们分别对应于热带对流层顶和极地对流层顶。Reiter[43]对臭氧从平流层向对流层的渗入以及对流层顶在该过程中的作用进行了深入的研究。李国辉等[6]利用二维模式模拟研究了对流层顶变化对臭氧在上对流层(下平流层)分布的影响,结果表明,对流层顶的季节变化对上对流层(下平流层)的臭氧分布有明显的影响,臭氧的局地变化可以超过10%。Angell[41]指出,对流层顶高度的准两年周期变化和臭氧含量的变化颇为一致:臭氧总含量最低值和对流层顶高度两年变程中的最大高度相一致,反之亦然。Randel等[44]利用探空气球和卫星观测得到的近赤道臭氧资料,发现热带对流层顶上空存在着较大的臭氧年循环。

由于对流层与平流层有着完全不同结构的热力、动力分布特征,使对流层顶成为静力稳定度的突变区域,因而对流层顶的本身变化是气候变化研究中的一个关键指示因子[11]。作为气候变化的一个新的指示因子,对流层顶本身的变化值得研究。

Randel等[54]研究指出,纬向平均的热带对流层

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顶气温具有显著的年际变率。热带对流层顶的年变

化不仅与太阳辐射的季节变化及其对热带对流的影响有密切联系[55],还与北半球冬季期间和Brewer2Dobson环流增强相联系的远距离作用密切相关[56]。Zhou等[57]利用ECMWF再分析资料和高分辨率的TOGA2COARE无线电探空资料研究了热带冷点对流层顶,指出热带冷点对流层顶存在3个主要变率:季节内变率,季节循环,低频振荡。对流层顶的年际和年代际变化主要集中在对流层顶的准2年周期振荡[54]、ENSO[58]及与太阳活动11年周期相关的10～12年的振荡[59]。杨茜等[60]根据1948～2004年NCAR/NCEP全球对流层顶的月平均气压场再分析资料,分析全球对流层顶月平均气压场后指出,对流层顶在各个季节都有明显的3～5年的周期振荡,春季还具有明显的准2年周期特征。Son等[61]研究了纬向平均的热带对流层顶高度的季节内变化,指出对流层顶高度受局地热带对流的调整,温,,近几十年来,增温,同时平流层降温,致使对流层顶有所抬升。Santer等[9]将对流层顶高度变化归因于人为强迫和

压场进行分析,指出春季和夏季整个时段内全球大部分地区对流层顶气压降低趋势比秋冬季明显,对应对流层顶高度有升高趋势。陈芳等[64]利用青海省7个探空站1970～2001年高空观测资料研究指出,热带类对流层顶年平均高度变化呈上升趋势,年平均温度变化呈下降趋势。这与近几年来平流层内臭氧减少,温度降低,对流层高度抬升有关。4　对流层顶研究中遇到的问题

近年来,在全球气候变暖趋势明显并与人类活动密切相关的背景下,对流层顶大气对全球气候变化的响应与反馈已成为一个科学热点问题受到重视。目前在对流层顶研究中主要存在以下困难:

(1)资料的获取。目前在对流层顶研究中,使用到各种类型的资料,[63,57]、ECMWF,65～67]再分析资料[10,45],[]、压、湿等大气基本参数。但,很多区域并无法获得足够而有效的数据用于相应研究。而常规卫星遥感往往水平分辨率较高,垂直分辨率较低,无法满足研究需要。GPS掩星技术探测地球大气,不受天气条件、地理条件的限制,可提供全球分布的大气温、压、湿等廓线,与NCEP、ECMWF再分析数据相比,高垂直分辨率特征更适合于对流层顶结构及变化研究[15,68～72]。再分析资料提取的热力对流层顶温度和气压却只要单一的对流层顶,而在研究对流层顶长期趋势变化时,卫星资料的观测年限又显得太短。

(2)与臭氧的关系。近年来,人们对对流层顶的变化也给予越来越多的关注。这是因为在对流层顶这个特殊的大气层次中发生着一些特殊的化学、辐射、物质输送等过程,而这些过程对于气候化学相互作用研究以及认识对流层平流层交换在气候变化中的作用等科学问题有着重要的意义。在对流层顶附近,除气温外,水汽含量、臭氧含量以及气溶胶浓度等参数也都有明显的空间变化,其中臭氧被认为是区分对流层和平流层气团的方便而有效的大气组分之一。但是长期以来,臭氧变化与对流层顶变化之间的关系一直受到特别的重视[8,37～39,73～74]。尽管如此,对流层顶和臭氧的关系仍没明确,究竟是对流层顶变化引起臭氧变化,还是臭氧变化引起对流层顶

自然强迫共同作用的结果,而人为强迫又是主要的因素。人类活动造成平流层的降温和对流层的升温,从而使得对流层高度上升。他们的研究结果不仅表明20世纪后半叶大气对流层顶高度上升主要是人类活动的结果,同时也给“对流层近来出现变暖”的说法提供了独立的证据。Sausen等[62]指出,自1979年以来全球平均的对流层顶高度呈上升趋势,并认为对流层顶高度的变化与地表温度、垂直温度廓线和海洋热含量的变化相一致。Seidel等[63]指出在热带地区,1978～1997年期间对流层顶高度、气压和气温的趋势分别为20m/10a、-015hPa/10a和-015K/10a,这意味着对流层顶高度有所抬升,而气压和温度则有所下降。Steinbrecht等[8]发现,对流层顶高度自20世纪60年代末上升了大约150±70m。吴涧等[10]指出,在全球变暖背景下,1980～2000年东亚地区对流层顶高度大约上升86m,而全球平均对流层顶高度上升了约129m。

杨茜等[60]对1948～2004年全球对流层顶月平均气

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变化,仍需进一步研究。

(3)今后的研究重点。近年来,国外许多学者把注意力转移到对流层顶的动力学研究[75～77],他们把对流层顶与位涡和波动联系起来。这标志着对流层顶的研究水平日趋提高。目前,关于对流层顶的研究还有很多问题,诸如对流层顶附近的精细结构,对流层顶附近以及下平流层重力波特征,对流层顶附近对流统计特征[12]等,随着对对流层顶研究的日益深入,用模式来模拟对流层顶的变化对气候的影响等,这些问题都需要进一步深入研究。另外,关于对流层顶高度或温度与火山的关系虽已有所研究[9,78],但其具体关系仍有待深入研究。

综上所述,研究对流层顶的变化是认识对流层平流层交换的极为重要环节,但是,迄今为止,这方面的绝大部分研究工作主要集中在热带对流层顶,这是因为人们通常认为热带对流层顶在对流层平流层气团交换中起着关键作用[79～80]。对于非热带对流层顶,不够,还缺乏认识,[81～82]。参考文献

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YangShuangyan1　ZhouShunwu1,2

(1SchoolofAtmosphericScience,2JiangsuKeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,NanjingUniversityof

InformationScience&Technology,Nanjing210044)

Abstract:Theimportantphysicandchemicalphenomena,suchasairjets,airplanejolts,theozonopauseandsoon,closelyrelatetotheposition,intensityandfluctuationofthetropopause;therefore,itisextremelyimportanttoinvestigatethetropopause,whichisalreadyafocusinrecentseveraldecades.Theresearchesonthetropopausearereviewedinaspectsofthecharacteristicsofthedistributionandvariationofthetropopauseandtherelationbetweentropopauseandozone,wherebysomekeyproblemsencounteredduringresearchesaresummarizedanddiscussed.Keywords:tropopause,ozone,climaticvariation