北极冬季平流层爆发性增温及其对大气的影响

北极冬季平流层爆发性增温及其对大气的影响

1平流层爆发性增温期间大气地球化学的发展过去，对流层土壤中的各种天气和气候变化进行了大量研究，但对流层土壤以下的单-中间层气候变化影响的系统研究相对不足。近年的研究表明平流层作为整层大气的一部分,虽然其质量仅占大气总质量的10%左右,但是在北半球冬季高纬地区,平流层对来自下层的强迫具有强烈的反馈作用,可以对对流层天气产生重要影响。其中平流层爆发性增温是一种平流层影响对流层的典型过程。平流层爆发性增温是指每隔1～2a,冬季极地平流层西风涡旋便发生巨大变形而崩溃,同时平流层温度大幅增加,使经向温度梯度转为相反的方向,并建立一支绕极地的东风气流的一种平流层动力和热力结构突变现象。自1952年谢尔哈格(Q.Scherag)首次发现平流层爆发性增温这一现象后,人们对它进行了广泛的研究。北极冬季平流层爆发性增温多发,近53a共发生近69次,并被认为对极涡有重要影响。增温的发生阻碍了极地平流层云(PSC)的形成,破坏了极涡,损耗臭氧的机制被切断,增温结束后,极涡恢复,有时会发生严重的臭氧损耗事件。已有研究主要从动力和热力学角度分析了平流层爆发性增温的特点、增温机制以及影响等。然而,由于受到观测技术等方面的限制,对于平流层爆发性增温的发生对平流层大气成分分布影响的研究相对较少,且主要集中于对臭氧的研究。最近几年,Manney和Ricaud对于2002年9月首次观测到的发生在南半球极地的一次平流层爆发性增温进行了一系列研究,认为南半球发生增温时,极涡分裂前极地臭氧减少,而极涡分裂期间极地臭氧增加。由于水平运动的增强和极涡的下沉,臭氧损失明显减小。对平流层爆发性增温期间其它大气化学成分变化规律的研究相对较少。随着卫星观测技术的不断进步,获取了大量大气化学观测资料,使平流层大气化学的研究快速发展。美国1979年发射SAGE(SAGEI-TheStratosphericAerosolandGasExperimentI)卫星,1991年发射中层大气研究卫星UARS/HALOE(HALogenOccultationExperiment)和UARS/MLS(MicrowaveLimbSounder),为研究平流层中气溶胶和一些重要的大气成分的分布及其变化规律提供了大量观测资料和研究成果,但由于上述卫星受观测方式或者受遥感探测器精度的影响,获取观测资料的时间和空间分辨率仍受到一定限制。以平流层和对流层大气化学过程为研究目标,欧洲空间局于2002年发射了新一代环境探测卫星ENVISAT,其上搭载的掩星法全球臭氧监测仪(GOMOS),大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)和麦克耳逊干涉被动大气探测仪(MIPAS)获得了大量的观测数据,使平流层大气化学研究进入了一个新的阶段。已有研究结果表明MIPAS等卫星观测资料已成为平流层大气化学过程研究的重要数据来源。本文将选取MIPAS的观测资料对一次平流层爆发性增温现象进行研究。2卫星遥感数据的总结2.1mipas标准2002年3月1日欧洲空间局(ESA)发射了环境卫星ENVISAT,这是一颗距离地球800km,倾角为98.55°的太阳同步极轨卫星,平均每天绕地球14.4圈,大约4d形成全球覆盖,每条轨道进行75次临边扫描,垂直方向间隔3km左右。MIPAS是搭载于该卫星上的一种高分辨率的傅立叶变换分光遥感仪,其在中波和热红外波段(4.15～14.6μm)光谱分辨率为0.025cm-1,按照临边探测方式对大气对流层上部到中间层之间的光化学相关痕量气体进行全球测量,提供全球大气成分体积混合比的三维资料。本研究所使用的MIPASlevel2资料是采用最优化算法得到的近实时数据产品,以自动和连续的方式提供6、9、…39、42、47、52、60、68km高度上共17层的温度、气压和O3、H2O、CH4、HNO3、N2O、NO2体积混合比的大气垂直廓线,晴天观测时可探测到6km的高度。MIPAS反演算法已经得到臭氧探空等多种观测资料的充分验证,其中臭氧的反演精度在平流层达到5%,在平流层下部达到10%。2.2mipas与臭氧探空相对偏差分布对比选取臭氧探空仪(GPSO3)在北京地区(116°28′E,39°48′N)的资料与MIPAS卫星遥感臭氧资料进行对比验证。GPSO3是由中国科学院大气物理研究所开发研制的单池型电化学GPS臭氧探空仪,其探测原理已有文献介绍。从2002年9月开始,在北京GPSO3每周施放一次,加密观测时为每天施放一次。为了匹配卫星数据和探空数据,定义二者最大时间差别为卫星通过探空释放时间的前后6h;最大空间差别为±500km。表1中列出了6～33km共10个高度层上,每层7～34对匹配廓线进行对比结果,这里利用标准误差(σN√,σ(σΝ,σ为1倍标准差,N为样本数)衡量平均偏差的分布。结果表明在15km以上,MIPAS同臭氧探空相对偏差在±9%之间,标准误差在15%以内,由于样本数很小,33km处有较大的标准误差;而在6～15km上,除了9km上外,都存在较大的负的偏差(15%～32%)和标准误差(18%～40%),这表明在对流层,云和气溶胶较大程度上影响了MIPAS临边探测的数据质量。这里我们主要利用15km以上MIPAS臭氧资料分析平流层过程。另外选取2003年12月全球10hPa(约30km)以下的24495对MIPAS与NCEP温度垂直分布资料进行了对比分析(如图1),匹配条件为时间相差±3h以内,空间相差±50km以内,结果表明,在100hPa以下350hPa以上,MIPAS资料为负偏差,100hpa以上到10hPa为正偏差;平均偏差约为±1.3K,标准差在±5K。10hPa以下MIPAS温度数据的精度适用于研究平流层大气温度爆发性增加的过程。320吾系的大气成分分布2002年12月到2003年1月北极地区冬季平流层发生了一次爆发性增温事件,从高纬地区(60°N～90°N)的平均温度变化图2上看,增温开始于2002年12月10日,高值中心从大约55km的高度上开始下传,至大约2003年1月1日,高值中心到达大约40km的高度上,最高温度从250K升高到270K,然后高值中心维持在此高度,但平均温度降低至240～250K,并持续此温度至2003年1月20日左右,此后温度才略为降低。平流层爆发性增温过程中,短时间内温度急剧增加,环流和风场发生明显的调整,大气化学成分的分布必然随温度和环流场的变化而变化。以下将分析此次平流层爆发性增温过程中MIPAS资料所提取的6种大气化学成分(N2O、CH4、H2O、NO2、HNO3、O3)的分布演变特征。6种成分被分成两类进行分析:N2O、CH4为长寿命的惰性气体,可作为动力过程的示踪气体,其余4种为化学活性气体。由于O3的最大体积混合比集中在约30～40km的高度上,由于平流层大气成分在等熵面上具有很高的守恒性,因而以下将选取850K等熵面上(约30km)分析这6种大气成分的演变特征。N2O和CH4是惰性气体成分,在这次增温事件发生前(图3,见图版Ⅴ),由于极涡内空气的下沉运动和它们的浓度随高度递减的特点,850K等熵面上的MIPAS观测值显示极涡内为明显的混合比低值区、极涡外则为明显的高值区。在极涡偏离极点(从2002年12月1日到2002年12月31日)及后来崩溃(2003年1月20日)的整个过程中,N2O和CH4浓度比最大梯度始终与位涡最大梯度所代表的极涡边缘对应,其中N2O的对应关系更为清晰。850K等熵面上的O3和H2O场在极涡内分别呈现明显的极小值和极大值分布,但不如N2O和CH4清晰,且水汽受极涡控制更弱一些。NO2的水平分布在极区表现为低值,受到极涡的限制更弱,它在白天的日变化不明显,但在夜间随着极涡的崩溃浓度却不断减小。极区内氮氧化物的损耗是由于它在极夜转化为了氮的库物质的形式。HNO3浓度在极区为高值,但其分布也未受到极涡的限制。从平流层中层大气化学成分水平分布来看,极区上空极涡内外的体积混合比分布有很明显的不同,为了研究化学成分同极涡垂直分布的关系,选取一条穿越极涡的卫星轨道资料,对平流层的动力与化学过程的垂直分布进行分析。2002年12月1日,从N2O和CH4的垂直分布与位涡垂直分布的对比可见两者具有很好的一致性(图4,见图版Ⅴ),在40km以下,极涡边缘有强的水平梯度,低值区覆盖北美东部到北欧西部地区,极涡内有明显的空气绝热下沉运动。MIPASO3的垂直分布显示极涡内的O3低值从下向上延伸的35km的高度上,在此高度以上有极涡外的O3进入极涡内。到12月31日,极涡内的H2O和O3浓度增大,位涡以及N2O和CH4的低值区分布不再是12月1日所看到的上下一致的垂直结构,由于极涡的偏移和变形,可以观测到极涡内的气体成分的分布在平流层中层偏移到了中纬度地区,而在平流层低层向极地倾斜,此现象在2002年南极平流层爆发性增温事件中也有发现。到2003年1月20日,N2O和CH4的分布与位涡的分布一致,都反映了极涡的崩溃,高浓度的N2O进入极区。在已经分裂的一部分极涡中仍存在低浓度的臭氧,但只向上延伸到25km的高度,在此之上高浓度的臭氧进入极区。NO2和HNO3的分布未限制在极涡内,NO2除增温前白天极区为高值分布外,其余时刻极区都为低值分布,表明除了动力过程之外还有化学反应过程会对成分的分布产生重要影响。4北极平流层爆发性增温事件对北极大气化学成分分布的影响本研究使用了搭载在欧洲环境卫星ENVISAT上的MIPAS传感器数据资料,包含O3、H2O、CH4、N2O、NO2、HNO3等6种地球大气成分从12～68km高度上的观测值。利用探空等观测数据对卫星观测进行对比分析,结果表明MIPAS卫星资料与其它资料有较好的一致性,表明这些资料对平流层大气成分分布演变的研究具有重要作用。通过分析发生在2002年12月到2003年1月北极地区的平流层爆发性增温过程及其中平流层大气化学成分体积混合比分布发生的变化发现,北极平流层爆发性增温过程的发生对其大气化学成分的分布有重要影响,其特征如下:(1)这是一次发生在冬初极夜时的平流层爆发性增温事件,增温随时间向下传播到平流层下层。(2)O3体积混合比随增温而增大,是由于极涡的变形和偏心运动使来自低纬度的高体积混合比的O3进入极区,另一方面由于破坏O3的化合物主要存在于极地平流层云中,而增温使平流层下层温度异常升高,限制了极地平流层云的生成,导致O3浓度增大,因此平流层爆发性增温有利于抑制臭氧洞的出现。(3)从所选取的850K等熵面上的变化来看,N2O和CH4的水平和垂直浓度分布与极涡始终都有很好的一致性。O3和H2O的浓度分布也受到极涡的限制,但不如N2O和CH4这两种惰性气体明显。在爆发性增温过程中,有极涡外的O3进入极涡。(4)从NO2的水平分布上看,在冬季并未受到极涡的严格限制,