平流层爆发性增温的实验研究

平流层爆发性增温的实验研究

0冬春季.冷性低压群.在北极表面上.我国北极上冷性低压群.从温度和时间上看.云自1952年德国科学家schrhag首次发现了扁平流层的爆发性温（sw）以来，人们对扁平流层的气候运动现象进行了一系列观测和研究。当sdw发生时，靠近钻头的流层的温度急剧增加，并在几天内增加了几十度。随着温度的变化，原冬季和早春冬季附近冷压的变形和崩溃。由于以往冬季和早春的西伯利亚气流，印版西部的温度场和环境场变化显著减弱，并且东移。在ssw期间，改变扁平层的流量和环境流的流量中心和环境流的流量中心的变化不仅发生在平面的中下层，而且反映在该层的中间。因此，在研究平面流层过程对气候影响的影响方面，对平流层的爆发性温度研究起到了重要作用。对大量观测数据的分析结果表明，北半球的sdw相对较高，每年平均每年一次，但北半球很少斯w。2000年前，人们观察到了监察部门的强psw，2002年9月（南湖早春）发现了强psw。在过去的研究工作中,对SSW进行个例分析和数值模拟比较多.由于平流层资料匮乏的限制,对SSW的时空分布的研究相对较少.为了促进对SSW及其在地球气候系统中的作用的研究,我们利用NCEP/NCAR再分析资料,对1950年以来的北半球平流层爆发性增温过程进行统计分析.特别关注其垂直结构和垂直传播过程以及它与对流层环流的关系,同时将2002年南半球发生的SSW过程与北半球的SSW过程进行比较.1进行了一次弱爆发性增温事件一般SSW按其增暖强度可分为强增暖(majorwarming)和弱增暖(minorwarming)两类.根据上述定义,采用下述的两个指标ΔT=T90°N−T¯¯¯60°N,U¯¯¯=−9.8(H90°N−H¯¯¯60°N)fΔy.ΔΤ=Τ90°Ν-Τ¯60°Ν,U¯=-9.8(Η90°Ν-Η¯60°Ν)fΔy.其中,T90°N、T¯¯¯Τ¯60°N、H¯¯¯Η¯60°N、H90°N分别为10hPa上北极点和60°N沿纬圈平均的温度和位势高度,U¯¯¯U¯是北极点和60°N之间的平均地转风,Δy为北极点和60°N之间距离.当ΔT由负变正,U¯¯¯U¯由正变负时,也就是它们的位相发生反转时,作为一次强爆发性增温事件.如果只是ΔT由负变正,U¯¯¯U¯不改变符号,则作为一次弱爆发性增温.用这两个指标我们统计了1950~2003年54年中北半球爆发性增温年月份,如表1所示.其中“☆”表示一次强增温过程,“*”表示一次弱增温过程.从表1看出54年中强SSW事件有39次,弱增温事件有30次.这一结论与王玉佩等用30年平流层天气图统计的SSW次数基本一致,只是由于采用资料不同而稍有差异.我们定义温度梯度ΔT开始变正号时为SSW的开始日期,而温度梯度ΔT转回为负值时为SSW的结束,这段时间就为发生一次SSW的过程.如图1所示,2002年SSW从2月6日开始,温度场和高度场的位相都开始发生反转,温度梯度由原来的北冷南暖反转为南冷北暖,位势高度也变成北高南低,因而平均风场也由原来的平均西风反转为东风,到3月11日结束.也就是说,这一次SSW过程为34d.在这一过程还没有开始时,极地被冷中心控制,暖空气活动于冷空气外围,而且以纬向西风环流为主.一般情况下在SSW时段内,温度场的分布特征有两种:一是整个北半球中高纬冷暖空气各占一方,暖空气将冷中心挤出极地,西风也反转为东风,或者中高纬的环流径向梯度明显加大,图2中(a)、(b)所示的1986年3月20日的SSW就是这种情况;二是暖脊从两大洋上分别向高纬极地伸展,冷空气则走陆路,由北美和东亚分别南压,如1998年12月19日的SSW,图3中的(a)、(b)分别表示这种温度场和高度场分布的特征.尽管有上述的差别,但SSW时段的共同特征是用暖脊控制极区,使极区的冷性气旋变成暖性反气旋或者冷性气旋减弱.2北半球ssow的时空分布特征2.1增温事件发生情况1950~2003年间共发生69次SSW事件,平均每1年发生1次以上,最长间隔为4年,如1954~1958年;有些年份(1974、1975年等)的增温事件有两次;甚至有些年份出现3次,例如1958、1987年.最强的一次增温事件出现在1986年3月,从15~19日5天内增温量达到了40℃,9日日增温达20℃.SSW事件还表现出年代际变化,20世纪50年代和60年代以及90年代发生次数较少,分别有11次、13次、12次;70年代和80年代较多,分别达15、16次.SSW还有月际变化,多发生在3月份.如图4所示,每一个柱体代表一次SSW事件,柱体越多表明该月发生SSW事件的次数越多,柱体越高表明SSW事件越强.2.2b北极区域分析1950~2003年北半球冬季和初春爆发性增温期间各不同高度上的温度场,发现SSW在不同高度层其中心位置是不同的,并且在每一个高度层表现出很强的地域性.在100hPa(约16km)SSW的中心位置大多集中在西半球北美大陆北部到极地区域,少部分出现在西伯利亚东北端,如图5(a)所示.在50hPa(约21km),SSW的中心位置多位于东西伯利亚以及北美西北部地区的东西半球的交界处,如图5(b);在10hPa(约30km)高度层,其中心位置多位于东半球欧亚大陆北部到极地区域,如图5(c).也就是说,SSW在平流层低层中心位置多出现在西半球北端,平流层中高层SSW中心位置多出现在东半球北部,即随着高度的增加大多数SSW的中心由北美北边经过180°子午面移向欧亚大陆的北部.我们统计的69次SSW过程里有61次呈现这种趋势,只有1951、1952、1961、1966、1974、1986等一些年份的SSW中心位置没有表现出一定的规律性,而1981、1993年的SSW中心位置,在较低层出现在东半球,在较高层出现在西半球.2.3ssw中心向外扩展的速度结构设计我们对表1所列的各次SSW事件出现在不同高度层的先后顺序进行了分析,发现大部分SSW过程的增温最先出现在10hPa高层(约30km),然后由上向下扩展和传播.由于SSW发生在3月份的比较多,我们就采用发生在3月份的SSW事件来研究其发生在不同高度的先后顺序,如图6所示,图中每一条线表示一次增温过程,线上的点、圈等标记是SSW中心所到达的高度.从图中可以看出,SSW中心向下传的速度快的可以在3~5d从10hPa扩展到100hPa(约16km);慢的要经过半个月或更长时间才传到100hPa.在69个SSW事件中只有少数的SSW只出现在高层,如1953、1985、1994年.也有个别年份如1970年增温先出现在低层,然后向上传播,而1999年SSW则是先出现在50hPa附近,然后同时向上下传播.2.2节讨论的SSW中心位置随高度的变化结合起来,可以看出,大多数北半球平流层爆发性增温最先出现在平流层中层10hPa附近东半球的北部,然后逐渐向下扩展和传播,其中心也逐渐向东移动,呈反时针旋转的方向,经过180°子午面移向西半球的北部.3北极平流层温度场SSW过程虽然主要发生在平流层,但其温度场和位势场、风场的变化可以一直影响到对流层中下层.在表1的69次SSW过程中有64次其温度场和位势高度场的变化可以影响到近地面层.图7为北极地区从SSW发生之前1个月到发生后2个月的温度距平和位势高度距平的变化随高度的分布图.从图7(a)可以看出在SSW发生之前,极地平流层(100~10hPa)为强的冷空气控制.当SSW开始时(图中的“0”天),平流层负温度距平转为正,但对流层中下层和近地面层温度却比较低.随着平流层气温逐渐升高,对流层的温度也逐渐升高,比平均值高出1~3℃.从图7(b)也可以看出在SSW期间极地平流层位势场的变化也可以传到对流层中下层,引起对流层中下层环流的变化.从图7还可以看到SSW对对流层的影响有10~30d的滞后.420月26日高温区案例以上分析的是北半球SSW的一般特征.根据2002年以前的观测资料,南半球没有出现过强的SSW,只是到2002年9月21日~10月16日(南半球的初春)出现过一次强的SSW过程.这次过程从60°S向南极的温度梯度ΔT和平均纬向风U¯¯¯U¯变化为图8所示.从图8可见,在8月21~26日、9月1~3日、9月12~15日有三次弱增温,ΔT由负变正,但强度不大,U¯¯¯U¯稍有减弱,但并未反向.从9月21~10月16日出现一次强增温过程.从60°S向南极的平均温度差值ΔT的变化从9月20日的-12℃上升为9月22日的+11℃,9月20日绕南极的西风气流(15m/s)到9月23日开始变为东风气流.图9给出9月26日10、30、70和100hPa上的温度场,可以看出在南极区域原来的低温区已被高温区代替.在不同高度其高温中心的位置也不同.在100hPa,高温中心位于(70°S,150°E);在70hPa它位于(80°S,135°E);到了30hPa它位于(85°S,75°W);在10hPa其高温中心有两个,一个位于(70°S,45°E),另一个位于(60°S,90°W).对比前面第2.2节讨论的北半球SSW的高温中心位置随高度的变化,可以看出南半球这次SSW某些特征与北半球SSW有些相似,如SSW的中心的位置随高度而变化.不同的是,南半球这次SSW在100hPa附近的SSW中心都在东半球的南端,在较高层(30~10hPa)SSW中心在西半球的南端.而北半球大多数SSW的中心在100hPa出现在西半球的北端,在10hPa附近出现在东半球的北部.从2002年9~10月南极臭氧观测资料来看,这一时期南极臭氧洞比2001年和2003年弱得多,南极涡旋也发生很大变化.它们与南半球这次特有的爆发性增温有何关系,是个值得探讨的问题.我们将在另一文中讨论.5/方向上.我国科学通过上述讨论可以得到:(Ⅰ)在北半球SSW是平流层中经常发生的现象,平均每年一次以上,而且具有月际变化,它多发生在3月份.(Ⅱ)北半球平流层爆发性增温(SSW)活动的SSW中心位置具有随高度变化的特征.在较低层(16km附近)中心位置大部分偏于西半球的北美北部到北极地区,高层(30km附近)附近其中心多偏于东半球欧亚大陆的