周順武,楊雙艷,張人禾,馬振鋒

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044; 2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京 100081; 3.四川省氣候中心,四川成都 610071)

青藏高原兩類對流層頂高度的季節(jié)變化特征

周順武1,楊雙艷1,張人禾2,馬振鋒3

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044; 2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京 100081; 3.四川省氣候中心,四川成都 610071)

根據青藏高原地區(qū)14個探空站近30 a(1979—2008年)的對流層頂逐日觀測資料,分析了該地區(qū)上空熱帶對流層頂(第二對流層頂)和極地對流層頂(第一對流層頂)出現的頻率及高度的季節(jié)變化特征。結果表明:(1)高原全年均可觀測到第二對流層頂,其中在暖季(6—10月)第二對流層頂占絕對主導地位,而在其余月份則以復合對流層頂為主;(2)兩類對流層頂高度在季節(jié)變化上存在著明顯的差異,第一對流層頂高度在春秋(夏冬)季偏高(低),第二對流層頂高度在春夏(秋冬)季偏高(低),即第一(二)對流層頂高度的年變化曲線呈雙(單)峰型;(3)兩類對流層頂高度均存在明顯的年際變化,第一(二)對流層頂高度除秋季存在準3.6 a(6 a)的周期變化外,其余季節(jié)均具有4.5～6 a(2～4 a)的振蕩周期;(4)近30 a來高原第一(二)對流層頂主要表現出下降(上升)的趨勢,尤其是第二對流層頂高度在冬、春季存在著明顯的上升趨勢。

青藏高原;第一對流層頂;第二對流層頂;高度;季節(jié)變化

Abstract:Based on the tropopause daily observation data of 14 sounding stations from 1979 to 2008 over the Tibetan Plateau,the frequence and the seasonal variation of the tropical tropopause(the second tropopause)and the polar tropopause(the first tropopause)were analyzed.The results indicate that the second tropopause is dominant from June to Octoberover the Tibetan Plateau and the frequency of the two types of tropopause is roughly equal in other months.There are significant seasonal differences in the two kinds of tropopauses:the first tropopause presents a double-peak structure which is higher in spring and autumn and lower in winter and summer;the second tropopause presents a single-peak structure which is lower in autumn and winter and higher in spring and summer.There are obvious annual variations in the tropopause height:in each season,the first one has a periodic quasi-oscillation of 4.5 to 6 years in each season except autumn which has a 3.6-year one,while the second one has a periodic quasi-oscillation of 2 to 4 years except autumn which has a 6-year one.In recent 30 years,the first heighthas a mainly downtrend while the second one presents an opposite trend,which is even more obvious in spring and winter.

Key words:the Tibetan Plateau;the first tropopause;the second tropopause;height;seasonal variation

0 引言

對流層頂是對流層和平流層之間的一個過渡層,作為一個深厚的阻滯層,對流層頂阻礙著積雨云頂的垂直發(fā)展、氣溶膠和水汽等的垂直交換[1-6]。對流層頂高度由熱帶上空的大約16 km向兩極遞減到9 km左右,按其高度可將其分為極地(第一)對流層頂和熱帶(第二)對流層頂,如果某一地區(qū)上空同時存在兩類對流層頂,則稱之為復合對流層頂。復合對流層頂在空間上的延伸區(qū)稱之為對流層頂復合帶或對流層頂斷裂帶[1-2]。許多研究[7-8]指出對流層頂斷裂帶是平流層和對流層進行物質和能量交換的主要區(qū)域,在副熱帶地區(qū)經常出現對流層頂斷裂現象,因而這里最有利于對流層和平流層的空氣進行交換[9]。

由于全球變暖,地球的熱帶區(qū)域在擴大,對流層頂最高的部分在向南向北伸展,這些變化正在引發(fā)一種會影響全球天氣形勢和長期氣候的連鎖反應[10]。近年來對流層頂高度的抬升已引起了越來越多的關注[11-15]。Steinbrecht等[12]分析了德國的Hohenpeissenberg站探空資料,發(fā)現自20世紀60年代末以來該站對流層頂高度大約上升了150±70 m。Santer等[13]基于探空資料和NCEP/NCAR再分析資料,證實了自1979年以來全球對流層頂高度升高了近200 m。Sausen和Santer[14]也指出,自1979年以來全球平均的對流層頂高度呈上升趨勢。

近十幾年來,我國氣象工作者基于探空資料分析了中國不同區(qū)域的對流層頂高度變化特征。吳香玲[16]利用北京站1977—1990年的探空資料,對該地區(qū)全年占主導地位的第一對流層頂高度進行了分析,指出北京地區(qū)第一對流層頂高度的年變化曲線呈雙峰型。張廣興等[17]通過對新疆地區(qū)12個探空站的對流層頂資料分析后,發(fā)現1960—1999年全區(qū)第一對流層頂高度整體上存在上升趨勢。李輯等[18]分析了1964—2005年遼寧省南部(大連)和北部(沈陽)第一對流層頂高度的變化特征。陳芳等[19]利用青海7個探空站近32 a(1970—2001年)的高空觀測資料,分析表明該地區(qū)兩類對流層頂的高度存在明顯的季節(jié)性變化,同時指出近30 a來第二對流層頂的年平均高度呈上升趨勢。

青藏高原(以下簡稱高原)面積約占我國陸地面積的1/4,平均海拔在4 000 m以上,伸入到對流層中部。高原作為地球表面上一塊突出的巨大陸地,由春到夏高原上空加熱導致了對流明顯增強以及地形動力抬升作用,全球對流層頂的最大高度出現在高原以南的附近地區(qū)[20]。同時高原地處副熱帶地區(qū),也是經常出現對流層頂斷裂帶的地區(qū),作為一個極為特殊的區(qū)域,研究高原對流層頂的演變特征,對于全面和準確了解對流層頂區(qū)域變化以及理解上下層大氣耦合機制具有重要的意義。王鑫和呂達仁[21]利用GPS無線電掩星數據,分析了青藏高原(75～105°E,25～40°N)上空對流層頂高度及溫度的季節(jié)變化特征。

本文基于高原地區(qū)14個探空站逐日觀測的對流層頂資料,詳細討論了兩類對流層頂出現的頻率及其高度的季節(jié)變化、年際變化和長期趨勢變化。

1 資料說明與處理方法

采用中國氣象局信息中心提供的高原地區(qū)(包括西藏、青海以及周邊部分省)14個探空站(站點位置見圖1)近30 a(1979—2008年)觀測的每日兩個時次的對流層頂氣壓資料。該資料的特點是:如果某一時次兩類對流層頂都出現,則將該時次兩類對流層頂氣壓值都記錄下來。本文以150 hPa為兩類對流層頂的臨界值[22],即當對流層頂氣壓>(≤) 150 hPa時,視其為第一(第二)對流層頂。首先由每日兩次的對流層頂氣壓值區(qū)分出第一對流層頂和第二對流層頂;然后分別進行算術平均后得到每日一次的氣壓值;再由壓高公式[23]將對流層頂氣壓值轉換為以“km”為單位的高度值;最后由逐日高度值得到各月對流層頂的高度。文中以“T1”(“TH1”)表示第一對流層頂(高度),以“T2”(“TH2”)表示第二對流層頂(高度)。

壓高公式為:Z=-H×ln(p/p0)。其中:Z為高度;p為該高度的氣壓;H為標高;p0為海平面氣壓。按文獻[22]的取值,文中H=7.5km,p0= 1 013.25hPa。

2 對流層頂高度的氣候變化特征

2.1 兩類對流層頂出現的相對頻率

圖1 高原14個探空站的地理位置分布(圖中陰影部分表示海拔超過3 000m的地形,☆表示探空站的位置)Fig.1 The location of the14sounding stations over Tibetan plateau(Shaded area denotes the Tibetan Plateau,and☆indicates the location of the stations)

比較不同季節(jié)兩類對流層頂出現的頻率,按月統(tǒng)計各站30a兩類對流層頂各自出現的次數(若為復合對流層頂則兩類對流層頂各計1次),然后將每月各類對流層頂各自出現的次數除以該月兩類對流層頂出現次數的總和,就得到各月兩類對流層頂出現的相對頻率。圖2顯示了兩類對流層頂出現頻率的季節(jié)分布。由圖2可見,在5—11月期間T2出現的頻率明顯多于T1出現的頻率,其中6—9月T2出現的頻率超過了85%,特別是在8月幾乎很少觀測到T1,T2出現的頻率幾乎為100%;12月到翌年4月兩類對流層頂出現的頻率基本相當。由此可見,高原上空第二對流層頂在暖季(6—10月)占絕對優(yōu)勢地位,而在其余季節(jié)兩類對流層頂的出現頻率基本相當。

圖2 不同季節(jié)兩類對流層頂出現的相對頻率(T1表示第一對流層頂,T2表示第二對流層頂)Fig.2 The seasonal variation of the occurrence frequency of the tw o kinds of tropopauses(The black colum ns indicate the first tropopause,and gray ones indicate the second one)

2.2 兩類對流層頂的平均高度

將高原14個探空站兩類對流層頂高度分別進行算術平均后,以分析整個高原地區(qū)對流層頂高度的季節(jié)變化,圖3給出了高原上空多年平均后的兩類對流層頂高度的季節(jié)變化。由圖3可見,高原TH1全年處在9.9～12.1km之間,在春季和秋季平均高度較高,其中3—6月和9—12月平均高度均在11.0km以上,尤其是4—5月最高(超過了11.5 km);而在夏、冬季高度偏低,尤其是7—8月其平均高度降至最低(<10km),年變化幅度超過2.5km。因此,TH1的年變化曲線呈現出明顯的雙峰型特征。

圖3 兩類對流層頂多年平均高度的季節(jié)變化(TH1表示第一對流層頂高度,TH2表示第二對流層頂高度)Fig.3 The seasonal variation of m ulti-annual average height of tw o kinds of tropopauses(TH1indicates the first tropopause,and TH2indicates the second one)

TH2的年平均高度約為17.45km,其年進程與TH1明顯不同,其中在2—7月平均高度較高,最大高度出現在4—6月(超過了17.7km);而在9月到翌年1月高度較低,尤其是在10—11月平均高度降至最低(約為17.0km)。簡言之,TH2在晚春和初夏為峰值,晚秋為谷值,但年變化幅度僅為0.75 km,其年變化曲線表現出明顯的單峰單谷型。

2.3 不同季節(jié)兩類對流層頂高度的變化幅度

圖4 不同季節(jié)兩類對流層頂高度標準差分布Fig.4 The seasonal distribution of the standard deviation of the tw o kinds of tropopause height

比較不同季節(jié)兩類對流層頂高度的變化幅度,由TH1和TH2各月的標準差分布(圖4)可見,TH1的最大變率出現在暖季(6—10月),尤其是在8月其標準差超過了2.0km,而其他月份其值均為0.4 km左右,這表明TH1在暖季表現出極大的不穩(wěn)定性。由圖2可知,高原暖季T2出現的頻率占絕對主導地位,只是偶爾觀測到T1,正是由于T1出現的偶然性使得其變率異常偏大。TH2各月的標準差基本在0.2km上下波動,明顯低于TH1各月的標準差,尤其是在暖季TH2的變化幅度最小,這也從另外一個角度表明TH2在暖季表現出相當高的穩(wěn)定性。由此可見,在所有月份中,TH1以各月均值為中心的變化幅度要明顯大于TH2的變化幅度。

3 對流層頂高度的年際變化和長期趨勢變化

3.1 對流層頂高度的年際變化特征

圖5 各個季節(jié)TH1的年際變化曲線Fig.5 Interannual variation of TH1in each season

圖5 給出了近30a期間TH1在春、夏、秋和冬4個季節(jié)的年際變化曲線。由圖5可以看出,就平均值而言,TH1在春(夏)季明顯偏高(低);就年際變化幅度而言,夏季最大,秋季次之,春、冬季較低,這與圖3得到的結果一致。利用功率譜進一步分析各季節(jié)TH1的變化周期,發(fā)現除秋季存在準3.6a的周期外,其余季節(jié)均存在準4.5～6a的周期(表1)。

在各季節(jié)TH2的年際變化曲線圖上(圖略),就平均值而言,在春夏(秋冬)季相對較高(低);各季節(jié)的年際變化幅度均小于TH1。各個季節(jié)的TH2同樣也表現出明顯年際振蕩,除秋季具有準6a的周期外,其余季節(jié)存在準2～4a的振蕩周期(表1),功率譜分析同時還發(fā)現,各季節(jié)TH2普遍還存在著10～11a的低頻變化。

表1 功率譜分析給出的TH1和TH2周期Table1 Periods of TH1and TH2according to pow er spectrum analysisa

3.2 對流層頂高度的線性趨勢分析

以下采用線性趨勢方法分析近30a各季兩類對流層頂高度的線性變化趨勢,由前面分析可知,第一對流層頂在5—10月表現出極大的不穩(wěn)定性,且極少出現,分析這些月份的變化趨勢意義不大[19],因此以下僅討論TH1在1—4月和11—12月的變化趨勢。

圖6給出了近30a逐月高原兩類對流層頂高度的線性變化趨勢。由圖6可知,TH1除在1月和11月表現為微弱的上升趨勢外,2—4月和12月均表現出不同程度的下降趨勢。對TH2而言,除10月份出現了微弱的下降趨勢外,其他各月均表現出上升的趨勢,其中在冬春季的上升趨勢明顯比夏秋季大,尤其TH2在2月、5月及12月的上升趨勢均超過了150m/(10a)。

4 結論與討論

本文根據高原地區(qū)14個探空站近30a的對流層頂氣壓資料,討論了兩類對流層頂在不同季節(jié)出現的頻率及高度的變化特征,其主要結論如下:

(1)高原地區(qū)兩類對流層頂出現的頻率存在明顯的季節(jié)差異:在暖季(6—10月)出現第二對流層頂的頻率極高,而在其余季節(jié)兩類對流層頂的出現頻率大致相當。

(2)高原兩類對流層頂高度在季節(jié)變化上存在著明顯的差異:第一對流層頂多年平均高度約為11.11km,其中在春秋季(夏冬季)相對偏高(低),年變化曲線呈單峰型;而第二對流層頂的多年平均高度約為17.45km,其高度在春夏(秋冬)季偏高(低),年變化曲線呈雙峰型。

(3)高原兩類對流層頂高度均存在明顯的年際變化,第一(二)對流層頂高度除秋季存在準3.6a (6a)的周期外,其余季節(jié)普遍具有4.5～6a(2～4 a)的振蕩周期。

(4)近30a來高原第一對流層頂高度在2—4月和12月表現出不同程度的下降趨勢,而第二對流層頂高度除10月為下降趨勢外,其他各月均為上升趨勢,尤其是在冬、春季上升趨勢最為顯著。

圖6 近30a各月TH1和TH2的線性趨勢Fig.6 The m onthly linear trend of t w o kinds of tropopause height in recent30years

在分析對流層頂高度變化時,一些研究只是簡單比較了年平均高度的變化[16,24],本文的分析結果表明,高原地區(qū)兩類對流層頂無論是出現頻率還是平均高度均存在明顯的季節(jié)差異,因此只有分季節(jié)來研究兩類對流層頂變化特征,才有可能更有意義,也才有可能揭示其變化原因。

影響對流層頂的變化因子主要有太陽輻射、環(huán)流因子、下墊面性質(包括海陸分布)、大地形以及臭氧含量改變等[1,6,9,13-14,25-26],在諸多影響因子中,高原作為“被抬高了”的大尺度山地,其地表面吸收太陽輻射加熱大氣,這種熱力作用直接對大氣對流層加熱[27-28]。因此,高原對流層頂高度無疑與該地區(qū)下墊面熱狀況的季節(jié)變化有關。在地面加熱的各分量(感熱通量、潛熱通量和地面凈長波輻射通量)中,哪一種加熱對對流層頂高度的影響最顯著呢?

圖7 高原區(qū)NLW RF與TH1的季節(jié)變化Fig.7 The seasonal variation of net long w ave radiation flux and the first tropopause height

高原TH1全年處在300～200hPa之間,其高度變化與對流層上部溫度的變化存在密切關系。地面凈長波輻射為地面向上長波輻射與大氣逆輻射之差,由于受到地面向上長波輻射和大氣逆輻射的綜合影響,它直接影響到對流層大氣溫度的變化。

魏麗和李棟梁[29]通過對NCEP/DO E再分析地面通量資料與1982年8月—1983年7月高原熱源觀測資料進行比較后,認為在高原地區(qū)NCEP/DO E提供的地面各輻射通量能夠反映出其年變化的特征。以下利用該套再分析資料提供的地面凈長波輻射通量(NLW RF)和感熱通量(SHTF),通過對它們在高原地區(qū)面積平均后,得到多年平均值的季節(jié)演變特征,初步討論高原熱力狀況對兩類對流層頂高度的影響。圖7為多年平均NLW R與TH1的季節(jié)變化。由圖7可見,高原地區(qū)NLW RF在4—5月最大,7—8月最小,10—11月為次大,1—2月為次小,其季節(jié)變化與TH1的季節(jié)變化一致,也表現出雙峰型結構:即在秋、春季大,冬、夏季小。這是因為由春至夏地面迅速加熱,使地面向上長波輻射迅速增大,且其增大幅度大于大氣逆輻射;而秋季因晴好天氣出現頻數較多,大氣逆輻射的減少快于地面向上長波輻射,從而使秋、春季地面凈長波輻射始終維持較高的水平;冬季的低值是與冬季地表溫度迅速降低,地面向上長波輻射較小有關;夏季的低值則是因為隨著雨季的到來天空總云量增多造成大氣逆輻射迅速增大[30]。這表明NLW RF越強(弱),對流層上部氣溫越低(高),從而導致TH1越高(低)。

TH2在春、夏兩季較高,在秋、冬兩季較低,對流層頂的高度取決于對流層大氣的平均溫度[1,30]。圖8為高原區(qū)多年平均的SHTF與TH2的季節(jié)變化。由圖8可見,在11月至翌年2月高原感熱為負值,熱量由大氣輸送給下墊面;而3—10月的感熱為正值,即地面加熱大氣,尤其是在5—6月達到最大, SHFT的這一單峰型變化與TH2的變化一致。感熱在春末夏初達到最大的可能原因是[30],冬季高原積雪多,反照率大,太陽高度角也小,故地面吸收日輻射最小;夏季太陽高度角雖高,但處于雨季,云量多,地面也不能大量吸收日輻射;而春末夏初高原積雪已溶化,反照率小,太陽角度已轉高,又未入雨季,云量少,故地面能吸收大量日輻射,同時春季地面風速也較大,故此期間SHFT最高。這說明高原對大氣的加熱作用主要表現在春季和夏季,當SHFT增強(減弱),對流層的平均溫度變暖(冷),對流層的厚度增大(減小)時,TH2也就升高(降低)。致謝:感謝中國國家氣象信息中心氣象資料室(C lim atic D ata Center,N ational M eteorological Inform ation Center,CMA)提供了對流層頂探空資料。同時感謝兩位匿名審稿專家提出的寶貴修改建議!

圖8 高原區(qū)SHTF與TH2的季節(jié)變化Fig.8 The seasonal variation of sensible heat and the second tropopause height

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(責任編輯:張福穎)

Seasonal Vari ation of Two Types of Tropopause Height over the Tibetan Plateau

ZHOU Shun-wu1,YANG Shuang-yan1,ZHANG Ren-he2,MA Zhen-feng3
(1.KeyLaboratory ofMeteorologicalDisaster ofMinistry of Education,NU IST,Nanjing 210044,China; 2.State KeyLaboratory for SevereWeather,CAMS,Beijing 100081,China; 3.Climate Center of Sichuan Province,Chengdu 610071,China)

P465

A

1674-7097(2010)03-0307-08

周順武,楊雙艷,張人禾,等.青藏高原兩類對流層頂高度的季節(jié)變化特征[J].大氣科學學報,2010,33(3):307-314.

Zhou Shun-wu,Yang Shuang-yan,Zhang Ren-he,et al.Seasonal variation of two types of tropopause height over the Tibetan Plateau[J].TransAtmos Sci, 2010,33(3):307-314.

2009-09-15;改回日期:2010-02-25

中國氣象局成都高原氣象研究所開放實驗室基金項目(LPM2008007);國家自然科學基金資助項目(40675058)

周順武(1968—),男,四川大竹人,博士,教授,研究方向為區(qū)域氣候變化,zhou@nuist.edu.cn.