郭世昌 戴敏 楊沛瓊 黎成超 常有禮 劉煜 呂達仁

1 云南大學(xué)大氣科學(xué)系，昆明 650091

2 中國氣象科學(xué)研究所，北京 100081

3 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測實驗室，北京 100029

1 引言

平均經(jīng)圈環(huán)流（mean meridional circulation，MMC）聯(lián)系了低緯和中高緯的風(fēng)場，在大氣環(huán)流的調(diào)整、全球能量平衡方面扮演重要角色，是研究天氣、氣候變化時需要考慮的一個重要的問題，很早就受到了氣象學(xué)家們的重視。關(guān)于MMC的重要意義，葉篤正和朱抱真（1958）、洛倫茨（1976）等已進行過全面論述。構(gòu)成 MMC的主要系統(tǒng)是Hadley 環(huán)流圈、Ferrel 環(huán)流圈和極地環(huán)流圈，其中Hadley 環(huán)流是南、北半球中低緯度地區(qū)大氣中尺度和強度最大、研究歷史最悠久的直接熱力垂直經(jīng)圈環(huán)流。

由于大氣環(huán)流是一個相互影響、相互制約的整體，熱帶地區(qū)的大氣環(huán)流可以通過遙相關(guān)對全球大氣環(huán)流以及全球氣候產(chǎn)生影響（Lau，1997；Alexander et al., 2002；Yang and Liu，2005）。作為熱帶大氣中一個顯著的大尺度環(huán)流因子，Hadley環(huán)流通過角動量、水汽和能量的輸送，不僅影響著低緯大氣活動，而且也能影響到中高緯大氣環(huán)流和氣候的變化（Oort and Peixoto，1983；吳國雄和Tibaldi，1988；Hou and Molod，1995；Hou，1998；Zhou and Wang，2006）。由于Hadley環(huán)流一直上升到對流層頂附近，而下平流層與上對流層可以有較強的物質(zhì)、能量交換，下平流層和上對流層之間的質(zhì)量交換可以將引起臭氧損耗的氣體輸送到平流層，這種交換還將臭氧富集的平流層空氣向下輸送到對流層（楊健和呂達仁，2003），故而Hadley環(huán)流可能對平流層臭氧產(chǎn)生重要的影響。郭世昌等（2008a，2008b）已通過表征不同Hadley環(huán)流特征的指數(shù)，對Hadley環(huán)流與臭氧的關(guān)系進行過一些研究。那么，MMC的變化和異常與臭氧變化之間是否存在聯(lián)系？在此，本文將著眼于MMC的基本特征，應(yīng)用經(jīng)驗正交函數(shù)-典型相關(guān)分析（EOF-CCA），來研究其與臭氧變化的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)和方法

本文采用的經(jīng)向風(fēng)和臭氧質(zhì)量混合比資料，均來源于歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）全球多層月平均資料。變量的月平均場在垂直方向分為23層，即23個二維場，依次是1000、925、850、775、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10、7、5、3、2、1 hPa等壓面。每個二維場用間距為 2.5° 經(jīng)、緯度網(wǎng)格點上的值來表示，X方向從西向東共 144個格點，對應(yīng) 0°～357.5°E，Y方向從南向北共73個格點，對應(yīng)90°S～90°N。

由于臭氧的分布在垂直方向上極不均勻，所以將臭氧濃度的垂直分布分為400～30 hPa和1000～400 hPa兩個層次進行分析。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 MMC的季節(jié)、年代際變化特征

利用ECMWF的資料，采用秦育婧等（2006）的疊加算法，計算出質(zhì)量流函數(shù)ψ場。在之前的工作中郭世昌等（2008a，2008b）已經(jīng)詳細討論過近45年的MMC氣候態(tài)分布，得知MMC具有很強的季節(jié)性。

在垂直平均的MMC質(zhì)量流函數(shù)經(jīng)向分布季節(jié)變化（圖 1）中可以看到其季節(jié)變化在不同緯度帶有不同的特征，且很清楚地表現(xiàn)出了三圈環(huán)流的基本緯度位置、強弱和季節(jié)變化規(guī)律。季節(jié)變化主要集中在低緯度地區(qū)，其中Hadley環(huán)流的季節(jié)變化在三圈環(huán)流中最為顯著，控制范圍為35°S～40°N，出現(xiàn)正、負交替的分布。10月至次年的4月主要向北輸送，1月達到最盛，中心位于北半球；4～10月主要向南輸送，中心位于南半球，隨季節(jié)變化，改變向南北輸送的強度。其次有季節(jié)變化的MMC是南半球的Ferrel環(huán)流，10月到第二年的4月較強，其余月份較弱，且Ferrel環(huán)流在強度上還表現(xiàn)出了南北半球不對稱。

圖1 MMC質(zhì)量流函數(shù)的經(jīng)向分布和季節(jié)變化（單位：1010 kg s–1）Fig.1 Meridional distribution and seasonal change of MMC (mean meridional circulation) mass stream function（unit: 1010 kg s–1)

在垂直平均質(zhì)量流函數(shù)的距平場偏差圖（圖略）中我們發(fā)現(xiàn)，MMC距平場在低緯度地區(qū)有明顯的年際和年代際變化特征，其他緯度不是很明顯，70年代之前為負距平，而后多表現(xiàn)為正距平。同時還可以發(fā)現(xiàn)有3個明顯的正距平異常，分別出現(xiàn)在1973年、1983年、1998年。為此，我們對這三個年份做了進一步的分析，在圖3中給出了更清晰的圖像。

Hadley環(huán)流是低緯度地區(qū)主要的環(huán)流系統(tǒng)，我們定義 0°～30°N 區(qū)域里最大的質(zhì)量流函數(shù)為北半球 Hadley環(huán)流強度指數(shù)（NHCI），0°～30°S區(qū)域里最大的質(zhì)量流函數(shù)為南半球 Hadley環(huán)流強度指數(shù)（SHCI)。定義 Hadley環(huán)流上升支強度 THCI=︱NHCI︱＋︱SHCI︱。圖2中可以看出Hadley環(huán)流上升支強度在 1975年左右由負距平轉(zhuǎn)換為正距平之后在0線附近擺動，1990年后正距平的趨勢增強，說明上升支的強度呈增強的趨勢，即向南北輸送的強度都增強。除去季節(jié)變化的臭氧總量距平偏差的時間序列（圖略）則發(fā)現(xiàn)：全球平均臭氧總量在 1980年前為正距平，之后為負距平，說明全球臭氧總量呈現(xiàn)減少的趨勢。北半球、南半球的臭氧總量的變化趨勢和全球臭氧總量的變化趨勢基本相同；赤道的臭氧總量也在1980年前為正距平，之后為負距平，但在 1990年代后有增加的趨勢?？梢钥闯?Hadley環(huán)流強度和臭氧總量存在一個反向變化的關(guān)系。

對三個正距平異常年份的分析發(fā)現(xiàn)（圖 3），1973年的正距平最大值出現(xiàn)在1月、2.5°N的位置，量值超過平均值0.3×1010kg s–1，這種異常一直從1972年的8月維持到1973年的2月。1983年的正距平最大值也出現(xiàn)在1月、2.5°N的位置，量值超過平均值0.5×1010kg s–1，異常一直從1982年的10月維持到1983年的7月。1998年的正距平最大值與1983年的一樣，出現(xiàn)在1月、2.5°N的位置，量值超過了平均值0.5×1010kg s–1，從1997年的10月到1998年的7月都表現(xiàn)出這種異常。綜合以上分析，我們得出：（1）三個異常年份正距平最大值均出現(xiàn)在 1月份。（2）正距平最大值均出現(xiàn)在2.5°N的位置。所表現(xiàn)出的正距平異常，說明向北輸送環(huán)流在上述3個時刻的突然增大。

3.2 垂直層次上MMC與臭氧的對應(yīng)

將臭氧的經(jīng)向垂直剖面與MMC疊加，發(fā)現(xiàn)對流層中MMC與臭氧濃度的垂直和經(jīng)向分布有很好的對應(yīng)，而平流層中臭氧的季節(jié)變化與MMC也有一定的聯(lián)系。

圖2 剔除季節(jié)變化的Hadley環(huán)流上升支強度的距平時間序列（直方圖，單位：1010 kg s–1）和11年滑動平均曲線（實線）Fig.2 Time series (histogram) and 11-year moving average curve (solid line, unit: 1010 kg s–1) of ascending branch intensity anomaly of Hadley cell

圖3 MMC質(zhì)量流函數(shù)距平場（單位：1010 kg s–1）Fig.3 The MMC mass stream function anomalies field (unit:1010 kg s–1)

從圖4的1000～400 hPa臭氧質(zhì)量混合比經(jīng)向平均剖面與MMC的疊加圖可以看到，MMC與高濃度的臭氧有很好的對應(yīng)，特別是在Hadley環(huán)流控制的范圍內(nèi)，說明了經(jīng)圈環(huán)流，特別是Hadley環(huán)流對臭氧的輸送作用，將高層含有高濃度臭氧的空氣卷入環(huán)流中，并隨著環(huán)流輸送到了對流層低層，這些含有高濃度臭氧的空氣一直在環(huán)流（主要是Hadley環(huán)流）的控制中，這樣就形成了臭氧在對流層中低緯度的氣候態(tài)分布。同時卷入環(huán)流的高濃度臭氧空氣隨著MMC的季節(jié)變化而變化，形成了低層臭氧的季節(jié)變化特征。這主要是由于太陽活動導(dǎo)致了Hadley環(huán)流的季節(jié)變化，通過環(huán)流的變化，形成了臭氧的氣候態(tài)分布。同時可以發(fā)現(xiàn)在對流層垂直方向上北半球臭氧濃度的變化比南半球的變化更明顯，我們認為這是由于南北半球海陸分布不均導(dǎo)致南北半球海陸熱力差異進而引起環(huán)流差異而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的。

近年來，平流層—對流層的交換（STE）是一個熱點及難點問題，陳洪濱等（2006）指出該區(qū)域（STE）高度范圍大致為5～20 km，而這個區(qū)域中的Brewer-Dobson環(huán)流對平流層微量氣體的分布有著很大的影響。因此我們分析了400～30 hPa臭氧質(zhì)量混合比經(jīng)向平均剖面與MMC的疊加圖（圖4）。對于MMC來說，經(jīng)向的質(zhì)量流函數(shù)在平流層下部同樣存在，只是量級遠小于對流層，只有對流層的百分之一，但對空氣質(zhì)量同樣有向南北半球輸送的作用?？梢钥吹組MC與低濃度的臭氧有很好的對應(yīng)，特別是 Hadley環(huán)流控制的緯度范圍（35°S～40°N）內(nèi)，MMC的下沉支與臭氧濃度向低層彎曲的位置有很好的對應(yīng)，同樣說明了經(jīng)圈環(huán)流，特別是 Hadley環(huán)流對臭氧的輸送作用，環(huán)流將原本處于較高層次的高濃度臭氧帶入較低的層次，即在Hadley環(huán)流控制的緯度范圍（35°S～40°N）內(nèi)的低濃度區(qū)。MMC對臭氧的輸送作用隨著季節(jié)變化而改變，形成了400～30 hPa以下的臭氧氣候態(tài)分布。

大氣臭氧在全球范圍的分布特征及時空變化主要由大氣化學(xué)和動力學(xué)過程來決定。大氣化學(xué)過程決定了臭氧的產(chǎn)生和消亡，平流層的光化學(xué)過程造成了平流層中部的高濃度臭氧層的存在，垂直交換又可以將光化學(xué)過程所產(chǎn)生的臭氧從25～30 km層輸送到平流層底層和對流層,再通過大型環(huán)流的輸送，形成我們所觀測到的臭氧垂直和水平分布的差異和變化。平流層大氣臭氧的分布變化通過加熱作用會影響溫度場結(jié)構(gòu)，進而對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響。

3.3 垂直剖面上臭氧與MMC的時空特征分析

為了進一步說明臭氧與MMC在垂直方向上的關(guān)系，對540個月的臭氧垂直經(jīng)向剖面場與MMC場進行EOF-CCA 的典型相關(guān)分析。通過EOF展開后，其前k個主分量的方差貢獻率反映了臭氧垂直經(jīng)向剖面場與MMC場的大尺度特征所占的比重，為了分析其大尺度特征，我們將第一特征向量方差貢獻率和當(dāng)累積方差貢獻率達 85%時所需主分量的個數(shù)列表（見表1）。由表1可見，臭氧垂直濃度的累積方差貢獻率達 85%時所需主分量個數(shù)都比MMC少，說明臭氧垂直濃度的大尺度特征比MMC的大尺度特征明顯。

圖4 1000～400 hPa、400～30 hPa臭氧質(zhì)量混合比（陰影）與MMC質(zhì)量流函數(shù)（等值線，單位：1010 kg s–1）經(jīng)向平均剖面的疊加圖Fig.4 Composites of meridionally averaged ozone mass mixing ratio (shaded areas) and MMC mass stream function for 1000-400 hPa, 400-30 hPa(contours, units: 1010 kg s–1)

表1 主分量累積方差貢獻率Table 1 Principal components cumulative contribution rate

圖5為臭氧垂直經(jīng)向剖面與MMC場第一特征向量場，圖中量值為權(quán)重系數(shù)值。由圖 5a可見，臭氧場垂直經(jīng)向剖面圖呈現(xiàn)出南北半球反向變化的特征，北半球主要為負值，南半球主要為正值，并且隨高度的增加有向兩極傾斜的趨勢。在兩半球?qū)α鲗拥母呔暤貐^(qū)則表現(xiàn)出南負北正的分布。兩半球權(quán)重系數(shù)高值中心均出現(xiàn)在200～60 hPa的中高緯地區(qū)，從權(quán)重系數(shù)的絕對值來看，北半球臭氧濃度的變化比南半球的變化更明顯。由圖 5b可見，MMC由南半球到北半球呈現(xiàn)出“－、＋、－、＋、－”的分布特征。低緯地區(qū)從低層對流層一直到40 hPa附近都為權(quán)重系數(shù)大值區(qū)，表明低緯地區(qū)MMC的變化最為明顯。

選取主分量累積方差貢獻率達到 85%的情況進行CCA分析，并通過2χ檢驗方法對典型相關(guān)分析結(jié)果進行檢驗，臭氧垂直經(jīng)向剖面場與MMC場的第一典型相關(guān)系數(shù)為0.99，這表明臭氧濃度場與MMC的關(guān)系密切。于是我們把南、北半球高度場的第一對典型載荷特征向量繪成典型相關(guān)場圖（圖6），進一步分析南北半球環(huán)流場的相互關(guān)系。

由圖 6a可見，在第一對典型相關(guān)場上臭氧場的典型載荷特征向量在南半球300 hPa以上的相關(guān)系數(shù)值較高。其中，中低緯地區(qū)為正相關(guān)，中高緯地區(qū)為負相關(guān)。而北半球除在中高緯的對流層有較弱的正相關(guān)區(qū)外，其余地區(qū)表現(xiàn)為負相關(guān)。圖 6b為第一對典型相關(guān)場的MMC場，在低緯對流層地區(qū)出現(xiàn)典型載荷特征向量的大值中心，這正好是Hadley環(huán)流所在的位置，在南半球30°S附近的對流層地區(qū)存在典型載荷特征向量的次大值中心，這恰是南半球的Ferrel環(huán)流所在區(qū)域。

圖5 臭氧質(zhì)量混合比（a）和MMC質(zhì)量流函數(shù)（b）垂直—經(jīng)向剖面的第一特征向量空間場Fig.5 The first eigenvector fields of vertical-meridional profiles of (a) ozone mass mixing ratio and (b) MMC mass stream function

圖6 臭氧質(zhì)量混合比（a）與MMC質(zhì)量流函數(shù)（b）垂直—經(jīng)向剖面的第一對典型相關(guān)場Fig.6 The first canonical correlation fields of vertical-meridional profiles of (a) ozone mass mixing ratio and (b) MMC mass stream function

從典型相關(guān)分析中我們發(fā)現(xiàn) MMC和臭氧存在著較好的相關(guān)性：當(dāng)MMC場正相關(guān)區(qū)的MMC增強或減弱時，臭氧場中正相關(guān)區(qū)域的臭氧隨之增強或減弱，而負相關(guān)區(qū)域的臭氧則相反地呈減弱或增強的趨勢；反之亦然。同時，典型載荷特征向量絕對值的大小反映了選取的要素場的重要性，還反映出相關(guān)最大區(qū)域的所在。低緯地區(qū)是載荷向量絕對值的大值區(qū)，說明Hadley和Ferrel環(huán)流在臭氧的變化中起著重要作用。由于中低緯熱帶大氣有凈熱量收入，是全球主要的熱源，在熱力環(huán)流的作用下將對流層相對高濃度的臭氧向高緯輸送，低緯環(huán)流與中、高緯環(huán)流關(guān)系十分密切，所以一旦低緯環(huán)流異常，中高緯環(huán)流就會隨之變化，導(dǎo)致不同地區(qū)臭氧濃度的變化。對流層中的臭氧濃度增強或減弱所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)對Hadley環(huán)流和Ferrel的增強或減弱又有一定的影響。

大氣環(huán)流的變化與熱帶海洋的變化密切相關(guān)，西太平洋“暖池”區(qū)、El Ni?o事件發(fā)生的東太平洋海區(qū)等都對大氣環(huán)流變化產(chǎn)生著重要的影響，而這些海區(qū)都分布在低緯。因此低緯的Hadley環(huán)流是研究臭氧與MMC關(guān)系的一個關(guān)鍵區(qū)域，其對全球大氣臭氧變化影響的機制還有待我們進一步深入研究。

4 結(jié)論與討論

通過對MMC的基本特征及其與臭氧關(guān)系的初步研究，得出以下初步結(jié)論：

（1）MMC具有很強的季節(jié)性，Hadley環(huán)流是MMC中最顯著的組成部分，1月向北輸送，7月向南輸送，4、10月為過渡月份，上升支偏于赤道附近的處于夏季的半球，冬半球Hadley環(huán)流較強，夏半球較弱。在季節(jié)變化中Hadley環(huán)流的季節(jié)變化最突出，控制范圍為35°S～40°N。

（2）平均經(jīng)圈環(huán)流與臭氧在垂直方向上有很好的對應(yīng)和相關(guān)關(guān)系。平均經(jīng)圈環(huán)流是形成臭氧水平、垂直的氣候平均態(tài)分布，季節(jié)變化，年代際變化的重要因素。

（3）臭氧垂直濃度的大尺度特征比MMC的大尺度特征明顯。

（4）MMC與臭氧的典型載荷特征向量在對流層低緯度地區(qū)出現(xiàn)大值中心，說明在對流層中，臭氧主要與MMC中的Hadley環(huán)流及Ferrel環(huán)流存在密切的相關(guān)關(guān)系，這意味著Hadley和Ferrel環(huán)流在臭氧的變化中起著重要作用。當(dāng)然，當(dāng)對流層中臭氧濃度增強或減弱時，其溫室效應(yīng)也可能會通過影響溫度場進而影響風(fēng)壓場而對低緯的經(jīng)圈環(huán)流產(chǎn)生一定的影響，這值得關(guān)注。

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