青藏高原两类对流层顶高度的季节变化特征

周顺武,杨双艳,张人禾,马振锋

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044; 2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081; 3.四川省气候中心,四川成都 610071)

青藏高原两类对流层顶高度的季节变化特征

周顺武1,杨双艳1,张人禾2,马振锋3

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044; 2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081; 3.四川省气候中心,四川成都 610071)

根据青藏高原地区14个探空站近30 a(1979—2008年)的对流层顶逐日观测资料,分析了该地区上空热带对流层顶(第二对流层顶)和极地对流层顶(第一对流层顶)出现的频率及高度的季节变化特征。结果表明:(1)高原全年均可观测到第二对流层顶,其中在暖季(6—10月)第二对流层顶占绝对主导地位,而在其余月份则以复合对流层顶为主;(2)两类对流层顶高度在季节变化上存在着明显的差异,第一对流层顶高度在春秋(夏冬)季偏高(低),第二对流层顶高度在春夏(秋冬)季偏高(低),即第一(二)对流层顶高度的年变化曲线呈双(单)峰型;(3)两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,第一(二)对流层顶高度除秋季存在准3.6 a(6 a)的周期变化外,其余季节均具有4.5～6 a(2～4 a)的振荡周期;(4)近30 a来高原第一(二)对流层顶主要表现出下降(上升)的趋势,尤其是第二对流层顶高度在冬、春季存在着明显的上升趋势。

青藏高原;第一对流层顶;第二对流层顶;高度;季节变化

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

对流层顶是对流层和平流层之间的一个过渡层,作为一个深厚的阻滞层,对流层顶阻碍着积雨云顶的垂直发展、气溶胶和水汽等的垂直交换[1-6]。对流层顶高度由热带上空的大约16 km向两极递减到9 km左右,按其高度可将其分为极地(第一)对流层顶和热带(第二)对流层顶,如果某一地区上空同时存在两类对流层顶,则称之为复合对流层顶。复合对流层顶在空间上的延伸区称之为对流层顶复合带或对流层顶断裂带[1-2]。许多研究[7-8]指出对流层顶断裂带是平流层和对流层进行物质和能量交换的主要区域,在副热带地区经常出现对流层顶断裂现象,因而这里最有利于对流层和平流层的空气进行交换[9]。

由于全球变暖,地球的热带区域在扩大,对流层顶最高的部分在向南向北伸展,这些变化正在引发一种会影响全球天气形势和长期气候的连锁反应[10]。近年来对流层顶高度的抬升已引起了越来越多的关注[11-15]。Steinbrecht等[12]分析了德国的Hohenpeissenberg站探空资料,发现自20世纪60年代末以来该站对流层顶高度大约上升了150±70 m。Santer等[13]基于探空资料和NCEP/NCAR再分析资料,证实了自1979年以来全球对流层顶高度升高了近200 m。Sausen和Santer[14]也指出,自1979年以来全球平均的对流层顶高度呈上升趋势。

近十几年来,我国气象工作者基于探空资料分析了中国不同区域的对流层顶高度变化特征。吴香玲[16]利用北京站1977—1990年的探空资料,对该地区全年占主导地位的第一对流层顶高度进行了分析,指出北京地区第一对流层顶高度的年变化曲线呈双峰型。张广兴等[17]通过对新疆地区12个探空站的对流层顶资料分析后,发现1960—1999年全区第一对流层顶高度整体上存在上升趋势。李辑等[18]分析了1964—2005年辽宁省南部(大连)和北部(沈阳)第一对流层顶高度的变化特征。陈芳等[19]利用青海7个探空站近32 a(1970—2001年)的高空观测资料,分析表明该地区两类对流层顶的高度存在明显的季节性变化,同时指出近30 a来第二对流层顶的年平均高度呈上升趋势。

青藏高原(以下简称高原)面积约占我国陆地面积的1/4,平均海拔在4 000 m以上,伸入到对流层中部。高原作为地球表面上一块突出的巨大陆地,由春到夏高原上空加热导致了对流明显增强以及地形动力抬升作用,全球对流层顶的最大高度出现在高原以南的附近地区[20]。同时高原地处副热带地区,也是经常出现对流层顶断裂带的地区,作为一个极为特殊的区域,研究高原对流层顶的演变特征,对于全面和准确了解对流层顶区域变化以及理解上下层大气耦合机制具有重要的意义。王鑫和吕达仁[21]利用GPS无线电掩星数据,分析了青藏高原(75～105°E,25～40°N)上空对流层顶高度及温度的季节变化特征。

本文基于高原地区14个探空站逐日观测的对流层顶资料,详细讨论了两类对流层顶出现的频率及其高度的季节变化、年际变化和长期趋势变化。

1 资料说明与处理方法

采用中国气象局信息中心提供的高原地区(包括西藏、青海以及周边部分省)14个探空站(站点位置见图1)近30 a(1979—2008年)观测的每日两个时次的对流层顶气压资料。该资料的特点是:如果某一时次两类对流层顶都出现,则将该时次两类对流层顶气压值都记录下来。本文以150 hPa为两类对流层顶的临界值[22],即当对流层顶气压>(≤) 150 hPa时,视其为第一(第二)对流层顶。首先由每日两次的对流层顶气压值区分出第一对流层顶和第二对流层顶;然后分别进行算术平均后得到每日一次的气压值;再由压高公式[23]将对流层顶气压值转换为以“km”为单位的高度值;最后由逐日高度值得到各月对流层顶的高度。文中以“T1”(“TH1”)表示第一对流层顶(高度),以“T2”(“TH2”)表示第二对流层顶(高度)。

压高公式为:Z=-H×ln(p/p0)。其中:Z为高度;p为该高度的气压;H为标高;p0为海平面气压。按文献[22]的取值,文中H=7.5km,p0= 1 013.25hPa。

2 对流层顶高度的气候变化特征

2.1 两类对流层顶出现的相对频率

图1 高原14个探空站的地理位置分布(图中阴影部分表示海拔超过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)

比较不同季节两类对流层顶出现的频率,按月统计各站30a两类对流层顶各自出现的次数(若为复合对流层顶则两类对流层顶各计1次),然后将每月各类对流层顶各自出现的次数除以该月两类对流层顶出现次数的总和,就得到各月两类对流层顶出现的相对频率。图2显示了两类对流层顶出现频率的季节分布。由图2可见,在5—11月期间T2出现的频率明显多于T1出现的频率,其中6—9月T2出现的频率超过了85%,特别是在8月几乎很少观测到T1,T2出现的频率几乎为100%;12月到翌年4月两类对流层顶出现的频率基本相当。由此可见,高原上空第二对流层顶在暖季(6—10月)占绝对优势地位,而在其余季节两类对流层顶的出现频率基本相当。

图2 不同季节两类对流层顶出现的相对频率(T1表示第一对流层顶,T2表示第二对流层顶)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 两类对流层顶的平均高度

将高原14个探空站两类对流层顶高度分别进行算术平均后,以分析整个高原地区对流层顶高度的季节变化,图3给出了高原上空多年平均后的两类对流层顶高度的季节变化。由图3可见,高原TH1全年处在9.9～12.1km之间,在春季和秋季平均高度较高,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(超过了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),年变化幅度超过2.5km。因此,TH1的年变化曲线呈现出明显的双峰型特征。

图3 两类对流层顶多年平均高度的季节变化(TH1表示第一对流层顶高度,TH2表示第二对流层顶高度)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的年平均高度约为17.45km,其年进程与TH1明显不同,其中在2—7月平均高度较高,最大高度出现在4—6月(超过了17.7km);而在9月到翌年1月高度较低,尤其是在10—11月平均高度降至最低(约为17.0km)。简言之,TH2在晚春和初夏为峰值,晚秋为谷值,但年变化幅度仅为0.75 km,其年变化曲线表现出明显的单峰单谷型。

2.3 不同季节两类对流层顶高度的变化幅度

图4 不同季节两类对流层顶高度标准差分布Fig.4 The seasonal distribution of the standard deviation of the tw o kinds of tropopause height

比较不同季节两类对流层顶高度的变化幅度,由TH1和TH2各月的标准差分布(图4)可见,TH1的最大变率出现在暖季(6—10月),尤其是在8月其标准差超过了2.0km,而其他月份其值均为0.4 km左右,这表明TH1在暖季表现出极大的不稳定性。由图2可知,高原暖季T2出现的频率占绝对主导地位,只是偶尔观测到T1,正是由于T1出现的偶然性使得其变率异常偏大。TH2各月的标准差基本在0.2km上下波动,明显低于TH1各月的标准差,尤其是在暖季TH2的变化幅度最小,这也从另外一个角度表明TH2在暖季表现出相当高的稳定性。由此可见,在所有月份中,TH1以各月均值为中心的变化幅度要明显大于TH2的变化幅度。

3 对流层顶高度的年际变化和长期趋势变化

3.1 对流层顶高度的年际变化特征

图5 各个季节TH1的年际变化曲线Fig.5 Interannual variation of TH1in each season

图5 给出了近30a期间TH1在春、夏、秋和冬4个季节的年际变化曲线。由图5可以看出,就平均值而言,TH1在春(夏)季明显偏高(低);就年际变化幅度而言,夏季最大,秋季次之,春、冬季较低,这与图3得到的结果一致。利用功率谱进一步分析各季节TH1的变化周期,发现除秋季存在准3.6a的周期外,其余季节均存在准4.5～6a的周期(表1)。

在各季节TH2的年际变化曲线图上(图略),就平均值而言,在春夏(秋冬)季相对较高(低);各季节的年际变化幅度均小于TH1。各个季节的TH2同样也表现出明显年际振荡,除秋季具有准6a的周期外,其余季节存在准2～4a的振荡周期(表1),功率谱分析同时还发现,各季节TH2普遍还存在着10～11a的低频变化。

表1 功率谱分析给出的TH1和TH2周期Table1 Periods of TH1and TH2according to pow er spectrum analysisa

3.2 对流层顶高度的线性趋势分析

以下采用线性趋势方法分析近30a各季两类对流层顶高度的线性变化趋势,由前面分析可知,第一对流层顶在5—10月表现出极大的不稳定性,且极少出现,分析这些月份的变化趋势意义不大[19],因此以下仅讨论TH1在1—4月和11—12月的变化趋势。

图6给出了近30a逐月高原两类对流层顶高度的线性变化趋势。由图6可知,TH1除在1月和11月表现为微弱的上升趋势外,2—4月和12月均表现出不同程度的下降趋势。对TH2而言,除10月份出现了微弱的下降趋势外,其他各月均表现出上升的趋势,其中在冬春季的上升趋势明显比夏秋季大,尤其TH2在2月、5月及12月的上升趋势均超过了150m/(10a)。

4 结论与讨论

本文根据高原地区14个探空站近30a的对流层顶气压资料,讨论了两类对流层顶在不同季节出现的频率及高度的变化特征,其主要结论如下:

(1)高原地区两类对流层顶出现的频率存在明显的季节差异:在暖季(6—10月)出现第二对流层顶的频率极高,而在其余季节两类对流层顶的出现频率大致相当。

(2)高原两类对流层顶高度在季节变化上存在着明显的差异:第一对流层顶多年平均高度约为11.11km,其中在春秋季(夏冬季)相对偏高(低),年变化曲线呈单峰型;而第二对流层顶的多年平均高度约为17.45km,其高度在春夏(秋冬)季偏高(低),年变化曲线呈双峰型。

(3)高原两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,第一(二)对流层顶高度除秋季存在准3.6a (6a)的周期外,其余季节普遍具有4.5～6a(2～4 a)的振荡周期。

(4)近30a来高原第一对流层顶高度在2—4月和12月表现出不同程度的下降趋势,而第二对流层顶高度除10月为下降趋势外,其他各月均为上升趋势,尤其是在冬、春季上升趋势最为显著。

图6 近30a各月TH1和TH2的线性趋势Fig.6 The m onthly linear trend of t w o kinds of tropopause height in recent30years

在分析对流层顶高度变化时,一些研究只是简单比较了年平均高度的变化[16,24],本文的分析结果表明,高原地区两类对流层顶无论是出现频率还是平均高度均存在明显的季节差异,因此只有分季节来研究两类对流层顶变化特征,才有可能更有意义,也才有可能揭示其变化原因。

影响对流层顶的变化因子主要有太阳辐射、环流因子、下垫面性质(包括海陆分布)、大地形以及臭氧含量改变等[1,6,9,13-14,25-26],在诸多影响因子中,高原作为“被抬高了”的大尺度山地,其地表面吸收太阳辐射加热大气,这种热力作用直接对大气对流层加热[27-28]。因此,高原对流层顶高度无疑与该地区下垫面热状况的季节变化有关。在地面加热的各分量(感热通量、潜热通量和地面净长波辐射通量)中,哪一种加热对对流层顶高度的影响最显著呢?

图7 高原区NLW RF与TH1的季节变化Fig.7 The seasonal variation of net long w ave radiation flux and the first tropopause height

高原TH1全年处在300～200hPa之间,其高度变化与对流层上部温度的变化存在密切关系。地面净长波辐射为地面向上长波辐射与大气逆辐射之差,由于受到地面向上长波辐射和大气逆辐射的综合影响,它直接影响到对流层大气温度的变化。

魏丽和李栋梁[29]通过对NCEP/DO E再分析地面通量资料与1982年8月—1983年7月高原热源观测资料进行比较后,认为在高原地区NCEP/DO E提供的地面各辐射通量能够反映出其年变化的特征。以下利用该套再分析资料提供的地面净长波辐射通量(NLW RF)和感热通量(SHTF),通过对它们在高原地区面积平均后,得到多年平均值的季节演变特征,初步讨论高原热力状况对两类对流层顶高度的影响。图7为多年平均NLW R与TH1的季节变化。由图7可见,高原地区NLW RF在4—5月最大,7—8月最小,10—11月为次大,1—2月为次小,其季节变化与TH1的季节变化一致,也表现出双峰型结构:即在秋、春季大,冬、夏季小。这是因为由春至夏地面迅速加热,使地面向上长波辐射迅速增大,且其增大幅度大于大气逆辐射;而秋季因晴好天气出现频数较多,大气逆辐射的减少快于地面向上长波辐射,从而使秋、春季地面净长波辐射始终维持较高的水平;冬季的低值是与冬季地表温度迅速降低,地面向上长波辐射较小有关;夏季的低值则是因为随着雨季的到来天空总云量增多造成大气逆辐射迅速增大[30]。这表明NLW RF越强(弱),对流层上部气温越低(高),从而导致TH1越高(低)。

TH2在春、夏两季较高,在秋、冬两季较低,对流层顶的高度取决于对流层大气的平均温度[1,30]。图8为高原区多年平均的SHTF与TH2的季节变化。由图8可见,在11月至翌年2月高原感热为负值,热量由大气输送给下垫面;而3—10月的感热为正值,即地面加热大气,尤其是在5—6月达到最大, SHFT的这一单峰型变化与TH2的变化一致。感热在春末夏初达到最大的可能原因是[30],冬季高原积雪多,反照率大,太阳高度角也小,故地面吸收日辐射最小;夏季太阳高度角虽高,但处于雨季,云量多,地面也不能大量吸收日辐射;而春末夏初高原积雪已溶化,反照率小,太阳角度已转高,又未入雨季,云量少,故地面能吸收大量日辐射,同时春季地面风速也较大,故此期间SHFT最高。这说明高原对大气的加热作用主要表现在春季和夏季,当SHFT增强(减弱),对流层的平均温度变暖(冷),对流层的厚度增大(减小)时,TH2也就升高(降低)。致谢:感谢中国国家气象信息中心气象资料室(C lim atic D ata Center,N ational M eteorological Inform ation Center,CMA)提供了对流层顶探空资料。同时感谢两位匿名审稿专家提出的宝贵修改建议!

图8 高原区SHTF与TH2的季节变化Fig.8 The seasonal variation of sensible heat and the second tropopause height

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(责任编辑:张福颖)

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

周顺武,杨双艳,张人禾,等.青藏高原两类对流层顶高度的季节变化特征[J].大气科学学报,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

中国气象局成都高原气象研究所开放实验室基金项目(LPM2008007);国家自然科学基金资助项目(40675058)

周顺武(1968—),男,四川大竹人,博士,教授,研究方向为区域气候变化,zhou@nuist.edu.cn.