利用ERA－Interim资料对平流层Brewer－Dobson环流变化趋势的分析

王卫国，杨芳园，王颢樾，杨韬，余珂，梁蜀昆，樊雯璇

1云南大学大气科学系，昆明 650091

2昆明市气象局，昆明 650034

3玉溪市气象局，玉溪 653100

4云南省气象信息中心，昆明 650034

1 引言

Brewer（1949）和Dobson（1952）的研究表明，平流层中化学示踪物的分布变化是受全球尺度环流的影响，这一环流在平流层中是缓慢的、半球尺度的单圈经向环流.它从热带对流层顶上升进入平流层，然后在中高纬度向极向下运动，最后下沉回到对流层，称为Brewer－Dobson（BD）环流，通常也称作平流层经向剩余环流.BD环流通过耦合作用影响着平流层－对流层的物质和能量交换，从而改变着平流层、对流层的热力和动力结构，以及大气中各种痕量成分的含量分布，进而影响全球的气候变化（王卫国等，2006；Roscoe，2006）.因此，探究BD环流的空间分布特征及时间演变规律，对进一步认识平流层－对流层之间的相互作用和物质（特别是水汽、气溶胶、臭氧等痕量气体成分）交换，以及对全球气候变化的预测都具有十分重要的科学意义.

由于BD环流被描述为拉格朗日运动，而直接测量拉格朗日平均运动是难以实现的.直接利用拉格朗日方法来得到真实的环流形势，以及定量估算出环流的强度变化也是非常困难的（Rosenlof，1995）.为此，Andrews等（1987）通过研究，给出了变换欧拉平均（transformed Eulerian－mean，TEM）方程，用于代替计算平流层中的拉格朗日平均运动.同样，Haynes等（1991）提出了利用向下控制（downward control，DC）原理来估算剩余平均环流，并指出中纬度波的强迫以及来自对流层的行星波和重力波，在上传过程中的破碎或消散是驱动经向环流的机制.Holton（1990）、Rosenlof等（1993，1995）的研究表明，热带向上以及热带外向下的质量通量随季节而变，最大值出现在北半球冬季，最小值则出现在北半球夏季.Roscoe（2006）的研究指出，BD环流在1970s是增强的，而在1990s有一个弱的减弱，其环流的变化趋势与NO2，N2O，H2O，CO2等气体成分的含量变化有关.Seviour等（2012）利用1989—2009年的ERA－Interim资料，通过积分研究了热带70hPa等压面向上的质量通量，结果显示BD环流在近20a呈现出减弱的趋势.

陈文和黄荣辉（1995）对比研究了行星波定常保守时和非定常时的剩余环流形势.且指出只有当耗散的行星波传播到平流层，强迫出剩余环流后，行星波对大气中的臭氧才有明显的输送.同时，他们还构造了一个34层球坐标原始方程的波－流相互耦合谱模式，用于研究定常流下（陈文和黄荣辉，1996a）和非常定流下（陈文和黄荣辉，1996b）行星波通过剩余环流对臭氧的输送作用.张弘等（2001）还研究了准两年振荡（quasi－biennial oscillation，QBO）在不同位相下，剩余环流的变化及其对臭氧输送的影响.陈权亮和陈月娟（2007）利用NCEP资料通过计算剩余速度，分析了平流层BD环流的季节、年际变化以及长期变化趋势.邓淑梅（2007）的研究表明，BD环流在北半球以及中高纬度地区的演变受平流层爆发性增温的影响.

王卫国等（2013）曾利用DC原理研究了BD环流的季节和年际变化特征.由于DC原理在赤道及春秋季节的局限性，以及重力波拖曳力（gravity wave drag，GWD）对BD环流的重要性.本文将尝试利用另外一种方法，即由TEM方程通过积分剩余速度来研究BD环流的时空演变规律，且将其与DC原理研究的结果进行比较.同时，还将探讨平流层温度与BD环流之间的相互联系，以进一步验证环流的变化趋势.

2 资料与方法

选用 ERA－Interim 的1979—2011年 每 天12∶00UTC时次逐日的全球U，V，ω风场及T温度场网格化的再分析资料，资料的时间序列长度为33a.由于日平均资料所产生的平滑效应使其精确度不够，故此仅选用12∶00UTC时次的高时间分辨率资料，能对大气进行更加广泛而精确的描述.欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium－range Weather Forecasts，ECMWF），最新提供的从1979年至今覆盖全球大气的再分析资料ERA－Interim，与ERA－40再分析资料类似，但在原有的基础上进行了一些改进.在数据同化中使用了ECMWF积分预报系统（Integrated Forecast System，IFS）模式，同时还使用了4维变量资料同化系统（4D－Var）.资料的时间分辨率为6h，1天提供4个时次的数据，即00，06，12，18UTC.空间水平分辨率为1.5°（经度）×1.5°（纬度），垂直方向的分辨率为37层（1000～1hPa等压面）.

根据TEM方程，p坐标系下的剩余速度（Edmon et al.，1980）定义为

流函数的单位为kg·m－1·s－1.

通过方程（2）获得的流函数Ψ值，以及根据Holton（1990）给出的计算垂直质量通量的公式，则可计算穿越某一等压面，从纬度φ0到极地的质量通量总量.利用Ψ在极地为零的边界条件，热带外南北两半球净向下的质量通量是由｜Ψ｜取最大值的纬度所决定的，在这一纬度上剩余垂直速度的方向也刚好发生改变.因此，可将该纬度称为“转向纬度”（turnaround latitudes，TLs），并令φS和φN分别表示南北两半球Ψ达到极值时的TLs.很显然，南北两半球热带外质量通量的表达式分别为

根据质量守恒定理，热带净向上的质量通量应等于热带外南北两半球净向下的质量通量总和，则有

3 Brewer－Dobson环流的空间演变

从图1中可看出，在4个不同的季节里BD环流的上升中心随季节而变动.在对流层中DJF和JJA期间，上升中心分别位于南北纬度10°附近.而在平流层中，DJF期间上升中心位于30°S附近，高度可到达1hPa等压面，且BD环流在北半球的形势要明显强于南半球.JJA期间环流的上升中心已移至25°N—30°N附近，其中心强度以及上升高度稍弱于DJF期间北半球的形势.但仍可看到，JJA期间南半球的环流形势要强于北半球.换而言之，BD环流在冬半球的形势要明显强于夏半球.在MAM与SON期间上升中心均位于赤道—5°N附近，上升高度大约在10hPa等压面附近，环流在南北两半球呈对称形势.这与利用DC原理分析的结果（王卫国等，2013）相一致.

图1 1979—2011年不同季节平均剩余环流流函数的纬度－高度剖面图（单位：kg·m－1·s－1），等值线的间隔是±10，±20，±40，±60，±80，±100，±200，±500，±1000，±1500，±2000Fig.1 Latitude－altitude cross section of residual circulation stream function calculated for 1979—2011（unit：kg·m－1·s－1）.The contour levels are±10，±20，±40，±60，±80，±100，±200，±500，±1000，±1500，±2000

对流层的环流上升区在赤道—15°附近，而在15°—30°间为下沉区.且在30°—60°又呈现出上升运动，随后从60°—极地再转为下沉运动，并表现出低纬度的上升运动强度要大于中高纬度.在平流层中，DJF期间环流的上升区位于30°S—30°N间，JJA期间则在15°N—赤道附近为上升区，MAM与SON期间上升区在赤道附近，4个季节里的下沉运动区均大约存在于30°—极地间.由此给出的BD环流形势与应用模式（Rosenlof and Holton，1993；Rosenlof，1995），以及利用再分析资料通过积分剩余速度（Seviour et al.，2012）估算出的BD环流形势是相类似的.

4 Brewer－Dobson环流的时间演变

4.1 质量通量的季节变化

表1给出了不同季节穿越南北两半球热带外100hPa等压面，向下的质量通量和流函数达到极值时所在纬度的分布.同时，表中还将这一计算结果与利用CCM2模式输出的（Rosenlof and Holton，1993），以及通过 UKMO（1979—1989年）数据考虑重力波得到的结果进行比较.为了消除不同时间段资料所造成的差异性，在表1和表2中给出的是对1979—1989年同一时间段质量通量的计算结果.从表1中看到，用3种不同方法计算的结果，在北半球有类似的季节变动，而在南半球季节的变动则存在一些差异.由方程（3）计算出的北半球质量通量最大值在DJF期间达13.9×109kg·s－1，最小值则出现在JJA期间为3.7×109kg·s－1，年平均为8.83×109kg·s－1.南半球质量通量最大值出现于JJA期间为9.9×109kg·s－1，最小值在DJF期间为2.1×109kg·s－1，年平均值为5.88×109kg·s－1.其他两种方法给出的最大值和最小值均分别出现在MAM与DJF期间.从表1中还可看出，北半球质量通量的最大值远大于南半球的最大值，这与行星波在北半球冬季更加强盛相一致.

表1 1979—1989年热带外不同季节100hPa等压面向下的质量通量变化及其与Rosenlof和Holton（1993）的计算结果对比（单位：109 kg·s－1）Table 1 Extratropical downward mass flux at 100hPa，compared with the results from Rosenlof and Holton（1993）calculated for 1979—1989（unit：109kg·s－1）

表2是不同季节穿越热带地区100hPa等压面向上的质量通量的计算结果比较.由方程（4）计算的向上质量通量最大值出现在DJF期间为15.9×109kg·s－1，最小值为JJA期间13.6×109kg·s－1，平均值为14.68×109kg·s－1.通过对比可知，3种数据计算得到的热带地区质量通量均有同样的季节波动特征.

质量通量在热带以及热带外南北两半球随季节变动的特征，与图1所示的BD环流随季节的分布变化形势是一致的，表现为冬半球的质量通量要强于夏半球.通过表1和表2中3种方法的对比表明，不同数据计算得到的质量通量有同样的季节波动特征，但在纬度和质量通量的具体数值方面仍存在一定的差异性.造成这些差异的原因是多方面的，首先是计算方法的差异性，另外从资料的来源和资料的误差上也存在着差异性等.

表2 1979—1989年热带区域100hPa等压面向上的质量通量（单位：109 kg·s－1），与表1类似Table 2 Tropical upward mass flux at 100hPa calculated for 1979—1989（unit：109 kg·s－1），as in Table 1

4.2 质量通量的年际变化

对BD环流演变趋势的探讨，可通过质量通量随时间的变化而再现其演变特征.图2给出了热带和热带外穿越100hPa和50hPa等压面，向上及向下的质量通量时间序列距平图.从图中可看出，1979—2011年的33a间从对流层进入平流层下层，以及由平流层下层进入对流层的质量通量都呈现出减弱的趋势.在图2a—2c中1979—1983年间，100hPa等压面附近向上和向下的质量通量都较强，且呈现出先增强再减弱的变化过程.热带与热带外北半球的最大值均出现在1982年，南半球最大值出现在1980年.从1983—1999年间，质量通量呈减弱趋势，最小值均出现在1999年，期间质量通量在1995，1997年出现了一个明显的增强过程.2009—2011年质量通量有微弱的增强趋势，且都高于33a的平均值，但仍处于自1979年以来的低值区.由图2d—2f看到，在50hPa等压面附近质量通量从1979—1999年呈现减弱趋势，最大值出现在1979年，但2000年有明显的增强，2000—2011年间质量通量的减弱更加显著.

表3给出了图2中的质量通量距平序列的回归系数及相关系数.可以看到，33a间热带100hPa等压面的质量通量减弱了1.79×109kg·s－1，而50hPa等压面的质量通量减弱了1.90×109kg·s－1.在热带外北半球100hPa等压面上质量通量减弱了0.41×109kg·s－1，50hPa等压面减弱了0.60×109kg·s－1.热带外南半球100hPa等压面上质量通量减弱了1.38×109kg·s－1，50hPa等压面减弱了1.30×109kg·s－1.由此可见，随着高度的增加，热带及热带外北半球质量通量减弱的幅度有所增加，而热带外南半球质量通量减弱的幅度减少.仅除热带及热带外北半球100hPa等压面的区域，其余区域质量通量的趋势变化均通过了95%的显著性检验.

表3 100hPa与50hPa等压面上质量通量距平序列的回归系数（单位：107 kg·s－1·a－1）以及相关系数Table 3 The regression and correlation coefficients of the departure of mass flux（units：107 kg·s－1·a－1）at 100hPa and 50hPa

为进一步研究BD环流在不同季节里，各高度上的年际变化趋势，表4给出了不同季节100hPa和50hPa等压面上质量通量距平序列的回归系数及相关系数.通过分析可知，质量通量的变化在不同季节的不同高度上均存在差异.除不同区域的少数季节外，不同高度上质量通量都呈减弱趋势.且在50hPa等压面上通过95%显著性检验的季节，较100hPa等压面偏多.50hPa等压面上不同季节的质量通量变化趋势是显著的.

综上所述，在过去33a间100hPa及50hPa等压面附近的质量通量，在热带及热带外均呈减弱趋势，由此显现出BD环流在近33a中呈减弱趋势.在平流层中下层的减弱趋势尤其显著，这与Seviour等（2012）的研究结果是相一致的.但BD环流在不同季节的不同高度，以及不同年际和年代际时间段的变化趋势则又有所不同.

表4 不同季节100hPa和50hPa等压面上质量通量的距平序列回归系数（单位：107 kg·s－1·a－1）以及相关系数Table 4 The regression and correlation coefficients of the departure of mass flux（units：107 kg·s－1·a－1）at 100hPa and 50hPa in different seasons

5 与DC原理的对比研究

从图中还可看出，通过积分计算的剩余流函数，在北半球4个季节中的不同高度上达到极值的纬度位置，大约在20°N—30°N.在南半球除JJA期间外，极值出现在10°S—15°S，而JJA期间则位于赤道附近.这与利用模式 （Rosenlof and Holton，1993；Rosenlof，1995）估算的JJA期间，剩余流函数在南半球出现极值的位置存在一定的差异，引起差异的原因有待于进一步的分析研究.

图3 积分剩余经向速度（实线）以及利用DC原理（虚线）计算的1979—2011年不同季节100hPa等压面剩余环流流函数分布比较Fig.3 Residual circulation stream function at 100hPa calculated for 1979—2011in different seasons，calculated by integrating（solid line）and the method of DC（dashed line）

由于DC原理是利用变换的欧拉方程，通过求解E－P通量（Eliassen－Palm flux）得到的流函数，而积分是直接采用风场资料通过积分求解出的流函数.通过对比研究两种方法计算得到的BD环流形势和剩余流函数，在100hPa等压面的分布形势发现，除在平流层中部分环流形势没有DC原理给出的规整外，环流的整体变化形势是类似的.由积分剩余速度方法给出的热带地区环流的上升中心，随季节的南北变动更加清晰.而且该方法在计算剩余流函数时，直接积分方程（1）计算得到剩余速度，并没有忽略GWD的作用.Seviour等（2012）指出70%的年平均上升质量通量是由波驱动引起的，在利用ERA－Interim积分剩余速度的计算中，其他的纬向强迫（如，GWD）仅为4%，由此得到的环流形势更接近真实情况.需指出的是，在计算过程中两种方法均会产生相应的误差，且两种方法得到的结果有所不同，至于哪种方法计算的结果与实际情况更为符合接近，有待于进一步的验证.

6 纬向平均温度的时间演变

平流层温度场的分布变化与臭氧、水汽、气溶胶和温室气体等痕量成分的含量变化有着十分密切的联系.臭氧吸收太阳紫外辐射使得温度升高，而温室气体的辐射效应将导致温度的降低.同时，平流层动力与大气化学过程也将影响着平流层温度的变化.然而，在全球尺度中影响平流层纬向平均温度分布的主要动力过程是BD环流（Young et al.，2011）.全球平流层温度的变化又将引起大气痕量成分含量分布的改变，进而导致平流层重力波和行星波等的相应变化，并可使BD环流的分布形势发生改变.在平流层中温度的分布变化与动力过程、大气化学反应之间存在着非常重要的反馈机理.

已有的研究表明，热带及热带外平流层温度的异常变化与BD环流的变化息息相关.当环流弱（强）于平均年份时（Randel et al.，2002），热带的温度场异常的暖（冷），而热带外则异常的冷（暖）.图5给出了不同高度的不同纬度带纬向平均温度的距平时间序列图.同时，表5给出了纬向平均温度距平变化趋势的回归系数及相关系数.如图所示，1979—2011年的33a间热带地区100hPa等压面附近（图5a），温度是逐年明显升高的，幅度为0.81K.特别是2001—2011年间升温更明显，这与前面分析的100hPa等压面附近热带地区环流的减弱趋势相匹配.然而，在热带地区平流层中下层（图5d），温度出现了明显的下降趋势，幅度达1.70K.这与此高度上热带地区环流的长期减弱趋势不相一致.

图4 1979—2011年不同季节50hPa等压面上两种方法计算的剩余环流流函数分布比较，与图3相同Fig.4 Residual circulation stream function at 50hPa calculated for 1979—2011in different seasons，calculated by two methods，as in Fig.3

在100hPa和50hPa等压面上南北两半球中高纬度，纬向温度的长期变化均呈下降趋势（图5b，5c，5e，5f）.由表5可知，温度的下降趋势不是很显著.在北半球，100hPa等压面降温幅度仅为0.05K，50hPa等压面为0.86K.可见，随着高度的增加，降温幅度更大.而南半球与之相反，100hPa等压面降温幅度为1.96K，50hPa等压面则是0.62K.结果表明，温度在南北两半球中高纬度长期的变化趋势与南北两半球BD环流的长期减弱趋势是相匹配的.

同样，对不同高度的不同纬度带纬向温度随季节变化趋势的分析（图略），结果表明，在不同季节的不同高度纬向温度变化也存在差异性，更进一步反映了平流层温度与BD环流是相互影响的.

由以上的分析显现出，当BD环流呈减弱趋势时，与热带100hPa等压面纬向平均温度的升高，以及南北两半球中高纬度100hPa，50hPa等压面纬向平均温度的下降趋势相匹配.这进一步论证了利用TEM方程通过积分剩余速度，得出的全球BD环流呈减弱趋势的结果.而环流的减弱与热带50hPa等压面温度的下降趋势不相匹配，正如前面所提及的平流层的温度变化与臭氧含量、温室气体等有关.因此，需进一步研究这些大气成分对平流层温度的影响，进而解释引起二者不一致的具体影响机制.Seviour等（2012）的研究同样表明，热带地区70hPa等压面附近温度的下降趋势与70hPa等压面向上的质量通量的减弱趋势之间也存在着不相匹配的现象，且解释为ERA－Interim再分析数据中没有考虑到臭氧对各气象要素的影响是引起二者不一致的原因.

表5 100hPa和50hPa等压面纬向平均温度距平序列的回归系数（单位：10－2 K·a－1）以及相关系数Table 5 The regression and correlation coefficients of the departure of zonal mean temperature（unit：10－2 K·a－1）at 100hPa and 50hPa

图5 100hPa和50hPa等压面不同纬度带纬向平均温度的距平时间序列图（a）100hPa，15°N—15°S；（b）100hPa，45°N—90°N；（c）100hPa，45°S—90°S；（d）—（f）为50hPa，与（a）—（c）对应的区域相同.Fig.5 Time series of the departure of zonal mean temperature in different latitudinal band at 100hPa and 50hPa（a）100hPa，15°N—15°S；（b）100hPa，45°N—90°N；（c）100hPa，45°S—90°S；（d）—（f）as（a）—（c），except for 50hPa.

7 结论与讨论

（1）BD环流的上升中心随季节变动.在平流层DJF期间上升中心位于30°S附近，JJA期间环流的上升中心移至25°N—30°N之间，环流在冬半球的形势明显强于夏半球.MAM与SON期间上升中心位于赤道—5°N附近，环流在南北两半球呈对称形势.然而，在不同高度上的不同大气环流系统之间的季节转换及其相互作用，也将影响着BD环流上升中心季节移动的快慢，以及最终可能到达的最南或最北的经纬度位置，从而导致了BD环流上升中心位置随季节和年际的变动呈现出差异性.由于BD环流的上升运动能使大气低层的物质和能量向高层输运，因而影响着全球天气和气候系统的变化.特别是人类活动可通过BD环流上升中心的季节移动，而导致全球气候的改变.

（2）由于平流层行星波存在着显著的季节变化，使得BD环流也有类似的季节变动.在热带和热带外北半球质量通量的最大值均出现在DJF期间，最小值则出现在JJA期间.热带外南半球质量通量最大值出现在JJA期间，最小值出现在DJF期间.在热带和热带外100hPa和50hPa等压面向上和向下的质量通量均为减弱趋势，且质量通量在平流层中下层的减弱趋势是显著的.但在不同季节的不同高度上，质量通量的长期变化趋势则有所不同.因此，BD环流在不同季节的不同高度上的变化趋势也并不完全相一致，存在着随季节性的变动.

（3）除热带50hPa等压面纬向平均温度的变化趋势外，在热带100hPa等压面及热带外南北两半球中高纬度100hPa和50hPa等压面纬向平均温度的长期变化趋势，与BD环流的长期减弱趋势相匹配.因此，揭示出全球BD环流是呈现减弱趋势的.同时，不同高度上不同纬度带的纬向平均温度也存在着随季节性的变动.

（4）利用 GCMs模式（Butchart et al.，2006）研究表明，近些年来平流层BD环流是增强的.根据DC原理利用CCSR／NIES CCM REF2模式数据（Okamoto et al.，2011），研究了21世纪以来BD环流的长期演变趋势，结果表明BD环流也是增强的.王卫国等（2013）通过应用DC原理分析的BD环流在过去的33a间也呈微弱的增强趋势.但是为了与模式研究的BD环流的长期变化结果相比较，一些学者使用示踪物资料对环流进行了相关研究，结果显示环流并没有出现增强的现象.从1990年在南极进行的 NOy测量（Cook and Roscoe，2009），并没有观测到BD环流有明显的增强趋势.利用六氟化硫（SF6）和CO2混合比（Engel et al.，2009）通过估算平流层痕量气体成分寿命表明，从1975—2005年BD环流并没有增强的现象.采用1980—2009年的ERA－Interim资料（Seviour et al.，2012）研究的BD环流也呈现减弱的趋势.这与我们的研究结果相一致.Iwasaki等（2009）的研究表明，不同的研究方法以及数据中存在的差异性，使得BD环流的趋势估算不可靠.尽管我们通过积分估算出的BD环流的分布形势及长期变化趋势，与一些学者运用其他方法和资料所得到的结果比较类似，但在未来的工作中，仍需要进一步研究来提高趋势变化估算的可靠性.

致谢感谢 European Center for Medium－range Weather Forecasts提供的数据.

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