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本文利用1948-2004年57年NCAR/NCEP的对流层顶气压及温度资料、TOMS卫星观测的1979-1992年14年气溶胶月平均光学厚度资料,首先通过统计分析的方法分析近几十年来在全球变暖背景下,全球及东亚地区对流层顶要素的变化特征,并进一步讨论了对流层顶高度、气溶胶光学厚度、对流层温度(1000-300hPa加权平均温度)及平流层中下层温度(100-30hPa加权平均温度)几者变化之间的关系;然后采用大气环流模式初步模拟全球典型的散射性硫酸盐气溶胶和吸收性黑碳气溶胶对对流层顶高度的影响。
从以上研究工作,可得到以下主要结论:
全球对流层顶高度在近几十年都有逐渐升高的趋势,从1980-2000年间,全球平均对流层顶高度上升了约129m,而东亚地区对流层顶高度大约上升86m,表明近20年来东亚对流层顶高度升高幅度比全球平均对流层顶高度升高幅度要小。在1948-2004年间全球对流层顶高度年变率的大(小)值区与对流层温度年变率大(小)值区的分布基本一致,东亚是全球对流层顶高度负变率最为明显的区域,对应对流层温度也是全球负变率明显的区域。
全球对流层温度与对流层顶高度变化正相关关系都较为明显,而平流层中下层温度与对流层顶高度变化基本呈负相关关系:对东亚地区而言,在蒙古、中国东北、同本境内对流层温度与对流层顶高度呈显著正相关;中国北部到日本一带及印度半岛以东地区的平流层中下层温度与对流层顶高度负相关最为显著。近20年来东亚对流层温度上升约0.2℃,平流层中下部温度下降约1.2℃,在全球变暖背景下对流层温度升高和平流层中下部温度降低可能是影响东亚对流层顶高度变化的重要原因。
气溶胶光学厚度与对流层顶高度变化具有一定的反相关关系,在东亚,非洲赤道附近,澳大利亚和南美洲西部有大范围的显著负相关区,最大负相关系数可达-0.6左右:负相关较为明显的区域气溶胶光学厚度较大,一般对应沙漠及人类活动较为剧烈的地区。
气溶胶光学厚度与对流层温度变化具有一定的反相关关系,气溶胶光学厚度和对流层温度变化负(正)相关区与气溶胶光学厚度和对流层顶高度变化的负(正)相关区对应较好;由于不同种类气溶胶表现出对辐射的散射性或吸收性,冷却或加热对流层大气,因此与对流层高度变化有一定关系。
模拟1971-2000年30年平均的模拟结果得到硫酸盐气溶胶在全球范围使对流层顶高度降低较为明显,降低幅度最大区域位于南北半球的30°-60°之间,硫酸盐气溶胶引起最大对流层顶高度降低值为-150m,在30°N-30°S之间为大范围的对流层项高度降低区域,都在-50m左右;黑碳气溶胶使全球对流层项高度既有升高也有降低,黑碳气溶胶使30°N-30°S之间对流层顶高度降低为主,降低50m左右,而在东亚地区至太平洋北部大部分地区对流层顶高度则有明显的升高,最大升高幅度为150m。模拟结果得到气溶胶光学厚度大值区与气溶胶引起对流层顶高度变化大值区并不是对应的,东亚是全球气溶胶光学厚度值较大的地区,但引起对流层顶高度变化却并不显著。就全球平均情况而言,硫酸盐气溶胶使对流层降温,降温幅度多在-0.1℃左右。而使平流层升温,升温幅度也多在0.1℃左右:而黑碳气溶胶使对流层升温,而使平流层也同样升温,升温幅度多在0.1℃左右。硫酸盐气溶胶对流层降温和平流层升温效应在一定程度上都将引起对流层顶高度降低;而黑碳气溶胶对流层升温效应将在一定程度上使对流层顶高度升高,但平流层升温在一定程度上又将使对流层顶高度降低,因此黑碳气溶胶对对流层顶高度影响就很难估计。
1971-2000年30年年平均的模拟结果表明硫酸盐气溶胶使对流层低层温度降低-0.05℃/年,平流层中下层温度升高0.04℃/年,对流层顶高度降低-7m/年;而黑碳气溶胶使对流层温度升高0.03℃/年,平流层中下层温度升高0.03℃/年,对流层顶高度降低-2m/年。气溶胶引起对流层温度和平流层中下层温度变化与气溶胶引起对流层顶高度变化有着很大的关系,气溶胶引起对流层温度和平流层中下层温度变化在很大程度上可以解释其对对流层顶高度的影响,同时考虑气溶胶引起对流层和平流层温度变化两种因素对对流层顶高度影响是极其重要的。