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平流层大气环流的变化同整个地球-气候系统的动力、化学和辐射过程密切相关,因此这方面的深入研究有着重要的科学意义和现实意义。本文利用新一代卫星数据、再分析资料结合气候.化学耦合模式,揭示了平流层大气环流不同时间尺度的变化特征,并针对ENSO海温异常、太阳11年周期活动两个平流层外源强迫,以及爆发性增温、赤道纬向风准两年振荡两个平流层内部扰动对平流层环流的动力、化学过程的影响机制进行了诊断分析和数值模拟研究。主要结论如下:
一、北半球冬季冷、暖ENSO海温异常影响平流层大气环流的动力学过程
ElNi(n)o和LaNi(n)a海温异常主要通过行星波影响中高层大气环流,并且冷、暖海温异常时行星波的传播特征不同。在ElNi(n)o年冬季,行星波主要的活动时期是12月和1月,上传的波动引起了平流层极涡的扰动、温度的增加,在这一时期容易出现平流层的爆发性增温事件。在平流层的中上层,波动作用主要分布在东半球,会造成北美大陆西北部和格陵兰岛西部天气、气候的异常。3月时行星波作用减弱,平流层极涡逐渐恢复、中高纬地区出现冷中心,极地外的经向温度梯度和冬季初期时相反。这一反转会影响重力波破碎的高度和中间层中重力波拖拽效应的强度。然而在LaNi(n)a年冬季,行星波在冬季初期时偏弱,2月时开始增强,3月为主要的活跃期,波动作用会引起平流层极涡的扰动、极区的增温,统计结果也证明在LaNi(n)a年冬季发生的爆发性增温事件全部出现在2月和3月。LaNi(n)a年3月行星波主要的活动区域在90°E～180°E,造成的极涡扰动会引起格陵兰岛和欧洲大陆西北部大气环流的异常。同ElNi(n)o年类似,平流层极区温度和极区外西风急流的改变会影响中间层重力波拖拽和经向剩余环流的强度。
二、冬季太阳11年周期活动影响平流层大气环流的变化特征
在冬季太阳活动效应受赤道纬向风准两年振荡(QBO)的影响:在西风态QBO,初冬时强太阳活动增强的紫外辐射会加热平流层热带地区的臭氧层,同时会抑制北半球大气中的Brewer-Dobson(B-D)环流。而热带地区的增温改变了热带外地区的经向温度梯度,引起纬向风在垂直方向上的扰动,纬向风的变化调节了行星波两支波导的强度,使得在冬季后期行星波的极地波导增强,B-D环流恢复,在北半球的中高纬地区出现温度的增加,平流层中纬向温度的分布和初冬时相反。然而在东风态QBO,太阳活动的主要效应是加热平流层中的臭氧层,引起热带平流层温度的增加;同时会加强南半球平流层中的经向剩余环流,使南极高纬地区出现绝热下沉运动,造成大气温度的增加;而在北半球中,太阳活动效应只存在于热带平流层,中高纬地区的环流变化主要受上传的行星波影响。
三、2003～2004年冬季平流层爆发性增温的动力学发展过程
这一年的爆发性增温事件增温时间长、增温强度大,高温和纬向风异常最早发生平流层高层,然后逐渐向下传播并发展增强,整个增温过程持续了近三个月的时间。纬向东风在10hPa高度维持了近一个月的时间,造成10hPa以上高度的纬向西风迅速恢复,极涡在高层重新建立,而10hPa以下平流层中高纬地区增温继续,极涡在平流层中、低层自上向下逐层分裂。这次增温过程中,对流层里产生的行星波活动异常活跃且行星1波、2波的波动作用相互补充。在反映物质真实变化过程的θ-PVLAT坐标中,研究发现在极涡扰动过程中平流层里存在着一对向极、向下的传播模态,而在对流层中也存在一个向赤道传播的模态,并且上下的两个传播模态在时间上存在着一定的联系。
四、平流层大气微量气体在赤道平流层纬向风QBO和SAO影响下的分布特征
对赤道上空臭氧和剩余环流垂直速度的年际异常的诊断分析表明:动力输送是赤道平流层臭氧呈QBO分布的主要因素;在垂直输送作用下,平流层中层臭氧的QBO信号会随着剩余速度的异常向下传播。而在赤道外的平流层低层,动力输送在一些年中对臭氧形成QBO分布作用显著;在赤道外的平流层中层,动力输送只影响南半球的臭氧分布。而二氧化氮在赤道平流层中、高层表现出深厚且准静止的QBO特征,与同高度上垂直剩余速度的分布有关;在赤道外平流层中层,二氧化氮在南北半球呈现不同的分布特征。受赤道纬向风SAO的影响,三氧化氮的年际异常在赤道平流层上层表现出显著的SAO分布特征,在纬向风SAO的不同阶段,动力输送对三氧化氮的分布产生相反的作用结果。