北極冬季平流層爆發(fā)性增溫及其對(duì)大氣的影響

北極冬季平流層爆發(fā)性增溫及其對(duì)大氣的影響

1平流層爆發(fā)性增溫期間大氣地球化學(xué)的發(fā)展過去，對(duì)流層土壤中的各種天氣和氣候變化進(jìn)行了大量研究，但對(duì)流層土壤以下的單-中間層氣候變化影響的系統(tǒng)研究相對(duì)不足。近年的研究表明平流層作為整層大氣的一部分,雖然其質(zhì)量僅占大氣總質(zhì)量的10%左右,但是在北半球冬季高緯地區(qū),平流層對(duì)來自下層的強(qiáng)迫具有強(qiáng)烈的反饋?zhàn)饔?可以對(duì)對(duì)流層天氣產(chǎn)生重要影響。其中平流層爆發(fā)性增溫是一種平流層影響對(duì)流層的典型過程。平流層爆發(fā)性增溫是指每隔1～2a,冬季極地平流層西風(fēng)渦旋便發(fā)生巨大變形而崩潰,同時(shí)平流層溫度大幅增加,使經(jīng)向溫度梯度轉(zhuǎn)為相反的方向,并建立一支繞極地的東風(fēng)氣流的一種平流層動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)突變現(xiàn)象。自1952年謝爾哈格(Q.Scherag)首次發(fā)現(xiàn)平流層爆發(fā)性增溫這一現(xiàn)象后,人們對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究。北極冬季平流層爆發(fā)性增溫多發(fā),近53a共發(fā)生近69次,并被認(rèn)為對(duì)極渦有重要影響。增溫的發(fā)生阻礙了極地平流層云(PSC)的形成,破壞了極渦,損耗臭氧的機(jī)制被切斷,增溫結(jié)束后,極渦恢復(fù),有時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的臭氧損耗事件。已有研究主要從動(dòng)力和熱力學(xué)角度分析了平流層爆發(fā)性增溫的特點(diǎn)、增溫機(jī)制以及影響等。然而,由于受到觀測技術(shù)等方面的限制,對(duì)于平流層爆發(fā)性增溫的發(fā)生對(duì)平流層大氣成分分布影響的研究相對(duì)較少,且主要集中于對(duì)臭氧的研究。最近幾年,Manney和Ricaud對(duì)于2002年9月首次觀測到的發(fā)生在南半球極地的一次平流層爆發(fā)性增溫進(jìn)行了一系列研究,認(rèn)為南半球發(fā)生增溫時(shí),極渦分裂前極地臭氧減少,而極渦分裂期間極地臭氧增加。由于水平運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)和極渦的下沉,臭氧損失明顯減小。對(duì)平流層爆發(fā)性增溫期間其它大氣化學(xué)成分變化規(guī)律的研究相對(duì)較少。隨著衛(wèi)星觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步,獲取了大量大氣化學(xué)觀測資料,使平流層大氣化學(xué)的研究快速發(fā)展。美國1979年發(fā)射SAGE(SAGEI-TheStratosphericAerosolandGasExperimentI)衛(wèi)星,1991年發(fā)射中層大氣研究衛(wèi)星UARS/HALOE(HALogenOccultationExperiment)和UARS/MLS(MicrowaveLimbSounder),為研究平流層中氣溶膠和一些重要的大氣成分的分布及其變化規(guī)律提供了大量觀測資料和研究成果,但由于上述衛(wèi)星受觀測方式或者受遙感探測器精度的影響,獲取觀測資料的時(shí)間和空間分辨率仍受到一定限制。以平流層和對(duì)流層大氣化學(xué)過程為研究目標(biāo),歐洲空間局于2002年發(fā)射了新一代環(huán)境探測衛(wèi)星ENVISAT,其上搭載的掩星法全球臭氧監(jiān)測儀(GOMOS),大氣制圖掃描成像吸收光譜儀(SCIAMACHY)和麥克耳遜干涉被動(dòng)大氣探測儀(MIPAS)獲得了大量的觀測數(shù)據(jù),使平流層大氣化學(xué)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。已有研究結(jié)果表明MIPAS等衛(wèi)星觀測資料已成為平流層大氣化學(xué)過程研究的重要數(shù)據(jù)來源。本文將選取MIPAS的觀測資料對(duì)一次平流層爆發(fā)性增溫現(xiàn)象進(jìn)行研究。2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的總結(jié)2.1mipas標(biāo)準(zhǔn)2002年3月1日歐洲空間局(ESA)發(fā)射了環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT,這是一顆距離地球800km,傾角為98.55°的太陽同步極軌衛(wèi)星,平均每天繞地球14.4圈,大約4d形成全球覆蓋,每條軌道進(jìn)行75次臨邊掃描,垂直方向間隔3km左右。MIPAS是搭載于該衛(wèi)星上的一種高分辨率的傅立葉變換分光遙感儀,其在中波和熱紅外波段(4.15～14.6μm)光譜分辨率為0.025cm-1,按照臨邊探測方式對(duì)大氣對(duì)流層上部到中間層之間的光化學(xué)相關(guān)痕量氣體進(jìn)行全球測量,提供全球大氣成分體積混合比的三維資料。本研究所使用的MIPASlevel2資料是采用最優(yōu)化算法得到的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,以自動(dòng)和連續(xù)的方式提供6、9、…39、42、47、52、60、68km高度上共17層的溫度、氣壓和O3、H2O、CH4、HNO3、N2O、NO2體積混合比的大氣垂直廓線,晴天觀測時(shí)可探測到6km的高度。MIPAS反演算法已經(jīng)得到臭氧探空等多種觀測資料的充分驗(yàn)證,其中臭氧的反演精度在平流層達(dá)到5%,在平流層下部達(dá)到10%。2.2mipas與臭氧探空相對(duì)偏差分布對(duì)比選取臭氧探空儀(GPSO3)在北京地區(qū)(116°28′E,39°48′N)的資料與MIPAS衛(wèi)星遙感臭氧資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。GPSO3是由中國科學(xué)院大氣物理研究所開發(fā)研制的單池型電化學(xué)GPS臭氧探空儀,其探測原理已有文獻(xiàn)介紹。從2002年9月開始,在北京GPSO3每周施放一次,加密觀測時(shí)為每天施放一次。為了匹配衛(wèi)星數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù),定義二者最大時(shí)間差別為衛(wèi)星通過探空釋放時(shí)間的前后6h;最大空間差別為±500km。表1中列出了6～33km共10個(gè)高度層上,每層7～34對(duì)匹配廓線進(jìn)行對(duì)比結(jié)果,這里利用標(biāo)準(zhǔn)誤差(σN√,σ(σΝ,σ為1倍標(biāo)準(zhǔn)差,N為樣本數(shù))衡量平均偏差的分布。結(jié)果表明在15km以上,MIPAS同臭氧探空相對(duì)偏差在±9%之間,標(biāo)準(zhǔn)誤差在15%以內(nèi),由于樣本數(shù)很小,33km處有較大的標(biāo)準(zhǔn)誤差;而在6～15km上,除了9km上外,都存在較大的負(fù)的偏差(15%～32%)和標(biāo)準(zhǔn)誤差(18%～40%),這表明在對(duì)流層,云和氣溶膠較大程度上影響了MIPAS臨邊探測的數(shù)據(jù)質(zhì)量。這里我們主要利用15km以上MIPAS臭氧資料分析平流層過程。另外選取2003年12月全球10hPa(約30km)以下的24495對(duì)MIPAS與NCEP溫度垂直分布資料進(jìn)行了對(duì)比分析(如圖1),匹配條件為時(shí)間相差±3h以內(nèi),空間相差±50km以內(nèi),結(jié)果表明,在100hPa以下350hPa以上,MIPAS資料為負(fù)偏差,100hpa以上到10hPa為正偏差;平均偏差約為±1.3K,標(biāo)準(zhǔn)差在±5K。10hPa以下MIPAS溫度數(shù)據(jù)的精度適用于研究平流層大氣溫度爆發(fā)性增加的過程。320吾系的大氣成分分布2002年12月到2003年1月北極地區(qū)冬季平流層發(fā)生了一次爆發(fā)性增溫事件,從高緯地區(qū)(60°N～90°N)的平均溫度變化圖2上看,增溫開始于2002年12月10日,高值中心從大約55km的高度上開始下傳,至大約2003年1月1日,高值中心到達(dá)大約40km的高度上,最高溫度從250K升高到270K,然后高值中心維持在此高度,但平均溫度降低至240～250K,并持續(xù)此溫度至2003年1月20日左右,此后溫度才略為降低。平流層爆發(fā)性增溫過程中,短時(shí)間內(nèi)溫度急劇增加,環(huán)流和風(fēng)場發(fā)生明顯的調(diào)整,大氣化學(xué)成分的分布必然隨溫度和環(huán)流場的變化而變化。以下將分析此次平流層爆發(fā)性增溫過程中MIPAS資料所提取的6種大氣化學(xué)成分(N2O、CH4、H2O、NO2、HNO3、O3)的分布演變特征。6種成分被分成兩類進(jìn)行分析:N2O、CH4為長壽命的惰性氣體,可作為動(dòng)力過程的示蹤氣體,其余4種為化學(xué)活性氣體。由于O3的最大體積混合比集中在約30～40km的高度上,由于平流層大氣成分在等熵面上具有很高的守恒性,因而以下將選取850K等熵面上(約30km)分析這6種大氣成分的演變特征。N2O和CH4是惰性氣體成分,在這次增溫事件發(fā)生前(圖3,見圖版Ⅴ),由于極渦內(nèi)空氣的下沉運(yùn)動(dòng)和它們的濃度隨高度遞減的特點(diǎn),850K等熵面上的MIPAS觀測值顯示極渦內(nèi)為明顯的混合比低值區(qū)、極渦外則為明顯的高值區(qū)。在極渦偏離極點(diǎn)(從2002年12月1日到2002年12月31日)及后來崩潰(2003年1月20日)的整個(gè)過程中,N2O和CH4濃度比最大梯度始終與位渦最大梯度所代表的極渦邊緣對(duì)應(yīng),其中N2O的對(duì)應(yīng)關(guān)系更為清晰。850K等熵面上的O3和H2O場在極渦內(nèi)分別呈現(xiàn)明顯的極小值和極大值分布,但不如N2O和CH4清晰,且水汽受極渦控制更弱一些。NO2的水平分布在極區(qū)表現(xiàn)為低值,受到極渦的限制更弱,它在白天的日變化不明顯,但在夜間隨著極渦的崩潰濃度卻不斷減小。極區(qū)內(nèi)氮氧化物的損耗是由于它在極夜轉(zhuǎn)化為了氮的庫物質(zhì)的形式。HNO3濃度在極區(qū)為高值,但其分布也未受到極渦的限制。從平流層中層大氣化學(xué)成分水平分布來看,極區(qū)上空極渦內(nèi)外的體積混合比分布有很明顯的不同,為了研究化學(xué)成分同極渦垂直分布的關(guān)系,選取一條穿越極渦的衛(wèi)星軌道資料,對(duì)平流層的動(dòng)力與化學(xué)過程的垂直分布進(jìn)行分析。2002年12月1日,從N2O和CH4的垂直分布與位渦垂直分布的對(duì)比可見兩者具有很好的一致性(圖4,見圖版Ⅴ),在40km以下,極渦邊緣有強(qiáng)的水平梯度,低值區(qū)覆蓋北美東部到北歐西部地區(qū),極渦內(nèi)有明顯的空氣絕熱下沉運(yùn)動(dòng)。MIPASO3的垂直分布顯示極渦內(nèi)的O3低值從下向上延伸的35km的高度上,在此高度以上有極渦外的O3進(jìn)入極渦內(nèi)。到12月31日,極渦內(nèi)的H2O和O3濃度增大,位渦以及N2O和CH4的低值區(qū)分布不再是12月1日所看到的上下一致的垂直結(jié)構(gòu),由于極渦的偏移和變形,可以觀測到極渦內(nèi)的氣體成分的分布在平流層中層偏移到了中緯度地區(qū),而在平流層低層向極地傾斜,此現(xiàn)象在2002年南極平流層爆發(fā)性增溫事件中也有發(fā)現(xiàn)。到2003年1月20日,N2O和CH4的分布與位渦的分布一致,都反映了極渦的崩潰,高濃度的N2O進(jìn)入極區(qū)。在已經(jīng)分裂的一部分極渦中仍存在低濃度的臭氧,但只向上延伸到25km的高度,在此之上高濃度的臭氧進(jìn)入極區(qū)。NO2和HNO3的分布未限制在極渦內(nèi),NO2除增溫前白天極區(qū)為高值分布外,其余時(shí)刻極區(qū)都為低值分布,表明除了動(dòng)力過程之外還有化學(xué)反應(yīng)過程會(huì)對(duì)成分的分布產(chǎn)生重要影響。4北極平流層爆發(fā)性增溫事件對(duì)北極大氣化學(xué)成分分布的影響本研究使用了搭載在歐洲環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT上的MIPAS傳感器數(shù)據(jù)資料,包含O3、H2O、CH4、N2O、NO2、HNO3等6種地球大氣成分從12～68km高度上的觀測值。利用探空等觀測數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星觀測進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明MIPAS衛(wèi)星資料與其它資料有較好的一致性,表明這些資料對(duì)平流層大氣成分分布演變的研究具有重要作用。通過分析發(fā)生在2002年12月到2003年1月北極地區(qū)的平流層爆發(fā)性增溫過程及其中平流層大氣化學(xué)成分體積混合比分布發(fā)生的變化發(fā)現(xiàn),北極平流層爆發(fā)性增溫過程的發(fā)生對(duì)其大氣化學(xué)成分的分布有重要影響,其特征如下:(1)這是一次發(fā)生在冬初極夜時(shí)的平流層爆發(fā)性增溫事件,增溫隨時(shí)間向下傳播到平流層下層。(2)O3體積混合比隨增溫而增大,是由于極渦的變形和偏心運(yùn)動(dòng)使來自低緯度的高體積混合比的O3進(jìn)入極區(qū),另一方面由于破壞O3的化合物主要存在于極地平流層云中,而增溫使平流層下層溫度異常升高,限制了極地平流層云的生成,導(dǎo)致O3濃度增大,因此平流層爆發(fā)性增溫有利于抑制臭氧洞的出現(xiàn)。(3)從所選取的850K等熵面上的變化來看,N2O和CH4的水平和垂直濃度分布與極渦始終都有很好的一致性。O3和H2O的濃度分布也受到極渦的限制,但不如N2O和CH4這兩種惰性氣體明顯。在爆發(fā)性增溫過程中,有極渦外的O3進(jìn)入極渦。(4)從NO2的水平分布上看,在冬季并未受到極渦的嚴(yán)格限制,