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1、平流层水汽分布变化特征及其与平流层温度的关系*毕 云 陈月娟 叶 康 凌 健 许 利中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026摘 要本文利用 HALOE资料分析了 19922002 年平流层水汽的分布变化特征并对平流层水汽变化与平流层温度的关系进行了初步分析分析表明平流层底水汽混合比最低随高度增加水汽混合比增加低纬度水汽混合比低于中高纬度春冬季节越到高层低值区越偏向南半球冬季中高层 50N 附近水汽混合比偏低夏秋季节越到高层低值区越偏向北半球此时中高层 50S 附近水汽混合比偏低在底层各纬度水汽混合比数值季节差异明显到中层各纬度水汽混合比数值季节差异几乎没有到了高层高纬度水汽混合比数值
2、季节差异明显水汽混合比垂直经向分布特征季节差异主要由温度分布引起的平流层水汽混合比温度都具有准 2 年周期特征在平流层底水汽混合比在 9202 年总体呈现下降趋势温度场也呈现下降趋势在平流层中层水汽混合比呈先升后降趋势温度场呈下降趋势在平流层高层水汽混合比呈增加趋势温度场呈下降趋势平流层水汽的辐射冷却效应在中高层明显特别是在高层在同一高度不同纬度水汽混合比变化趋势不完全相同温度场亦如此同一高度和纬度处冬夏季水汽的变化趋势在有些地点相同在有些地点不同温度场亦如此关键词HALOE 资料平流层水汽混合比温度1 引言 近年来随着卫星探测资料的不断获取人们对平流层中各种微量气体的研究及平流 层 和对流层
3、的相互作用等都取得了很多新进展1-2平流层水汽的分布及变化也愈来愈被重视3-4水汽在大气中所占的比例很小仅 0.1%3%却是大气中最活跃的成分水对于地球 上生命的意义以及水在地球大气条件下存在的三相变化使水汽不同于其他微量气体而更 具有重要性5平流层中水汽含量更少但研究平流层水汽同样具有很重要的意义因为 科学家已经指出3中层大气水汽可看作是气候变化的信号原因在于1水汽的辐射 效应即在对流层上层和平流层低层吸收陆面长波辐射使得对流层升温平流层降温2 水汽的化学效应水汽能提供 OH 键OH 能消耗平流层的臭氧3动力过程水汽在 平流层寿命较长可以追踪大气运动例如对流层与平流层的交换4增加的趋势中 层
4、大气水汽有增加趋势但趋势的来源还没搞清楚5水汽是温度的反馈平流层水汽 是经过热带对流层顶进入平流层的热带对流层顶愈冷水汽交换愈少同时平流层水汽 的增加使得地面温度升高研究平流层水汽很重要但由于常规天气分析只有地面到对流 层中高层的水汽所以平流层水汽资料主要来源于卫星上携带的探测仪器另外也有陆基 测量装置例如 MIAWARA和飞机携带的探测装置例如 AMSOS2HALOE资料简介 于 1991 年 9 月发射的高层大气研究卫星 UARS 中有一个称为卤素掩星实验 Halogen Occultation Experiment-简称 HALOE的装置它可以测量从 5km 到 60-130km 高度范
5、围内 的 HFCH4HClO3NOxH2O 等气体和温度的垂直廓线和气溶胶的消光系数卤素 掩星实验是利用当某地太阳升起或降落的瞬间太阳-卫星之间连线正巧与该地相切时用 探测仪记录接受到的太阳辐射比较通过此地上空的太阳辐射与通过真空的太阳辐射就 可以反演出该地上空各微量气体的混合比因为日地连线并不能保证总与卫星轨道平行 所以掩*本文由国家自然科学基金项目平流层微量气体分布特征及其变化规律的研究(40375012)的资助 星实验对地球某一地区观测在时间上不连续对地球也不是定点观测HALOE 是一个八 通道太阳辐射计提供的资料其纬向测量范围为 80S -80N 它的垂直分辨率很高从 地表面到 10-
6、6 hPa共有 271 层在 100km 以下各层垂直间距大约为 400m100km 以上各 层垂直间距逐渐增大到 140km 高度附近各层垂直间距约为 1.5km不同气体其观测高度 范围不完全相同水汽的观测范围大约是 8km-88kmHALOE 资料经过多年的运行及与已 有的陆基探空资料和其他卫星资料对比结果基本吻合4HALOE 资料是目前资料时间序 列较长比较连续的资料可信度较高本文使用的 HALOE 资料是从网上下载的 1991.10 2003.12 的水汽和温度观测资料(http:/haloedata.larc.nasa.gov/)由于 HALOE 实验对地 球不可能定点地连续进行观测
7、不同年份的相同季节里HALOE 资料水平覆盖区域和给 出资料的确切地点稍有不同为了便于分析和比较将 1991 年 10 月至 2003 年 6 月日出时 的观测资料温度资料缺测较多分别进行客观分析把卫星观测资料按季节插值到 55 的网格点上然后再进行各种分析将插值后的数据与观测数据比较结果非常吻合 证明插值数据是可靠的 在 Willian J.Randel and Fei Wu 的文章4中写道水汽自热带对流层顶进入平流层底层 再向高层和南北高纬度地区传播平流层水汽存在准 2 年周期变化特征低平流层水汽与 热带对流层顶温度存在非常明显的相关热带对流层顶温度低则平流层水汽少也有资料3 分析表明中层
8、水汽有逐年增加的趋势但原因目前尚不清楚由于资料长度限制平流 层水汽的年代际变化特征也不清楚已有的分析不太注重水汽的季节变化和不同纬度的差 异对平流层水汽与平流层温度的关系分析不多本文中利用 HALOE 资料比较详细的给 出了全球和不同纬度水汽的垂直分布和季节变化差异并对水汽的变化特征与平流层温度 的关系作了初步分析3全球平均的平流层水汽混合比的垂直分布和变化特征 3.1 全球平均的平流层水汽混合比的垂直分布特征 文中全球平均是 60S-60N,HALOE 资料在 70附近也有数据但在 70附近平流 层往上秋季的数据有一些问题因此全球平均时只取 60S-60N水汽混和比的全球平 均垂直廓线如图
9、1 所示其中纵坐标为气压单位:hPa横坐标为水汽的体积混合比数值 单位:ppmv, 长虚线实线短虚线点线分别表示春夏秋冬四个季节 从图中可以看出从 300hPa 至 200hPa水汽混合比明显增 加在对流层上层 200hPa 附近存 在 一 个 高 值 中 心约 为9- 12ppmv从 200hPa 到 100hPa 水 汽随高度明显减少 100pHa 附 近达到极小值约为 3-4ppmv 从 100hPa 往上水汽又开始增 加至平流层顶可达 6 ppmv但 50hPa 至 10hPa 水汽混合比增加 的要相对慢一些从图中我们还 可以看到在大约 300 hPa 至 50 hPa 高度从春至冬水
10、汽含量 随高度变化趋势一致只是数图 1 全球平均的水汽混合比垂直廓线长虚线实线短虚线点线分别对应春夏秋冬值略有差别在 200 hPa 附近夏秋季水汽混合比基本一致夏季略高冬春季基本一致 但低于夏秋季在 100 hPa 附近水汽含量从高到低排列依次是秋夏冬春 从 50 hPa 至平流层顶水汽混合比数值存在季节差异同时我们可以看到平流层水汽混合比随高 度增加而增加的特点与温度随高度变化一致因为水汽含量不但与对流运动湍流交换有 关还与温度分布有关在对流层上层垂直运动受阻水汽在此堆积因而形成高值区 而在对流层顶平流层底温度最低且平流层大气层结稳定垂直运动很弱因而水汽要少 的多在平流层温度随高度增加而增
11、加使得水汽含量也随高度增加季节变化的差异 主要体现在平流层底层主要是因为在这个层次上湍流交换的强弱和温度高低与季节有 关而在高层关系很小 3.2 全球平均的平流层水汽混合比的变化特征及其与温度的关系 图 2 是全球平均的水汽混合比温度年际变化曲线100101hPa 高度代表平流层 底层中层和高层图 2 表明平流层水汽混合比呈现明显的准 2 年周期变化在 100hPa 处水汽混合比呈总体的下降趋势尤其在 20012002 年水汽混合比明显偏低很多在 10hPa 处水汽混合比呈先升后降趋势2001 年较低在 1hPa 处水汽混合比总体增加趋 势明显2001 年偏高再进一步对比冬夏季节水汽的年际变化
12、趋势图略可以看到 冬夏季多年变化趋势基本一致只是个别年份变化有差异同样我们分析这三个层次温 度的年际变化趋势在 100hPa 处温度呈总体的下降趋势但在 2002-2003 年温度偏高 在 10hPa 处温度呈明显的总体下降趋势2002 年最低在 1hPa 处温度在 2000 年以前 变化平稳下降不明显之后有下降趋势2002 年温度最低再进一步对比冬夏季节温 度的年际变化趋势图略可以看到在 100 和 10hPa 处冬夏季节多年变化趋势基本 一致只是个别年份有差异在 1hPa 处冬夏季多年变化趋势不同夏季有略微的上升 趋势只是 2002 年低冬季是明显的下降趋势从以上分析我们可以看到平流层水汽
13、的 辐射冷却效应在中高层明显图 2 全球平均的水汽混合比左面 3 幅温度变化曲线4 不同纬度水汽的分布变化特征及其与温度的关系 4.1 不同纬度水汽混合比的分布和季节变化特征 为了进一步分析水汽随纬度的变化我们做了各个季节多年平均的水汽混合比纬度- 高度垂直剖面图图 3 从图中可以看到水汽混合比在不同纬度随着高度的变化趋势温度水汽基本上是一致的都是在对流层上层有一个高值中心在平流层底达到极小值然后随着 高度增加而增加对流层上层南北半球差异和纬度差异非常明显而平流层底南北半 球和纬度差异大大减弱在平流层低纬度地区水汽混合比比高纬度地区的小春冬季 节低纬度水汽混合比低于中高纬度越到高层低值区越偏向
14、南半球在中高层 50S 附近 南半球是夏季水汽混合比偏低夏秋季节低纬度水汽混合比低于中高纬度越到高 层低值区越偏向北半球在中高层 50S 附近水汽混合比偏低赤道地区在 100hPa 上面水汽混合比达到极小值特别是秋季所在高度更高从水 汽混合比从小到大依次是春冬夏秋其数值约为 2-3.5ppmv季节差异显著在北 纬 30 度夏秋季节在 100hPa 以上处达到极小值其数值约为 4ppmv春季在大约 100hPa 处达到极小值其数值约为 3ppmv冬季在更低处达到极小值其数值约为 3ppmv在北 纬 50 度夏秋季节在 100hPa 处达到极小值其数值约为 3.5-4ppmv秋季水汽混合比略 高在
15、南纬 30 度各季节基本在 100hPa 处达到极小值秋季位置稍高从大到小依次是 春夏冬秋其数值约为 2.5-4ppmv在南纬 50 度各季节在更低处达到极小值从 大到小依次是夏冬春秋其数值约为 3-4ppmv在平流层中高层高纬度地区水汽 混合比数值季节差异比中低纬明显图 3 平流层水汽混合比纬高度垂直剖面图我们可以将图 3 与平流层温度的纬度高度垂直剖面图略对比对于温度场而言 同一纬度温度随高度增加而增加同一高度上低纬度温度低于中高纬度热带对流层顶温 度最低在平流层中高层,冬季北半球高纬度地区温度偏低夏季南半球高纬度地区温度偏 低对比分析可知水汽混合比经向分布特征也主要由温度分布引起的即温度
16、高水汽混合 比也高水汽summerwinter温度图 4 100hPa高度水汽混合比和温度年际变化 4.2 不同纬度水汽混合比的变化特征及其与温度的关系 为了进一步分析平流层水汽混合比与平流层温度的关系我们分别就不同层次和纬度 进行比较 4.2.1 平流层底层不同纬度水汽混合比温度场的变化特征 我们取 100hPa 代表平流层底分析不同纬度水汽温度的变化图 4 给出了赤道 南北纬 30 度南北纬 5060 度水汽温度的年际变化曲线温度缺测处连线断开水汽只 有 1 年缺测连线没断开前面的分析已知在 100hPa 高度处全球水汽混合比呈下降 趋势温度也呈下降趋势从图 4 中也可以看到南北半球的水汽混合比准 2 年周期显著 除北纬 50-60 度附近水汽混合比下降趋势不明显以外其他地区都呈下降趋势尤其在北 纬 30 度地区最明显同理我们分析不同纬度温度场的年际变化特征南北半球的温度准 2 年周期显著在南北纬 30 度之间温度呈下降趋势在高纬度地区90 年代后期温度是 增加的下面我们再看冬夏季节的水汽变化情况图略分析可知在北纬
