臭氧(O₃)是平流层的重要微量成分之一, 它可以吸收太阳释放出来的绝大部分紫外线, 使动植物免遭其危害, 对地球生物圈起到保护作用。此外, 值得注意的是, 平流层O₃吸收紫外辐射决定了温度场的特征, 即平流层的存在与变化决定于O₃。同时, O₃是平流层的一种示踪剂, 大气环流的变化也将在O₃的变化中有所体现, 因此对O₃变化特征的研究始终是学者研究的重点(Nzotungicimpaye et al, 2014; Petkov et al, 2014; 李书博等, 2015; 张芳等, 2016)。大气中的O₃总量在地球上的分布是不均匀的, 主要集中在平流层的中下层(Guo and Wei, 1988), 其中影响大气臭氧含量发生变化的一个重要因素, 就是大气环流对O₃的输送作用(Ou-Yang et al, 2013; 王贵勤, 1990; 陈闯等, 2012)。

El Niño和南方涛动(Southern Oscillation)因耦合形成全球尺度的气候振荡(Rasmusson and Carpenter, 1982), 合称ENSO循环。研究表明, ENSO不但能够集中地反映出热带海气相互作用(李崇银和周亚萍, 1994; Zhou and Chan, 2007), 还通过大气遥相关造成全球范围的气候异常(Dai et al, 1997; Hoerling et al, 1997; Trenberth and Hoar, 1997; Alexander et al, 2002; 李敏姣等, 2014)。近期相关研究还表明, ENSO活动的影响甚至可达平流层, 由于对流层-平流层动量、能量和物质交换, ENSO循环可以通过爆发性增温(Taguchi and Hartmann, 2006; 李琳等, 2010)、臭氧收支(Zeng and Pyle, 2005)等方式影响平流层动力、热力和化学结构(Baldwin et al, 1995; Sassi et al, 2004; Garcia-Herrera et al, 2006)。热带地区是平流层臭氧的主要源地, 也是ENSO循环的关键区。ENSO是年际气候异常的强烈信号, 能够迅速地导致全球气候发

生明显异常, 在ENSO年中, 赤道东太平洋海温升高, 对流活动加强, 对流层顶抬升(Shiotani, 1992), 从而造成整层气柱臭氧含量下降。ENSO循环对热带海区深对流和大气环流的影响会通过平流层-对流层交换(STE)传导到平流层, 使平流层臭氧的分布特征发生改变, 进而影响整个大气的辐射结构。

近年来, 国内外的学者对ENSO与臭氧的关系做了很多研究。Zerefos et al(1992)指出, 南方涛动指数(SOI)与北美、日本、欧洲北部的臭氧总量变化之间存在统计意义上的滞后相关。Langford et al(1996)指出SOI与北美对流层臭氧距平的相关系数可达0.7, ENSO可造成对流层中5 %的臭氧含量变化。邹捍(2001, 1997)研究了高纬度地区臭氧总量的ENSO信号, 以及青藏高原地区臭氧变化与ENSO的关系, 发现在El Niño年, 青藏高原臭氧总量偏大, 在La Niñ a年, 青藏高原臭氧总量偏小。Han et al(2005)使用TOMS/SBUV的臭氧数据研究发现, ENSO和AO分别可以影响95°E 190°E范围内的臭氧含量变化5 DU和8 DU。Ziemke et al(1997)研究也发现, 在热带以北的50°N-60°N区域, 臭氧含量的变化也存在着明显的ENSO信号。Zeng and Pyle(2005)通过气候/化学模式分析了ENSO对平流层-对流层交换(STE)以及臭氧的影响, 发现El Niñ o事件会使STE增强, La Niña则会减弱STE, 而STE又是影响臭氧等大气微量物质局地含量的一个重要因素, 例如有研究发现, 1997-1998年的El Niño事件就使得臭氧的总量有明显的增加。周任君(2011)通过滞后相关研究发现ENSO会对平流层气溶胶的分布产生影响。由于受到观测资料的限制, 过去对平流层的研究, 包括ENSO对平流层影响的研究都多少存在着一定的局限性。近年来有关平流层大气的资料有了系统性改善, 因此, 本文将对ENSO事件和东亚地区平流层臭氧的关系展开研究。

采用ERA-Interim提供的1995-2011年每天12:00(北京时, 下同)逐月等压面上全球U, V, ω风场, 温度T以及臭氧的月平均再分析资料, 水平分辨率为1.5°×1.5°。其中, 已经考虑到1982年El Chichon和1991年Pinatubo火山爆发, 火山气溶胶会对臭氧产生影响(杨理权等, 1998), 故取1995-2012年204个月的资料做研究。研究区域为东亚80°E-140°E, 0°-60°N。同时还采用了NOAA提供的1995-2011年ONI指数和Niño 3.4海区(5°N-5°S, 120°W-170°W)的海温资料, 空间分辨率为1°×1°。

在本文所研究的时段内, ENSO循环经历了1997年5月至1998年5月、2002年5月至2003年3月、2004年6月至2005年2月、2006年8月至2007年1月、2009年6月至2010年4月5次El Niño事件和1995年9月至1996年3月、1998年7月至2000年6月、2000年10月至2001年2月、2007年9月至2008年5月、2010年7月至2011年4月5次La Niña事件(图 1)。

图 1(Figure 1)

图 1 1995-2011年期间发生的El Niño和La Niña事件 Figure 1 The occurrence of El Niño and La Niña from 1995 to 2011

ONI是由ERSST资料经3个月滑动平均得到, 能表征ENSO事件的持续时间和强弱变化, 可以反映海洋、大气方面的相应变化和强度(许武成等, 2009)。为保持数据一致性以减小系统误差, 将东亚地区O₃资料做纬向平均和3个月的滑动平均, 处理成100~10 hPa与0°-60°N的高度-纬度的逐月数据。

本文中, 采用了陈文和黄文辉(Chen and Huang, 2002)给出的P坐标系下的计算公式, 以便使用ERA-Inetrim的再分析资料进行计算:

式中: θ表示位温, a表示地球半径, g表示地球加速度, T表示纬向平均温度, P为气压, R为常数, φ表示纬度, v表示经向平均风速, ω表示p坐标系下的平均垂直速度, 下标p和φ表示对其求偏导数。带“′”的表示扰动量, 扰动量为物理量本身与其纬向平均量的差值。带“—”的表示纬向平均量。

为了分析ENSO循环对东亚地区平流层臭氧分布的影响, 参考文献Zerefos et al(1992)和周任君(2011)的做法, 分别计算了ONI与滞后两年内臭氧含量的相关系数, 得到高度-纬度的垂直剖面相关图(图 2), 滞后时间间隔为2个月(为节省篇幅, 在此只给出有代表性的几个滞后月份)。

图 2(Figure 2)

图 2 ONI与滞后两年内O3的相关系数(等值线)垂直剖面分布 (a) 0, (b) 2个月, (c) 8个月, (d) 10个月, (e) 12个月, (f) 14个月, (g) 20个月, (h) 22个月.阴影区为通过了信度为99.5 %的t检验 Figure 2 The correlation coefficient (contour) of ONI and 2-year lagged O3. (a) 0 months, (b) 2 months, (c) 8 months, (d) 10 months, (e) 12 months, (f) 14 months, (g) 20 months, (h) 22 months. The shaded areas have passed the significant level at the 99.5 %

图 2表明ENSO与东亚地区平流层O₃在不同滞后时间内有不同程度的相关关系。二者同期相关并不显著, 说明臭氧的变化和ENSO不是同步发生的, 而随着滞后时间的推移二者的相关开始显著。当El Niño发生后, Niño 3.4海区的海表温度异常增暖, 表现为ONI偏大, 则图中正相关区域的O₃含量会随之偏多, 负相关区域的O₃含量会随之偏少; 若La Niña发生, 情况反之。

从时间上来看, 相关性密切程度的演变过程大致可分为两个阶段, 分界点在滞后12个月左右: (1) 在前12个月的滞后相关中, ENSO变化对臭氧的影响主要反映在平流层高层(30 hPa)和低层(70 hPa)的不同纬度, 其中对70 hPa的影响强于30 hPa, 在30 hPa的中纬度是负相关, 高纬度正相关; 而在70 hPa是一个负-正-负的相关关系, 分别对应着低中高三个纬度, 而且相关关系最佳是在滞后第八个月时; (2) 在后12个月的滞后相关中, ENSO对东亚平流层臭氧的影响主要体现在平流层的高层(30 hPa), 其中高纬度的正相关不再显著, 而在低纬度地区出现了显著的正相关, 中纬度的负相关关系一直维持着; 随着时间的推移, 在滞后20个月以后二者的相关性不明显。

以上分析与计算表明: ENSO变化对东亚地区平流层臭氧有比较明显的影响, 并且二者之间有一定的变化规律, 下面进行进一步的分析。

在ENSO循环的周期中, El Niño和La Niña分别表示ENSO循环的正负位相, 它们会呈现出完全相反的振荡, 而这种振荡的信号会传递到平流层, 使平流层的臭氧也随之振荡。El Niño时期可视作ENSO循环正半周期的典型阶段, 而La Niña时期可视为ENSO循环负半周期的典型阶段, 因此与之对应的平流层臭氧也存在显著差异。

因此, 我们将分析ENSO循环对东亚地区平流层臭氧的强迫特征和影响程度(图 3)。考虑到在前文分析中得出ENSO循环对平流层臭氧的影响在滞后8个月时较明显, 因此本文分别计算了滞后El Niño 8个月(图 3a)和滞后La Niña 8个月(图 3b)的臭氧距平百分比, 并给出了二者的差值图(图 3c)。

图 3(Figure 3)

图 3 El Niño与La Niña滞后8个月时臭氧距平百分比(等值线, 单位: %) (a) El Niño, (b) La Niña, (c) El Niño与La Niña之差.阴影区表示通过了95 %的显著性t检验 Figure 3 Anomaly percentage (contour, unit: %) of O3 lagging 8 months. (a) Behind El Niño, (b) Behind La Niña, (c) the difference of El Niño and La Niña. The shaded areas have passed the significant level at 95 %

图 3a表明, 当El Niño事件发生后的第8个月, 臭氧含量在平流层呈现不同的变化特征:在低纬度地区, 臭氧含量是低于多年平均值的, 尤其是在70 hPa附近距平可达-10 %以上; 而在中高纬度地区, 臭氧含量是高于多年平均值的, 其中距平最大值出现在70 hPa的中纬度地区, 可达4 %以上。分析该图还可以发现, El Niño对臭氧的影响在70 hPa比较明显, 其影响结果与前述的滞后相关分析结论基本一致, 而到了平流层的高层, 这种影响就减弱了。

图 3b表明, La Niña事件对东亚地区平流层臭氧的影响与El Niño的影响基本是相反的, 这也与滞后相关分析的结论一致。La Niña影响阶段, 平流层低纬度地区的臭氧含量明显高于多年平均值, 在70 hPa附近出现了偏高15 %以上的变化; 而在中高纬度地区, 臭氧含量是低于多年平均值的。与El Niño影响阶段类似, La Niña对东亚地区平流层臭氧的影响随着高度的增加而减弱, 影响比较显著的区域主要位于70 hPa附近。

分析图 3c可得, El Niño和La Niña对8个月后臭氧含量影响的差异是很明显的, 这种差异在平流层的低纬度和高纬度是相反的, 其中在低纬度平流层的低层, 变化幅度可达-25 %以上, 而在高纬度地区的平流层低层也有明显的差异, 约在10 %左右。差异显著的区域同样是在70 hPa附近, 且ENSO对臭氧的影响随高度有明显的减弱。

在滞后相关分析中已经看到, 平流层30 hPa和70 hPa是受ENSO影响较明显的两个层次, 故在此着重分析这两个层次。结合前文的结果, 从NOAA海温资料中选取Niño 3.4区海温(SST)与滞后8个月的东亚地区平流层(30 hPa、70 hPa)臭氧做SVD分析(图 4), 其中, Niño 3.4区海温为左场(L), 东亚地区平流层臭氧为右场(R), 样本数为204个月。图 4为Niño 3.4区海温场与滞后8个月东亚地区平流层70 hPa高度臭氧场的空间分布型第一模态。

图 4(Figure 4)

图 4 Niño 3.4区海温与滞后8个月70 hPa臭氧的SVD分解第一模态左右场(等值线)空间分布 (a)左场: SST, (b)右场: O3.阴影区表示通过0.01的显著性性水平检验 Figure 4 The spatial distribution of the 1st model by SVD resolve for Niño 3.4 SST and lagging 8 months ozone on 70 hPa. (a) left field SST, (b) right field O3. The shaded areas have passed the significance level at 0.01

二者模态相关系数为0.587, 第一模态方差贡献率为94 %。因此, 第一奇异向量对应的SVD模态是最主要的SVD模态, 能够代表两要素场相互作用的主要特征。

分析图 4可以看出, Niño 3.4区的海温与东亚地区平流层70 hPa高度的臭氧有比较好的相关性。在海温场中, 全区显示为负相关, 最大值在Niño 4区可达-0.6, 并且南北半球是对称的, 说明Niño 4区海温异常是影响东亚地区平流层臭氧分布变化的重要原因。而在滞后8个月的臭氧场中, 以30°N为界, 其南面呈正相关, 北面呈负相关, 最大值在近赤道地区。也就是说, 若El Niño发生, Niño 3.4区的海温异常增暖, 则东亚地区平流层70 hPa低纬地区的臭氧减少; 而中高纬地区的臭氧则会增多, 这与合成分析的结论基本一致, 而与滞后相关结论的差异主要体现在高纬度地区。若La Niña发生, 情况反之。在30 hPa(图略)也有类似的变化, 但是影响范围和强度都有减弱。

SVD分析使用的是海温和臭氧的原始资料, 以及东亚大陆地域的独特性, 其结果与滞后相关并不完全匹配。由于Niño 3.4区位于低纬热带地区, 其对低纬度地区的臭氧影响会更加直接, 而在中高纬度地区, 存在着行星波和极涡的影响, 使得臭氧的变化结论不一致。

Andrews and Mcintyre(1978)和McIntyre(1980)认为, 平流层中真正对物质有输送作用是拉格朗日平均环流, 剩余环流可以看作是其近似的环流, 它对平流层中的微量物质输送有十分重要的作用。因此, 有必要讨论ENSO对剩余环流变化的影响, 进而分析其对臭氧分布的影响。

由陈文和黄文辉(2002)的剩余速度计算公式, 本文计算得出的剩余环流的形势与陈权亮和陈月娟(2007)的分析基本一致(篇幅所限, 图略)。故在此着重分析滞后ENSO 8个月时的剩余速度的合成(图 5)。图 5a表明, 在El Niño事件发生后的8个月后, 水平剩余速度的差值在东亚地区的整个纬度带上都表现为正值, 极大值出现在10°N和30°N附近, 其中10°N最大。这就表明, El Niño事件会使得剩余环流的水平运动有所加强, 那么剩余环流对臭氧的水平输送作用也将得到加强, 而且10°N的水平运动最强。而在La Niña事件发生的8个月后, 水平剩余速度的差值在低纬度和中纬度都出现了负值, 而且数值比El Niño影响阶段小2倍左右, 表明La Niña事件对剩余环流的水平运动的增强不是很明显, 甚至在一些纬度上是减弱的。图 5b表明, 在El Niño事件发生的8个月后, 垂直剩余速度的差值在低纬度地区为正值, 表现为上升气流速度的增加; 而在中纬度地区为负值, 表现为下沉气流速度的增加。这就说明, El Niño事件会使剩余环流的垂直运动得到加强。而La Niña事件发生的8个月后, 垂直剩余速度的差值在低纬地区为负值, 高纬地区为正值, 这与El Niño时期变化相反, 表明La Niña事件削弱剩余环流的垂直运动。

图 5(Figure 5)

图 5 东亚地区70 hPa滞后ENSO 8个月时水平剩余速度 v* (a)与垂直剩余速度w* (b)的合成 Figure 5 The anomaly of horizontal (a) and vertical (b) residual velocity lagging 8 months on 70 hPa over East Asia

以上分析表明, 在东亚地区平流层的中下层, ENSO循环会对剩余环流的运动产生影响。具体表现为: El Niño事件会对8个月后的剩余环流形势有所加强; 而La Niña事件则会削弱剩余环流的运动。

为了更好了地分析ENSO循环对东亚地区整个平流层中剩余环流形势的影响, 本文分析了滞后8个月时的剩余环流的变化(图 6)。

图 6(Figure 6)

图 6 滞后El Niño和La Niña 8个月时剩余环流(矢量)的距平变化 (a) El Niño, (b) La Niña.水平剩余速度v*和垂直剩余速度300×w*的单位为m·s-1, 阴影区为通过了90 %的显著性t检验 Figure 6 The anomaly of residual circulation (vector) lagging 8 months. The unit of v* and 300×w* is m·s-1, the shaded areas have passed the significant level at 90 %

如图 6所示, 在对流层顶到平流层的中下层, 无论是滞后El Niño阶段还是La Niña阶段, 剩余环流都是由赤道低纬度地区上升然后向极向下运动, 因此中、低纬度地区臭氧受ENSO影响最为显著。

从图 6a可以看出, 在El Niño事件发生的8个月后, 剩余环流在热带低纬度的上升和水平运动都要比多年平均更强, 而且气流在中纬度的下沉运动也要强于多年平均。这就意味着, El Niño事件会增强剩余环流的形势, 使得臭氧从低纬度地区输送到中纬度地区, 而且中纬度的下沉气流也会将高层的富含臭氧的空气输送到低层。这些影响会使低纬地区的臭氧含量要低于非El Niño阶段的臭氧含量, 而中纬度地区的臭氧含量则会比非El Niño阶段的臭氧含量偏高。图 6b表明, 在滞后La Niña事件8个月后, 剩余环流在对流层中上层也是强于多年平均的, 而在平流层的中下层剩余环流的水平和垂直运动都比多年平均偏弱, 特别在中纬度地区下沉运动的减弱, 这与El Niño的影响相反。表明La Niña事件对剩余环流的运动有稍弱的抑制, 对臭氧的影响就体现为:低纬地区的臭氧含量要多于非La Niña时期的臭氧含量, 而中纬度地区的臭氧含量则会比非La Niña时期的臭氧含量偏低。

这与滞后相关分析中有关中低纬度臭氧变化的结论基本一致, 而中高纬情况则不尽相同, 这可能是由于中高纬度地区有西风带与行星波等其他因子的影响, 导致中高纬度臭氧含量的变化更加复杂。

ENSO事件本身就是一个持续时间较长的现象, 因此其对大气环流的调制是持续的过程。例如在一些前人的研究中, 前期El Niño (La Niña)事件可以导致未来冬半年东亚冬季风异常偏强(弱)(李跃清等, 2003), 东亚夏季风与三个月前的赤道东太平洋海温变化关系最好(陈月娟等, 2002)。据此我们认为, ENSO对大气环流、对臭氧层分布变化的影响也具有一个滞后效应, 本文通过滞后相关分析后发现, ENSO循环对平流层臭氧有持续的影响, 这种影响在滞后8个月是最强的。其可能的影响机制和物理过程:厄尔尼诺事件发生后, 赤道东太平洋海温升高, 哈得来环流加强, 对流活动加强, 导致西太平洋副高加强, 通过对流层-平流层交换间接影响到平流层剩余环流; 伴随着剩余环流水平输送和垂直输送的改变, 进而使东亚大气臭氧的分布受到影响。

ENSO是年际气候异常的强烈信号, 能够迅速的导致全球气候发生异常, 它对对流层大气的影响已经得到了广泛深刻的研究, 而它对平流层大气的影响还有待进一步的研究。本文从东亚地区平流层臭氧和ENSO循环的滞后相关入手, 通过ENSO循环中正负位相El Niño和La Niña对臭氧分布影响的对比, 分析了ENSO对东亚地区平流层臭氧分布的影响程度和作用范围, 得到了一些初步的结论。

(1) ENSO对东亚地区平流层臭氧分布有明显的影响, 这种影响大约维持一年, 在8个月时影响最为显著。

(2) ENSO对东亚地区平流层臭氧分布的影响在30 hPa和70 hPa尤为显著, 当El Niño事件发生后, 东亚地区30 hPa中纬度臭氧增加, 高纬度臭氧减少; 在70 hPa相同纬度上, 臭氧的变化与30 hPa相反, 且在低纬度臭氧是减少; La Niña时期则相反。

(3) 滞后El Niño事件8个月时, 在东亚低纬度地区上空平流层臭氧有低于多年平均值的变化, 而中高纬地区的臭氧则是高于多年平均值的; 而滞后La Niña事件8个月后, 臭氧的变化则相反; 且这些变化的差异在平流层低层低纬度地区可达-25 %以上; 无论是El Niño还是La Niña事件, ENSO循环对东亚地区平流层臭氧的影响都是随高度减弱的。Niño 3.4区海温与东亚地区平流层臭氧的SVD分析结果与合成分析基本一致, 而且Niño 4海区海表温度异常是影响东亚地区平流层臭氧的主要因素。

(4) El Niño事件发生8个月后, 剩余环流水平速度和垂直速度都有比较明显的加强; 而La Niña事件发生的8个月后, 剩余环流的水平速度略有加强, 但垂直速度有明显的减弱, 表明El Niño事件会使剩余环流的形势有所加强, 而La Niña事件则会略微抑制剩余环流的运动。因此, El Niño对环流形势的加强导致了低纬度地区的臭氧含量偏低, 中纬度地区的臭氧含量偏高; 而La Niña对剩余环流的抑制以及对中纬度地区下沉运动的减弱, 使得臭氧的变化与El Niño时完全相反。