2018, Vol. 37
2. 南京信息工程大学大气科学学院, 江苏 南京 210044
穿越对流层顶的平流层-对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange, 下称STE或平-对交换)是发生在上对流层-下平流层UTLS(Upper Troposphere-Lower Stratosphere)区域的重要动力、化学过程, 其包含质量、能量以及物质(化学成分)等的输送。平-对交换过程是控制UTLS区域中臭氧、水汽、SO2等痕量成分收支的重要因子(Kremser et al, 2016), 同时也潜在影响着气候系统的变化。因此, 平-对交换的研究一直是大气科学界关注的前沿。除了图像较清晰的全球尺度平-对交换外(Holton et al, 1995), 根据“向下控制”原理, 在中纬度热带外UTLS区域还存在平流层空气向下输送到对流层, 主要通过天气尺度及中尺度交换过程实现, 但由于其存在多种交换方式及复杂性而逐渐成为研究的重点对象(Gettelman et al, 2011)。
Ex-UTLS区域(热带外UTLS区域)一般认为其覆盖对流层顶上下5 km的范围(Gettelman et al, 2011)。为了深入研究平-对交换过程对Ex-UTLS区域物质再分布的影响, 欧洲发起了STACCATO(Stohl et al, 2003)、START05(Pan et al, 2007)和START08(Pan et al, 2010)等观测计划, 主要通过飞机观测手段开展研究。中国也陆续开展了一系列的臭氧等探空计划并取得了一定的成果(韦惠红等, 2006; 杨双艳等, 2012; 赵倩等, 2015; Li et al, 2015a; Song et al, 2016)。这些观测数据充分证明, 中纬度地区大量穿越对流层顶的平-对交换过程通过天气尺度以及中、小尺度过程实现(Stohl et al, 2003), 如切断低压、急流、对流层顶折叠等涡动过程引起的沿等熵面的物质交换(Price et al, 1993; Langford et al, 1996; Pan et al, 2007; 曹治强等, 2016), 以及波破碎等非绝热过程引起的跨越等熵面的混合过程完成(Homeyer et al, 2011; 陈丹等, 2014)。近年来, 对于平-对交换过程的模式模拟研究也积累了一些成果。这些研究包括利用MM5模式、WRF模式和轨迹模式等对平-对质量交换过程和物质交换过程进行模拟研究(杨健等, 2003; Chen et al, 2014; Li et al, 2015b; 万凌峰等, 2017), 以及水平分辨率和时间方案等参数设置对模式模拟结果的影响(Mizuta et al, 2009; Barré et al, 2012)。
切断低压是一个对流层上层的闭合低压系统, 由于高空槽的加深, 切断低压与它的极地源区分离并向中纬度南部西风带扩展加强。切断低压移动比较缓慢, 可在局地维持数天, 有些甚至可以维持2~3周(Kentarchos et al, 1998)。STACCATO计划近十几年的研究结果表明, 切断低压是影响中纬度平-对交换的重要天气尺度系统之一, 与切断低压相伴的对流层顶降低及折叠可引起平流层空气向对流层的输送(杨健等, 2004a), 这种平流层入侵可引起对流层臭氧浓度的增加(Kuang et al, 2012)及地面臭氧浓度的升高(Langford et al, 2012)。
中国东北部-西伯利亚、北美、南欧是北半球切断低压三大频发区(Nieto et al, 2005), 已有统计显示, 东亚地区的平-对质量交换在北半球平-对质量交换中占有重要地位(杨健等, 2004b)。发生在中国东北部的切断低压由于其在对流层中高层常存在一冷中心与之配合, 张立祥等(2009)又称其为东北冷涡, 冷涡常造成暴雨等灾害天气(马梁臣等, 2017; 孙艳辉等, 2017)。陈丹等(2016)利用ERA-Interim臭氧资料和Aura/MLS卫星臭氧资料分析了2次典型东亚地区切断低压发生时UTLS区域的物质分布特征, 结果揭示了两种资料在反映平流层臭氧入侵方面存在较好的一致性, 同时Škerlark et al(2014)首次利用ERA-Interim提供的臭氧资料对全球气候态的平-对交换特征进行了研究, 这些研究提供了ERA-Interim高分辨率臭氧资料在平-对物质交换问题上研究的可行性依据。
目前, 有关东亚地区切断低压引起的平-对交换研究主要集中在个例引起的平-对交换过程问题上, 均孤立地考察单个个例引起的UTLS区域痕量物质含量及输送轨迹(杨健等, 2003; Liu et al, 2013; Chen et al, 2014; Li et al, 2015b; 施春华等, 2014; Song et al, 2016)。这些研究提供了东亚切断低压引起平流层空气及痕量物质入侵的初步认识, 但是, 切断低压的类型和强度是否会影响UTLS区域痕量物质的分布？深厚类型与浅薄类型的切断低压引起的平流层臭氧入侵方面是否不同？不同强度级别的切断低压对臭氧入侵量是否产生影响？而目前缺乏对这些细节方面的认识。本文将结合ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的ERA-Interim高分辨率臭氧资料和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料, 对比分析6次不同类型和强度的典型东亚切断低压过程中伴随平流层空气入侵引起的UTLS区域臭氧变化特征, 揭示不同类型和强度的切断低压所引起的UTLS区域臭氧分布的异同。
2 资料选取和个例概况 2.1 资料选取所用数据包括ERA-Interim数据和NCEP再分析数据。目前公开发布的ERA-Interim数据中的气压层数据最高水平分辨率可达到0.125°×0.125°, 垂直方向为1 000~1 hPa共37层, 逐6 h一次。主要变量场包含:位势高度、温度、臭氧资料、位涡和风场资料。同时还使用逐6 h一次的NCEP再分析数据提供的位势高度场, 以及1981-2010年(30年)位势高度场的月平均资料。所用时间均为世界时。
2.2 个例概况当极区附近的高空槽不断向中纬度加深时, 对流层中上层的冷槽与高纬冷空气的联系被暖空气切断, 形成孤立的闭合气旋性环流, 称之为切断低压(Palmén et al, 1969)。根据位势高度距平场在垂直方向上的特征, 可将切断低压分为两类:一类为在对流层中高层表现明显的深厚系统, 即位势高度负距平中心位于对流层中高层; 另一类为在对流层中低层表现明显的浅薄系统, 即位势高度负距平中心位于对流层低层(乔枫雪, 2007)。依据该分类标准, 将东亚地区的切断低压分为深厚型和浅薄型两类, 分别选取4例深厚、2例浅薄切断低压个例进行对比分析。进而根据位势高度值大小来定义切断低压强度, 又在4例深厚类型的切断低压中进行不同强度(2例强、2例弱)的对比分析。选取的6个个例均符合Nieto et al(2005)提出的对切断低压的筛选条件。表 1给出了6个切断低压个例的基本概况。
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表 1 切断低压个例基本概况 Table 1 The basic situation of cut-off low |
图 1为利用ERA-Interim再分析资料绘制的6个切断低压个例最强时刻的500 hPa位势高度和温度场, 其中黑色矩形框分别代表以各个切断低压最强时刻为参考时刻, 选取以500 hPa位势高度最低值为中心的14°×14°正方形区域, 该区域代表各个个例最强时刻的主体区域。6个个例的演变过程如下:
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图 1 6个切断低压个例最强时刻的500 hPa位势高度(等值线, 单位: gpm)和温度场(阴影, 单位: ℃) 黑色矩形框分别为以各个切断低压该时刻的500 hPa位势高度最低值为中心的14°×14°区域(下同) Figure 1 Geopotential height (contour, unit: gpm) and temperature (the shaded, unit: ℃) of the six cut-off lows in strongest time at 500 hPa. The black rectangle is the 14°×14° area which center is minimum geopotential height at 500 hPa of each cut-off low cases at that time (the same as after) |
个例A: 2009年6月26日12:00, 贝加尔湖(简称贝湖)西部有一小槽建立。随后, 槽不断发展南伸, 于27日00:00在贝湖南部切断, 并发展东移。28日00:00, 切断低压在蒙古东部达到最强, 中心强度为5 470.2 gpm, 冷中心强度为-17.1 ℃[图 1(a)]。18:00, 切断低压开始减弱东移。
个例B: 2010年6月19日18:00, 贝湖东部有一槽建立。随后, 槽向南加深, 于20日06:00在东北地区切断出为闭合低涡, 并持续盘旋在东北上空。21日00:00, 切断低压发展达到最强, 中心强度为5 484.1 gpm, 冷中心强度为-24.4 ℃[图 1(b)]。22日06:00, 切断低压减弱分裂为两个弱低压移出东北地区。
个例C: 2011年9月4日18:00, 东北地区有一槽建立并不断加深。5日06:00, 槽切断为一个闭合低涡, 不断发展东移。6日18:00, 切断低压在东北地区东部达到最强, 中心强度为5 518.0 gpm, 冷中心强度为-15.9 ℃[图 1(c)]。随后在7日06:00开始减弱并移向东北。
个例D: 2014年9月1日18:00, 东北地区西北部有一槽建立并向西南加深, 随后, 于2日06:00切断, 形成一闭合低涡并在东北地区上空盘踞。3日18:00, 切断低压发展达到最强, 中心强度为5 558.5 gpm, 冷中心强度为-18.0 ℃[图 1(d)]。5日18:00, 切断低压开始减弱东移。
个例E: 2008年10月22日00:00, 贝湖西部有一个槽建立并向西南加深。06:00, 槽在贝湖切断, 随后不断发展移至东北地区。24日18:00, 切断低压发展达到最强, 中心强度为5 167.9 gpm, 冷中心强度为-37.1 ℃[图 1(e)]。25日12:00, 切断低压气压梯度开始减小并向东北移动。
个例F: 2013年11月17日00:00, 东北地区有一个槽建立。随后, 槽不断发展南伸, 于12:00切断并控制东北地区。18日12:00, 切断低压发展达到最强, 中心强度为5 193.0 gpm, 冷中心强度为-37.3 ℃[图 1(f)]。20日06:00, 切断低压的气压梯度开始减小, 而后东移入海。
通过对6个个例进行类型分类的具体过程(图 2)可以看出, 在6个个例发生期间, 以每个时次500 hPa气压中心位置为研究对象点, 利用NCEP位势高度资料计算该点在垂直范围内的位势高度距平值(相对平均气候态)。图 2(a)、2(b)、2(e)、2(f)(即个例A、B、E和F)显示, 从开始切断至开始衰减期间, 每个时次的位势高度负距平大值区主要集中分布在500~300 hPa高度范围, 即对流层中高层, 且负距平区域从低层一直延伸至100 hPa甚至更高。这种分布状态与深厚型切断低压位势高度距平场的表现形式相符(Chen et al, 2014), 故个例A、B、E和F为深厚型切断低压。而个例C和D每个时次的位势高度负距平区主要集中在500 hPa以下高度范围, 即对流层中低层[图 2(c), (d)], 且负距平区最高只到达300 hPa附近, 符合浅薄型切断低压位势高度距平场的分布状态, 故个例C和D为浅薄型切断低压。
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图 2 6个个例发生期间以每个时次500 hPa气压中心位置为研究点的位势高度距平(相对平均气候态, 阴影, 单位: gpm) Figure 2 Geopotential height anomaly of center points at 500 hPa in every time (relative to theclimate mean state, the shaded, unit: gpm) of the six cut-off lows |
从表 1中可以看出, 深厚型个例A、B、E和F的500 hPa最强时刻强度分别为5 470.2, 5 484.1, 5 167.9和5 196.2 gpm, 对比发现, 个例A和B的强度相近, 同时个例E和F的强度接近且远大于个例A和B的强度, 深厚型个例A、B与浅薄型个例C、D强度相当。从图 2中也能看出, 个例E、F每个时刻的位势高度负距平值均大于个例A、B。综上所述, 本研究将个例A和B归类为深厚型强度较弱事件, 个例E和F归类为深厚型强度较强事件, 而个例C和D归类为浅薄型强度较弱事件。由于东亚切断低压大多为深厚型, 且浅薄型的强度相对而言大多较弱, 因此在强度对比方面, 仅进行深厚类型的不同强度对比分析; 在类型对比方面, 将强度相当的深厚型个例A、B和浅薄型个例C、D进行对比。
3 结果分析 3.1 臭氧水平分布对比分析臭氧主要集中在平流层, 对流层中的臭氧含量比平流层低1~2个量级。平流层空气入侵是引起对流层中臭氧含量变化的因素之一, 因此可以将臭氧作为平流层空气运动的示踪物。图 3分别给出6个切断低压个例对应其最强时刻的300 hPa臭氧体积混合比和位势高度分布。
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图 3 6个切断低压个例最强时刻的300 hPa臭氧体积混合比(阴影, 单位: ppmv)和位势高度(等值线, 单位: gpm) Figure 3 Ozone volume mixing ratio (the shaded, unit: ppmv) and geopotential height (contour, unit: gpm) at 300 hPa of the six cut-off lows in the strongest time |
首先对比不同类型的切断低压个例:深厚型个例A、B和浅薄型个例C、D。从表 1中可以看出, 相对而言, 这4个个例的强度相当, 差值最大在90 gpm以内。从图 3(a)、3(b)中可以看出, 深厚型个例A、B发生期间, 随着槽的切断, 在闭合低压中形成了伴随平流层空气入侵引起的臭氧浓度高值中心, 臭氧含量大值区位于切断低压的主体区域内(黑色矩形框), 切断低压范围内的臭氧含量要比其周围区域高出0.1~0.2 ppmv。而对于浅薄型个例C、D[图 3(c), (d)], 虽然其与深厚型的切断低压在垂直结构上存在差异, 但在这两次过程中, 切断低压主体区域内同样存在臭氧含量高值区。这说明, 浅薄型切断低压虽然主要表现在对流层中低层, 但在其发生期间, 也存在着平流层空气的入侵, 这可能是由于中纬度地区的“向下控制”原理起主导作用(Holton et al, 1995)。对比图 3(a)、3(b)与图 3(c)、3(d), 浅薄型切断低压臭氧含量值要比深厚型的略小, 这可能是深厚型的切断低压集中表现在对流层中高层, 甚至到了下平流层, 其与平流层的联系更显著。深厚型的切断低压引起的平流层空气入侵除了“向下控制”原理的作用外, 切断低压系统本身的动力结构可能也起着作用。
对于同是深厚型而具有不同强度的切断低压个例A、B和E、F, A、B为深厚类型中相对较弱的切断低压个例(下称深厚弱), E、F为深厚类型中相对较强的切断低压个例(下称深厚强), 根据表 1可知, 两者最小差值为277.2 gpm。对比图 3(a)、3(b)和图 3(e)、3(f)可以看出, 由于深厚强切断低压气压梯度大, 闭合等值线范围大, 其引起的臭氧浓度高值区范围也比深厚弱切断低压大得多, 这说明伴随切断低压系统引起的UTLS区域臭氧浓度高值分布范围及臭氧含量大小与系统本身的强度存在一定的联系。
在6个个例臭氧距平对比分析过程中, 利用2005-2015年水平分辨率为0.125°×0.125°的臭氧月平均资料计算这11年间的臭氧平均值, 并将其作为基准来分析切断低压的臭氧距平分布, 进一步讨论不同类型和强度的切断低压引起的平-对交换过程对臭氧再分布的影响。
图 4分别给出6个切断低压个例对应最强时刻的300 hPa臭氧体积混合比距平(相对于11年臭氧平均值)和位势高度场水平分布。对于深厚型个例[图 4(a), (b)], 在切断低压的主体区域内, 围绕其中心存在臭氧正距平的大值区, 两次过程中臭氧浓度最大分别升高了0.096 ppmv和0.161 ppmv, 相对于300 hPa上11年臭氧平均值分别增加了112.9%和173.2%。而对于浅薄型个例[图 4(c), (d)], 两次个例中切断低压主体区域内的臭氧浓度最大分别升高了0.034 ppmv和0.130 ppmv, 相对于基准分别增加了45.0%和143.1%。
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图 4 6个切断低压个例最强时刻的300 hPa臭氧距平(阴影, 单位: ppmv)和位势高度(等值线, 单位: gpm) Figure 4 Ozone anomaly (the shaded, unit: ppmv) and geopotential height (contour, unit: gpm) at 300 hPa of the six cut-off lows in the strongest time |
深厚型和浅薄型切断低压均可以引起臭氧浓度的增加, 且存在臭氧浓度升高量级与深厚型切断低压相当的情况。由此可见, 浅薄型切断低压在平-对交换过程中同样起作用, 不能忽略浅薄型切断低压过程中发生的平-对物质交换量, 而过去的研究集中在深厚个例的研究上(Škerlak et al, 2014; 施春华等, 2014; Li et al, 2015b)。
在深厚强切断低压个例主体区域内[图 4(e), (f)], 两次过程中臭氧浓度最大分别上升了0.189 ppmv和0.191 ppmv, 相对于基准分别增加了202.9%和237.4%。相对于深厚弱切断低压, 深厚强切断低压内臭氧正距平的范围更大, 且臭氧浓度增加的幅度更强。这再次说明, 切断低压系统的强度与其引起的UTLS区域内臭氧增量存在联系。
3.2 臭氧垂直分布对比分析为了进一步揭示不同类型和强度的切断低压引起的UTLS区域臭氧分布特征, 本节主要对比研究6次切断低压过程中臭氧垂直分布的变化特征。现选取14°×14°区域作为切断低压主体区域, 即图 1中黑色框内区域为研究区域, 从图 1中可以看出, 该区域能够覆盖所有个例的主体范围。图 5为6个切断低压个例在14°×14°研究区域内的臭氧及其相对应的臭氧距平百分比(即计算每个个例相对于11年臭氧平均值的臭氧距平百分比)纬向平均垂直剖面, 每幅小图均描绘了每个切断低压个例的4个代表时次(切断时刻1个时次、成熟阶段的2个时次和衰减阶段的1个时次)的臭氧垂直分布随时间演变, 图 5中用虚线分别将这4个时次隔开, 故横坐标为4个时次切断低压主体区域所在纬度的合成坐标。为了更好地显示伴随切断低压过程中的对流层顶降低、平流层空气入侵现象及可能的动力过程, 在图 5(上)6个切断低压的每个时次均叠加了高空急流和位涡(PV)值等于2 PVU(1 PVU=1×10-6 m2·K·kg-1·s-1)的等位涡线。
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图 5 6个切断低压个例的不同阶段主体区域内纬向平均的臭氧(阴影, 单位: ppmv)、位涡(2PVU, 红色实线)和急流(黑色等值线, 单位: m·s-1)(上)及对应的臭氧距平百分比(下, 11年臭氧平均值为基准态, 单位: %)垂直分布 Figure 5 The vertical distribution of zonal mean ozone (the shaded, unit: ppmv), potential vorticity (2PVU, red line) and jet (black contour, unit: m·s-1)(up) and ozone anomaly percentage (down, the ozone average for 11 years as the reference state, unit: %) in the main region at different stages of the six cut-off low cases |
Hoinka(1998)研究认为, 1.6~3.5 PVU的位涡阈值可以定量地确定对流层顶的位置, 目前普遍使用2 PVU等位涡线来代表热带外地区的动力学对流层顶。在中纬度地区传统气候学意义的平均对流层顶为300~200 hPa。从图 5中叠加的2 PVU线可以看到, 6次切断低压过程中的动力学对流层顶均下降到300 hPa以下, 如果认为2 PVU是平流层大气与对流层大气的分界面, 这说明在切断低压发生期间, 平流层空气入侵到传统气候学意义的对流层区域中。同时, 高浓度臭氧“舌”的形状和下伸位置与2 PVU线基本一致, 这表明富含臭氧的平流层空气随着对流层顶位置降低发生入侵, 引起了UTLS区域的臭氧再分布。对比不同类型的切断低压过程中平流层空气入侵深度可以看到, 深厚个例的动力学对流层顶下伸可达400 hPa[图 5(a), (b)], 浅薄型个例的2 PVU等位涡线下伸深度与深厚个例相当或略浅[图 5(c), (d)]。而对于强度较强的深厚型个例[图 5(e), (f)], 动力学对流层顶和臭氧“舌”下伸已达到500 hPa, 远大于深厚弱切断低压的下伸深度, 这说明平流层空气的入侵深度与切断低压强度可能存在联系。
首先对比不同类型的切断低压引起的UTLS区域臭氧再分布。对于深厚弱个例A、B, 从图 5(a)和5(b)中可以看出, 在UTLS区域(100~300 hPa), 臭氧分布具有明显的非均匀性, 在200~300 hPa间的臭氧浓度变化范围为0.1~0.4 ppmv。在臭氧距平百分比上, 100~600 hPa主要表现为臭氧正距平, 最大值大约在300 hPa, 臭氧浓度最大分别升高105.3%和115.2%。在浅薄型个例C、D中, UTLS区域的臭氧分布同样存在非均匀性, 但200~300 hPa间的臭氧浓度变化范围为0.1~0.2 ppmv[图 5(c), (d)], 表明臭氧分布非均匀性较深厚型过程要弱。浅薄型切断低压引起的臭氧正距平主要集中在300~600 hPa, 臭氧浓度最大分别升高51.6%和74.7%。对比以上深厚型和浅薄型切断低压发现, 浅薄型过程也可以造成UTLS区域的臭氧增加, 从而引起臭氧的再分布, 但其臭氧分布非均匀性及臭氧增加量较深厚型过程稍弱, 且臭氧增加主要集中在300 hPa以下。这与不同类型系统的结构有关, 深厚型切断低压在对流层中上层表现明显, 而浅薄型切断低压在对流层中下层表现明显, 与平流层之间的联系较弱。通过图中叠加的水平风速线发现, 在深厚型切断低压发展过程中, 臭氧“舌”南部150~500 hPa区域存在一高空急流[图 5(a), (b)中黑色等值线], 中心强度分别为40 m·s-1和60 m·s-1, 这表明平流层空气的入侵与急流的动力学过程密切相关。而伴随浅薄型切断低压的高空急流的范围和强度均远小于深厚弱型切断低压, 这也从动力学角度解释了两类切断低压过程中臭氧垂直再分布存在差异的原因。此外, 4个个例的臭氧距平随时间的演变显示, 两类切断低压过程中臭氧入侵的深度和强度均与系统的生命史有关, 随着切断低压不断发展, 臭氧入侵深度加深且浓度升高, 在切断低压成熟阶段达到峰值。
对比不同强度的切断低压引起的UTLS区域臭氧再分布发现, 在深厚强切断低压个例发展过程中[图 5(e), (f)], UTLS区域臭氧呈“漏斗状”分布, 臭氧“舌”下探到达400 hPa以下。在200~500 hPa内, 臭氧正距平最大分别增加了169.2%和173.4%, 大值区域集中在300~400 hPa。对比深厚弱型切断低压个例, 深厚强型切断低压引起的臭氧垂直下伸深度更深, 且入侵的臭氧浓度远高于深厚弱型切断低压。位于深厚强型切断低压臭氧“舌”南侧的高空急流的垂直范围从100 hPa向下深达600 hPa, 中心强度分别可达40 m·s-1和60 m·s-1。相比于深厚弱型个例, 伴随着深厚强型个例的高空急流垂直范围更大。这说明, 不同强度的切断低压可能使伴随其的高空急流垂直范围及强度不同, 从而引起臭氧入侵深度和臭氧增加程度的不同。此外, 从4个不同时刻看, 深厚强型切断低压过程中臭氧入侵的深度和强度也均与系统的生命史有关。
结合以上臭氧水平分布与垂直分布的对比分析可知, 深厚型切断低压与浅薄型切断低压均可以引起平流层臭氧入侵, 但两类切断低压引起的臭氧入侵深度和臭氧增加量略有不同。对于相同类型不同强度的切断低压而言, 深厚强型切断低压引起的平流层臭氧入侵深度更深, 且臭氧入侵强度远大于深厚弱型切断低压。
3.3 不同臭氧气候基准态下的臭氧变化对比分析王卫国等(2008)研究发现, 对流层顶附近的臭氧分布与季节有关, 北半球对流层顶大气臭氧含量夏季高于冬季、春季高于秋季, 其中春季最高, 秋季最低。在不同类型、不同强度的切断低压个例对比分析过程中, 选取研究的个例发生在夏季的有2例(个例A和B), 发生在秋季的有3例(个例C、D和E), 发生在冬季的有1例(个例F)。因此, 在对比分析不同类型和强度切断低压个例对臭氧再分布的影响时, 不同的距平基准选取对对比结果造成如何的影响？基于该问题, 以6个个例各自发生当月的11年臭氧平均值作为基准态, 考察不同臭氧气候基准态对对比不同切断低压过程中臭氧变化的影响。
图 6绘制了6个切断低压个例在研究区域内(图 1中黑色框内区域)臭氧距平(相对于当月11年臭氧平均值)百分比的纬向平均垂直剖面图[计算方法与图 5(下)相同], 但为不同臭氧气候基准态下的臭氧距平。深厚型切断低压个例A和B引起的臭氧正距平主要分布在200~400 hPa, 臭氧浓度相对于当月11年臭氧平均值最大分别增加了77.0%和147.2%[图 6(a), (b)]。而在浅薄型切断低压过程中, 臭氧正距平的范围集中在200~400 hPa, 臭氧浓度相对于基准最大分别升高了60.8%和83.3%。对比两类切断低压, 浅薄型切断低压引起的UTLS区域臭氧增加的空间范围比深厚型切断低压稍小, 量值稍弱[图 6(c), (d)]。在深厚强个例E和F过程中, 臭氧浓度相对于当月11年臭氧平均态升高范围主要覆盖了200~500 hPa, 臭氧浓度增加的最大值分别达到248.0%和234.5%[图 6(e), (f)], 远比深厚弱个例引起的臭氧浓度升高范围更大, 且强度明显高于深厚弱型个例。
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图 6 6个切断低压个例的不同阶段主体区域内纬向平均的臭氧距平百分比(当月11年臭氧平均值为基准态, 单位: %)的垂直分布 Figure 6 The vertical distribution of zonal mean ozone anomaly percentage (the ozone average in the month that the systems happened for 11 years as the reference state, unit: %) in the main region at different stages of the six cut-off low cases |
结合图 5(下)和图 6可以看到, 利用两种不同距平基准所得到的对比结果是相同的, 即两类切断低压均可以引起平流层入侵, 且浅薄型切断低压引起的臭氧浓度升高量值比深厚型切断低压稍弱。强度较强的深厚强型个例引起的臭氧浓度升高量值远大于深厚弱型个例。选取不同的距平基准对于不同类型、不同强度切断低压的对比结论并未造成影响, 它的影响仅存在于每次过程中臭氧增量的空间范围及量值两个方面。故不同类型、不同强度切断低压对比分析的结果不受不同臭氧基准态选取的影响。
4 结论与讨论利用ERA-Interim及NCEP再分析资料对发生在东亚地区的6例典型切断低压过程中伴随平流层空气入侵引起的UTLS区域臭氧分布及变化进行了对比分析。将6次过程进行类型和强度分类对比(深厚弱个例2例, 浅薄个例2例, 深厚强个例2例), 揭示不同类型和强度的切断低压所引起的UTLS区域臭氧分布的异同, 得到如下主要结论:
(1) 浅薄型和深厚型切断低压均能引起平流层空气的入侵, 且存在浅薄型切断低压引起的臭氧浓度升高量值与深厚型切断低压相当, 因此在针对切断低压过程中平-对物质交换开展研究时, 浅薄型切断低压的作用不能被忽略。由于深厚型和浅薄型切断低压的垂直结构不同, 深厚型切断低压过程中UTLS区域臭氧浓度升高主要集中在对流层中上层和平流层下层, 而浅薄型切断低压中的臭氧浓度升高只集中发生在对流层中上层。
(2) 切断低压引起的UTLS区域臭氧浓度高值分布范围及臭氧含量大小与系统本身强度存在一定的联系。在300 hPa上, 相对于深厚弱型个例, 深厚强型个例臭氧正距平的范围更大, 且臭氧浓度增加的幅度更强。在垂直方向上, 深厚强型切断低压过程中的动力学对流层顶下降深度和入侵的臭氧浓度均远大于深厚弱型切断低压。对比伴随在不同强度切断低压内臭氧“舌”南侧的高空急流发现, 伴随着深厚强个例的高空急流的强度与深厚弱型个例的相当, 但深厚强型个例高空急流的垂直范围较大。
(3) 在选取11年臭氧平均值和当月11年臭氧平均值分别作为距平基准进行对比分析时发现, 利用两种不同距平基准所得到的对比结果是相同的, 不同类型、不同强度切断低压对比分析的结果不受不同臭氧基准态选取的影响。
本文揭示了东亚地区不同类型和强度的切断低压引起的UTLS区域臭氧再分布的异同, 为认识不同切断低压引起的UTLS物质分布特征提供了一定的基础, 但仅针对6个切断低压个例进行对比分析, 还存在一定的局限性。下一步将针对多年的东亚地区切断低压进行统计分析, 揭示不同类型和强度的东亚地区切断低压引起的臭氧再分布的总体特征及原因。同时还需注意到, 在进行深厚型与浅薄型切断低压的对比分析中, 浅薄型个例在100~300 hPa上臭氧变化表现为负距平的大值区, 这一现象可能与平流层臭氧入侵时发生的局地垂直输送及臭氧的季节变化有关, 相关原因还需进一步研究。
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2. College of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, Jiangsu, China