全球对流层顶高度的空间演变规律研究

成佳丽，史 燕

(云南省曲靖市气象局，云南 曲靖 655000)

1 引言

对流层顶是19 世纪末20 世纪初平流层被发现后形成的一个概念，科学家们将它定义为对流层的上边界［1］，或是对流层与平流层之间的转换层［2］。对流层顶自从被发现以后，就引起了科学家们的极大关注［3］。

对流层顶作为对流层和平流层两种不同空气团之间的过渡层，将具有不同大气属性和不同痕量气体成分(如臭氧、水汽、一氧化碳等)的对流层与平流层区分开，成为一道阻碍物质穿越对流层顶输送的奇特“屏障”。对流层顶是一个能反映各种大气过程的指示器，其位置、高度、温度等的变化也是气候变化的关键指示因子。对流层顶的各种要素在大气环流形势的更替作用下发生变化，其随时间的变化规律及其热力结构特征与高空急流、臭氧层等物理、化学现象密切相关［4］。

科学家们对对流层顶各要素的时空分布特征的研究得到了许多研究成果。其中，Santer 和Sausen (2003)等人的计算结果表明，对流层顶高度自1979年以来上升了数百米，其中80%是由于人类活动引起平流层臭氧减少和对流层温室气体增加导致的［5，6］。John Austin 和Thoms(2008)等人使用化学气候耦合模式AMTRAC 模拟研究热带冷点对流层顶的长期演变趋势，研究发现对流层顶高度在过去140 a 中以63 ±3m/10a的速度稳步上升，相应的对流层顶温度则以大约0.13 ±0.07K/10a的速度下降［7］。然而，却并未获得对流层顶的空间模态随时间的变化规律，本文将采用新的EOF 方法研究对流层顶的空间模态随时间的变化。

2 资料和方法

2.1 资料

采用欧洲数值天气预报中心(ECMWF)提供的新一代分析产品ERA－interim 气压坐标下的月平均温度资料，该数据集时间长度为1979—2010年，水平分辨率为1.5°×1.5°，共计240×121 个格点，垂直方向37 个等压面。

2.2 方法

2.2.1 对流层顶的确定及其计算方案 本文选取WMO 热力学对流层顶定义，即:500 hPa 等压面之上温度递减率小到2℃/km 或以下的最低高度，并且在此高度及其上方2 km 气层内的温度平均递减率不超过2℃/km［8］。热力学对流层顶定义具有可操作性强的优点，从单一的局地温度廓线就可以确定其对流层顶气压，并且可以在全球找到。

本文采用Thomas Reichler 2003年提出的热力学对流层顶计算方案［9］，如下:

其中P 为气压，T 为温度，Z 为高度，R 为干空气气体常数，k=R/cp，cp为定压比热容。利用气体方程P=ρRT，并且取静力近似dp =－ρgdz，则(1)式可转化为:

若假设温度值T1，T2，…，Ti…，Tn在等压面P1，P2，…，Pi，…，Pn上是可用且连续的，采用有限差分格式，近似认为T 随Pk呈线性变化，则可以计算半层上的温度递减率:

通过(3)式进行线性插值，可以得到一个Γ 剖面，再根据定义标准寻找ΓTP，即满足要求的对流层顶温度递减率，由ΓTP可以线性插值得到对流层顶气压PTP:

由以上(1)～(4)式，便可以计算得到对流层顶气压场。

并根据标准大气的规定，将对流层顶看作多元大气的上界，使用多元大气压高公式计算得到对流层顶高度场［10］:

其中P0=1 013.25 hPa，T0=288.15 K，Γ=0.006 5 K/gpm，g=9.806 65 m/s2。

2.2.2 Running－EOF/PC分析 通常，EOF/PC分析将变量分解为相互独立的特征向量场和时间系数，提供了简单的大气要素不随时间变化的空间模态和时间变化序列，将空间变化与时间变化相分离。这就限制了EOF/PC分析，使其无法用于研究空间模态随时间的变化趋势(例如:Deser 和Teng(2008)空间变化的年代际尺度趋势［11］)，并且过滤掉了常常发生在较短时间段内的快速变化信息。于是，Zhang(2008)等人提出了一个新策略的EOF/PC分析方法:运用一个滑动的时间窗口，形成一个滑动的EOF/PC分析，即Running－EOF/PC (Rn－EOF/PC)分析［12］。

本文将资料分成夏半年(每年的4—9月)和冬半年(每年的10月—次年3月)来分别研究(以北半球的季节划分为标准)。其中，以5 a 为一个时间窗口，每隔1 a 做一次EOF/PC分析，共形成28 个连续的EOF/PC 时间窗口，并取其第一特征向量来研究对流层顶高度的空间模态随时间的变化趋势。

3 夏半年对流层顶高度的空间结构随时间演变趋势

Rn－EOF/PC 不仅获得每个时间窗口中对流层顶高度的主要空间模态，还跟踪了遍及整个研究时段内对流层顶高度的主要空间结构的变化。

图1 是夏半年6 个典型时间窗口中对流层顶高度的EOF 第一模态的空间分布。所有时间窗口中对流层顶高度的EOF/PC 第一空间模态都非常清楚，方差贡献率均＞50%，最大时可以达到58%。由此表明，EOF分析出的第一空间向量场能很好地代表每个时间窗口中对流层顶高度结构的平均空间特征。

图1a 给出的是1979—1983年夏半年对流层顶高度场的第一模态，方差贡献率为57%，空间呈明显的纬向分布。热带地区为广大的负值区，在深热带地区呈现闭合的负值中心，随着纬度的升高逐渐增大。值得注意的是副热带地区，副热带地区南北半球的分布差异比较大，在北半球副热带地区为正值区，而相应的南半球副热带地区则为绝对值较大的负值区，且纬向分布存在一定的波动性，在南太平洋地区为极大的负值中心。副热带地区异常的空间分布刚好对应于对流层顶断裂带的位置。一般说来，对流层顶断裂带指的是由极地对流层顶向热带对流层顶过渡的区域。南北半球中高纬度地区则均为最大正值区。因此，北半球呈现出“－+”的纬向波列状分布结构，且在哈萨克斯坦上方为1个异常负值区的中心;南半球则为“－+ ”的纬向均匀分布，南半球中高纬地区分布比北半球平直，几乎与纬圈平行。该分布也表明北半球夏半年两半球断裂带是全球对流层顶变化最大的区域，其中北半球变化较大区域出现在欧亚和北美大陆上空，而南半球则出现在南太平洋上空，并且南北半球断裂带对流层顶高度的变化是相反的。而在高纬度地区，两半球对流层顶高度变化相同，但是南半球的变化大于北半球。

图1b 是1984—1988年夏半年对流层顶高度场的第一模态，整体的空间分布形态没有明显的改变，但哈萨克斯坦上方的异常负值中心减弱消失了，并且南半球副热带地区的极大负值中心范围有所扩张，从原来的南太平洋几乎扩张到整个副热带，形成一整条明显的对流层顶断裂带。南极地区的空间分布随时间逐渐加强，原本平直的等值线逐渐闭合形成正值中心。到1990—1994年夏半年(如图1d 所示)哈萨克斯坦上方的异常负值区再次出现，南半球副热带的负值区逐渐断裂成几个闭合的高负值中心，南极地区的空间分布依然保持加强 且正值中心范围也逐渐增加。

图1 夏半年典型时间窗口中对流层顶高度的EOF 第一模态的空间分布

事实上，自1979年开始，夏半年对流层顶高度的整体空间分布形式基本维持，只是哈萨克斯坦上方的异常负值区发生了2 个周期性的变化，到了1995—1999年该负值区再次消失(如图1e 所示)，而2004—2008年则再次出现(如图1f 所示)，并一直维持到2006—2010年(图略)。而南极附近的正变化区则出现持续增强的现象，也即该区域的对流层顶高度变化自1979年以来逐渐增大。

4 冬半年对流层顶高度的空间结构随时间演变趋势

图2 是冬半年几个典型时间窗口中对流层顶高度EOF 第一模态的空间分布，所有时间窗口中对流层顶高度第一模态的方差贡献率均＞45 % ，最大时可以达到49%。

图2 冬半年典型时间窗口中对流层顶高度的EOF 第一模态的空间分布

图2(a)是1979/1980年—1983/1984年冬半年对流层顶高度场的第一模态，方差贡献率为46.2%，空间上呈明显的纬向分布。热带地区为广阔的正值区，随着纬度的升高逐渐增大，在南太平洋上空有1 个较小的负值中心。

值得注意的是副热带地区，副热带地区两半球的分布差异较大，北半球副热带地区为负值区中心，而相应的南半球副热带地区则为较大的正值区。并且南北半球对流层顶断裂带中对流层顶高度变化的极大值区均出现了位移，北半球由陆地移到了太平洋上空，而南半球则有整体的西移现象。并且南半球的对流层顶断裂带区域扩宽，而北半球的对流层顶断裂带区域收窄。联系夏半年(每年4—9月)时的情况，对比图1 和图2 发现，在北半球冬半年(每年的10月—次年3月)与图1 中南半球冬半年(每年4—9月)的副热带相对称，均为绝对值较大的负值区，纬向分布存在一定的波动性。而此时(每年的10月—次年3月)实际上南半球为夏半年，副热带为高正值中心，与北半球夏半年(图1)的副热带正值中心相对称。总之，两半球夏半年(北半球每年的4—9月，南半球每年的10月—次年3月)时，副热带为正值中心，两半球冬半年(北半球每年的10月—次年3月，南半球每年的4—9月)时，副热带为绝对值较大的负值中心。

在中高纬度地区，北半球由负值逐渐转为正值，南半球为负值并随着纬度升高逐渐增大，中纬度地区为平缓的纬向带状均匀分布，到了南极地区形成绝对值较大的负值中心。因此，北半球呈现出“+－+”的纬向波列形状分布结构，南半球则为“+－”的纬向分布。

图2b 是1981/1982年—1985/1986年冬半年对流层顶高度的第一空间模态，方差贡献率为48.3%，在1979/1980年—1985/1986年这段时间内，北半球高纬度地区发生了很大的变化，除格陵兰和欧亚大陆西北部保持正值中心外，其余地区由原来的正值转变为负值，北半球由原来的“+－+”结构转变为“+－”纬向分布结构。直到1986/1987年—1990/1991年(图2c)，这样的形式发生改变，北半球恢复“+－+”的纬向分布结构，并且在高纬度地区表现为明显的纬向带状分布，高正值中心消失。

图2d 给出的是1991/1992年—1995/1996年冬半年对流层顶高度的第一空间模态，方差贡献率为49%，此时南太平洋的负值中心减弱消失了，而南极负值中心则加强。到了2000/2001年—2004/2005年(图2e)南太平洋的负值中心恢复并增强，北极地区再次转变为以负值为主的区域。这样的形式直到2006/2007年—2010/2011年(图2f)，北半球再次呈现出“+－+”的纬向波列形状分布结构。

5 结论

①从1979—2010年，夏半年对流层顶高度场的第一空间模态呈明显的纬向分布，两半球呈现出“－+”的纬向分布结构。热带地区为广大的负值区，随着纬度的升高逐渐增加。副热带地区南北半球的分布相反，北半球副热带地区为正值区，而南半球副热带地区则为绝对值较大的负值区。副热带地区异常的空间分布对应于对流层顶断裂带的位置。在所研究时段内，夏半年对流层顶高度的第一空间模态整体上呈“－+”的纬向分布结构，只是局部区域发生波动。哈萨克斯坦上方的异常负值区发生了“存在—消失”的2 个周期性的变化。而南极地区的负值区随时间逐渐加强。

②冬半年对流层顶高度场的第一空间模态也呈明显的纬向分布。在所研究时段内，南半球一直维持“+－”的纬向分布型，北半球则在“+－+”与“+－”结构之间发生2 个周期性的变换。热带地区为广阔的正值区，随着纬度的升高逐渐升高，在南太平洋上空有1 个较小的负值中心。该负值中心在1981/1982年—1985/1986年由弱变强，之后减弱在1991/1992年—1995/1996年消失，之后再随时间推移逐渐增强。副热带地区两半球的分布差异较大，北半球副热带地区为负值区，而相应的南半球副热带地区则为较大的正值区。

③两半球对流层顶变化较大的区域均出现在对流层顶断裂区，并且南北变化相反。夏半球对流层顶断裂带比较宽，极大值主要出现在陆地上空，而冬半球对流层顶断裂带比较窄，极大值主要出现在海洋上空。

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