陇南地区对流层顶气象特征研究

王小伟，陈素娟，蒲 静，刘 静

(1.甘肃陇南市气象局，甘肃陇南 746000；2.甘肃省气象局，甘肃兰州 730000)

0 引言

对流层上部是对流层和平流层之间的过渡层，其厚度为几百米到两公里，对流层顶部具有较深且稳定的阻挡层，会干扰积雨云顶部的垂直发育以及气溶胶和水蒸气的垂直交换，对流层中的水汽、尘埃等常受到对流层顶的阻挡聚集其下，致使能见度较差。在对流层顶以上，空气干燥清洁，能见度良好，气流平稳。对流层通常伴有高空急流、大雨、冰雹和其他强对流天气，这与对流层的存在密切相关。对流层顶分为两类，根据规定等压面150hPa相对应的平均高度14 000米为界限，凡低于这个高度为第一对流层顶，高于或等于这个高度为第二对流层顶。

平流层和对流层中的对流层断裂带是物质和能量交换的主要区域，许多研究表明，对流层断裂经常发生在亚第二地区，最有利于平流层和对流层中的空气交换。处于亚第二的陇南地区，是否也存在对流层顶断裂带？陇南探空站自建站以来，从未进行过相关资料的研究工作，因此本文试图通过陇南武都探空站近五年的高空资料研究分析陇南地区上空对流层顶的气象特征，高度、对流层顶平均高度、平均气压、平均温度随季节变化的趋势。通过图1大气的垂直分布层和气温的垂直分布层可以了解大气层的分布情况，有利于理解对流层顶在大气层中的作用。

1 第二对流层顶的气象特征

气象数据统计分析可以看出，近5年陇南地区的第二对流层顶平均高度约16 930m，平均气压约95hPa，平均温度在-68.7℃左右。

图1 大气的垂直分布层和气温的垂直分布层

（1）从图2中可见：逐月平均高度曲线，全年走势呈现出大写W形态。从1月份16 879m降到2月份16 420m再一路上扬，高度逐月升高，6月的年内最高点为17 306 m，以后各月平均高度曲线逐渐降低，最低点为11月份达到16 110 m，到12月增加到16 973 m，最大高度波动之差为1 196 m。

图2 第二对流层顶逐月平均高度曲线

（2）从图3中可见：逐月平均气压曲线，全年走势呈现出一个大写的M形态，气压值由1月的91.4hPa上升到2月份的98.9hPa，再逐渐下降到4月份全年最低点90.7hPa，然后月平均气压曲线一路走高，5-10月份气压值处于96hPa上下波动状态，直到11月份气压值显著上升，气压最大值高达107hPa，为全年气压值之最。12月份气压又降到92.9hPa，比1月份略高一点，全年月平均气压的最大变化差值为16.3 hPa。

图3 第二对流层顶逐月平均气压曲线

（3）从图4可见：第二对流层顶的月平均温度曲线显示两头高、中间低的状态，1月和2月之间的平均温度在-63.0℃附近移动，到9月逐月下降，呈下降趋势。9月的平均气温只有-74.0℃。它在9月以后继续上升，从9月到11月迅速上升。11月的最高温度为-65.6℃，11月至12月的温度在-65.0℃附近波动。从形态学的角度来看，7月、8月和9月是一年中的最低值，接近-73℃，1月、2月、11月和12月是一年中的较高月份，在-63℃和-65℃之间。全年最高和最低气温之间的差是-11.2℃。

图4 第二对流层逐年平均温度曲线

2 第一对流层顶的频率特征

从图5可见：全年（除7、8、9三个月）外，每个月平均出现11次第一对流层顶。第一对流层顶不是每个月出现，夏天的7、8、9月不会出现第一对流层顶。在3月、4月，每月出现约22次，1月、2月和12月出现10次左右，5月和11月的次数为8次，6月和10月的次数相对较少约为3次。全年出现的次数柱状分布为漏斗形状，漏斗的底部是7、8、9月份。表明在这三个月中，陇南地区的高空对流非常强烈，难以形成一个稳定的大气层结。

图5 第一对流层顶逐年出现的平均次数

3 第一对流层顶的气象特征

（1）第一对流层顶的年平均高度为11 380m，处于225hPa附近，平均温度约为-55.7℃。平均高度趋势线在上半年的1-5月份，是一个逐月升高状态，从1月份的10 174m开始一路上升，5月份达全年的最高点12 563m，10月份以后平均高度出现逐月下降。10、11月平均高度下降不大，11月份后明显下降到12月份全年最低值10 112m，最高最低之差为2 450m，全年形态中间高两头低。

图6 第一对流层顶逐年月平均高度曲线

（2）第一对流层顶的月平均气压曲线，呈现出一个前高中低后翘的形态。1月份气压是261hPa是全年气压次高点，1-5月份呈逐月大幅下降的形态，5月份降到全年的最低点190hPa，6月份、10月份气压依次小幅回升，但11月份气压与10月份之间波动很小，11月份以后又大幅升高，到12月份气压回升到全年气压最高点267hPa。全年最高最低气压之差为77hPa。图7可见。

图7 第一对流层顶逐年月平均气压曲线

（3）第一对流层顶的月平均气温，从1月份气温-53.5℃后逐月下降到3月份的全年最低点-58.7℃，其后3-5月份气温稳定在-58.0℃左右，6月份回升到-55.6℃，10月份依次升高到-52.8℃，11月份又下降到-55.2℃，12月份再次升高达到全年气温最高值-51.3℃。通过图5至图8结合起来看，可以发现第一对流层顶在出现次数逐月减少的时候，平均气温却在逐月下降，说明只有较强的冷空气过境的时候才可能出现稳定的大气层结，形成第一对流层顶。

图8 第一对流层顶逐年平均温度曲线

（4）第一对流层顶小结

综合四张图的分析表明，陇南地区在1月、2月和3月的高空气流相对稳定，并且第一对流层顶的大部分时间都存在。随着5月和6月气温的升高，大气对流越高，第一对流层顶部的压力越低，海拔越高，发生频率越低。在七月、八月和九月是陇南地区一年的温度最高的季节，平均温度处于一年中的最高水平。大气对流和湍流非常强烈，通常会发生大雨、冰雹和大风等灾害天气。对流层不能形成稳定的大气层，也没有第一对流层顶的出现。

4 复合对流层顶的气象特征

陇南地区高空是一个对流层顶复合带与断裂带并存的地区，通过两类对流层顶高度，温度曲线图直观看出，1-6月和10-12月，全年有9个月，在高空共存两种类型的对流层顶。在7月、8月和9月，高空只有一个第二对流层顶。存在第一对流层顶的区域衰竭。出现第一对流层顶断裂带。尽管第一对流层顶的气象要素波动幅度大于第二对流层顶，这是因为第一对流层顶离下垫面较近，受高空气流影响较大的缘故。但还是可以看出两类对流层顶的波型之间存在正相关。

5 对流层顶的季节性特征

（1）在春季陇南地区上空大部分时间会出现两类对流层顶同时存在，第一对流层顶在3、4、5月份共出现57次，其中3-4月份出现次数最多，季度出现率为63%。春季3月份的第一对流层顶的平均高度从11 333m快速上升到5月份的12 563m，平均气压在205hPa区域迅速下降，平均温度保持在-58.4℃左右。春季第二类对流层顶的平均高度逐月升高，从3月份的16 826m升高到5月份的17 268m，平均气压从92hPa上下波动，平均温度在3月份的-65.2℃下降到5月份-70.2℃，降幅达5.0℃。这说明陇南地区春季冷空气活动频繁。两类对流层顶的气象特征变化是正相关的，但第一对流层顶气象要素变化更剧烈，这是因为第一对流层顶的高度较低，受到下垫面的影响更大的缘故。

（2）陇南地区上空夏季只在6月份出现了3次第一对流层顶，7、8月份从未出现过，季度出现率只有3%。同期的第二类对流层顶的平均高度徘徊在 17 190m上下。气压在94hPa上下。平均温度-72.7℃，呈缓慢下降趋势，降幅1.3℃，7、8月份的平均温度基本上处于全年趋势中的谷底区域。说明在夏季陇南地区很少有冷空气活动。

（3）秋季9月份还是没有第一对流层顶的出现，10月份开始少量出现，11月份以后逐月增加。第二类对流层顶的平均高度呈现下落状态，由9月份的17 015m回落到11月份的16 110m，回落幅度达815m。同期气压呈小幅升高态势。平均温度却呈现出大幅上升，由9月份全年最低值-74.0℃上升到11月份的-65.6℃，升幅达8.4℃。这也从侧面说明了陇南地区在10月份只有极少量的冷空气过境，11月份之后冷空气活动增多，才会有第一对流层顶的出现。

（4）陇南地区在冬季由于地理环境，冷空气影响，高空风大多是西南风，施放的探空气球在施放后30分钟左右由于高空大风缘故，飞行仰角偏低，大山干扰探空仪回波，造成雷达接收信号弱，记录接收不完整，这样无疑就影响到第一对流层顶的观测次数。从除过山遮记录外现有正常接收的记录中分析，冬季是第一对流层顶出现最多的季节，这说明陇南地区冬季冷空气活动非常频繁。冬季第一对流层顶的平均值从12月份全年最低值10 112m缓慢升高到2月份的 10 868。平均气压在全年最高值267hPa缓慢下降到2月份234hPa。平均温度在12月份全年最高值-51.3℃降低到2月份全年气温次低值-57.6℃。冬季第二对流层顶的平均高度在16 757m一带小幅降低，平均气压在94hPa上下波动，平均温度在-64℃上下徘徊。

6 结论与讨论

（1）过去五年中，陇南地区第二对流层的平均高度（第二对流层的顶部）为16 930 m，平均气压约为95hPa，平均温度约为-68.7℃。极地对流层的平均高度（第一对流层的上部）为11 380 m，平均气压约为225hPa，平均温度约为-55.7℃。

（2）陇南地区第二对流层顶平均高度，全年走势呈现出大写W形态。从1月份16 879m降到2月份＼16 420m再一路上扬，高度逐月升高，六月份出现全年最高点17 306m，最低点出现在11月份的16 110m，12月份又上升到16 973m，全年月平均高度最大波动之差达1 196m。

（3）陇南地区第一对流层顶在3、4月份出现的频率最高，1月、2月、5月、11月、12月份次之，6、10月份最少，7、8、9月份不存在，全年（除7、8、9月）平均每月出现12次。平均高度为11 380m，平均气压处于225hPa附近，平均温度约为-55.7℃。

（4）陇南地区高空是对流层复合带和断层带共存的区域。一年中有9个月（从1月到6月以及从10月到12月）并存着高空对流层复合体两种类型。在7月、8月和9月，陇南地区的高空只有一个第二对流层顶，第一对流层顶出现断裂带。在两种对流层共存的条件下，两种对流层之间的年平均厚度为5 550 m，年平均温度差约为18℃，年平均压力差为142 hPa。

（5）陇南地区的两类对流层顶，在春季，平均高度快速升高，而平均温度持续下降，这两种类型的气象特征变化呈正相关。第一对流层顶极少出现在夏季，春、秋季出现频率较高。冬季是两种对流层共存的季节，平均高度最低，平均气压最高，平均温度最高。