青藏高原及毗邻地区对流层顶变化分析.pdf

第 30 卷第 2 期2023 年 6 月气象灾害防御METEOROLOGICAL DISASTER PREVENTIONVol.30 No.2June.2023收稿日期院2023-05-24作者简介院李嘉鑫渊1996-冤袁女袁吉林省吉林市人袁学士学位袁助理工程师袁主要研究方向为青藏高原对流层变化特征袁遥1引言对流层顶作为对流层上部和平流层底部之间的分界层袁 它的变化必然会对对流层和平流层都产生重要的影响袁而且对流层顶决定着降水尧云系的最高点和各种天气现象的位置袁 该处大气的温度尧湿度尧气压等结构以及环流场的变化将直接影响着近地层的天气现象1-2遥青藏高原作为野世界屋脊冶以及全球气候的野敏感区冶袁对全球气候变化有着极大的影响袁 因而青藏高原对流层顶的变化具有很高的研究价值遥张致爽等3利用 ERA-Interim 再分析资料袁得出青藏高原对流层顶气压具有明显的南北变化和季节变化袁且不同季节的年代际变化趋势不同遥夏昕等4根据 1979要2014 年逐日 NCEP 第一套等压面再分析资料得出袁与同纬度的其他地区相比袁青藏高原对流层顶气压的季节变化幅度更大遥 杨双艳等5通过研究对流层顶高度与温度的关系得出在季节变化尧年际变化以及长期变化趋势上袁第一渊二冤对流层顶高度与各自对应高度层温度存在密切反相关关系遥 周顺武等6根据青藏高原地区 14个探空站 1979要2008 年对流层顶逐日观测资料研究得出袁高原全年均可观测到热带对流层顶袁其中 6要10 月热带对流层顶占绝对主导地位遥 秦亚兰等7利用 1979要2014 年 ERA-Interim 逐日再分析温度资料袁 对比分析了青藏高原与同纬度地区极地渊热带冤对流层顶频率在季节变化上的差异袁得出相比同纬度地区袁 青藏高原两类对流层顶频率等值线的梯度更大袁 表明青藏高原对流层顶更易断裂遥 刘慧等8根据 NCEP 对流层顶气压再分析资料袁 得出中国 6 个地区中青藏高原对流层顶高度年变化幅度最明显遥 王卫国等9根据 1948要2004 年 NCEP 再分析资料中的对流层顶气压场和温度场资料袁 分析了全球对流层顶的空间分布特征尧年际和年代际变化及季节变化特征遥 吴涧等10提出东亚地区对流层温度与对流层顶高度存在显著的正相关关系遥 Schmidt 等11发现 2001要2007年全球对流层顶高度增加了 1耀5 m袁 其高度变化与上对流层 渊500要100 hPa冤 温度存在正相关关系袁与下平流层渊100要30 hPa冤温度存在反相关关系遥本文拟研究青藏高原及毗邻地区对流层顶不同时间尺度平均气压场和温度场变化及其趋势袁为后续研究对流层顶变化对气候变化的影响奠定基础遥青藏高原及毗邻地区对流层顶变化分析李嘉鑫1蒲晓明2杜冠男1渊1.吉林市气象局袁吉林省吉林市132002曰2.吉林省气候中心袁吉林长春130062冤摘要院利用 NCEP/NCAR 数据以及欧洲中心渊ECWMF冤提供的 ERA-Interim 再分析数据分析 1979要2016年青藏高原及毗邻地区对流层顶高度和气温的变化特征遥 结果表明院对流层顶气压具有明显的季节性变化袁2 月气压最高袁对流层顶高度最低曰7 月达到最小值袁对流层顶最高遥 对流层顶在青藏高原及毗邻地区等压线基本呈纬向分布袁气压梯度在高原北部地区较大袁南部较小袁对流层顶高度由北向南逐渐升高遥 青藏高原及毗邻地区平均气压距平年际变化为减小趋势袁对流层顶高度持续升高遥 对流层顶等温线呈纬向分布并伴有小波结构袁纬向温度梯度变化明显袁温度随纬度升高而升高袁呈现南冷北暖的分布形势遥 等温线密集带夏季靠北袁冬季靠南遥 对流层顶温度变化为降低趋势袁变温趋势南北差异较明显袁北边小袁南边大遥 NCEP 数据和 ERA-Interim 数据相比较袁除对流层顶气压变化趋势外其他变化规律基本吻合遥关键词院对流层顶曰气压曰温度曰青藏高原气象灾害防御第 30 卷图 11979要2016 年青藏高原及毗邻地区欧洲中心 ERA-Interim 数据渊a冤尧NCEP/NCAR 数据渊b冤对流层顶多年平均气压场渊单位院hPa冤2资料及分析方法1957 年袁 世界气象组织将对流层顶定义为院500 hPa 等压面以上袁 当温度递减率小于等于2 益/km 且其以上 2 km 气层内温度递减率均小于等于 2 益/km 的最低层次遥 Reichler 等12通过使用该热力学定义袁 基于标准的 WMO 温度递减率标准袁提出并完善了对流层顶的插值算法遥2.1资料本文选取 1979要2016 年欧洲中心渊ECWMF冤青藏高原及毗邻地区 渊70要110毅E袁25要45毅N冤的ERA-Interim 多年月平均气温资料袁 垂直方向有28 层渊1 000要70 hPa冤袁格距为 2.5毅伊2.5毅曰由于要与 ERA-Interim 数据分析结果进行对比袁NCEP/NCAR 对流层顶气压场也选用 1979要2016 年同区域对流层顶月平均气压和温度再分析资料袁格距为 2.5毅伊2.5毅遥2.2分析方法利用欧洲中心 ERA-Interim 对流层顶多年月平均温度资料袁采用 Reichler 等12通过热力学计算对流层顶气压的方法袁 计算得到对流层顶气压数据遥 利用 NCEP/NCAR 对流层顶多年月平均气压资料袁分别计算气压的年变化尧多年平均气压场尧各季节平均气压场尧气压的年变化趋势尧气压的季节性变化趋势尧 气压的年际变化及各季节对流层顶平均气压变化遥 最后对比两种资料得到的结果并加以分析遥 另外袁还利用 NCEP/NCAR 对流层顶的多年月平均温度资料袁计算 1979要2016 年平均温度分布尧 各季节平均温度分布以及温度场的变化趋势遥3对流层顶气压的分布及其变化3.1对流层顶平均气压场及其季节变化3.1.1对流层顶平均气压场由图 1 可以看出袁 青藏高原及毗邻地区对流层顶气压由北向南逐渐减小袁 对应对流层顶高度由北向南逐渐升高袁气压最高为 210 hPa袁最低为100 hPa袁等压线基本呈纬向分布且气压梯度变化较大遥两个数据相比较来看袁ERA-Interim 数据的等值线较平直袁高原北部地区渊30要35毅N冤气压梯度较大袁以南较小曰NCEP 数据纬向有小的波动袁29毅N以北地区气压梯度大袁以南小遥 另外 ERA-Interim数据比 NCEP 数据等压线偏北约 1 个纬度袁 说明ERA 对流层顶气压较 NCEP 的气压值偏小遥3.1.2各季节平均气压场因为两种数据气压场的分布基本吻合袁 这里仅分析欧洲中心 4 个季节青藏高原对流层顶 38年平均气压场袁 发现高原对流层顶等压线密集带位置有明显的季节变化遥夏季最北且气压最低袁冬季最南且气压最高袁 这与该区域温度的季节变化有很大关系遥 对比两种数据得到的气压场季节差异袁夏季相似度最大袁冬季最小曰各季节的 NCEP等值线与 ERA 相比波动较大袁且位置偏南遥3.2对流层顶气压的年内变化由区域平均对流层顶气压年内变化渊图 1冤可以看出袁NCEP 数据和欧洲中心数据得出的气压渊高度冤年内逐月变化趋势基本一致袁对流层顶气压的季节变化较明显遥 2 月对流层顶气压值最高袁对应对流层顶高度最低曰 由 2 月至 7 月气压值逐44毅N42毅N40毅N38毅N36毅N34毅N32毅N30毅N28毅N26毅N70毅E75毅E80毅E85毅E90毅E95毅E100毅E105毅E110毅E100 110120 130 140150160 170 180190 200210 22044毅N42毅N40毅N38毅N36毅N34毅N32毅N30毅N28毅N26毅N70毅E75毅E80毅E85毅E90毅E95毅E100毅E105毅E110毅E100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230210200200190190180180170170160160150150150160140140130130120110110120110100100100110110110120120120120130130130140140140150150160170170180180190190200200210ab40第 2 期渐降低袁7 月达到最小值袁 对流层顶上升到最高曰至次年 2 月袁高度又逐渐降低遥对应夏季对流层顶较高袁冬季较低袁这个结果与低层温度的季节变化相吻合遥 即夏季低层温度高袁气柱膨胀曰冬季温度低袁气柱收缩袁因而对流层顶季节变化较明显遥 但对比两个数据的气压值袁 可以发现 NCEP 数据比欧洲中心数据 1要12 月整体偏高约 3耀5 hPa袁与前述分析一致遥3.3年平均对流层顶气压的变化趋势3.3.1对流层顶年平均气压变化趋势由 ERA-Interim 数据的对流层顶气压气候倾向率渊图 2a冤可以看出袁我国西部地区气压气候倾向率均为负值袁 即为降低趋势袁 对流层顶高度升高遥 在青藏高原大部渊30要35毅N冤为负的绝对值大值区袁 高原西侧存在-5.5 hPa/10a 以上的极小值袁表示该区域 38 年内对流层顶气压下降幅度较大袁对应对流层顶高度明显升高袁这可能与文献4中提到的青藏高原臭氧量明显减少有关遥另外袁从图中还可以看出蒙古高原渊40毅N 以北尧85毅E 以东冤同样为负的大值区袁 因此推测高原地区对流层顶高度升高幅度较大袁 表明与地形影响也具有一定关系遥 与 NCEP 数据的对流层顶气压趋势渊图 2b冤相比较袁两者结果相差较大袁最大的区别在于 NCEP数据高原西南侧尧青海大部尧甘肃南部以及四川东北部地区为正值袁气压上升袁对流层顶高度降低袁但青藏高原以北地区即蒙古高原南部依然存在负的绝对值极大值袁对流层顶升高遥故就上述两种数据偏差较大地区即高原中部渊90要110毅E袁30要37.5毅N冤分别作区域平均气压序列图遥 由图 3a 与图 3b 对比可以发现袁两种数据中不同年份的高低压分布基本相似遥 1983 年尧1992年和 1997 年气压值都比其他年份高很多袁但1992 年和 1997 年的气压值 NCEP 数据比欧洲中心数据大 3耀4 hPa袁NCEP 数据中 1984 年尧1988年尧1996 年和 1999 年气压与其他年份相比低很多袁ERA-Interim 数据中只有 1999 年明显偏低袁且相同年份前者比后者的气压高袁 在 1999 年两者差异最明显袁达到 12 hPa遥从年际变化趋势来看袁欧洲中心数据的线性倾向率约为-0.227 hPa 窑 a-1袁对流层顶气压具有较强的下降趋势袁 对应高度明显上升曰NCEP 数据的线性倾向率约为 0.017 hPa 窑 a-1袁 对流层顶气压为上升趋势袁对应高度为下降遥两种数据结果差距较大的原因可能与 1995 年以后两者区域平均值差异逐渐增大有关遥3.3.2区域平均对流层顶气压序列由两种数据分别作出的 38 年区域平均气压距平及线性趋势图渊图 4冤可以看出袁两种数据的38 年气压距平变化均为减小趋势袁从倾向率数值来看袁欧洲中心数据气压距平的减小速度更快袁且趋势较明显遥 ERA-Interim 数据袁1979要2016 年中1985 年尧1988 年尧1993要1996 年尧1998要2002 年尧2005要2011 年尧2013要2015 年为气压负距平年袁对流层顶气压偏低袁高度偏高曰其余年份均为正距平年袁对流层顶高度偏低遥 其中 1983 年为正距平最大年袁最大距平约为 7 hPa曰1999 年有负距平绝对值最大值袁 距平为-7 hPa遥 NCEP 数据中袁1981年 尧1984要1985 年 尧1987要1988 年 尧1993要1996年 尧1998要2001 年 尧2006要2007 年 尧2010要2011图 2欧洲中心 ERA-Interim 数据渊a冤尧NCEP/NCAR 数据渊b冤青藏高原及毗邻地区对流层顶气压气候倾向率渊单位院hPa/10a冤44毅N42毅N40毅N38毅N36毅N34毅N32毅N30毅N28毅N26毅N70毅E75毅E80毅E85毅E90毅E95毅E100毅E105毅E110毅E-5.5-4.5-3.5-2.5-1.5-0.50-144毅N42毅N40毅N38毅N36毅N34毅N32毅N30毅N28毅N26毅N70毅E75毅E80毅E85毅E90毅E95毅E100毅E105毅E110毅E-2.5-2-1.5-1-0.50-1-2-3-4-5-6-2-3-1-2-2-3-3-4-4-4-4-3-3-2-2-1-1-1-1-1-2-3-3-2-40-1-1-1-1-1-1.5-1.5-1-0.5-2-2-1.5-0.5-0.5-0.50.50.50.50001ab李嘉鑫袁等院青藏高原及毗邻地区对流层顶变化分析41气象灾害防御第 30 卷图 31979要2016 年欧洲中心 ERA-Interim 数据渊a冤尧NCEP/NCAR 数据渊b冤青藏高原中部渊90要110毅E袁30要37.5毅N冤对流层顶气压区域平均序列图 4欧洲中心 ERA-Interim 数据渊a冤尧NCEP/NCAR 数据渊b冤青藏高原及毗邻地区区域平均气压距平序列及线性趋势年尧2014要2016 年为负距平年曰其余年份为正距平年遥最大正距平年为 1992 年袁距平约为 6.5 hPa曰最小值对应年份为 1999 年袁距平为-4.5 hPa遥从两种数据得出的各年气压距平值来看袁 多数年份欧洲中心的气压距平值与 NCEP 数据基本吻合袁 部分年份两者相差大约 1耀2 hPa遥4对流层顶温度场分布及其变化4.1对流层顶平均温度场由图 5 可以看出袁 青藏高原及毗邻地区对流层顶等温线呈纬向分布袁并伴有小波结构袁南北向温度梯度变化明显袁温度由北向南逐渐降低袁对流层顶出现南冷北暖的现象遥4.2对流层顶温度变化趋势由图 6 可以看出袁1979要2016 年青藏高原及毗邻地区对流层顶温度的线性变化均为降低趋势袁南北地区变温趋势差异较大袁纬度越低降温趋势越明显遥 在青藏高原及其以南地区温度变化趋势较大袁北部地区有最小值为-0.1 益/10a袁高原以南地区负值极值为-0.9 益/10a袁变温幅度较大袁与对流层顶升高有关遥但在青海大部尧甘肃中南部以及高原以西地区等地与同纬度其他地区相比温度变化趋势较小袁 与前文得出的 NCEP/NCAR 数据中该区域对流层顶气压变化趋势基本对应遥5结语渊1冤对流层顶 38 年平均气压在青藏高原及毗邻地区等压线基本呈纬向分布袁 气压梯度在高原北部地区较大袁南部较小袁对流层顶气压由北向南逐渐减小袁对应对流层顶高度由北向南逐渐升高遥对流层顶气压梯度大值带具有明显的季节变化袁冬季靠北袁夏季靠南袁且冬季平均气压最高袁夏季气压线性倾向ERA-Interim 数据1601581561541521501481461441421401381361341321301281261975198019851990199520002005201020152020年份y=-0.226 59x+594.411 91气压线性倾向NCEP 数据1621601581561541521501481461441421401381975198019851990199520002005201020152020年份y=0.017 17x+113.876 01气压距平线性倾向1086420-2-4-6-8-101975198019851990199520002005201020152020年份y=0.156 26x+312.124 22气压距平线性倾向1975198019851990199520002005201020152020年份y=-0.057 01x+113.883 0986420-2-4-6abab42第 2 期图 5NCEP/NCAR 数据 1979要2016 年青藏高原及毗邻地区对流层顶平均温度渊单位院益冤图 6NCEP/NCAR 数据 1979要2016 年青藏高原及毗邻地区对流层顶温度气候倾向率渊单位院益/10a冤最低袁对应对流层顶高度夏季最高袁冬季最低袁表明与低层温度的季节性变化有较大关系遥渊2冤 对流层顶气压具有明显的季节性变化袁2月对流层顶气压值最高袁对应对流层顶高度最低曰由 2 月至 7 月气压值逐渐降低袁 到 7 月达到最小值袁对流层顶上升到最高曰至次年 2 月袁高度又逐渐降低遥 对应夏季对流层顶较高袁冬季较低遥渊3冤NCEP 数据和欧洲中心 ERA-Interim 数据的青藏高原及周边地区对流层顶平均气压年代际变化趋势差别较大袁 欧洲中心数据中该区域基本为负变压趋势袁 对流层顶升高曰NCEP 数据中高原西南侧尧青海大部尧甘肃南部以及四川北部地区均为正值袁对流层顶高度下降遥从两种数据偏差较大地区区域平均气压年际变化可以看出袁 两者变化呈相反趋势袁ERA-Interim 数据对流层顶升高袁而NCEP 数据为降低趋势遥 至于出现这种现象的原因袁 可能与计算对流层顶所用方法不同或观测误差等因素有关袁针对两种数据的不同袁以后还需做进一步研究与讨论遥渊4冤NCEP 数据与欧洲中心数据的 1979要2016 年区域平均气压距平变化均为减小趋势袁在倾向率数值上可以看出袁 欧洲中心数据的减小速度更快袁且趋势较明显遥渊5冤 青藏高原及毗邻地区对流层顶等温线呈纬向分布并伴有小波结构袁 南北向温度梯度变化明显袁温度随纬度升高而升高袁呈现南冷北暖的分布形式遥渊6冤1979要2016 年青藏高原及毗邻地区对流层顶温度线性变化均为降低趋势袁 变温趋势南北差异较大袁纬度越低降温趋势越明显遥参考文献1符芳袁吴静袁朱斌.2005要2015 年四川盆地南部对流层 NO2柱浓度变化趋势J.气象水文海洋仪器袁2022袁39渊2冤院45-48.2赵阳袁赵增亮袁姚志刚袁等.基于卫星云分类资料的顶层云宏观特征研究J.气象水文海洋仪器袁2017袁34渊1冤院1-7.3张致爽袁陈权亮袁蔡宏珂.青藏高原地区对流层顶的时空变化特征J援干旱区研究袁2016袁33渊4冤院690-697援4夏昕袁任荣彩袁吴国雄袁等.青藏高原周边对流层顶的时空分布尧热力成因及动力效应分析J.气象学报袁2016袁74渊4冤院525-541援5杨双艳袁周顺武袁张人禾袁等.青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系J.大气科学学报袁2012袁35渊4冤院438-447援6周顺武袁杨双艳袁张人禾袁等援青藏高原两类对流层顶高度的季节变化特征J.大气科学学报袁2010袁33渊3冤院307-314援7秦亚兰袁周顺武袁张人禾袁等.青藏高原两类对流层顶频率的季节分布特征及其与同纬度地区的差异J.气候与环境研究袁2017袁22渊4冤院508-518援8刘慧袁韦志刚袁魏红袁等.近 51 年我国对流层顶高度的变化特征J.高原气象袁2012袁31渊2冤院351-358援9王卫国袁樊雯璇袁吴涧袁等.全球对流层顶气压场和温度场的时空演变结构特征 J.云南大学学报院 自然科学版袁2006袁28渊2冤院127-135援10吴涧袁杨茜袁符淙斌袁等援全球变暖背景下东亚对流层顶高度演变特征的研究J.热带气象学报袁2007袁23渊6冤院595-600援11Schmidt T袁Wickert J袁Beyerle G袁et al援Global tropopauseheight trends estimated from GPS radio occultation dataJ.Geophysical Research Letters袁2008袁35渊11冤院L11806援12ReichlerT袁DamerisM袁SauseR援Determiningthetropopause height from gridded dataJ.Geophysical ResearchLetters袁2003袁30渊20冤院2042-2046援44毅N42毅N40毅N38毅N36毅N34毅N32毅N30毅N28毅N26毅N70毅E75毅E80毅E85毅E90毅E95毅E100毅E105毅E110毅E-76-74-72-70-68-66-64-62-60-58-6044毅N42毅N40毅N38毅N36毅N34毅N32毅N30毅N28毅N26毅N70毅E75毅E80毅E85毅E90毅E95毅E100毅E105毅E110毅E-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1-60-62-62-62-64-64-66-66-66-68-68-70-70-70-72-72-72-74-74-0.6-0.6-0.5-0.4-0.5-0.5-0.6-0.6-0.5-0.7-0.7-0.7-0.8-0.8-0.9李嘉鑫袁等院青藏高原及毗邻地区对流层顶变化分析43