对流层冷魅总裁的纯纯小丫头

第22卷第4期2017年7月气候与环境研究ClimaticandEnvironmentalResearchVol.
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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].
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SeasonalvariationsofoccurrencefrequenciesoftwotypesoftropopauseovertheTibetanPlateauandtheirdifferencesfromthoseinthesamelatitudes[J].
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2017.
16153.
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秦亚兰1周顺武1张人禾2杨双艳1闫梓宇11南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气候与环境变化国际合作联合实验室,南京2100442中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081摘要基于1979~2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法,计算出北半球两类对流层顶(热带对流层顶和极地对流层顶)频率数据.
对比分析了青藏高原与同纬度地区两类对流层顶频率在季节变化上的差异,并讨论了青藏高原两类对流层顶频率分布与高空温度的关系.
结果表明:1)依据温度递减率插值法计算出的再分析两类对流层顶频率可以反映青藏高原两类对流层顶频率季节变化特征:热带对流层顶全年频率高,冷、暖季节差异不明显;极地对流层顶盛夏频率极低,冷、暖季节差异明显.
与极地对流层顶频率相比,青藏高原热带对流层顶频率的可信度更高.
2)青藏高原和同纬度地区热带(极地)对流层顶频率在暖季增加(减少),在冷季减少(增加).
相比同纬度地区,青藏高原热带(极地)对流层顶频率在冬季偏少(多),其他季节偏多(少).
青藏高原两类对流层顶频率等值线的梯度更大,表明青藏高原对流层顶更易断裂.
3)青藏高原两类对流层顶频率与高空温度关系密切.
青藏高原对流层中上层(平流层下部)温度升高(降低),有利于青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少,反之亦然.
关键词青藏高原热带对流层顶极地对流层顶频率季节变化高空温度文章编号1006-9585(2017)04-0508-11中图分类号P461文献标识码Adoi:10.
3878/j.
issn.
1006-9585.
2017.
16153SeasonalVariationsofOccurrenceFrequenciesofTwoTypesofTropopauseovertheTibetanPlateauandTheirDifferencesfromThoseintheSameLatitudesQINYalan1,ZHOUShunwu1,ZHANGRenhe2,YANGShuangyan1,andYANZiyu11KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing2100442StateKeyLaboratoryofSevereWeather,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081AbstractUsingdailytemperatureextractedfromtheERA-Interimreanalysisdataduring19792014andthetemperaturelapserateinterpolationmethod,theoccurrencefrequenciesoftwotypesoftropopause(thetropicaltropopauseandthepolartropopause)intheNorthernHemispherearecalculated.
Seasonalvariationsoftheoccurrence收稿日期2016-08-08;网络预出版日期2017-04-14作者简介秦亚兰,女,1991年出生,硕士研究生,主要从事气候动力学研究.
E-mail:qyl00527@163.
com通讯作者周顺武,E-mail:zhou@nuist.
edu.
cn资助项目国家重点基础研究发展计划项目2012CB9552003,国家自然科学基金项目41405070、41275095、41675039、91537213、41641042FundedbyNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(Grant2012CB9552003),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41405070,41275095,41675039,91537213,and41641042)4期No.
4秦亚兰等: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QINYalanetal.
SeasonalVariationsofOccurrenceFrequenciesofTwoTypesofTropopauseovertheTibetanPlateau…509frequenciesofthetwotypesoftropopauseovertheTibetanPlateauandtheirdifferencestothatinthesamelatitudesaredemonstratedanddiscussedfirst.
TherelationshipsbetweentheoccurrencefrequenciesofthetwotypesoftropopauseandupperairtemperatureovertheTibetanPlateauareexplored.
Theresultsareasfollows:1)TheoccurrencefrequenciesofthetwotypesoftropopausecalculatedusingthereanalysisdataandtemperaturelapserateinterpolationmethodareconsistentwiththeirclimatologicalvariationsobservedovertheTibetanPlateau.
Differencesinthetropicaltropopauseoccurrencefrequencybetweencoldandwarmseasonsareinsignificantwithhighfrequencyallyearround.
However,differencesinthepolartropopauseoccurrencefrequencybetweencoldandwarmseasonsareobviouswithverylowoccurrencefrequencyinJulyandAugust.
ThetropicaltropopauseoccurrencefrequencyderivedfromtheERA-Interimreanalysisdatasetismorereliablethanthepolartropopausefrequency.
2)Duringwarm(cold)season,thetropicaltropopauseoccurrencefrequencyincreases(decreases),whiletheseasonalvariationofthepolartropopauseoccurrencefrequencyisopposite.
Comparedwiththatinthesamelatitudes,thetropical(polar)tropopauseoccurrencefrequencyisless(more)frequentinwinterbutmore(less)frequentinotherseasons.
ThegradientsintheoccurrencefrequenciesofthetwotypesoftropopauseovertheTibetanPlateauaremoredistinct,indicatingthatthetropopauseovertheTibetanPlateauismorelikelytobreak.
3)TheseasonalandinterannualvariationsoftheoccurrencefrequenciesofthetwotypesoftropopausearecloselylinkedwithtemperatureovertheTibetanPlateau.
Whenthetemperatureintheuppertroposphere(inthelowerstratosphere)overtheTibetanPlateauincreases(decreases),thetropicaltropopauseoccurrencefrequencyincreasesandthepolartropopauseoccurrencefrequencydecreasesaccordingly,andviceversa.
KeywordsTibetanPlateau,Tropicaltropopause,Polartropopause,Occurrencefrequency,Seasonalvariation,Upperairtemperature1引言对流层顶是对流层与平流层之间温度梯度不连续的一个过渡层,对全球对流层—平流层物质能量交换过程(StratosphereTroposphereExchange,STE)具有重要影响(Holtonetal.
,1995;李国辉等,2003;杨双艳和周顺武,2010;卞建春等,2013;夏昕等,2016).
通常以150hPa气压值为界,将对流层顶分为两类:一类是冷气团控制时的极地对流层顶(≥150hPa);另一类是暖气团控制时的热带对流层顶(25.
0%),故青藏高原冬季(其他季节)热带对流层顶的频率较同纬度地区更少(多).
而极地对流层顶频率的月份—纬度分布(图4b)则呈现出与图4a相反的分布特征:青藏高原所在纬度的极地对流层顶频率较同纬度地区冬季偏多,其余季节偏少.
因此青藏高原冬季(其他季节)出现极地对流层顶的频率较同纬度地区更多(少).
5两类对流层顶频率与其上空温度的关系5.
1青藏高原和同纬度两类对流层顶频率分布的差异与其上空温度、地形的关系一些研究(杨双艳等,2012;任荣彩等,2014)发现热力作用与对流层顶之间关系紧密.
以下根据热成风关系:两层大气之间的平均温度可由两等压面之间的厚度差得到(吕美仲等,2004),基于同期ERA-interim月平均的再分析位势高度资料,分别计算北半球(包括青藏高原)对流层中上层(500~200hPa,以下简称对流层)以及平流层下部(100~50hPa,以下简称平流层)平均温度,并分析对流层、平流层平均温度分别与两类对流层顶频率的关系.
同样采用纬向偏差方法,分别给出了青藏高原经度减去北半球纬向平均后的对流层、平流层平均温度的月份—纬度分布.
由对流层平均温度纬向偏差(图5a)可见,在暖季青藏高原所在纬度上的对流层平均温度明显高于同纬度对流层的平均温度,其中≥3K的偏暖区出现在暖季青藏高原上空,特别是在夏季对流层平均温度异常偏暖(>4K);冬季青藏高原对流层平均温度则低于同纬度.
对流层平均温度的纬向偏差分布(图5a)与热带对流层顶频率的纬向偏差分布(图4a)相似.
由平流层平均温度的纬向偏差(图5b)可知,冬季(其他季节)青藏高原上空平流层的平均温度高(低)于同纬度地区,平流层平均温度的纬向偏差分布也与极地对流层顶频率的纬向偏差分布(图4b)十分相似.
除冬季以外(尤其是暖季),青藏高原对流层(平流层)平均温度高(低)于同纬度地区.
通过以上对比可知,两地两类对流层顶频率的季节差异和青藏高原与同纬度地区对流层、平流层平均温度的季节差异相对应.
对流层顶不仅受热力影响,还与大地形紧密相关.
为此分别给出了沿青藏高原所在纬度(27.
5°N~40°N)平均的两类地对流层顶频率、对流层平均温度、平流层平均温度的月份—经度分布以及沿青藏气候与环境研究ClimaticandEnvironmentalResearch22卷Vol.
22514高原所在纬度平均的海拔高度分布.
由热带对流层顶频率的月份—经度分布(图6a)可见,暖季青藏高原(80°E~100°E)以及北美落基山脉附近(110°W)两大山地上空(图6e)分别存在一个热带对流层顶频率的最大值(≥95.
0%)和次大值(≥90.
0%),而在太平洋中部(180°)以及大西洋中部(60°W)上空(图6e)各维持一个热带对流层顶频率低值区(≤80%);极地对流层顶频率的月份—经度分布则基本相反(图6b):暖季青藏高原以及北美落基山两大山地附近上空分别存在一个图41979~2014年平均的青藏高原所在经度减去纬向平均后的(a)热带对流层顶频率和(b)极地对流层顶频率的时间—纬度分布Fig.
4Latitudetimecrosssectionsofdifferencesbetweenoccurrencefrequenciesof(a)tropicaltropopauseand(b)polartropopauseovertheTibetanPlateauandtheirzonalmeans(averagedover19792014)图51979~2014年平均的青藏高原所在经度减去纬向平均后的(a)对流层中上层(500~200hPa)平均温度和(b)平流层下部(100~50hPa)平均温度(单位:K)时间—纬度分布Fig.
5Latitudetimecrosssectionsofthemeantemperaturedifferences(units:K)inthe(a)uppertroposphere(500200hPa)and(b)lowerstratosphere(10050hPa)betweentheTibetanPlateauandtheirzonalmeans图61979~2014年平均的沿青藏高原所在纬度(27.
5°N~40°N)平均的(a)热带对流层顶频率、(b)极地对流层顶频率、(c)对流层平均温度(单位:K)、(d)平流层平均温度(单位:K)的时间—经度剖面以及(e)沿27.
5°N~40°N平均的海拔高度随经度分布Fig.
6Longitudetimecrosssectionsof(a)thetropicaltropopauseoccurrencefrequency,(b)thepolartropopauseoccurrencefrequency,(c)themeantemperatureintheuppertroposphere(units:K),(d)themeantemperatureinthelowerstratosphere(units:K)averagedover19792014aswellas(e)thetopographyheightaveragedovertheTibetanPlateaulatitudes(27.
5°N40°N)4期No.
4秦亚兰等: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QINYalanetal.
SeasonalVariationsofOccurrenceFrequenciesofTwoTypesofTropopauseovertheTibetanPlateau…515极地对流层顶频率的最低值(≤10.
0%),而在太平洋中部以及大西洋中部上空均存在一个极地对流层顶频率高值区(≥30.
0%).
并且在盛夏两大山地(大洋)热带对流层顶频率达到全年最高(低)值,极地对流层顶频率达到全年最高(低)值.
分析对流层、平流层平均温度与两类对流层顶频率之间的联系.
青藏高原和落基山脉在暖季对流层平均温度均达到240K;青藏高原盛夏对流层平均温度(≥245K)明显比其他地区偏高(图6c),而此时青藏高原热带对流层顶占绝对主导地位,极地对流层顶频率达到最低.
与此同时,海洋上空对流层平均温度偏低(<240K),两类对流层顶频率相当,热带对流层顶频率略偏多.
由平流层平均温度的分布(图6d)可知,青藏高原暖季较同纬度其他地区偏低,特别是盛夏青藏高原平流层平均温度为一年中的最低值(≤204K).
由此可见,青藏高原两类对流层顶频率与其同纬度其他地区之间的差异与青藏高原大地形的作用及热力差异有关:暖季(尤其是盛夏),陆地气温高,加热对流层大气;青藏高原作为同纬度海拔最高的大地形,对流层平均温度升高至同纬度最高,同时平流层平均温度降温至同纬度最低;与之相对应,青藏高原热带(极地)对流层顶频率达到同纬度地区的最高(低).
5.
2青藏高原两类对流层顶频率与其上空温度的相关关系以上从气候平均角度分析了青藏高原与同纬度地区热带(极地)对流层顶频率季节分布差异及其与对流层、平流层平均温度的关系.
以下从年际变化角度分析青藏高原区域(27.
5°N~40°N,75.
0°E~102.
5°E)平均两类对流层顶频率与青藏高原上空温度的关系,图7分别为青藏高原热带和极地对流层顶频率与各层温度的逐月相关系数.
在青藏高原热带对流层顶频率与各层温度的相关系数图(图7b)上,各月相关系数的零线基本位于150hPa,除夏季外,其余季节青藏高原热带对流层顶频率与对流层(平流层)各层温度为显著的正(负)相关(普遍通过99%信度的显著性检验).
至于夏季两者的相关关系相对较弱,其可能的原因是青藏高原夏季热带对流层顶频率的年际变化不明显.
而在青藏高原极地对流层顶频率与各层温度的相关系数图(图7b)上,其相关分布与图7a的分布基本相反:大致以200~150hPa高度为界,其相关系数在其高度之上(下)为显著的正(负)相关.
这表明,当青藏高原对流层(平流层)各层温度普遍升高(降低)时,青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少;而当青藏高原对流层(平流层)各层温度普遍降低(升高)时,青藏高原极地对流层顶频率增加,热带对流层顶频率减少.
6结论与讨论基于ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法,得到北半球两类对流层顶频率.
在验证再分析对流层顶数据与青藏高原探空观测数据一致的基础上,利用再分析对流层顶数据比较了青藏高原和同纬度地区两类对流层顶频率的季节变化的差异,并分析了高空温度对青藏高原两类对流层顶频率分布的影响.
主要结论如下:图7青藏高原上空各层温度分别(a)与热带对流层顶频率以及(b)与极地对流层顶频率的逐月相关系数分布(浅和深的阴影区域分别表示通过0.
05、0.
01的显著性检验)Fig.
7Monthlycorrelationcoefficientsof(a)thetropicaltropopauseoccurrencefrequencyand(b)thepolartropopauseoccurrencefrequencywithtemperatureovertheTibetanPlateau(lightandheavyshadingsindicatecorrelationspassingthetestat0.
05and0.
01significancelevels,respectively)气候与环境研究ClimaticandEnvironmentalResearch22卷Vol.
22516(1)青藏高原再分析两类对流层顶频率的季节分布与探空实测结果接近;青藏高原全年各月热带对流层顶频率高,暖季频率较冷季偏多,热带对流层顶频率季节差异不明显;极地对流层顶在暖季频率明显较冷季偏少,盛夏频率极低,极地对流层顶频率季节差异明显.
青藏高原再分析与探空热带对流层顶频率各月误差小,暖季为正偏差,冷季偏差为负偏差,青藏高原再分析与探空极地对流层顶频率全年均为负偏差,暖(冷)季偏差较小(大).
相比之下,再分析热带对流层顶频率在青藏高原可信度更高.
(2)北半球热带(极地)对流层顶频率随纬度增加而减少(增加),在中纬度地区全年同时存在两类对流层顶.
青藏高原和同纬度地区热带(极地)对流层顶频率在暖季增加(减少),冷季减少(增加);相比于同纬度地区,青藏高原两类对流层顶频率冷、暖季差异更大;青藏高原热带对流层顶的频率在冬季(其他季节)较同纬度地区更少(多),极地对流层顶的频率在冬季(其他季节)较同纬度地区更多(少).
与同纬度地区相比,青藏高原两类对流层顶频率的等值线梯度更大,表明青藏高原对流层顶更易断裂.
(3)青藏高原与同纬度地区两类对流层顶频率的季节差异与青藏高原和同纬度地区的热力差异有关.
除冬季以外(尤其是暖季),青藏高原对流层(平流层)平均温度高(低)于同纬度地区,与此相对应,同期青藏高原热带(极地)对流层顶频率也较同纬度地区偏高(低).
(4)两类对流层顶频率也与大地形作用有关.
暖季青藏高原及落基山脉两大山地(大洋)热带对流层顶频率达到全年最高(低)值,极地对流层顶频率达到全年最高(低)值.
(5)青藏高原两类对流层顶频率变化与其上空温度变化存在紧密相关.
青藏高原对流层各层温度与热带(极地)对流层顶频率存在显著的正(反)相关关系,而平流层各层温度与热带(极地)对流层顶频率具有明显的反(正)相关关系.
表明青藏高原对流层(平流层)温度升高(降低),有利于青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少,反之亦然.
对于缺少探空观测的地区(尤其是青藏高原),基于再分析逐日温度资料,依据热力学递减率插值方法计算出的对流层顶资料,虽然丰富了对流层顶资料的来源,但该资料在其他地区的适用性也还应进一步检验.
文中给出了青藏高原两类对流层顶频率与其上空温度之间存在密切关系,这是否是因为对流层顶数据所用的温度资料与分析高空温度时所用的资料属同一套资料需要利用探空观测资料加以验证.
还有对流层顶频率与高空温度之间如此密切的关系的物理机理是什么也值得深入研究.
另外,本文主要分析了青藏高原对流层顶频率变化,并没有分析对流层顶高度的变化特征,而对流层顶高度的变化不仅与急流等天气系统紧密联系(Zhangetal.
,2010;Chenetal.
,2011),而且对流层顶高度变化与全球变暖息息相关(郑彬和施春华,2006;陈权亮等,2008;CavalloandHakim,2012;任荣彩等,2014),这些问题也需要今后进一步的探讨.
致谢感谢美国犹他大学大气科学学院的Reichler教授提供了热力学递减率插值算法程序,感谢中国气象局国家气象信息中心胡开喜博士整理并提供对流层顶逐日探空数据.
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