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[名词解释] 平流層爆發性增溫簡介(初稿)

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发表于 2011-2-10 00:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
在論壇和網上綜合了一些資料~文章仍然未完成...希望各位大大好心點出錯處和希望補充的地方~thx
1. 平流層基本特徵:
距離地面十分遙遠,地面應熱不會對平流層溫度有直接影響;而平流層低層的由於非常寒冷(熱帶地區零下70度,極地零下60-80度左右),水汽稀少,惶論潛熱影響
而平流層由10公里伸展至50公里上空,而該層的溫度直減率是負的,氣團垂直活動一般是不太明顯,大氣穩定;而水平活動則是活躍,引致平流層分層特徵明顯
冬天由於極地由地球自轉軸傾斜23度的關係,立秋以後極夜的影響引發極地大氣輻散冷卻比鄰近中緯度為明顯,而熱帶臭氧紫外線吸收增溫導致沿半球出現強烈溫度梯,熱成風及科氏力的關係下,平流層出現平流層極夜西風急流,並阻礙極地與中緯度的物質傳送
由於南極地型影響偏少,羅斯貝波擾動比較少,西風急流比北半球冬季為強(圖1)

Brewer-Dobson Circulation
是平流層之中最著名的垂直經向環流系統
環流部份是依靠熱力維持,例如熱帶地區平流層終年有日照照射,幫助分解氧分子(<240nm)成為氧原子,再和氧分子結合形成臭氧,熱帶平流層變成臭氧的起源(source)
其後臭氧沿經向環流向兩極傳遞,再於極地下沉並降回平流層頂
除了熱力的支持外,平流層行星波動(Stratospheric Wave Drag)及溫帶系統推動亦是控制環流的重要因素,以EP輻散為量度單位
它是一個緩慢的環流系統,由平流層底上升至27公里上空大概需時6個月,因此縱使臭氧的淨合成(net production)速度十分緩慢,但上升過程之中,臭氧累積的濃度亦會慢慢上升

2. 平流層爆發性增溫簡介
平流層爆發性增溫Sudden Stratosphere Warming (SSW) 事件可以分為major和minor type~一般而言,major事件每隔2-3年就會出現一次,近年出現頻率則異常頻繁,北半球30公里左右上空(10hpa)的極地溫度會比北緯60度的極圈為高,受熱成風的影響下,北緯60度極圈將會吹起東風,把原本著名的平流層極夜西風急流完全摧毀~對流層體現的是ARCTIC OSCILLATION (AO) 負距平由上而下傳,極渦崩潰或位移,簡單而言,在極地的冷空氣即向南擴散瀉入中緯度~為歐洲,華北及北美帶來異常寒冷的天氣

3. 平流層爆發性增溫成因
現時主要觀點是平流層行星波動(Stratospheric Wave Drag)及溫帶系統推動是爆發性增溫的重要因素,僅記SSW的擾動源來自對流層強烈的羅斯貝波活動,因此平流層是調節者(regulator),而不是能量源(energy pump)~對流層的羅斯貝波透過等熵面向上傳至平流層,由於平流層之中的空氣密度很低,能量波動在此層下波幅異常增大,最大振幅出現在副極地北緯60度;當波幅過大的時候,能量包便會破碎成細小的渦流,釋放熱量和動量通量,引致平流層增溫;在平流層的上傳波動因受該層緯向均流(zonal mean flow)的折射而令渦流傳送分為向赤道和極地兩種,其中向極地傳送的渦流傾向帶動動量向赤道傳遞,減弱極地西風
Poleward-propagating waves tend to transport momentum equatorward, which reduces polar westerly winds.(Zhou et al.2001)

而在major ssw事件之前,緯向均流需要被事前調節(pre-condition),即減弱極地西風,以推動波動向極和向上傳,同時製造中尺度波動(按:可能是誘生次級波)
A decrease in the speed of polar zonal-mean flow not only promotes poleward propagation of tropospheric planetary waves, but also generates medium-scale waves (Kodera and Chiba 1995)

major ssw事件發生時序
羅斯貝波向上傳引發熱量動量傳送
幾日內高溫區由平流層中高層10hPa向低層50hPa傳遞,而中高層風向亦在數天內由強西風轉向為東風,零風速線下移至平流層低層50hPa,波動傳遞有兩種路徑,分別是向極地平流層和赤道對流層
隨後的2-3個星期,平流層低層的異常高溫區將緩慢向對流層頂傳遞,從而影響對流層位勢和風速分佈

由於波動不能在東風下向上傳遞 (Charney and Drazin 1961),波動的傳遞將會隨零風速下移,即可以理解零風速高度為反射面,波動在反射下振幅加大破碎,高溫區亦下傳
The refractive index became very large in the 60°–70°N upper troposphere in the propagating case, so that the midlatitude waves were strongly refracted poleward. The increase in the value of the refractive index is mainly due to the large decrease in zonal-mean zonal wind associated with the reversal of the polar westerlies and the descent of the critical line. The weak westerly wind is a preferred condition for wave propagation (Dickinson 1968).

major ssw條件
1. 對流層強烈擾動源(引致風向由西轉東)
2. 零風速下移(高溫區亦下傳)
3. 對流層持續能量供應(維持熱量及動量源)

對流層強烈擾動源可以分為wave 1, wave 2 和 wave 3~其中wave 1和wave 2對增溫有比較明顯的影響

研究(Yoden 1999;Nagawa and Yamazaki. 2006)指出平流層中高層增溫但不下傳伴隨wave 1 波動異常強烈但wave 2則異常偏弱
During the growth stage of SSW, events that propagate into the troposphere exhibit enhanced upward flux of the wavenumber 2 wave, while events that do not propagate downward display reduced wavenumber 2 flux. In both events, upward flux of the wavenumber-1 wave is enhanced, but the enhancement is stronger in the non-propagating event.

Perlwitz and Graf (2001)利用SWAN研究50hPa極渦強度和500hPa位勢之間的關係,他們得出極渦的強度是平流層下傳影響對流層的重要因素(特別是wave 1 增溫)

(另一方面,不論極渦強度~wave2 活動在對流層中層明顯滯後於平流層中低層)
They found that the strength of polar vortex is a key factor for stratospheric downward effects on tropospheric circulations, particularly for zonal wavenumber 1. For instance, zonal wavenumber 2 at 500 hPa has a significant lag correlation with that at 50 hPa regardless of the strength of polar vortex. However, for zonal wavenumber 1, similar correlations exist only in the case of a strong polar vortex.

***Kodera and Kuroda (2000) separated vertical structures of AO to two types, depending on whether it is induced by a downward propagation of zonal-mean zonal wind anomalies from the stratosphere (type S) or it is generated within the troposphere (type T).

4. 平流層爆發性增溫和準年代際活動關係
平流層主要外在強迫源就是太陽活動,而熱帶平流層中低層每隔1-2年便會出現一次緯向風逆轉,稱為QBO活動,正值表示吹西風,負值則是吹東風,QBO活動通常限制在南北緯15度之內;而熱帶平流層高層每隔半年便會出現一次緯向風逆轉,稱為SAO~


Labitzke和Holton & Tan在80年代首先提出理論嘗試將極地平流層中層溫度和太陽活動及QBO(45hpa風向)活動連繫
其後研究(Labitzke and van Loon 1988)指出重要觀點:

QBO西風:平流層中層溫度和太陽黑子數成正相關
QBO東風:平流層中層溫度和太陽黑子數成反相關

直接說
QBO西風,太陽活躍令極地平流層溫度高
QBO東風,太陽活躍令極地平流層溫度低

若以10.7cm solar flux <100 (>150)為太陽不活躍(活躍)時期~
由1942年至2006年,major 平流層爆發性增溫事件不曾在太陽不活躍時期(solar minimum)和西風QBO index(jan+feb/2)時出現(圖2)...直至2009年年初被打破

5. 平流層爆發性增溫對對流層影響
之前已經說過, SSW在對流層體現的是ARCTIC OSCILLATION (AO) 負距平由上而下傳,極渦崩潰或位移,簡單而言,在極地的冷空氣即向南擴散瀉入中緯度~為歐洲,華北及北美帶來異常寒冷的天氣


而在wave 1 增溫下極渦傾向移位;而wave 2增溫下極渦則傾向分裂南下,極地出現異常中層阻塞高壓,而副極地和中緯度則是低壓區域,AO表現為負值
Pure wave-1 warming represents displacement of the polar vortex, while wave-2 warming occurs by splitting of the vortex. Subjective inspection of each SSW event at 50 hPa reveals that 14 of the events are splitting events, while the remaining 37 events are displacement ones. Among the 14 splitting events, 11 were followed by tropospheric polar warming and 3 by cooling. Among the 37 displacement events, 17 were followed  by tropospheric polar warming and 20 by cooling. For example, the December 1998 SSW  event that did not propagate into the troposphere was a displacement (wave-1) event, whereas the subsequent SSW in February 1999 that propagated into the troposphere was a  splitting (wave-2) event. A splitting SSW is therefore likely to be  followed by a negative phase of AO in the troposphere.

另一方面,在波動向極折射和高溫區向下傳遞的過程中,動量向赤道亦會影響對流層頂的西風急流;
圖x可見在下傳事件時,中高緯西風將減弱,而低緯副熱帶西風則增強,大西洋急流南撤了5個緯度,對應北大西洋濤動(NAO)為負值,而太平洋急流也有類似特徵

歸納major ssw事件:
極地阻塞高壓頻繁,尤其以北大西洋阻塞活躍,北緯30-40度則受活躍冷空氣和低渦持續影響,天氣嚴寒;和極地阻塞高壓相關偶極低壓(冷)引起強烈經向溫度梯,高空急流比較強烈
*不下傳minor ssw 則太平洋急流明顯減弱,急流出口稍南
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发表于 2011-2-10 09:37 | 显示全部楼层
LZ的文章非常好,平流层爆发增温它的成因、造成影响等等很多现在还未能确切知晓,因此这方面的确需要一次深入的分析。

从数值统计来看,每次平流层爆发性增温出现以后3周左右的时间,对流层环流就会出现一次明显的调整。是否是巧合,还是的确存在某种遥相关机制,比如长波辐射、能量传递等等,需要我们不断去探索。

这边列出两篇相关文章,希望可以帮到LZ,也鼓励大家踊跃分析和讨论。

关于平流层爆发性增温的一些理解

关于平流层异常与对流层耦合机制的探究-2
发表于 2011-2-10 12:42 | 显示全部楼层
平流层爆发可能和太阳粒子的变化也有关系,空间天气活跃后,可能会造成平流层增温。
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