由异常波驱动和准两年振荡造成的平流层温度和臭氧的年际变化外文翻译资料

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由异常波驱动和准两年振荡造成的平流层温度和臭氧的年际变化

MURRY L. SALBY

Macquarie University, Sydney, New South Wales, Australia

(Manuscript received 14 September 2010, in final form 7 February 2011)

摘要：

通过平流层动力和化学结构对对流层行星波和准两年震荡（QBO）的依赖，运用动力学和光化学的三维模型来研究他们的年际变化，ECMWF的观察记录和臭氧总量绘图系统（TOMS）的合成资料再现了温度和臭氧的气候敏感性的显著特征，在极地纬度的特征是有一个强烈的异常符号，而在进极地纬度是一个相对弱的相反符号的异常，他们每一个都有平均剩余环流的信号。结构和它非常相似，与北极涛动有关。

该集成说明，行星波和QBO在对流层的EP通量传输异常，是平流层年际变化背后的主要机制。从观察记录得出的类似结论如下。在初冬期间，根据观测记录显示，造成反常温度和臭氧的很大一部分原因是对流层EP通量异常。在冬季后期，（两种机制都会重现观察到的异常）。虽然QBO推动40N的异常赤道结构，但北极上空的强烈异常主要来自向上的异常EP通量。由于平均运动残留的异常波驱动，EP通量的变化导致了臭氧含量大的空气的异常下沉。与行星波的等熵混合相一致，随后发生在温带纬度地区的异常富集大幅修改了北极上空的臭氧总量。由异构过程的遗漏得出的显著集成表明了，在暖冬和冷冬之间，造成北极臭氧异常原因的20％是化学破坏，从太阳能散射紫外线观测仪，中观察到记录得出的估算值，第8版（SBUV-V8）的仪器，类推出另外80％的原因为运异常运输。

臭氧和温度的气候敏感性描述了这些年的随机变化，他们是由异常EP通量和QBO引入的。那些年际变化的演变有特定的季节性变化。就像他们的结构，异常温度和臭氧的季节依赖性有剩余平均环流的信号。观测记录中系统性的变化，其中包括平流层的趋势，也有类似的结构和季节性。

1.简介

　北半球平流层的冬季环流年之间的变化显著。伴随动力结构变化的是北半球臭氧的变化。每个半球的冬季环流变化固有的是余环流，它也塑造了热量和化学结构。通过隔热加热和向极运输。Brewer–Dobson 循环控制了每一个冬天气温变得多冷，同时也控制了臭氧总量的增加。 (Brewer 1949; Dobson 1956; Murgatroyd and Singleton 1961)

　余环流是被可以将动量从平流层向上传播的行星波所驱使的。当被吸收后，这个动量造成了一个向极的流，这个流在高纬度汇聚成力平均的沉降流。这个伴随绝热增温使得相对辐射平衡条件下北极天气保持更温暖的水平且使极夜旋窝更弱，在低纬度地区补偿这个垂直运动的是伴随绝热冷却的平均上升流 。同时这个向极的流将富臭氧的空气从它低纬度的化学源运输到冬半球，使得冬半球冬季的臭氧总量增加了100%。

　剩余环流造成的后果和可以将动量从对流层向上传输的行星波运动紧密相关。可以被靠近对流层Fz 的顶净上升EP通量测量, 在冬季被运送到中间大气层的动量主要是被对流层中行星波结构所决定的。 一个对流层行星波的强化导致了异常的向上EP流量，而这个强化通过在中心大气层被吸收，推动了加强的平均残差运动 。为了和被行星波导致的加强、 等熵的混合相一致，这些条件导致了一个异常的热弱的极夜旋窝。相反地, 一个行星波的削弱导致了一个异常的强冷极夜旋窝。

　一个相似的影响被平流层赤道风uEQ的QBO所揭露。 通过置换行星波的临界线，QBO控制了EP流量在中心大气层的哪里被吸收，从而知道平均残差运动在哪被推动。（Holton and Tan 1980; McIntyre 1982)在QBO东风带中, 临界线和平均子午线运动伴随着沉降流和绝热增温被发展到冬半球中。这些条件导致了异常的热弱极夜旋窝伴随增加的冬季臭氧。(Gray and Pyle 1989; Orsquo;Sullivan and Salby 1990; Orsquo;Sullivan and Young 1992; Tung and Yang 1994)在QBO东风带中，临界线和平均子午线运动被移到了夏半球。这些条件导致了异常的冷强极夜旋窝伴随减少的冬季臭氧。

　连带地, 对流层向上EP流量和QBO相关的赤道风的变化代表了剩余环流的异常推动。他们驱使了一个异常剩余环流，一个调节了气候平均值残差运动的环流。暗含的是相当的冬季温度、臭氧变化。使这些动态影响扩张的是来自火山喷发和ENSO的零星影响，同时还有太阳活动周期。然而在数十年间收集的年际变化来看后者（除非因为他们是罕见的和周期性的）仅次于EP流量和QBO的影响。 事实上观测的残差循环推动和极夜旋窝的观测变化有很近的关系，同时它和北半球臭氧变化也有很紧的关系。 (Fusco and Salby 1999). 每一个都可以追踪对流层中向上EP流量的观测变化。可以被QBO相关的赤道风的变化支持的EP流量的变化极大地说明了冬季气温和臭氧的年际差异。(Hadjinicolaou et al. 1997, 2002, 2005; Salby and Callaghan 2002; Hu and Tung 2002)

　气温和臭氧的年际变化主要是随机的。然而他们很快将会被发现和主要动态影响有具体的关系，因为这种关系他们才能连贯地运行。在这些控制影响下的气温气候敏感性和臭氧的变化已经从一个很大的冬季群体中被决定。(Salby and Callaghan 2002)　他们在高低纬度之间已经有一个连续的但不协调的结构。这个补偿变化反应了异常的沉降流和上升流，这些对于余环流都是固有的。同样能反应余环流的是气温和臭氧的季节性异常变化。当余环流很强的时候，这两者在受影响的季节中都经过了放大。当余环流瓦解之后他们跟随着最终变热的过程衰退。

　标志着年际随机变化的先前的结构的季节性变化和余环流推动力异常变化连续地作用。系统性变化有很多相似结构和季节性变化，这包含了平流层气温和臭氧的趋势。(Salby and Callaghan 2004a)

　除了异常运动，臭氧变化也源于异常的光化学，这通过温度是和余环流相结合的。温度对于非均相过程的依赖性使得异常光化学在极低地区很重要。 在那里，氯通过极低平流层云层（PSC）和气溶胶能放大被引入异常运动的臭氧变化。事实上，就像其他冬季 大气环流的特点一样，PSC和氯活动变化和异常余环流推动力是变化得相一致的。异常的残差运动的弱推动力导致了异常的低温条件，这也是由增加的PSC和氯运动参与导致的。伴随着减少的臭氧运动，后者也暗示臭氧因为加速的化学破坏而减少。化学物品对北半球异常臭氧的贡献因此和动态贡献的意义相同。这一贡献的等级仍然不确定。但是，这一贡献在中纬度地区却显得不重要，因为在这一地区观测到的变化很大程度上是被有独有非均相过程的化学运动模型（CTM）的集成所复制的。(Weber et al. 2003) (Hadjinicolaou et al. 2002)

　为了阐明观测到的变化背后的机制，我们引用了一个动态和光化学的3D模型。在这模型里，我们探测了平流层动态和化学结构在对流层行星波和在QBO上的独立性。在概览了这一模型之后，第三部分计算了北半球气温和臭氧对对流层的波结构和赤道风的变化的敏感性。反映了年际随机变化的反应之后，计算过的气候敏感度被证实可以用于再造由观测数据合成的凸出部分。异常的臭氧不仅对同种的化学物质和被温度决定的不同种的过程有关，还被证实主要地是由异常运输产生。这条结论甚至在北极圈也适用，而在北极圈异常运输因为和PSC以及气溶胶有关的异常化学物质的破坏而大大增加。之后，第四部分分析了异常气温和臭氧的季节性。就像异常的结构一样，计算过的季节性再造了季节性的几大特点，而这几大特点是由观测数据中合成的。之后在第五部分我们将叙述这些随机年际变化的特点和由天气趋势和臭氧组成的系统变化的关系。

  1. 数值分析框架

2.1动力和光化学模型

　这个3D模型通过光谱技术整合了非线性原始方程和光化学的家族算法。(Callaghan et al. 1999; Fusco and Salby 1999). 这个模型是用等熵的坐标系表示的，它从上对流层的一个等熵的平面，根据＝360 K (;200 mb),扩展到中间层。它被一个深的热海绵层所覆盖，这个热海绵层通过在85km高处吸收波运动达到了辐射条件。

　和较低边界相生的是储层，储层通过对团块施加保护来起到作为无定型较低对流层的作用。在高纬度被平流层所排出的空气在低纬度地区被对流层以同样比率吸收的空气所补偿。平流层的臭氧在储层和其他物种一起被收集，这种臭氧是在低边界地区通过平均下沉流被传播的。在进入较低的对流层后，平流层臭氧在一个季节的时间尺度上被破坏，是氧化过程的代表和观测的季节性和对流层臭氧。(London 1985).

　光化学的家族算法计算了影响臭氧的五十种生物的分布。(Fusco 1997; Fusco and Salby 1999).这已经通过化学物种的渐进分割被再阐述过了，在这之中控制反应是由最快的反应速率所递归地控制的。这一正规的算法达到了一个对有广阔变化的生命周期的化学物种的精准描述。当保留住该家族展示的计算优势的同时，渐进分割将会在3D集成中被表现，在这之中每日变化的光分解使得短生命的物种经历了每日变化。

　 在光化学的家族算法中前后被应用的是一个臭氧的模型的第三个视图的单独反应的明确的算法和相关的追踪剂(MOZART-3) (Brasseur et al. 1998; Horowitz et al. 2003). 包含之中的是一个层云球的气溶胶的综合表现。表层区域的硫酸盐气溶胶、硝酸盐三水化合物和PSC冰的密度都被精确地计算出来。就像家族算法一样，MOZART-3和动态集成被合并在一起。这些计算方法连带地被用来孤立从多相的过程中提供异样臭氧的过程。

　3D模型被观测的对流层行为限制在较低层的边界，它在冬时层云球再造了几个主要的动态和化学结构。包括其中的是zonal-mean运动剩余环流、臭氧和相互之间的变化。(Francis and Salby 2001; Callaghan and Salby 2002; Salby et al. 2002).

2.2环境敏感性分析

在当前研究中，平行集合被用来分析在余环流异常力作用下的动态和化学结构的独立性。对流层中的线上EP流量具有一个年循环，在至日点取得最大值。然而，Fz每年的每日值都不同，由一个年际循环种群组成。(Salby and Callaghan 2002) 为了探寻年际变化值间的普遍性特点和他们是如何影响动态和化学结构的，年纪循环的种群在这两组中被纳入了考虑。其中一个的平均值等于年际循环的气候平均值Fz加上一个标准差，另一个的平均值则等于年际循环的气候平均值Fz 减去一个标准差。在每组内加强年际循环的过程导致了单独波运动的消失，这在一天的时间尺度下会发生并且在年际是不连续的。它消灭了单日组之间的Fz差异，有利于他们之间的连续年际异常。小组的年际循环Fz平均值被两个标准差拆开，它们互相被区分并和诊断数据做比较。被两个波动的循环限制的平行集成提供了一个直接的已经被由观测数据复合的异常结构副本，相对用来和后续可进行对比的集成。

相似的集成被用来展示QBO的极值相，这调节了和行星波交互的剩余运动。QBO被利用来通过一个动量源，这个动量源趋势赤道风向QBO平均结构向一个具体相，这是由观测数据复合而成的，这可以由Garcia 和 Salby (1987)得出详细解释。

被分析性地展示出来后，被引入的QBO在赤道208的范围内被汇聚起来，向上越过对流层顶被加强。之后在40km高逐渐衰退，在这之中半年一次的震荡（SAO）盛行。平行集成再次被表现，一个和QBO一起在东风的相，另一个和QBO一起在西风相中。将这些集成区分开并分成两份然后获取由uEQ的摆动引入的异常的动态和化学结构，这也定义了各自的化学敏感性。 一个在它之中对流层行星波被放大的集成在加强的Fz的条件下产出了结构。一个在它之中对流层行星波被减小的集成在消弱的Fz的条件下产出了结构。区分集成并把他们分成两份产出了异常的由一个标准差强化的Fz,和动态和化学结构，这也定义了各自的环境敏感性。

  1. 异常气温和臭氧

形成这一控制的是一个季节性集成，从秋风延续到春天。在这之中，根据ECMWF的记录，对流层波运动被规定在较低边界中：在ECMWF的四十年重分析数据中平均单个日历记录给了气候平均值季节性变化。由这个被对流层波运动限制的集成在夏天在安静的环境下做不规则运动。它们再造了观测到的冬时同温层的几个主要特点。(see, e.g., Callaghan et al. 1999; Francis and Salby 2001; Callaghan and Salby 2002).

图一比较了计算的一月份受控制臭氧总量分布和由TOMS在1979到2002年观测的hO3i 气候平均值分布。在各自里，hO3i 被用新月型标记，在这之中高臭氧被限制在北极圈。在控制之中，总臭氧总量在向东取得最大值，在这里hO3i 接近500DU。在观测分不中很多类似结构出现了（见图1b）。和欧洲和北美洲次高值以及巴伦支海的最小值，计算的臭氧总量分布再造了由TOMS观测的气候平均值分布的几个主要特点。

图1 一月臭氧总量的分布 (a)由3D计算模型得到 (b) TOMS观测的气候平均

a.早冬

首先考虑到是10月到1月，决定了冬时北半球气温最小值的早春间的间隔。我们之后检测了冬时的气温减少变化，

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