管振宇，管兆勇，蔡佳熙，馬奮華

(氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044)

0 引言

華東區(qū)域位于亞洲季風(fēng)區(qū)，受到季風(fēng)活動(dòng)的影響，天氣氣候極端事件頻發(fā)，氣象災(zāi)害嚴(yán)重(彭海燕等，2005;張尚印等，2005;溫克剛和丁一匯，2008)。該地區(qū)的大氣運(yùn)動(dòng)既受行星尺度大氣運(yùn)動(dòng)控制，又受下墊面狀況影響，變化復(fù)雜。大氣邊界層作為自由大氣與下墊面之間的薄層，在氣層間的動(dòng)量、熱量、水汽以及其他物質(zhì)交換中起著關(guān)鍵作用(鄭益群等，2011)，且其變化特征不但與季風(fēng)活動(dòng)及其異常密切相關(guān)，還受到邊界層自身特性的影響。因此，弄清位于季風(fēng)區(qū)的華東地區(qū)大氣邊界層的動(dòng)力、熱力變化特征，對(duì)認(rèn)識(shí)季風(fēng)活動(dòng)與邊界層大氣運(yùn)動(dòng)的相互作用具有重要意義。

季風(fēng)區(qū)大氣邊界層具有顯著的季節(jié)變化，且在不同季節(jié)具有不同的動(dòng)力和熱力變化特征。眾所周知，邊界層大氣穩(wěn)定度影響著各種通量交換和輸送，實(shí)質(zhì)上是大氣熱力過程和動(dòng)力過程對(duì)湍流和對(duì)流發(fā)展或抑制能力的一種度量(Stull，1987)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多大氣穩(wěn)定度的分類方法(徐大海和俎鐵林，1983)，并對(duì)不同分類方法進(jìn)行了比較分析(曹文俊和朱汶，1990;Mohan and Siddiqui，1998)，以了解大氣穩(wěn)定度的分布特征(李瓊等，1996;范紹佳等，1999;畢雪巖等，2003)。計(jì)算大氣穩(wěn)定度的方法亦有很多，其中以綜合考慮邊界層中熱力和動(dòng)力作用參數(shù)的理查森數(shù)(Richardson數(shù))最為常用(Richardson，1920)。Richardson數(shù)既體現(xiàn)了大氣邊界層的層結(jié)穩(wěn)定度，又考慮了水平風(fēng)的垂直切變所導(dǎo)致的動(dòng)力穩(wěn)定性影響(Klipp and Mahrt，2004;Sorbjan，2006)。Richardson數(shù)可作為湍流和對(duì)流增強(qiáng)或減弱的判據(jù)，理論推導(dǎo)出的大氣不穩(wěn)定條件值為1/4(Howard，1961;Miles，1961)。但是，經(jīng)常根據(jù)觀測(cè)決定臨界值，各研究者給出的臨界值差別很大，有1/2、1/11 和1/24 等數(shù)值(Andreas and Hicks，2002;Canuto，2002;Galperin et al.，2007)，且根據(jù)下墊面的不同，其臨界值也會(huì)有所差別(Polzin and Ferrari，2004)。還有一些學(xué)者通過理查森數(shù)來判定邊界層大氣穩(wěn)定度，進(jìn)而研究其與污染物的擴(kuò)散、輸送規(guī)律性的聯(lián)系(Mahrt，1999;Poulos and Burns，2003;張艷昆等，2010)。

大氣邊界層的動(dòng)力熱力穩(wěn)定性變化直接影響到氣溶膠的形成和輸送。近些年，中國(guó)東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，各類氣體排放量大，逐漸形成了氣溶膠高濃度區(qū)域(鄧學(xué)良等，2010)。研究季風(fēng)區(qū)邊界層的Richardson數(shù)變化，對(duì)了解氣溶膠變化有重要的意義。

綜上分析可知，多數(shù)研究集中反映較短時(shí)間內(nèi)小范圍邊界層大氣穩(wěn)定度的變化規(guī)律，而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間尺度且范圍較大區(qū)域的大氣穩(wěn)定度氣候特征及其年際異常的研究鮮見相關(guān)報(bào)道。故此，為了研究位于亞洲季風(fēng)區(qū)的華東區(qū)域大氣運(yùn)動(dòng)的氣候特征及其年際變化，針對(duì)北半球夏季，本文擬分析Richardson數(shù)，以期了解大氣邊界層的熱力和動(dòng)力穩(wěn)定性特征，進(jìn)而幫助我們認(rèn)識(shí)氣溶膠的形成和擴(kuò)散規(guī)律，有利于人們加深對(duì)亞洲季風(fēng)與氣溶膠變化相互作用的認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

采用水平分辨率2.5°×2.5°的逐日 NECP/NCAR 再分析資料(Kalnay et al.，1996)，物理量有溫度、位勢(shì)高度及風(fēng)場(chǎng)。所有變量的時(shí)間序列長(zhǎng)度均為30 a(1979—2008年)。MODIS衛(wèi)星的氣溶膠資料的分辨率為1°×1°。

梯度理查森數(shù)的計(jì)算公式為

在時(shí)間尺度長(zhǎng)、區(qū)域跨度大、沒有很高精度風(fēng)場(chǎng)資料的條件下，常常用總體理查森數(shù)Rib代替梯度理查森數(shù)Ri。對(duì)于總體理查森數(shù)的計(jì)算可采用Stull(1987)給出的公式:

其中:Δθ為所選氣層頂部和底部的位溫之差;Δz為所選氣層之間的厚度，也可用位勢(shì)高度差代替;ˉθ為所選氣層平均位溫;Δ和ΔˉV分別為該氣層頂部和底部的緯向、經(jīng)向風(fēng)之差(Stull，1987)。理查森數(shù)實(shí)際上反映了浮力有效位能和有效動(dòng)能之間的關(guān)系，體現(xiàn)了關(guān)于大氣邊界層熱力和動(dòng)力等一些氣象要素的綜合效應(yīng)。由式(2)可以看出，總體理查森數(shù)的大小取決于該氣層頂部和底部的位溫之差和相應(yīng)的風(fēng)切變，取值的正負(fù)則取決于該氣層頂部和底部的位溫之差。因此，總體理查森數(shù)Rib值越小表示位溫的溫差小，風(fēng)切變大，垂直方向上能量交換頻繁，容易發(fā)生湍流或?qū)α?，大氣運(yùn)動(dòng)易發(fā)生不穩(wěn)定;Rib值越大表示氣層間位溫的溫差大，風(fēng)切變小，大氣易呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。

需要說明的是，盡管在邊界層的研究中，Rib中的變量θ和u、v為較短時(shí)間平均的物理量，但在本文的“氣候”研究中，用平均θ和Δ、ΔˉV計(jì)算出的Rib數(shù)仍能反映大氣邊界層的平均特征。另一方面，在風(fēng)的垂直切變中包含著兩個(gè)因素，一是因湍流摩擦導(dǎo)致的風(fēng)切變，二是熱成風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)切變，二者所占的比重如何仍需要研究。

在本文的研究中，先用日平均溫度和風(fēng)場(chǎng)資料計(jì)算了逐日Rib數(shù)，而后進(jìn)行月平均處理，最終得出夏季(6—8月)平均的Rib數(shù)的時(shí)間序列。這里Δ和ΔˉV取850 hPa與貼地層之間的風(fēng)速差，序列長(zhǎng)度為1979—2008年共30 a。

本文采用倒算法計(jì)算了大氣視熱源Q1和視水汽匯 Q2(Luo and Yanai，1984)，計(jì)算公式為

公式(3)的兩式中的右端項(xiàng)為局地變化項(xiàng)、水平平流項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)。對(duì)兩式分別進(jìn)行垂直積分(自地面至300 hPa)并相減得:

式中:L為凝結(jié)潛熱;Qs為地面感熱輸送;Es為地面潛熱輸送;QR為氣柱內(nèi)輻射加熱(冷卻)的垂直積分。

所采用的分析方法主要包括經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解、功率譜分析、回歸分析以及合成分析，并采用了F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。

2 華東區(qū)域夏季大氣穩(wěn)定度的氣候平均特征及其異常

為了弄清邊界層的動(dòng)力和熱力的穩(wěn)定性特征，這里分析Rib數(shù)的空間分布及其時(shí)間變化規(guī)律。

2.1 氣候平均特征

華東地區(qū)總體理查森數(shù)(Rib數(shù))分布很不均勻，主要由西南向東北方向遞增(圖1a)，最大值為0.9，出現(xiàn)在山東、河南、河北交界處;最小值為0.3，出現(xiàn)在廣東、江西一帶。這種分布表明，在Rib數(shù)取值較大的區(qū)域即華東北部，大氣邊界層較穩(wěn)定，不利于氣溶膠的擴(kuò)散，而在Rib數(shù)值較小的區(qū)域即南方地區(qū)，大氣邊界層相對(duì)不穩(wěn)定，有利于氣溶膠的擴(kuò)散。然而我們注意到，Rib數(shù)值大的區(qū)域，其年際變化方差亦大(圖1b)。邊界層大氣穩(wěn)定度在山東、河南及安徽交界處和湖北、湖南地區(qū)的方差較大，Rib數(shù)隨時(shí)間變化波動(dòng)大;而在方差較小的區(qū)域，Rib數(shù)隨時(shí)間變化波動(dòng)小(圖1b)。因此，在Rib數(shù)值較大的區(qū)域，有些年份特別有利于氣溶膠的堆積，而在Rib數(shù)值小的地區(qū)，總體上氣溶膠易于擴(kuò)散。

對(duì)整個(gè)華東區(qū)域平均而言，大氣穩(wěn)定度在1985、1990、1994、1998、2005 年數(shù)值異常偏小，而在1980、1986、1989、1996、1999、2003 年數(shù)值異常偏大(圖1c)。根據(jù)功率譜分析結(jié)果(圖1d)，華東區(qū)域夏季行星邊界層大氣穩(wěn)定度存在3～5 a以及10 a以上的周期?？梢?，華東區(qū)域大氣穩(wěn)定度在空間上分布不均勻，時(shí)間上具有明顯的年際變化特征。

2.2 垂直加熱場(chǎng)

為進(jìn)一步了解圖1a所示的大氣穩(wěn)定度的成因，計(jì)算了大氣視熱源Q1和視水汽匯Q2。整層積分的Q1－Q2差值的空間分布(圖2)與總體理查森數(shù)Rib的氣候平均態(tài)的空間分布非常相似。可以發(fā)現(xiàn)，華東地區(qū)北部Q1－Q2為負(fù)異常，說明該地區(qū)輻射冷卻、潛熱和感熱輸送減弱，導(dǎo)致低層大氣輻散、高層輻合，有下沉運(yùn)動(dòng)，有利于氣溶膠的向下輸送和堆積。反之，若Q1－Q2為正，則該地區(qū)輻射加熱，潛熱和感熱輸送加強(qiáng)，低層大氣輻合、高層輻散，有利于氣溶膠的稀釋和擴(kuò)散。

2.3 氣溶膠光學(xué)厚度AOD

大氣穩(wěn)定度和氣溶膠的擴(kuò)散或堆積有著密切的關(guān)系。利用MODIS衛(wèi)星資料計(jì)算出2000—2008年中國(guó)區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度AOD均值的空間分布，通過與圖1總體理查森數(shù)Rib在華東區(qū)域的氣候平均值的空間分布比較，發(fā)現(xiàn)兩者有相似的空間分布?？傮w理查森數(shù)(Rib數(shù))大表明大氣呈穩(wěn)定狀態(tài)，湍流和對(duì)流受到抑制，不利于氣溶膠的稀釋和擴(kuò)散，光學(xué)厚度AOD指數(shù)高;總體理查森數(shù)Rib小，則表明混合充分，容易發(fā)生湍流和對(duì)流，有利于氣溶膠的稀釋和擴(kuò)散，AOD指數(shù)降低。通過計(jì)算，圖3中所選定區(qū)域的AOD指數(shù)與該區(qū)域Rib數(shù)的空間相似系數(shù)為0.59，表明AOD的空間分布與Rib數(shù)的分布確實(shí)較為相似。需要說明的是，盡管氣溶膠分布的維持與排放源的分布存在一定的關(guān)系，但由于邊界層狀態(tài)和擴(kuò)散特性亦可導(dǎo)致氣候?qū)W意義上氣溶膠的不均勻分布，由此可以理解Rib數(shù)的氣候?qū)W分布為何與AOD的分布較為相似。

2.4 年際變化的主要模態(tài)

為了揭示華東區(qū)域夏季邊界層大氣穩(wěn)定性的主要空間分布型，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法對(duì)1979—2008年華東區(qū)域夏季總體理查森Rib的距平場(chǎng)做分解，由此得到方差貢獻(xiàn)率較大的前3個(gè)特征向量場(chǎng)，其方差貢獻(xiàn)率分別為 22.6%、15.2%、9.5%，通過 North 檢驗(yàn)(North et al.，1982)，前 3 個(gè)模態(tài)之間能夠顯著分離。圖4和圖5分別是前3個(gè)模態(tài)的空間分布和它們相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化主分量時(shí)間序列及其功率譜分析。

圖1 1979—2008年夏季華東區(qū)域總體理查森數(shù)Rib氣候平均態(tài)的空間分布(a)、Rib標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布(b)、華東區(qū)域平均的Rib的時(shí)間序列(c)及其功率譜(d;虛線表示通過95%信度紅噪聲檢驗(yàn))Fig.1 (a)Summertime average of the overall Richardson number Ribover East China during 1979—2008，(b)standard deviation of Rib，(c)time series of Ribaveraged over East China，and(d)the power spectrum of the time-series(Dashed line is for the red noise at 95%confidence level)

在總體理查森數(shù)EOF1的空間分布(圖4a)中，最強(qiáng)的異常中心位于安徽、河南地區(qū)附近，且呈現(xiàn)出華東區(qū)域南北部大氣穩(wěn)定度“－+”異常相反的空間分布特征。而由其相對(duì)應(yīng)的第一主分量時(shí)間序列PC1及其功率譜分析(圖5a、b)可知，PC1具有明顯的年際變化特征，表現(xiàn)為3～5 a的周期。

EOF2的空間分布如圖4b所示，最強(qiáng)的異常中心位于江西、廣東地區(qū)以及山西與河南交界處，由此呈現(xiàn)出與第一模態(tài)相反的華東區(qū)域南北部大氣穩(wěn)定度“+－”異常相反的空間分布特征。而由相對(duì)應(yīng)的PC2以及功率譜分析(圖5c、d)可看出，PC2也表現(xiàn)出明顯的年際變化，自20世紀(jì)90年代以來，華東區(qū)域行星邊界層的大氣穩(wěn)定度呈降低的趨勢(shì)，并存在2～4 a的周期。

EOF3的空間分布(圖4c)主要表現(xiàn)為華東區(qū)域大氣穩(wěn)定度從南到北“+－+”的變化特征。通過時(shí)間序列PC3及其功率譜分析(圖5c、d)知道，在20世紀(jì)80年代后期到90年代初期，華東區(qū)域大氣穩(wěn)定度異常變化較明顯，PC3呈現(xiàn)出5～10 a的周期變化。

圖2 整層積分的Q1－Q2合成差值的空間分布(單位:W·m－2;陰影區(qū)通過95%的顯著性t檢驗(yàn))Fig.2 Composite differences of vertically integrated summertime Q1－Q2(units:W·m－2;Shaded areas are for values above 95%confidence level using a t-test)

圖3 2000—2008年夏季中國(guó)東部區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)平均狀態(tài)的空間分布Fig.3 The multi-year averages of the AOD over the eastern China in summer during 2000—2008

圖4 華東區(qū)域夏季Rib距平場(chǎng)EOF分解的前3個(gè)模態(tài)的空間分布 a.EOF1;b.EOF2;c.EOF3Fig.4 Spatial patterns of the three leading EOFs of Ribanomalies in the eastern China in summer a.EOF1;b.EOF2;c.EOF3

通過前3個(gè)EOF模態(tài)的比較發(fā)現(xiàn)，Rib數(shù)呈現(xiàn)不同的空間分布類型，同時(shí)也存在著明顯的周期差異。華東區(qū)域夏季大氣穩(wěn)定度的前3個(gè)模態(tài)具有明顯的空間分布以及時(shí)間變化差異，那么，與其相對(duì)應(yīng)的環(huán)流異常特征如何呢?

2.5 與大氣穩(wěn)定度前3個(gè)模態(tài)相關(guān)的對(duì)流層低層環(huán)流變化

圖5 EOF前3個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化主分量時(shí)間序列(a，c，e;實(shí)線為主分量的9點(diǎn)平滑結(jié)果)以及相應(yīng)的功率譜分析(b，d，f;虛線表示通過通過95%信度紅噪聲檢驗(yàn))Fig.5 (a，c，e)The normalized time series of coefficients of the three leading EOFs(Thick solid lines represent the 9-year running average of PC)and(b，d，f)their power spectrums(Dashed lines are for the red noise at 95%confidence level)

總體理查森數(shù)Rib的年際變化與大氣環(huán)流異常有著密切聯(lián)系。為了討論不同大氣穩(wěn)定度異常模態(tài)對(duì)應(yīng)的環(huán)流異常，求取了前3個(gè)模態(tài)的主分量時(shí)間序列PC與850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)距平的回歸系數(shù)。結(jié)果表明，與PC1相聯(lián)系，自南海至日本海及以北，存在一類似P-J型遙相關(guān)的波列結(jié)構(gòu)(圖6a)，此結(jié)構(gòu)的形成，通常被認(rèn)為與南海地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)異常有關(guān)，這一類型波列結(jié)構(gòu)在暖池對(duì)流活動(dòng)異常(Nitta，1987)和印度洋偶極子事件發(fā)生期間易于觀測(cè)到(Guan and Yamagata，2003)。在這一遙相關(guān)結(jié)構(gòu)下，PC1所示的Rib數(shù)的空間分布表現(xiàn)為華東北部和南部反相變化。從統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度注意到，這一型變化與中高緯度環(huán)流亦存在較密切的聯(lián)系。PC2對(duì)應(yīng)的850 hPa環(huán)流顯示出西太平洋副高所在區(qū)域的副高脊的減弱及其東退和西伸(圖6b)。而PC3對(duì)應(yīng)的環(huán)流變化主要顯示自西伯利亞、蒙古至華北一線的環(huán)流異常(圖6c)。

由此可見，中國(guó)東部夏季Rib數(shù)的年際變化與夏季風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)弱變化存在密切聯(lián)系，其中自南海地區(qū)向東北方向的遙相關(guān)波列結(jié)構(gòu)，西太平洋副高的強(qiáng)弱及位置變化等起著非常重要的作用，而蒙古至華北一帶的環(huán)流變化亦有一定的影響。

圖6 1979—2008年夏季850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm)和風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)與PC1(a)、PC2(b)及PC3(c)的回歸系數(shù)(陰影部分表示異常位勢(shì)高度通過95%信度F檢驗(yàn)的區(qū)域;粗箭頭表示異常風(fēng)場(chǎng)通過95%信度F檢驗(yàn))Fig.6 Summertime geopotential height field(gpm)and wind field(m/s)at 850 hPa during 1979—2008 as regressed upon(a)PC1，(b)PC2，and(c)PC3(Shaded areas are for anomalous geopotential height values above 95%confidence level while bold arrows are for anomalous wind vector above 95%confidence level)

3 結(jié)論與討論

通過本文研究發(fā)現(xiàn)，在氣候?qū)W意義上，東亞夏季風(fēng)盛行時(shí)期華東區(qū)域邊界層大氣穩(wěn)定度呈不均勻分布，北部較穩(wěn)定，南部較不穩(wěn)定。在Rib數(shù)較大的區(qū)域，年際變化較大。華東地區(qū)Rib數(shù)存在3～5 a以及10 a以上的周期。

加熱場(chǎng)和MODIS氣溶膠AOD的分析表明，整層積分的Q1－Q2差值、氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布與Rib數(shù)的氣候平均值的空間分布有著很高的相似度，顯示出邊界層中的非絕熱加熱、大氣穩(wěn)定度及氣溶膠光學(xué)厚度三者之間可能存在密切聯(lián)系。

在年際時(shí)間尺度上，Rib數(shù)的分布存在3個(gè)主要模態(tài)，這3個(gè)模態(tài)與夏季風(fēng)環(huán)流異常密切相關(guān)，其中P-J型波列和西太平洋副高的變動(dòng)在Rib數(shù)年際異常中可能起到較為重要的作用。

需要說明的是，氣溶膠排放源的影響扣除十分困難;水平輸送、化學(xué)轉(zhuǎn)化、降水清除等因素對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度會(huì)產(chǎn)生影響(荊俊山等，2011;李雪等，2012)，這些都會(huì)對(duì)氣溶膠的變化產(chǎn)生復(fù)雜的影響。此外，由于氣溶膠的較長(zhǎng)年份的時(shí)間序列難以獲得，AOD的年際變化與Rib數(shù)及夏季風(fēng)環(huán)流異常的聯(lián)系在本文中尚未作出分析。這些都有待在今后的工作中進(jìn)一步完善。

致謝:NCEP/NCAR再分析資料取自NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center(http://www.cdc.noaa.gov);MODIS衛(wèi)星氣溶膠資料取自NASA earth data(http://www.nasa.gov);文中諸圖均用 GrADS(Grid Analysis and Display System)和NCL(NCAR Command Language)軟件繪制。謹(jǐn)致謝忱!

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