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平流层和对流层大气相互作用的研究进展 1 平流层环流异常与下传信号 流层平面是指相对于流层和中间层的一层，高度为15.55km。虽然平流层大气质量只占地球大气总质量的15%,但是越来越多的事实表明平流层过程及其与对流层的相互作用在气候系统中有着非常重要的作用,在大气环流模式和气候预测模式中,都必须包括对流层和平流层的相互作用。以往的观点认为平流层是稳定的,并且被动地接受其下方对流层内上传的波动和能量,但近期的研究表明,平流层并不是完全稳定的(由温度随高度升高造成的稳定温度层结所致),而在一定时期具有明显的大范围温度和环流扰动、变化。近年来的研究进一步揭示,平流层与对流层的关系,也不是过去认为的主要是对流层影响平流层,而是双向的,即在对流层通过大气波动的上传影响平流层后,平流层大气会将下层上传来的无序波动重新组织起来引起平流层环流的持续异常,而这些异常又反馈给对流层并影响其天气、气候。此外,平流层中包含的吸收太阳紫外辐射的大气臭氧层,使得该层大气的动力—化学—辐射过程平衡对于地球气候系统的维持、发展有着重要的作用,臭氧层的稳定存在是整个地球表层生物圈得以生存、演化的关键保护伞。因此,对平流层过程及其与对流层相互作用的进一步探索和研究对于深入认识地球气候系统、应对气候变化有着重要的科学意义。另一方面,随着高空探测手段的提高、卫星观测技术的发展以及大气环流模式的进步,有关平流层大气的观测数据和模拟结果越来越丰富。在21世纪初,Baldwin等就利用多年的观测数据和模拟结果提出平流层是大气异常系统的前兆,平流层环流的大幅低频变化首先出现在50km以上,然后逐渐向下传到平流层低层,进而出现对流层的异常。平流层的异常信号往往可以领先对流层约30d,因此研究平流层异常及其下传信号对于建立和改善区域性重大天气事件的中长期(延伸)预测预报途径与方法有着重要的现实意义。这重新复苏了停顿了近30年的从平流层获取对流层预报信号的工作。 平流层大气过程及其与对流层相互作用的研究具有很长的历史,本文从引起平流层大气环流扰动的典型过程(第二部分)出发,先对这些工作进行初步的小结,在第三、四部分分别讨论了有关平流层环流异常对下层大气的影响,以及平流层—对流层之间物质交换的研究工作,第五部分总结了中层大气模式发展和应用的相关工作,最后在第六部分给出了全文的总结和对未来工作的展望。 2 导致河流循环扰动的一些经典过程 2.1 引发平流层爆发性增温的信号 起初对于平流层大气的认识,大多认为平流层仅仅是被动接受下层对流层中天气系统的能量和扰动,平流层大气环流的动力、热力和化学过程受到对流层剧烈的影响。Andrews等详细讨论了发生在中层大气特别是平流层中的动力学过程以及平流层—对流层的相互作用,指出大尺度的行星波是联系对流层异常和平流层扰动的关键因素之一,而小尺度的波动仅仅存在于对流层中。根据Charney和Drazin的行星波垂直传播理论,Rossby波只能在西风气流中传播,并且满足纬向西风小于罗斯贝临界风速时行星波可以向上传播进入平流层,从而影响到中、高层大气环流系统。因此,行星波主要在冬半年极地平流层盛行西风时上传到平流层中,尤其是在北半球由于地面地形和海陆差异导致对流层中超长波活动比南半球更加活跃,在这一时期行星波对平流层的影响也更加显著。 冬季的极地平流层处于“极夜”,没有太阳紫外辐射对平流层臭氧层的加热作用,辐射的冷却效应非常强,因此这里的温度很低。但在北半球冬季,平流层中常常会出现短时间内温度的剧烈增加,增温幅度可以达到十几甚至几十摄氏度,这种急剧的增温现象被称为平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming,SSW),SSW最早由德国科学家Scherhag在1952年发现,增温过程前后平流层环流也有剧烈的调整,极涡扰动发生变形或者崩溃,高纬度地区温度增加导致经向温度梯度反向,极夜西风急流减弱甚至消失,极区出现绕极的东风环流。大量的观测分析和理论研究表明,平流层的爆发性增温过程与对流层中形成并上传到平流层的行星波活动有关,行星波和平流层中基本气流的相互作用是增温出现的关键。1961年,Eliassen等提出用波动的能量通量来研究行星波的传播,即E-P通量,在此基础上Matsuno提出平流层爆发性增温是由于对流层行星波向上输送能量并与基本流相互作用造成的,这一理论的提出得到了广泛的认可,Holton,Quiroz和Pierce等对对流层行星波的上传在SSW过程中的重要作用从理论和观测上给予了进一步的证实。 行星波活动对平流层—对流层耦合系统的影响不仅存在于平流层爆发性增温过程中,即使在一般情况下,北半球高纬度地区平流层温度的观测值也是高于辐射平衡温度的值,这主要就是由对流层中行星波的向上传播及破碎造成的。行星波上传进入平流层