亚洲季风区对流层和平流层的水汽特征研究.docx

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亚洲季风区对流层和平流层的水汽特征研究

亚洲季风区对流层和平流层的水汽特征研究

亚洲季风区作为平流层－对流层交换的主要通道，可能在全球气候变化中扮演着积极的角色．是平流层－对流层交换的关键环节．本文所使用的是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-interim月平均再分析资料研究亚洲地区平流层－对流层水汽分布和平流层－对流层水汽变化特征，重点着眼于600hPa，200hPa与100hPa高度下水汽的水平变化特征，水汽垂直分布变化特征以及水汽的年际变化．结果都表明夏季水汽值明显大于其他几个季节。

其中，夏季虽然大陆上空对流层与平流层都出现了高值区，但其出现位置也不尽相同，在对流层中层高值区位于我国青藏高原及其东部区域，而对流层顶高值区位于孟加拉湾北部及附近的喜马拉雅山系，到平流层，水汽极大值在喜马拉雅山脉沿其形成一个水汽带。

与对流层中水汽分布相比，平流层中水汽最少，同时平流层中水汽分布于对流层中水汽比较出现很大的差异：

平流层中高纬度地区水汽值较大，向南逐渐降低，而对流层中赤道附近水汽值很大，陆地上空除过高值区以外，由北向南逐渐增大。

同时，由年际变化图可以发现，水汽有着逐年升高的趋势。

这些结果对认识亚洲季风区的气候变化以及中国降水也具有重要的指示意义。

关键词：

亚洲季风区；平流层与对流层；水汽；垂直分布；水平分布；年际变化

第一章引言

水汽作为一种重要的温室气体,是气候系统中的关键成分。

其中平流层水汽含量变化产生的辐射强迫将改变地气系统的能量平衡,进而影响全球气候变化。

大量研究表明,热带地区对流层水汽变化所引起的温室效应是等量二氧化碳引起温室效应的两倍（Sinha和Harries,1995）。

而其对气候变化的重要性体现在辐射和化学效应方面。

水汽在平流层中产生的福射冷却作用,不但影响平流层温度,也会影响平流层臭氧。

因为水汽会与臭氧反应,增加平流层臭氧消耗。

另一方面,平流层水汽增加因辐射冷却效应导致的减温会降低臭氧的化学反应速率,从而对平流层臭氧起到一定的恢复作用。

可见,水汽对臭氧有非常复杂的影响。

所以,了解UTLS区域水汽的来源和沉降,以及水汽传输过程及脱水机制是现今研究中层大气过程领域的重点也是难点。

关于进入平流层水汽的输送源区的研究很多。

Fueglistaler等（2004）利用轨迹模式研究表明,进入平流层水汽的近地层源区主要分布在孟加拉湾、印度半岛、青藏高原、非洲以及美洲季风区。

Levine（2007）对热带地区的研究指出,从热带边界层到对流层顶区域的输送过程大多出现在印度洋、印度尼西亚和西太平洋上空,与深对流所主导的输送过程一致。

而在全球尺度上,北半球夏季“亚洲南部半岛-印度洋-太平洋交汇区”是对流层向平流层物质输送的重要源区,将亚洲季风区丰富的水汽输送到平流层,影响平流层水汽的分布和变化（Berthet等,2007;占分等,2008）。

大量研究工作都指出亚洲季风区是对流层向平流层物质输送的重要通道,亚洲季风环流可将对流层中的水汽、臭氧、一氧化碳和其他污染物垂直向上输送到下平流层,从而影响平流层的化学和辐射平衡,在全球平流层-对流层相互作用中扮演着重要的角色（吕达仁等,2008,2009;杨健等,2004;占瑞芬等,2008;陈斌等,2009;Randel等,2010）。

Dethofetal.（1999）指出亚洲季风区是夏季平流层水汽的主要源区,输送到全球热带平流层水汽总量的75%左右为亚洲季风区所提供（Gettelmanetal.,2002）。

Randel和Park（2006）研究表明,亚洲夏季风期反气旋环流和对流的耦合对上对流层的化学成分分布有着重要的影响,上对流层反气旋环流内存在臭氧和水汽的异常分布,而亚洲夏季风期反气旋环流是高原上空存在臭氧低谷的其中一个原因。

Evans等（1998）和Smith等（2000）的研究表明,亚洲季风区夏季风季节对流活动的加强可以部分解释过去几十年平流层水汽的增加。

对流层和平流层有着完全不同的热力、动力和化学成分特性，这两个区域之间的物质和化学成分的交换是控制自然和人为排放的化学微量物质对大气成分影响的主要过程，其化学效应还会影响上对流层－下平流层（ＵＴＬＳ）的辐射通量平衡，因而对引起全球气候变化的辐射强迫有重要影响．许多学者分析北半球或全球ＳＴＥ后强调了亚洲季风区／青藏高原地区的ＳＴＥ对全球平流层、对流层交换研究的重要性．进一步，有人指出，亚洲地区ＳＴＥ整体上具有明显的年代际变化特征，且其年代际变化主要与青藏高原和西北太平洋大气热源的年代际转型有关．

由上述可知，平流层-对流层交换在地气辐射平衡和光化学反应中具有重要作用，而亚洲地区作为平流层－对流层交换的主要通道，可能在全球气候变化中扮演着积极的角色．这些研究刻画了平流层－对流层交换的关键环节，然而大多或以某些特殊年份进行分析，或对气候态进行研究，对水汽交换的季节变化涉及较少，平流层－对流层水汽交换的季节变化过程是一个仍未解决的重要问题．为此，本文主要对平流层－对流层水汽的季节变化与水汽的垂直分布季节变化进行分析以期对深入认识平流层－对流层交换过程进而对认识全球气候变化有所帮助．

第二章资料

文中所使用的是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-interim月平均再分析资料，水平分辨率为1.5°×1.5°，全球共XX个格点，垂直方向从1000hPa到1hPa共37层，其中在对流层顶附近有11层资料（70hPa，400hPa），对流层顶附近的加密分层有利于研究平流层和对流层的水汽分布。

第三章结果分析

3.1亚洲季风区对流层中水汽的变化特征

图1为水汽在600hPa高度时的水汽变化特征。

由于高度相对较低，受地面及海洋影响大，水汽含量明显较高，同时由于热带水汽输送作用，赤道地区普遍水汽值较大，由赤道向北出现逐渐降低的现象。

图1中a图是春季时节的水气图，亚洲季风尚未开始，对流层中水汽含量相对较少，海洋上空水汽明显多于大陆上空。

我国青藏高原与华中等地区上空水汽含量其他地区微高。

其中喜马拉雅山区上空水汽含量很大，这是由于气流过境被高原地形所阻挡，水汽在上空堆积，出现陆地极大值区。

这种情况形成的原因高原北部相对高的水汽与来自北方的寒潮、锋面活动以及高原北部边缘的地形对空气的强迫抬升有关。

图1中b图是夏季水气图，夏季亚洲季风爆发后,大量水汽从南半球输送到亚洲季风区。

因而，陆地水汽明显大于春季时节。

同样还是由于高原地形作用，在整个高原地区水汽很多，已经超过同高度上海洋上空的水汽，这是由于5-6月高原上空的水汽主要是由于5月初亚洲夏季风最先在孟加拉湾东部和中南半岛的西部建立,相继有南海东南夏季风的发展,为高原输送水汽。

盛夏7-8月份高原上空水汽高值区分布的范围最广,强度最强。

还有高原上空中低层的水汽主要受印度夏季风的影响,把印度洋充沛的水汽从高原西南方越过喜马拉雅山输送到高原上空。

到了8月份,高原的热力作用较7月强,高原上空反气旋式环流持续而旺盛,对高原及其周边地区的空气起到抽吸作用,使空气在高原上空积聚,经过2-4天的向上传输穿越对流层顶进入平流层。

图1中c图是秋季水汽图，亚洲季风9月中旬开始回撤，路径与推进时相反，在偏北气流的反击下，自西北向东南节节败退。

由此，相比于夏季，可以看出水汽出现较为明显的降低。

在高原山区的影响下，陆地水汽中心依然没有变化，海面上空水汽中心由南海地区转移到马来群岛附近区域。

图1中d图是冬季水汽图，12月东风发展最强盛,夏季环流型完全被冬季环流型所取代。

亚洲季风区风向转为北风，此时大陆上空由于没有海洋水汽的补充，出现了一年中的最低值。

大陆上空水汽远远低于海洋上空水汽。

图2为1979-2009年平均的亚洲季风区（0-50oN，40o-140oE）200hPa水汽的水平分布。

其分析与图1一致，不再讨论，这里主要探讨与图1的异同。

纵观两幅图，水汽分布都是呈现由赤道向北逐渐降低，夏季在青藏高原地区及南部区域上空都有水汽的高值区。

而它们两者的不同是春季，秋季与冬季在600hPa图上皆显示出陆地高值区，位于喜马拉雅山脉地区及青藏高原，而200hPa图皆无此区域。

由前面的分析可以看出对流层高度较低，受亚洲季风的影响很大，出现了规律的季节变化。

同时，太平洋与印度洋是大陆上空水汽的重要来源，高原地形也对水汽的分布有着极为重要的影响。

图11979-2009年平均的亚洲季风区（0-50oN，40o-140oE）600hPa水汽混合比的水平分布（a：

春季；b：

夏季；c：

秋季；d：

冬季）

图21979-2009年平均的亚洲季风区（0-50oN，40o-140oE）200hPa水汽混合比的水平分布（a：

春季；b：

夏季；c：

秋季；d：

冬季）

3.2亚洲季风区平流层中水汽的变化特征

图3为1979-2009年平均的亚洲季风区（0-50oN，40o-140oE）100hPa水汽混合比的水平分布。

可以看出平流层水汽分布为由北向南，逐渐降低。

春季在中南半岛东北部出现高值区，夏季沿喜马拉雅山脉形成水汽高值带，秋季沿北纬22o到北纬28o呈现水汽高值带，东西贯穿整幅图像，同时以此为中心，两侧水汽都出现依次下降的趋势。

而冬季水汽有很明显的由北向南依次降低的发展趋势。

这种反常可能是由平流层中温度引起的，这里不做讨论。

与对流层中水汽分布相比，平流层中水汽最少，同时平流层中水汽分布于对流层中水汽比较出现很大的差异：

平流层中高纬度地区水汽值较大，向南逐渐降低，而对流层中赤道附近水汽值很大，陆地上空除过高值区以外，由北向南逐渐增大。

这种不同的原因是平流层与对流层相比，平流层水汽垂直输送作用很弱，对流层中水汽很难突破对流层顶进入平流层，还有平流层其特殊的热力分布等的影响，因而平流层中水汽分布出现于对流层不相符合的变化特征。

图31979-2009年平均的亚洲季风区（0-50oN，40o-140oE）100hPa水汽混合比的水平分布（a：

春季；b：

夏季；c：

秋季；d：

冬季）

3.3亚洲季风区水汽的垂直分布特征

选取东经40o到140o，对北纬0o到60o的水汽数据进行平均处理得到下图。

显然，低空大气中水汽明显多于高空。

受数据限制，高于600hPa的水汽变化并没有得到很好的效果，同时，平流层中水汽分布变化较小，因此只对对流层中下部分的数值进行讨论。

可以看出从对流层到平流层水汽值降低很快,就图中所选高度范围,就相差甚大，表示水汽有很显著地从对流层向上传输的过程。

春季季风影响较小，整个亚洲季风区水汽值较大，随着时间推移，夏季风来临，季风区的水汽值出现较大的上升，可以看到夏季水汽明显多于其他三个季节，夏季青藏高原地区上空的对流层水汽值高于同高度其他区域出现高值区，与上文中600hPa的水平分布特征一致。

秋季夏季风减弱，水汽中心东移，整个季风区水汽下降与春季近似。

冬季水汽高值区逐渐转向海洋上空，青藏高原上空水汽减小，水汽值由西向东逐渐增大，这表明受冬季风的影响水汽无法从太平洋，孟加拉湾区域进入大陆，因此出现上述现象。

图41979-2009年平均的亚洲季风区（0-50oN，40o-140oE）区域水汽的垂直分布（a：

春季；b：

夏季；c：

秋季；d：

冬季）

3.4亚洲季风区水汽的季节变化和年际变化

进一步利用1979年到2009年平均的水汽数据对亚洲季风区的水汽进行季节变化的对比得到图5。

冬季，水汽含量都很少，且变化幅度较小。

春季，3月整个亚洲季风区开始由冷源转变为热源，热力作用增强，水汽含量开始缓慢增加。

夏季，热源作用达到最强，随着夏季风的盛行，水汽出现突增现象，在7－8月达到最大值。

秋季10月，随着夏季风的减弱，三个区域水汽也迅速减少。

随着高度的增加，在上对流层100hPa的水汽含量显著减小且季节变化幅度增大，与高原及其以东地区的水汽含量差异明显减小。

值得注意的是，100hPa的水汽季节变化与其他高度有一些。

100hPa水汽的高值区仍出现在夏季，水汽的最大值较其他高度在时