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本文利用1951-2008年58年每日两次的高空探空气象资料、TOMS卫星观测的1978-1993年及1996-2005年共计26年气溶胶日平均光学厚度资料、1960-2000年中国地区地面气象站点的能见度资料及1951-2008年间美国联合台风报警中心统计的逐次西太平洋台风中心路径等大量数据资料,分析了近五十年来在全球变暖背景下中国地区热力学对流层顶高度及其他气象要素的长期变化特征,并以台风天气对对流层顶高度的影响为例,分析了对流层顶高度的日变化特征。在此基础上,利用气象统计方法讨论了对流层温度、平流层温度变化对对流层顶高度的影响,并利用数值模拟方法对统计分析结果进行了更深入的分析,论文在分析了全球变暖对对流层顶高度影响的基础上,又进一步探讨了大气气溶胶对对流层顶高度的可能影响。论文得到以下主要结论:
中国地区对流层顶气压在近几十年有逐渐下降的趋势,对流层顶高度有逐渐升高的趋势,中国地区对流层顶气压平均变率为-2.54hPa/decade,高度平均变率为15.5m/decade,对流层顶各要素均在1980年以后发生显著变化,而1998年为近年来最显著变化年。1980年以后是对流层项高度显著升高的30年,1978-2008年间中国地区对流层顶高度上升了155m,中国南方地区升高了143m,东北地区上升最显著,上升了227m,华北升高缓慢为114m,中国地区对流层顶高度的上升相对全球平均结果更缓慢,而华北地区相较中国变化又更为缓慢。
台风过程使对流层顶高度明显升高,且在台风登陆后24小时一般能达到对流层顶的最高值,之后开始缓慢下降。多年平均统计结果表明,绝大多数台风过程一般使对流层顶高度升高200—300m,所有台风过程导致的对流层顶高度升高范围在100—500m之间。
中国地区对流层气温与对流层顶高度存在显著的正相关,通过显著性检验的区域分布在25—45°N之间,特别是在华北、西北、西藏等地;平流层低层气温与对流层顶高度存在显著负相关,特别在华北、西北等地相关系数达—0.6以上。对流层300hPa的气温与对流层顶高度相关最显著,平均相关系数达0.6,而平流层100hPa的气温与对流层顶高度相关系数达—0.5,均通过显著性为99%的检验。对流层和平流层温度变化对对流层顶高度的影响也出现在数值模拟试验结果中,并且数值模拟进一步揭示出:同等增温幅度的情况下,对流层上部温度的增加对对流层顶高度的抬升作用超过对流层其他位置增温的作用;平流层下部增温对对流层顶高度有显著的抑制作用,并且这种抑制作用随着平流层下部增温幅度的加大变得越强。
中国绝大多数地区对流层顶高度与气溶胶光学厚度呈现负相关,其中华北、华中负相关显著,相关系数达到—0.4,能通过显著性为95%的检验;气溶胶光学厚度资料分析表明:这些相关显著的区域也是气溶胶光学厚度大值区。在全球变暖导致对流层顶高度上升的大背景下,气溶胶与对流层顶高度的负相关能造成这些区域对流层顶高度相对全球其他区域升高速率更为缓慢。
在全球气候模式CAM中,同时考虑硫酸盐、黑碳、有机碳、沙尘气溶胶直接辐射效应的模拟结果表明:几种气溶胶联合作用将使中国地区对流层顶高度降低,并且气溶胶对对流层顶高度的影响在空间上并非是一致的降低,其影响的范围也不仅局限于气溶胶分布的区域;在35—40°N的纬向区域是对流层顶高度降低最显著区域,对流层顶高度降低值为40—65m之间;这个区域是气溶胶的相对高值区,且这个带状区域存在较大数值的对流层负辐射强迫和平流层正辐射强迫。在30—35°N纬带的西藏、东亚东北部、巴尔喀什湖这些气溶胶较少区域出现了对流层顶高度的升高,西藏的升高值达120m。就整个中国区域的平均模拟结果看,气溶胶使对流层降温,使平流层升温;对流层降温显著区域在东亚东北部,贝湖附近中心值达—0.5℃,印度北部新疆南部也是一个显著降温的区域,中心值为—0.3℃。平流层升温最显著区域是贝湖附近和30°N以南的区域。贝湖附近对流层显著降温,平流层显著升温这样的配置导致对流层顶高度显著下降,平均下降80m。而印度北部新疆南部也是对流层顶高度下降区域,平均下降-20 m。另外华北至巴湖平流层气温下降,而这里对应对流层项高度的上升。