2025, Vol. 45
2. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203;
3. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088;
4. 海南省气象探测中心，海南 海口 570203
2. Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China;
3. College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China;
4. Hainan Meteorological Exploration Center, Haikou 570203, China
在垂直结构分层中，大气按照温度递减率被分为对流层、平流层、中间层和热层。位于对流层之上的是平流层，由于在平流层中温度随高度升高而增大，具有很强的静力稳定性。臭氧主要存在于平流层中，是地球大气中十分重要的微量成分之一。臭氧能阻挡来自太阳的紫外线辐射，对于地球上的生命正常生存和繁衍、大气结构稳定起到了极其重要的作用[1-5]。厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation，ENSO)作为最强的年际气候异常信号，不仅能够影响对流层的天气和气候，还能够影响平流层大气以及平流层臭氧的变化[6-9]。
已有许多研究表明，ENSO与平流层臭氧有着紧密的联系。ENSO暖相位(冷相位)期间的冬季，高纬度平流层臭氧增加(减少)，低纬度平流层臭氧减少(增加)，并且影响不同地区的臭氧滞后效应不同[10-12]。ENSO对热带平流层臭氧的影响主要是通过改变热带上升流变化的平流，而在中高纬度地区，是由剩余环流下沉引起的平流变化和与Rossby波破碎、极地涡旋异常有关的水平混合变化共同造成的[13]。Marsh等[14]利用WACCM3(the Whole Atmosphere Community Climate Model version 3) 模拟实验表明，平流层下部臭氧的变化与ENSO相关的热带上升流的变化密切相关；Oman等[15]使用GEOS5(Goddard Earth Observing System version 5)进行试验后也得出了相同的结论。平流层内存在一个全球尺度的经向物质环流，此环流由Brewer和Dobson提出，所以又称Brewer-Dobson(BD)环流。BD环流描述了对流层物质从热带上传进入平流层，在平流层内向上向极输送，在中高纬度下沉回到对流层的过程[16]。Diallo等[17]通过对BD环流强度的回归分析表明，ENSO引起平流层下部BD环流的变化，其中暖相位时期BD环流浅支的加强导致热带臭氧的减少，过渡支的减弱导致温带对流层上部平流层下部臭氧的增加。对于北半球中纬度，Zhang等[18]研究发现ENSO热带对流激发的Rossby波传播到中纬度地区导致臭氧异常。而对于南半球中纬度，Gamelin等[19]研究表明，ENSO能够通过Rossby波产生遥相关太平洋-南美模式对臭氧进行影响。
前人对ENSO与平流层臭氧的关系已有不少研究，但较多研究都是全球或半球或两极，空间尺度较大以及针对问题不同，缺少具体对影响东亚地区平流层臭氧的研究。因此，利用ERA5再分析资料，通过计算相关诊断因子，统计分析ENSO与东亚地区平流层臭氧的联系，并关注其影响过程中的动力过程和热力过程，从而进一步补充与东亚地区平流层臭氧相关的研究，为该地区臭氧预测提供科学的参考依据。
1 资料与方法 1.1 数据来源研究时段为1979年1月—2021年12月，使用的数据如下：(1)英国气象局哈得来中心提供的1950—2020年空间分辨率为1°×1°(经度×纬度)的全球范围海面温度(sea surface temperature，SST；简称“海温”)资料1.1版本(HadISST1；https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/)。(2)欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的ERA5全球再分析月平均资料的水平风、温度、气压、相对涡度、位势、臭氧总量、臭氧质量混合比等数据(https://cds.climate.copernicus.eu/datasets/reanalysis-era5-pressure-levels-monthly-means)，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直分层在850~1 hPa(具体分层为1、2、3、5、7、10、20、30、50、70、100、125、150、175、200、225、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、775、800、825、850 hPa)。
1.2 方法介绍 1.2.1 ENSO事件的挑选Niño 3.4指数是ENSO常用指数，即5°S~5°N、170°~120°W区域的海面温度异常(SST anomaly，SSTA)。ENSO事件的挑选标准根据美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)的定义，3个月滑动平均的Niño 3.4指数连续6个月高于0.5 ℃(低于0.5 ℃)为一次El Niño(La Niña)事件。
利用HadISST数据集的SST数据进行Niño 3.4指数的计算，并根据以上分类标准筛选出ENSO正相位(El Niño)、负相位(La Niña)事件。表 1为选取出来的ENSO事件，1979—2021年共发生El Niño事件14次，La Niña事件14次。
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表 1 研究选取的1979—2021年ENSO事件 Table 1 ENSO events used in this study from 1979 to 2021 |
过去的研究人员对大气臭氧垂直分布进行直接探测，总结推算出指定高度范围内臭氧总量(Z)的积分计算经验公式[20-21]。
| $ Z_{P 1}^{P 2}=\int_{P 1}^{P 2} 0.789 M \mathrm{~d} p $ | (1) |
其中：M为臭氧体积混合比，单位为mg/kg；p为压强，单位为hPa；P1和P2分别为下层和上层的气压。文中将200~1 hPa高度范围内的臭氧作为平流层臭氧整层总量，并按照对应的几何高度等分为3个高度层，即平流层低层(200~50 hPa)、中层(50~10 hPa)、高层(10~1 hPa)。
1.2.3 Plumb波通量计算方法Plumb通过研究小振幅定常波在纬向均匀基本流中传播时的守恒关系，得出定常Rossby波的三维波活动通量，Plumb波通量能够表示波能量的传播方向[22]。自从Plumb波作用通量提出后，因为其能有效分析定常Rossby波的三维传播特性，所以被广泛使用在中高纬度波活动的研究中[23-25]。Plumb波通量($\stackrel{\rightharpoonup}{F}$)表达式如下。
| $ \stackrel{\rightharpoonup}{F}=\frac{p}{p_0} \cos \varphi \times\left(\begin{array}{c} v^{\prime}-\frac{1}{2 \mathit{\Omega} a \sin 2 \varphi} \frac{\partial\left(v^{\prime} \varPhi^{\prime}\right)}{\partial \lambda} \\ -u^{\prime} v^{\prime}+\frac{1}{2 \mathit{\Omega} a \sin 2 \varphi} \frac{\partial\left(u^{\prime} \varPhi^{\prime}\right)}{\partial \lambda} \\ \frac{2 \mathit{\Omega} \sin \varphi}{S} v^{\prime} T^{\prime}-\frac{1}{2 \mathit{\Omega} a \sin 2 \varphi} \frac{\partial\left(T^{\prime} \varPhi^{\prime}\right)}{\partial \lambda} \end{array}\right) $ | (2) |
其中：φ、λ分别表示纬度、经度；Φ表示位势，单位为m2/s2；u、v分别表示纬向风速、经向风速，单位为m/s；T表示大气温度，单位为K；a、Ω是地球半径、地球自转速率，分别为6 400 km、7.292×10-5 rad/s；p0表示标准气压，通常为1 000 hPa；$S=\frac{\partial \bar{T}}{\partial z}+\frac{\kappa \bar{T}}{H}$，表示静力稳定度；z=－Hln(p/p0)，表示将p垂直坐标转换为log p的垂直坐标；κ≈0.286，为气体常数与定压比热之比；H=8 km，为标高；“′”表示纬向偏差，“—”表示纬向平均。
1.2.4 统计学方法同时，还用到合成分析、线性回归、显著性t检验、奇异值分解(singular value decomposition，SVD)等统计学方法。通过合成分析能够得到不同事件下某气象变量的平均值，从而探究这种气象变量在某一事件下的总体特征。利用线性回归能够将某气象指数的时间序列回归到某气象要素场，来展现该指数代表事件在气象要素场的贡献。奇异值分解是一种矩阵因子分解方法，在气象研究领域中，运用奇异值分解能够找寻2个气象要素场的相互联系，探究2个要素场的协同关系[26-27]。
2 ENSO与东亚地区平流层臭氧的联系ENSO事件一般在冬季达到盛期，是其海洋-大气相互作用最强烈的阶段[28-29]，所以文中研究ENSO与东亚地区平流层臭氧的相关关系着眼于ENSO事件冬季东亚地区平流层臭氧异常。
图 1为ENSO事件中El Niño和La Niña冬季东亚地区区域平均的平流层臭氧异常，分析各个高度层区域平均的平流层臭氧异常情况能够得到El Niño和La Niña冬季平流层整层臭氧异常的最大值为8.8 DU和11.8 DU，最小值为-7.1 DU和-11.6 DU，上四分位数为4.9 DU和3.5 DU，下四分位数为-2.9 DU和-2.7 DU，中位数为2.2 DU和0.4 DU，平均值为0.9 DU和0.5 DU，东亚地区平流层整层臭氧异常过于离散，异常的正负倾向不明显。将平流层分为低层、中层、高层来看，高层的臭氧异常几乎没有，最大值为1.3 DU和1.0 DU，最小值为-1.3 DU和-1.4 DU。而臭氧异常主要集中于低层和中层，并且低层的臭氧异常更为集中，低层臭氧异常的最大值分别为4.4 DU和5.8 DU，最小值为-1.9 DU和-4.3 DU，上四分位数为1.7 DU和2.3 DU，下四分位数为-0.9 DU和-2.7 DU，中位数为0.6 DU和-1.4 DU，平均值分别为0.7 DU和-0.3 DU，能够看出El Niño(La Niña)冬季平流层低层臭氧存在微小正(负)异常。总体上东亚地区的臭氧异常在区域平均上的体现较难，只有平流层低层能够略微显示出El Niño(La Niña)冬季存在臭氧正(负)异常，需要进一步从空间分布来分析臭氧异常情况。
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图 1 El Niño和La Niña事件中冬季东亚地区不同高度平流层的区域平均臭氧含量异常箱型图 Fig.1 Box plot of regional mean ozone content anomalies in the stratosphere at different altitudes in East Asia in winter during the El Niño and La Niña events |
图 2为ENSO正负相位的冬季东亚地区不同高度层的平流层臭氧异常的差值分布，可以看到平流层整层、中层、高层基本上没有能够通过显著性检验的，只有在低层的25°~30°N、70°~120°E范围内存在显著的臭氧正异常且强度大，达8.2 DU(图 2b)。结合图 1和图 2的结果说明，ENSO对东亚地区平流层臭氧的影响不是整个地区和全部高度层，而是体现在平流层低层25°~30°N、70°~120°E范围内。
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图 2 ENSO正负相位事件中冬季东亚地区不同高度层的平流层臭氧含量异常的差值水平分布 Fig.2 Horizontal distribution of the difference in stratospheric ozone content anomalies at different altitude levels in East Asia during winter for ENSO positive and negative phase events |
由于ENSO对东亚地区平流层臭氧的影响体现在平流层低层，为了更直观地探究两者的关系，需要对平流层低层中受影响区域的臭氧含量进行量化。所以，这里定义一个指数，将图 2b中的显著臭氧异常区域(即阴影处)的臭氧含量进行平均，作为表征东亚地区平流层低层臭氧异常的指数，后文简称为低层臭氧异常值(total column ozone of lower layer anomaly，简记为“Tcoa”)指数。其标准化后的1979—2021年冬季Tcoa指数和Niño 3.4指数见图 3，可以看到Niño 3.4指数和Tcoa指数的趋势较为相似，Niño 3.4指数为正(负)的年份中有14/18(15/24)比例的Tcoa指数为正(负)，并且2个指数的相关性为正，系数为0.54，说明ENSO与东亚地区该区域的平流层低层臭氧存在正相关关系。
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图 3 1979—2021年标准化的冬季Niño 3.4指数和Tcoa指数统计 Fig.3 Statistical plot of standardized Niño 3.4 index and Tcoa index in winter from 1979 to 2021 |
ENSO对东亚地区平流层低层臭氧存在显著的影响，接下来进一步探讨ENSO如何影响东亚地区平流层低层臭氧。平流层中层臭氧主要受化学过程影响，而平流层低层臭氧的变化主要受动力过程影响[30-31]，因此主要从动力过程研究ENSO对其的影响。
平流层臭氧变化离不开平流层环流的变化，而Rossby波作为调节平流层环流的关键作用因素[32]，ENSO影响东亚地区平流层低层臭氧是否和Rossby波异常有关？ENSO事件的现象是赤道中东太平洋SST异常增暖(变冷)，SST异常增暖(变冷)能够在区域附近激发Rossby波并向热带外的纬度传播，从而影响热带外大气大范围异常。由图 4可以看到ENSO正相位在低纬度激发Rossby波的上传，Rossby波从对流层上传到对流层高层和平流层低层。波通量的异常中心与气候态的极值中心高度一致，相位和波通量的气候态相反，由于位势高度背景场为负纬向偏差，波通量的正异常导致位势高度的正纬向偏差异常，在平流层低层形成位势高度异常。
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图 4 ENSO正负相位事件中冬季垂直波通量异常的差值分布 Fig.4 Distribution of difference values of vertical wave flux anomalies on vertical profiles in winter during ENSO positive and negative phase events |
根据图 4可知，ENSO正相位在热带中东太平洋地区加热产生的波通量异常上传到平流层低层后，结合图 5可知其异常上传使得中低纬度的中东太平洋地区(5°~30°N，150°E~90°W)形成位势高度正异常。同时，由图 5可以看到，异常的位势高度伴随着一个西北方向的波通量异常，集中在西北太平洋上空。由于这部分的波通量异常与气候态的波通量方向相反，导致上游传播到下游的能量减少，使得上游能量增加，下游能量减少，阻塞原本由西向东的Rossby波能量的正常传播，使得波通量在东亚地区的20°~35°N、80°~130°E区域内产生位势高度负异常等大气变化。
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图 5 ENSO正负相位事件中200 hPa高度层位势高度异常的差值、水平波通量异常的差值分布及位势高度、水平波通量气候平均值分布 Fig.5 Distribution of difference values of geopotential height anomalies and difference values of horizontal wave flux anomalies at 200 hPa during ENSO positive and negative phase events, and distribution of climatic means of geopotential heights and horizontal wave fluxes |
探讨出ENSO影响到东亚地区平流层低层大气的途径后，进一步研究该地区大气是如何导致臭氧异常的。位势涡度简称“位涡”，是绝对涡度和位温梯度的乘积，在绝热条件下具有守恒性，位涡随纬度增加而增大，因此不仅能够利用等位温面上的位涡(即等熵位涡)对大气的运动进行示踪，还能够对平流层臭氧进行示踪[33]。图 6为El Niño和La Niña事件中不同等熵面上东亚地区的位势涡度的差值分布(330 K等熵面代表对流层高层，350~475 K代表平流层低层)，可以看到，等熵位涡在东亚地区主要呈现为正异常，并且异常在350 K和370 K的等熵面上最为强烈，因为等熵位涡的守恒性，正异常体现了高纬度的大气向南进行移动。这说明ENSO产生的一系列波活动使得东亚地区的大气进行经向移动，当ENSO处于正相位会使得北方的空气向南移动。臭氧浓度大体上呈现出随纬度升高而增加的情况，这是由于经向上臭氧由低纬度化学反应产生，然后将热带平流层中高浓度的臭氧通过动力运输最终富集到中高纬度，并下沉堆积[17]。因为臭氧浓度的分布由南向北递增，所以高纬度地区的臭氧含有更高的浓度，而其向南移动到东亚地区的25°~35°N区域，导致该区域臭氧的正异常。
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图 6 ENSO正负相位事件中不同等熵面上东亚地区位势涡度异常的差值分布 Fig.6 Distribution of difference values of potential vorticity anomalies in East Asia on different isentropic surfaces during ENSO positive and negative phase events |
研究[18, 34-35]指出，对流层顶附近的涡度变化能够影响大尺度的垂直运动，进而造成臭氧浓度的变化。图 7给出了El Niño和La Niña事件不同等熵面上东亚地区相对涡度的差值，可以看到东亚地区存在明显的正涡度异常，该异常由330 K一直延伸到475 K，其中350 K的正异常最大。这说明在东亚地区对流层高层到平流层低层的高度范围内，ENSO正相位的正涡度异常产生了下沉运动，根据臭氧的垂直分布，使得高浓度的臭氧向下运输，造成该区域臭氧的增加。此外还发现，ENSO导致的东亚地区平流层低层的热力异常有助于该涡度异常的增强。由热力适应理论可知，大气加热(变冷)使得气柱位温升高(降低)，在加热(变冷)层之上因位温梯度降低(增加)而产生反气旋(气旋式)涡度，在加热(变冷)层之下则相反[36]。由图 8可以看到ENSO正相位时，东亚地区的25°~35°N存在负的温度异常，在300 hPa即对流层高层最为强烈，并且此异常导致平流层低层的位温梯度增加。这种热力条件使得平流层低层的气旋式涡度加强，促进图 6中正涡度异常的形成和发展。
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图 7 ENSO正负相位事件中不同等熵面上东亚地区相对涡度异常的差值分布 Fig.7 Distribution of difference values of relative vorticity anomalies in East Asia on different isentropic surfaces during ENSO positive and negative phase events |
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图 8 ENSO正负相位事件中东亚地区不同高度层上温度异常的差值和不同等熵面上位温梯度异常的差值分布 Fig.8 Distribution of difference values of temperature anomalies at different altitudes and difference values of potential temperature gradient anomalies on different isentropic surfaces in East Asia during ENSO positive and negative phase events |
图 9给出了1979—2021年冬季Niño 3.4指数和Tcoa指数的11年滑动相关系数，可以看到相关系数存在低相关时期和高相关时期的一个转折。通过滑动t检验对突变点进行判断，综合4个滑动窗口的检验结果得知1991、1992年的检验系数最高，确定出2个时期的分界年份为1991、1992年附近(图 9)。由此从1979—2021年筛选出一个低相关时期P1(1979—1990年)，其平均的11年滑动相关系数为0.12，以及一个高相关时期P2(1993—2020年)，其平均的11年滑动相关系数为0.51。
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图 9 1979—2021年冬季Niño 3.4指数和Tcoa指数11年滑动相关系数及其滑动t检验系数 Fig.9 Statistical plot of 11-year sliding correlation coefficients and sliding t-test coefficients of Niño 3.4 index and Tcoa index in winter from 1979 to 2021 |
为了厘清导致P1和P2时期相关性差别的原因，SSTA作为ENSO的实质特征，对2个时期的东亚地区臭氧异常和热带太平洋SSTA进行SVD，从而了解是否因为SSTA变化导致ENSO与东亚地区平流层臭氧联系的改变。由图 10可以看到，2个时期SVD后的臭氧场和海温场有所不同，P1和P2时期臭氧场的正值中心位置一致，但P2时期的臭氧在强度和范围上都比P1时期要大。关于海温场的对比，P1和P2时期SST的空间形态有所不同，P1时期SST正值主要位于赤道东太平洋，而P2时期主要位于中东太平洋。故由于P1和P2时期臭氧和SST在空间上的关联形态改变，从而导致2个时期相关性的变化。一方面，从臭氧场的对比来看，P2时期SSTA对东亚地区低层臭氧的影响更大；另一方面，因为ENSO从空间形态来划分分为东部型和中部型，P1时期SST的形态显示东亚地区臭氧主要响应东部型ENSO，而P2时期显示可以响应东部型和中部型两种ENSO，所以P2时期的ENSO能够与东亚地区平流层低层臭氧有更强的关联。
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图 10 低相关时期P1(1979—1990年)和高相关时期P2(1993—2020年)臭氧异常和SSTA的奇异值分解结果 Fig.10 SVD results for ozone anomalies and SSTA during the low correlation period P1 (1979-1990) and high correlation period P2 (1993-2020) |
图 11和图 12分别给出P1和P2时期冬季Niño 3.4指数回归的垂直剖面上垂直波通量、200 hPa高度层上位势高度和波通量。在热带中东太平洋的垂直波通量中，2个时期在对流层高层和平流层低层存在正波通量，区别在于P1时期的波通量更强，但P2时期的波通量在经向上的范围更广(图 11)。由水平分布来看，P2时期从中东太平洋传播到东亚地区的波通量比P1更强(图 12)。ENSO在P1和P2时期的波通量异常分布大致相同，但由于P2时期上传的波通量异常更广，传播到东亚地区的波通量异常更强，所以ENSO在P2时期比P1时期对东亚地区平流层低层大气影响要强烈。
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图 11 P1和P2时期冬季Niño 3.4指数回归的垂直剖面上垂直波通量的回归系数 Fig.11 Plot of regression coefficients of vertical wave fluxes on vertical profiles from Niño 3.4 index in winter during P1 and P2 periods |
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图 12 P1和P2时期冬季Niño 3.4指数回归的200 hPa高度层上位势高度和水平波通量的回归系数水平分布 Fig.12 Horizontal distribution of regression coefficients of geopotential height and horizontal wave flux at 200 hPa from Niño 3.4 index in winter during P1 and P2 periods |
基于1979—2021年HadISST数据集和ERA5再分析资料，挑选出ENSO事件，通过合成分析对ENSO与东亚地区平流层臭氧的联系进行统计，并且进一步探讨了ENSO对东亚地区平流层臭氧的影响机制。同时，利用奇异值分解方法对ENSO与东亚地区平流层臭氧联系的年代际变化进行研究。得到以下结论：
(1) ENSO对整个东亚地区平流层臭氧的影响不明显，主要影响东亚地区平流层低层的臭氧。ENSO处于正相位时，在平流层低层的25°~30°N、70°~120°E范围内存在显著的臭氧正异常，ENSO与该范围臭氧呈正相关关系。
(2) ENSO主要通过SSTA产生的Rossby波活动异常影响东亚地区平流层大气。ENSO导致的Rossby波活动异常以低层影响为主。ENSO正相位在低纬度伴随着Rossby波的上传，在平流层低层形成位势高度正异常，并在水平方向上进一步激发了由热带中东太平洋至东亚地区的西北向波通量异常，使得东亚地区产生位势高度负异常，以此达到ENSO影响东亚地区平流层大气的结果。
(3) ENSO对东亚地区平流层大气的扰动，通过动力过程来影响臭氧。一方面，ENSO产生的一系列波活动使得东亚地区的大气进行经向移动，当ENSO处于正相位时，北方含有高浓度臭氧的空气向南移动到东亚地区的25°~35°N区域导致臭氧的正异常；另一方面，ENSO正相位的正涡度异常产生下沉运动，高浓度的臭氧向下运输造成该区域臭氧的增加，并且热力条件使得平流层低层的气旋式涡度加强。
(4) ENSO与东亚地区平流层臭氧的关系在1979—2021年存在一个年代际变化。由于P1时期(1979—1990年)和P2时期(1993—2020年)臭氧与SST在空间上的关联形态改变导致2个时期相关性的变化，P2时期SSTA对东亚地区低层臭氧的影响更大，且P2时期的SSTA形态能够与东亚地区平流层低层臭氧有更强的关联。P2时期上传的波通量异常更广，传播到东亚地区的波通量异常更强，所以对东亚地区平流层低层大气影响要强烈。
文中对ENSO与东亚地区平流层臭氧的研究仅着眼于动力过程，且需进一步完善，而对于其次要的化学过程研究也是有必要的。另外，因各层臭氧混合比资料的时间长度有限，故对于ENSO与东亚地区平流层臭氧关系的年代际变化还有待深入探究。
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