2018, Vol. 34
2. 云南大学大气科学系，云南 昆明 650091
2. Department of Atmospheric Science, Yunnan University, Kunming 650091, China
平均经圈环流（MMC，Mean Meridional Circulation）是由子午面上纬向平均的经向风速度和垂直速度决定的环流，主要包括Hadley环流圈、Ferrell环流圈和极地环流圈。代表热带大气主要特征的Hadley环流，通过向两半球的中高纬度传输能量与角动量及组织热带三维大气环流而在地球气候中扮演着重要角色。热带对流层大尺度环流所包含的垂直运动对于从对流层向平流层的空气传输是非常重要的[1]。站在全球的角度，对流层与平流层的环流肯定是相互依存、相互影响的，它们通过平流层的剩余环流——Brewer-Dobson环流，对空气质量的输送而联系起来。有研究表明，Hadley环流与Brewer-Dobson环流的变化趋于一致[2]。因此，对Hadley环流结构和强度等性状变化及气候效应的研究受到众多科学家的关注。在过去几十年中，国内外研究者通过统计分析、理论研究和数值模拟等方式对Hadley环流的基本特征、季节与年际变化、地域差异及维持机理等研究进行了深入探讨[3-14]。
大气臭氧作为大气中的一种重要化学组成成分，是当今大气科学的重要研究对象之一，其主要产生源区是赤道平流层高层大气，但地球大气臭氧总量分布自赤道向南北极却呈低-高-低型，这主要是大气环流和涡旋输送的结果。前人已对中高纬大气臭氧的时空分布、趋势变化、动力输送及气候效应等方面做了大量研究[15-24]。有研究显示，平流层下层和对流层上层的臭氧变化所引起的地面温度的变化比其他任何高度都要显著[25]；大西洋暖流加热引起的大气垂直运动是导致北欧地区大气臭氧低值区形成的主要原因[26]；青藏高原臭氧低值也是大气动力过程影响臭氧变化的一个典型范例[27-31]。相比中高纬度而言，热带地区臭氧浓度本身更低，研究相对要困难。郭世昌等[32-34]对Hadley环流与东亚局地臭氧变化关系做了初步研究。本文将在前人研究的基础上，使用最新的时间序列资料，用质量流函数的方法研究全球纬圈平均Hadley环流上升支的演变特征及其与整个低纬地区不同层次大气臭氧变化的关系，以期进一步探讨对流层-平流层之间大气臭氧的交换。
2 资料与方法本文所用的资料为欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的臭氧质量混合比的多层全球月平均资料（垂直方向分23层）以及NCEP/NCAR再分析资料中的经向风场ν（垂直方向为17层（1 000~10 hPa））、垂直风场ω（p坐标，垂直方向为12层（1 000~100 hPa）），资料时效为1958年1月—2016年12月共59年。资料水平分辨率均为2.5 °×2.5 °。为进一步验证NCEP/NCAR再分析资料研究Hadley环流的可靠性，本文还选取了水平、垂直分辨率更高的MERRA再分析风场资料，资料时效为1979年1月—2015年12月共37年，资料水平分辨率均为2/3 °×1/2 °，主要对比分析两套资料得到的Hadley环流强度的变化。
关于衡量Hadley环流的强度，前人做过很多相关研究，选取的衡量标准也不尽相同。本文为了突出大型经圈环流纬向平均的特征，选用比较经典的质量流函数Ψ的线性权重叠加计算方案[35]。该方案实质是从质量平衡的角度出发，使子午面上[ν]引起的穿越等Φ线向北的质量输送净值为0。
3 纬圈平均Hadley环流的气候平均态图 1是利用NCEP/NCAR再分析资料得到的1958—2016年气候平均态的Hadley环流。可见Hadley环流具有明显的2个环流圈，一般称之为向北输送（质量流函数为正值）的北半球Hadley环流圈和向南输送（质量流函数为负值）的南半球Hadley环流圈，均具有很强的季节变化。冬半球Hadley环流较强，夏半球Hadley环流较弱，过渡季节两半球的Hadley环流相对赤道呈对称分布。
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图 1 1958—2016年纬圈平均的Hadley环流气候平均态分布 等值线为质量流函数(单位：106 t/s)；矢量为流场(ν单位：m/s；ω单位：0.01 Pa/s)。a. 1月；b. 4月；c. 7月；d. 10月。 |
MERRA再分析资料得到的气候平均态Hadley环流圈（图略）平均位置与图 1一致，但强度更强。
4 Hadley环流上升支演变特征由于Hadley环流下沉支对主要集中在平流层的臭氧的影响可能只是间接的，我们重点研究Hadley环流上升支的变化特征。首先定义Hadley环流上升支强度指数(HAI)：南、北两半球Hadley环流圈最大质量流函数的和。它代表：单位时间内Hadley环流向上输送的空气总质量。
4.1 NCEP/NCAR和MERRA资料对比分析将NCEP/NCAR和MERRA两种再分析资料计算得到的HAI进行对比发现，两套资料得到的HAI所处平均高度、位置及纬度跨距基本一致。HAI逐月及年平均年代际演变及趋势变化图（图 2）中，两套资料计算出的HAI年代际演变趋势类似，其相关系数均通过1%的显著性水平检验。HAI均随时间有明显增强的趋势。但用MERRA再分析资料计算出的HAI值明显大于NCEP/NCAR的结果，1月大17%，4月大36%，7月大26%，10月大30%，年平均总体大26%。
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图 2 各月和年平均HAI年代际的MERRA（黄色线）和NCEP/NCAR（蓝色线）的演变（实线）及其趋势线（虚线）的计算结果 横坐标为年份。 |
综上所述，由于两套资料所得Hadley环流强度及演变趋势一致，由于NCEP/NCAR再分析资料的时间序列更长，故下文我们将用NCEP/NCAR资料得到的HAI做进一步分析。
4.2 Hadley环流上升支演变特征表 1给出了NCEP/NCAR再分析资料计算出的1958—2016年气候平均态的逐月Hadley环流上升支强度指数、所处平均高度、平均纬度及所跨的纬度间距。①从年变化尺度上看，具有2高2低的特征，即冬季和夏季HAI较大，最大值出现在2月、8月；春、秋季HAI较小，最小值出现在5月、11月。②根据HAI所处平均纬度可将HAI主要分为两种类型：冬半年型（12月—次年3月），HAI所处平均位置均位于南半球，且Hadley环流上升支强度越强其位置越偏南；4—5月为过渡季节，上升支的平均位置由南半球逐渐北移；夏半年型（6—9月），HAI所处平均位置位于北半球，强度越强位置越偏北；10—11月又转而向冬半年型转换。③ Hadley环流上升支所跨纬度间距平均为30个纬度，4月、5月上升支宽度最窄，冬半年型Hadley环流上升支所跨纬度范围最广。
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表 1 Hadley环流上升支强度指数(HAI)的强度、所处高度、平均位置、纬距跨度 |
图 3为NCEP/NCAR再分析资料得到的1958—2016年气候平均态的各月HAI距平值的年际年代际演变及9年滑动平均。可见，各季节代表月份的HAI具有一定的年代际特征，即1月、4月具有负距平-相持-正距平的年代际特征，线性增强趋势明显；7月、10月则表现为距平的正-负-正变化，但7月HAI在2012年以后有明显减弱趋势。总体上各季节HAI从1990年代中后期开始逐渐增强。
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图 3 各月HAI距平值的年际年代际演变（直方条）及9年滑动平均（实线） |
从年平均的HAI距平年际年代际演变（图 4）可以证实以上有关结论：年平均HAI距平在1990年代逐渐由负转正，并随时间逐渐增强，2010和2015年是近60年来的Hadley环流特强年。
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图 4 1958—2016年的年平均HAI距平值的年际年代际演变（直方条）及9年滑动平均（实线） |
将1958—2016年期间HAI各月及年平均的距平序列进行功率谱分析，取最大落后时间长度为13 a，所得通过5%显著性水平检验的周期分析结果如下：1月HAI具有3.25 a周期，4月周期不显著，7月有24 a周期，10月有3.25 a和2.89 a周期，整个年平均的HAI具有准2 a的显著周期。
5 Hadley环流上升支与大气臭氧变化的关系平流层臭氧是对生物至关重要的紫外线吸收剂。对流层臭氧属于温室气体，是光化学烟雾组成的成分之一，其含量虽仅占臭氧总量的10%，对人类和生物圈的危害却不容忽视。因此研究Hadley环流对臭氧垂直分布的影响十分必要。我们选取对应时段的ECMWF臭氧质量混合比资料，来分析春、夏、秋、冬的HAI变化与全球及东亚低纬地区大气臭氧变化之间的关系，季节划分以北半球为标准。
以100 hPa作为低纬地区的对流层顶。分别对1 000~100 hPa共13层资料进行积分转换得到对流层臭氧含量；对100~1 hPa共11层资料进行积分转换得到平流层臭氧含量；进行整层气柱积分得到整个臭氧柱的含量。首先研究Hadley环流与低纬对流层臭氧的关系。
5.1 HAI与对流层臭氧变化的关系分析图 5为各个季节HAI与低纬对流层臭氧质量混合比的同期相关系数。虚线表示负相关，实线表示正相关。除春季外，图中相关系数以纬向分布特征为主，不同季节随着纬圈平均Hadley环流的上升支位置变化，HAI与低纬对流层臭氧的相关系数沿纬圈带状分布特征明显，但与同纬度不同区域差异存在密切关系，冬春季明显大于夏秋季。
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图 5 HAI与对流层臭氧质量混合比的同期相关系数分布 黑色和灰色阴影区分别代表通过5%显著性水平检验的正相关和负相关区域（下同）。 |
HAI与对流层臭氧间相关系数这种纬带分布特征可能与Hadley环流对臭氧的动力输送有关。夏、秋、冬季的相关系数图均表明，HAI越强Hadley环流上升运动越强，低层臭氧被输送到高层和高纬度地区，从而Hadley环流上升支所对应纬带对流层臭氧浓度降低；同时，HAI越强，对应的整个Hadley环流圈也越强，从而可能加强上对流层-下平流层（UTLS）之间的空气质量交换，在下沉区将高层浓度较高臭氧输送到低层，导致下沉支所对应纬带对流层臭氧浓度增加。总体来讲，Hadley环流上升区也是对流层低空物质向平流层输送的主要渠道之一，其南北向来的低空污染物质有可能在低纬辐合并上升到平流层下部，然后向四周辐散。因此，对流层低浓度臭氧随环流上升运动向高层输送以及低空污染物在对流层引起的物理化学过程，都可能是引起对流层臭氧降低的原因。其中冬季上升支与同纬带对流层臭氧显著相关的区域性，体现了纬圈平均Hadley环流对对流层臭氧的输送的局地特征。
春季，相关系数分布特征较为特殊。我们进一步研究春季对流层各层次臭氧与同期HAI的相关系数分布，发现从1 000~100 hPa相关系数分布随高度的增加出现一个由正相关显著→正相关减弱、负相关增强→负相关显著的变化过程（图略）。这种特殊相关分布形势可能与春季Hadley环流本身以及对流层臭氧浓度的分布有关。
5.2 HAI与平流层臭氧、臭氧总量变化的关系分析图 6为各季节HAI与低纬平流层臭氧和臭氧总量的同期相关系数分布。HAI与平流层臭氧和臭氧总量的相关分布形势有类似之处，纬向分布特征较明显，均随季节而变，海洋较陆地显著，且与臭氧总量的相关较平流层臭氧更显著。这是因为大气臭氧主要分布在平流层，其主要趋势能反映出臭氧总量的整体趋势，而臭氧总量还包含对流层臭氧，Hadley环流对对流层臭氧的影响较显著，故而其与臭氧总量的相关要显著于与平流层臭氧的相关。
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图 6 HAI与平流层臭氧（左）和臭氧总量（右）的同期相关系数分布 |
图 5中相关系数的显著性说明Hadley环流与平流层臭氧之间也有统计学上的相关关系存在。Hadley环流可以通过影响平流层中的环流，如Brower-Dobson环流，间接影响到平流层臭氧的调整分配，平流层臭氧的变化也可能通过调整温度场结构影响到Hadley环流。但是目前我们还很难确切地说明二者之间的影响机制问题。但有一点是可以肯定，Hadley环流变化可以影响到对流层顶空气的变化，而上对流层-下平流层（UTLS）之间的空气质量交换是肯定存在的[36]。
5.3 年平均相关统计由1958—2001年的年平均HAI与纬圈平均臭氧质量混合比相关系数的垂直分布（图 7）可以很清楚地看出：平流层中下部有横跨所有纬带的显著负相关，HAI与对流层臭氧变化基本呈正相关，且北半球显著性相关面积明显大于南半球。
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图 7 年平均HAI与同期纬圈平均臭氧质量混合比相关系数的垂直分布 |
显然，年平均HAI与各个层次大气臭氧变化的关系明显不同于各季节的相关关系。以上分析表明，HAI表现为强指数年时，低纬对流层臭氧整体表现为增加、平流层中下部臭氧减少，体现出彼此的长期综合影响。这种相关性的出现可能与以下两个方面有关：①强Hadley环流年动力输送强，可能通过上对流层-下平流层（UTLS）之间的空气质量交换影响到平流层臭氧和对流层臭氧的分配；② Hadley环流上升支的强度越强，空气对流也越强，可能引发雷电，空气电离产生臭氧，通过环流输送影响对流层臭氧的分布。二者之间的具体影响机制还有待进一步深入探讨。
6 结论通过对纬圈平均Hadley质量流函数定义的上升支强度HAI的基本特征及其与低纬不同层次大气臭氧变化关系的初步分析，得出以下几点结论。
（1）冬季和夏季HAI较大，最大值出现在2月和8月，春、秋季HAI较小，最小值出现在5月和11月；Hadley环流上升支的位置随季节和强度发生变化；冬季Hadley环流上升支所跨纬度最宽，夏季最窄。
（2）各季节代表月份的HAI具有一定的年代际特征，即1月、4月具有负距平-相持-正距平的年代际特征，线性增强趋势明显；7月、10月则表现为距平的正-负-正变化，但7月HAI在2012年以后有明显减弱趋势。总体上各季节HAI从1990年代中后期开始逐渐增强。
（3）除春季外，HAI与同期低纬对流层大气臭氧的相关系数以纬向分布特征为主，体现了Hadley环流对对流层臭氧的输送作用：Hadley环流上升运动越强，上升支所对应纬度带对流层臭氧浓度越低，南北两个下沉区对流层臭氧浓度越高。春季HAI与对流层臭氧浓度相关系数的特殊关系，可能与春季Hadley环流本身以及春季对流层臭氧浓度的特殊性有关。
（4）HAI表现为强指数年时，低纬对流层臭氧整体表现为增加，平流层中下部臭氧减少，体现出Hadley环流和不同层次大气臭氧之间的长期综合影响。
（5）HAI与平流层臭氧及臭氧总量间确实有统计学上的显著的相关关系存在，但目前我们还很难确切地说明二者之间的影响机制问题。由于上对流层-下平流层之间的空气质量交换存在，Hadley环流变化确实可以影响到平流层下部臭氧的变化。
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