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春季平流层极端事件及其对极地中层云（PMC）的发生的影响

作者：David E.Siskind, Douglas R. Allen , Cora E. Randall , V. Lynn Harvey , Mark E. Hervig ,Jerry Lumpe , Brentha Thurairajah, Scott M. Bailey, James M. Russell III

发表于2015年6月26日《大气与太阳 - 地球物理学报》

关键词：中间层、平流层、极地中层云

摘要：

我们使用来自中层探测器（AIM）的冰中大气层数据、NASA对现代时代的回顾性研究和应用（MERRA）去分析平流层数据，并探讨北半球（NH）极地中层云季节（PMC）的起始和变化。与最近公布的结果一致，我们认为2013年NH PMC季节的提前开始是由于春季平流层的温暖异常;反过来，2008年PMC的稍晚发生恰好是由于春季平流层寒冷异常。比较类似的，1997年和2011年的平流层温度异常也能与中间层顶附近的环境或现象建立联系，无论是直接地通过观测到的温度，还是间接地通过观察到的PMC早期发病现象。在2008年，1997年，2011年和2013年这四年的MERRA分析数据中，平流层春季温度极值和同时间行星波活动的极值是能对应的。同时，三年间（1997年，2011年和2013年）显示出的行星波活动增强的现象与最近研究确定的平流层冻结反气旋（FrIAC）现象吻合度很高。这其中，1997年和2013年的FrIAC与PMC的早期发病有关; 然而，2011年戏剧性的FrIAC不包括在此，这可能是因为2011年的FrIAC在春季发生得太早。综合上述事件，我们认为 NH PMC发病与平流层FrIAC现象有所联系，并可能代表了平流层和中间层之间一种新的耦合模式。所以根据近年来FrIAC发生似乎更频繁，我们推测NH PMC季节也可能会更早发生。在研究的最后，我们比较了2011年和2013年两年中FrIAC现象对应的平均纬向风和观测到的重力波活动，我们未发现2013年重力波活动比2011年更活跃的证据（即两者重力波活跃程度相仿），因此我们认为行星波的直接强迫是加速2013年5月NH中间层顶温度降低和加湿的关键原因。

1.介绍

最近我们对极地中层云（PMC）季节的变化很感兴趣，特别是当它涉及到在低层大气中发生的气象强迫起源研究时。PMC对温度和水汽非常敏感，所以背景湿度的微小变化都会对其发病和亮度产生很大的影响。PMC季节的发生一般被认为是半球间（相反半球的平流层冬季）（如Becker等，2004年; Karlsson等，2009年; Siskind等，2011年所述）或 半球内（与同一半球的晚春/初夏）（例如Karlsson等，2011年所述）。Gumbel和Karlsson对半球间和半球内耦合的相关角色进行了量化（2011年），同时研究发现，通过调节从平流层到中间层极涡的重力通量，能有效控制半球内部耦合，即南半球PMC季节的发生；对于北半球（NH），Gumbel和Karlsson（2011）以及Benze等人 （2012）都认为，半球内耦合不太可能会控制PMC季节的开始，因为平流层冬季涡在PMC季节开始的前两个月左右就会分解。然而，Fiedler等人（2014）认为，2013年挪威北部的夜光云季的早期发作就是半球内耦合的结果。本文的总体目的是扩展Fiedler等人2014年的分析，并利用多年来的卫星资料将其置于更一般的背景下。在这样做的过程中，我们将确定北半球春季中间层顶层地区以前记录的平流层变化和环境条件之间的新关联。下文中我们使用术语“PMC”来指代PMC或NLC（noctilucent clouds）。

2.中间层（AIM）卫星的冰中大气层数据

本文中的许多分析都使用了源自AIM太阳掩星试验（SOFIE）和云雾成像和粒径仪（CIPS）的数据。AIM是2007年发射的一种太阳同步极轨卫星（Russell等，2009）,SOFIE仪器观测温度的垂直廓线（Stevens等，2012）、PMC的消失（例如Hervig等，2009）以及两个半球极地范围的几种微量气体（Gordley等2009）,CIPS仪器则提供25km²水平分辨率的PMC的最低点图像。CIPS检索由Lumpe等人描述（2013年）,PMC数据由Benze等人验证（2009; 2011）。

AIM测量结果显示出在NH PMC的发病日期中某些有趣的变化，包括如Fiedler等人（2014）所描述的2013年NH PMC季节异常早期发病事件。表1列出了AIM上的两个仪器和两个相关的太阳通量指数——F10.7无线电指数和莱曼alpha;通量的月平均值，及其确定的NH PMC季节发生日期（起始天数约在五月份）。 CIPS仪器通过最低点成像观察纬度范围内的云，而SOFIE则观察到肢体上的狭窄纬度范围。

为了定义SOFIE记录中PMC季节的开始时间，我们把从一天到下一天都显示连续冰的那天定为第一天（即避免孤立的单日异常）。另外，由于CIPS数据分析是基于3C等级、纬度1度分档数据，故季节开始时间可以定为日平均CIPS云频率在反射率阈值为2times;10^-6 sr^-1的任意纬度上超过5％的那一天。尽管SOFIE比CIPS更敏感，但比起CIPS可观测到的较高纬度地区，它通常会观察PMC质量密度较低的纬度（65-71°）。无论如何，两种方式的敏感度不同和纬度范围的影响会大致抵消，CIPS和SOFIE通常会在同样的几天内观察本季的第一批云。表1显示，CIPS和SOFIE观察到NH 2013季节的开始时间比2008年提前10-14天。这特别令人惊讶，因为2013年的太阳活动显著活跃，而Benze等人 （2012）发现，太阳活动增加，大气中水汽光解和平流层加热可能增强，可能会使PMC季节发生延迟; 这与表1中记录的2013年季节的提前相反。

图1将SOFIE温度和水汽测量结果中的云发生日期都放置在83 km处（即PMC高度），在此高度上SOFIE和CIPS对六个NH泉水都能一致覆盖。该图显示出整个周期内温度普遍下降，水汽增加。温度和水汽变化也表现出明显的年际差异，这与表1中给出的PMC发生日期的变化密切相关。最值得注意的是，从4月底到5月，2013年持续寒冷潮湿，而2008年一直是6年来最热和最干燥的季节。在4月初（92-100天），2011年是6年来最冷最湿的一年， 虽然这并没有持续下去，2011年的寒冷异常将在下面进一步讨论。其他年份介于2013年和2008年的极端之间。2013年春季的寒冷和潮湿与Fiedler等人最近提出的结果一致（2014）; 而2008年显示出的完全相反的情况则是一个新的亮点。

图1）日平均温度（a）和水蒸气混合比（b）

在SOFIE的83公里高度上观测到的6年间指定期间的情况。实心黑色是2013年（最冷和最潮湿），实心绿色是2008年（最热和最干燥），实心蓝色是2009年，实心红色是2010年，黑色破折号是2011年，红色破折号是2012年。在此期间SOFIE观察纬度在83°N（第90天）和68°N（第150天）之间平稳变化。（为了解释这个图例中的颜色引用，读者可以参考这篇文章的web版本。）

3. NH春天的平流层温度和波动活动

Fiedler等人（2014）将2013年PMC的早期发病归因于发生异常晚、增强的行星波活动，图2证实了上述推测，通过提出伴随60°N的北向涡流热通量变化的10 hPa春季平流层温度的时间序列，这一序列是可以认作行星波活动的指标的。根据MERRA数据可得（Reinecker 等人，1987），涡旋热通量与vtheta;成比例（参见Andrews等，1987），其中v是经向风，theta;是位势温度，素数代表偏离维向平均值，这可从http://acdbext.gsfc.nasa.gov/Data_services/ MET / ann_data.html获得相关说明。正如众多作者所讨论的（Fiedler等，2014; Siskind等，2010），这种热通量的发散是纬向动量方程中的强迫项。下面讨论的四个特定年份与MERRA数据集（纯黑线）和每日极值（虚线）的日平均值将会一起突出显示。总而言之，这四年几乎占了MERRA 4月和5月份的所有极端温度记录。图2显示了2013年4月下旬至5月上旬平流层温度记录与4月15日至5月1日行星波活动记录之间的关系，这是Fiedler等人结果的精髓（2014）。

图2.（上图）3月至6月期间80°N的10 hPa区域平均日平均温度的比较。 黑色实线是MERRA公司36年（1979 - 2014年）的平均值，上下黑色虚线曲线是每个日期的36年最大值和最小值。 彩色曲线适用于指定的年份，并说明4月和5月的记录最大值和最小值是如何用所示的4年来解释的。 （下图）每日平均涡流热通量作为MERRA 60°N下行星波活动的指标，以与温度相似的格式绘制。 （为了解释这个图例中的颜色引用，读者可以参考这篇文章的web版本。）

然而，图2也有其它有趣的发现。首先，通过表明在相反的极端的年份，平流层的非常寒冷与相对较晚的PMC发病有关（即2008年），表1中的AIM数据与MERRA数据的比较可以说扩展了Fiedler等人的结果。对此，由AIM数据显示可清楚知道，2008年PMC发病时间比2013年晚了近两周，并且中层顶部区域特别温暖，与其他年份相比干燥。图2的底图显示2008年春季几乎没有平流层行星波活动。通过比较这两个极端年份之间温度和纬向风的差异，我们可为中纬度大气春季极端事件定义一种高纬度异常模式，这在图3中有所显示，它表明，温度对极端事件的主导模式是平流层中到顶部的一个温暖的异常以及中间层的一个冷的异常；风的模式则是从平流层上层向中间层下层延伸的明显的西向异常。这两种异常模式都局限于北半球中纬度地区，即半球内耦合是表1中PMC发生日期极端事件的原因，而不是半球间耦合。

图2中重点显示的其他年份也很受关注。例如，Benze等人在太阳背散射紫外线（SBUV）记录中证实的PMC发生日期的研究（2012年）显示，最早的PMC发生时间在1997年有所记录。图2显示，1997年的特点是平流层温度相对温暖，行星波活动增强；最后，我们看到2011年的特点是4月初温度升高了20 K，这与行星波的大量活动有关，但与2013年不同，这是短暂的，记录到的温度变化仅持续约10天。

从图1中注意到，2011年4月初的平流层增强正好与SOFIE中同时出现的相对寒冷和潮湿的时段相吻合，这在上文进行了讨论。因此，上文提到的温度对极端事件的主导模式似乎只适用于2013年初PMC发病的单个案例。2011年春天在文献中受到特别关注，我们将在接下来的两节中讨论并与2013年春季进行比较。

图3. 2013年和2008年在Doy 110-130（4月20日至5月10日）的温度差异（上图）、地区平均纬向风（底部）——来源于MERRA

。

4.中层顶部区域和平流层冻结反气旋（FrIACs）之间的联系

图2中显著的行星波活动是冬季至夏季过渡时段的一部分，与旋风极涡的最终分裂有关。这也被称为平流层最终变暖（SFW）。近年来，人们已经注意到，SFW在涡流破裂后很长时间后，有时可以产生动态和化学特征，这被称为冻结反气旋（FrIAC）现象（Manney et al.，2006），当低纬度反气旋向极地移动发生并且在夏季会被困在高纬度地区。关于FrIAC有一篇新兴文献（例如Lahoz等人，2007; Thieblemont等人，2011; Allen等人，2012），强调了快速的行星波推动冬季涡旋西风向夏季东风的逆转作用。这可以通过与其相关的化学示踪剂来捕捉反气旋涡旋。正如我们将要讨论的那样，似乎在某些条件下，FrIAC的发生可能是有利于早期PMC发作的典型代表因素。

此外，FrIAC的气候学已经在MERRA再分析期间 (1979 to present)有所构建 (Allen et al.,2012)，并能通过使用ERA再分析(Thieblemont et al., 2013)回溯到1960年。这些气候学对本研究有用，因为它们允许将2013年春末的行星波活动置于历史背景下。2011年的FrIAC是MERRA记录中最强烈的，也是Allen等人（2013）和Thieblemont等人（2013年）在论述中特别感兴趣的。

在极地地区，低纬度空气的快速持续运输已经能确定FrIACs的发生。各种示踪剂已被用于识别这种空气，包括长期存在的痕量气体如N₂O（Manney et al.，2006）或CH₄（Lahoz et al.，2007）或动力学示踪剂如位涡（Thieblemont et al.，2011）。这里我们使用由SOFIE测量的CH₄的春季变化作为一种FrIAC可能发生的潜在指标。 图4显示了2013年春季和夏季的1.8 hPa纬向平均SOFIE CH₄以及2008,2009,2010和2012年的平均SOFIE CH₄。4年平均值代表了两个扰动年份的未扰动变率；2011年和2013年CH₄的戏剧性跳跃显而易见。要注意，如图2中涡流热通量所示，急剧增加的时间与行星波活动密切相关。此外，2011年CH₄增加的时间与2011年记录的FrIAC的发展时段呈现一致（Allen et al.，2013），这可归因于大量CH₄的极性运输。由此看来，2013年发生了类似事件。2013年的甲烷值并不像2011年那么高，但可能正如Bailey等人记录，是因为中间层空气的下降引起的CH₄初始值很低（2014）。<!--

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