全球变化条件下平流层大气长期变化趋势

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1、1全球变化条件下的平流层大气长期变化趋势胡永云，丁峰，夏炎（北京大学物理学院大气科学系，北京，10087）摘要：两个因素将对21世纪平流层气候变化产生重要作用。一个是温室气体增加，另一个是平流层臭氧的可能恢复。温室气体增加的辐射效应一方面造成地面和对流层变暖，另一方面却导致平流层变冷，而臭氧层恢复的辐射效应则导致平流层变暖。在温室气体增加和臭氧恢复这两种相反因素作用下的平流层温度如何变化是本文所关心的主要问题。为了预估平流层温度在21世纪的变化，我们使用了辐射-对流模式进行了敏感性实验，另外，我们也对他人进行的化学-气候耦合模式（CCM）模拟结果进行了分析。这些模拟结果表

2、明，在21世纪平流层中上层（60～1hPa）将变冷，而下层（150～60hPa）变暖。这说明在平流层中上层温室气体的冷却效应将起主导作用，而臭氧恢复的加热效应在平流层下层相对更为重要。CCM的模拟结果表明，臭氧恢复最显著的区域在平流层上层（3hPa附近），与最大降温区一致，说明温室气体增加将有利于平流层上层臭氧恢复。CCM的模拟结果还表明，平流层两极地区在冬半年存在变暖的现象。根据已有的研究结果，极区变暖与平流层行星波活动增强有关，动力、热力和化学之间的正反馈作用也有可能对极区变暖有重要的贡献。关键词：平流层；气候变化；臭氧层恢复；温室气体增加；温室效应中图分类号：文献标

3、志码：A1引言平流层气候变化是全球气候变化的一个重要组成部分。在全球气候变化条件下，平流层气候如何变化，它又将如何影响对流层气候变化将是气候变化研究中[1][2]的一个重要问题。可是，最新的政府间气候变化评估报告还没能考虑平流层气候变化及其对对流层气候变化的影响，可以预期的是，在下一次气候变化评估中，平流层气候变化及其对对流层气候变化的影响将是重点之一。简要地讲，影响平流层气候变化的因素主要包括辐射、化学和动力等过程，而温度场的变化最能集中反映这些过程的相互作用，也最能反映平流层的气候变化。所以，本文的重点集中在平流层的温度变化。平流层臭氧浓度的变化对平流层温度有着最为直

4、接和重要的影响，这是因为臭氧对太阳紫外波段辐射的吸收是加热平流层大气的主要能量来源。在20世纪的后20年里，平流层臭氧浓度出现持续性的降低，我们现在已很清楚地了解到[3]平流层臭氧浓度的持续性降低是因为人类制造的氟利昂造成臭氧损耗的结果。[4]伴随着臭氧损耗，平流层温度出现持续性的降低，平流层臭氧损耗和变冷曾是过去20年平流层研究和全球气候变化的焦点之一。可是，近些年的观测发现平[5-7]流层臭氧自20世纪90年代末以来的近10年里呈现上升趋势，相应地，平流[7]层中低层温度也存在上升趋势。这些研究倾向于认为近10年来的平流层臭氧升高趋势是臭氧层恢复开始恢复的信号，因为臭

5、氧的回升趋势与近几年观测到的平流层等价有效氯含量（包括Cl和Br）的下降趋势是一致的。根据预估的平流收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（40875042）和国家自然科学基金重点项目（40533016），教育部科学技术研究重点项目（106002）和博士点基金（20070001002）。作者简介：胡永云（1965-），男，河南唐河人，教授，主要从事气候动力学和气候模拟研究.E-mail：yyhu@pku.edu.cn1层等价有效氯含量以及温室气体在21世纪的变化趋势，一些模拟研究表明平流[8-9]层臭氧有可能在2050年左右恢复到1979年以前的水平。因为臭氧最大浓

6、度位于平流层中低层（25km）左右，臭氧恢复导致对平流层温度的影响大约也应该在平流层中低层。另一方面，影响全球气候变化最为重要的因素是温室气体增加，该趋势在21世纪仍将持续。温室气体增加将导致地面和对流层变暖，但却造成平流层变冷。这是因为平流层大气（温室气体）向外放射出的长波辐射大于其吸收的来自对流层大气的红外长波辐射，所以，温室气体在平流层的辐射效应是冷却，而非加热。4平流层温室气体向外的长波辐射与局地温度有关（F=σT）。因为平流层温度随高度的升高而升高，所以，温室气体的辐射冷却作用也将随高度的升高而加强。那么，随着温室气体的升高，平流层高层的变冷幅度将较中低层大。综

7、上所述，温室气体增加对平流层的影响与臭氧恢复的影响是相反的，而且，两者的辐射效应对平流层不同层次温度的影响也不同。[7]使用IPCC-AR421世纪全球大气环流模式（GCM）的模拟结果，胡永云等初步评估了21世纪臭氧和温室气体变化对平流层温度变化趋势的影响。结果表明平流层低层（150～60hPa）温度出现升高的趋势，而50hPa以上是降温的。以A1B温室排放情形和线性臭氧恢复为例，在21世纪的100年里，70hPa最大升温接近2ºC，10hPa最大降温达6ºC。但是，IPCC-AR4的模拟试验有其缺陷，首先，大部分模式没有包含