對流層頂是一個深厚的對流阻滯層，它是以溫度垂直遞減率急劇減小為主要特徵，它阻礙著積雨雲頂的垂直發展、氣溶膠和水汽的垂直交換。
對流層頂是對流層和平流層之間一個明顯的過渡層，是19世紀末20世紀初與平流層同時被發現，對流層頂一經發現就激起了學者們極大的研究興趣。臭氧層頂與對流層頂的位置、強度及其變動密切相關。近年來，流層頂的研究水平日趨提高，但許多問題需要進一步深入研究。
基本介紹
- 中文名：對流層頂
- 外文名：tropopause
- 類別：熱帶和極低對流層頂
- 物理本質：不連續面
- 主要特徵：溫度垂直遞減率急劇減小
- 前沿研究：對流層頂的動力學研究
定義和分類,定義,分類,對流層頂斷裂,與臭氧的關係,研究展望,
定義和分類
定義
從不同角度出發，對流層頂有著不同的定義，例如：熱力對流層頂（溫度遞減率）、動力對流層頂（位渦）、化學成分對流層頂、最冷點對流層頂（熱帶）等。
1957年WMO給對流層頂作了如下定義：500 hPa等壓面之上溫度遞減率小到2℃/km或以下的最低高度，而且在此高度與其上2 km氣層內的溫度平均遞減率不超過2℃/km，這就是通常所說的對流層頂的“熱力學”定義。在用該定義確定的對流層頂之上，如果任意高度與其上1 km所有高度之間的平均溫度遞減率超過3℃/km，就要按上述判據確定“第2對流層頂”。這個對流層頂或處於該1 km層內，或處於該1 km層之上。對流層頂還有另外一個熱力學定義經常用到，即溫度最低點定義(CPT：Cold Point Tropopause)，它定義為垂直溫度廓線上溫度最低點所對應的層結高度。此外，對流層頂還有基於位渦的“動力學”定義。
對流層大氣濕潤而缺乏臭氧，平流層乾燥而富含臭氧，因此，Bathan等1996年又提出了臭氧對流層頂的概念。但不管哪一種定義，其物理本質是相同的，都是將對流層頂看作是不連續面。熱力學對流層頂是溫度梯度的不連續面，動力學對流層頂是位渦的零階不連續面，而臭氧對流層頂是臭氧混合比垂直梯度的不連續面。目前比較常用的是對流層頂的熱力學定義。
分類
根據溫度的垂直剖面分布可將對流層頂高度分為熱帶對流層頂和極地對流層頂，據統計，極地類對流層頂一般在150 hPa以下，熱帶類對流層頂一般在150 hPa或以上。對流層頂的厚度約數百米到1 - 2 km，最大厚度可達4 - 5 km。Hess根據1942 - 1945年期間80°W的觀測資料求算了平均值，指出存在著雙重結構的對流層頂：南部地區高，偏北地區低。在對流層上層出現強穩定西（急流）的緯度地區上空，高、低對流層頂會出現局部重疊。Hess把高對流層頂稱為熱帶對流層頂（第2對流層頂），把低對流層頂稱為極地對流層頂（第1對流層頂）。介於這兩類對流層頂之間的區域稱為對流層頂斷裂區。
在全球大氣模式中也採用兩類對流層頂：極地對流層頂和熱帶對流層頂。冷而高的熱帶對流層頂出現於赤道和副熱帶緯度之間，其高度隨緯度增高而逐漸減小。在30° - 45°緯度地帶內的各高度內既可出現熱帶對流層頂，同時也可存在極地對流層頂，它們互相重疊，在這一地帶兩類對流層頂的高度差為4～ 5 km。
對流層頂斷裂
與臭氧的關係
長期以來，大氣臭氧與對流層頂高度之間的關係一直受到特別的關注。Goody的1949年的早期研究發現，二氧化碳、水汽、臭氧對對流層頂的形成有著重要影響，於是提出了“地面溫度降低平流層溫度就會升高”的結論。由於臭氧對太陽紫外線有很強的吸收能力，而臭氧又主要集中在下平流層，臭氧的濃度會直接影響到達對流層底層的紫外線強度，從而影響平流層和對流層的溫度，進而影響它們之間的過渡層——對流層頂的結構變化。因此，對流層頂與臭氧之間存在著十分緊密的聯繫。Manabe等用臭氧的吸收來解釋平流層下部和對流層上部的熱狀態，認為平流層下部冷卻的主要因素是長波輻射，而增溫的主要因素則是臭氧對大氣和地球紅外輻射的吸收。熱帶平流層的低溫和40 km以上的“暖層”的高溫，可以用輻射的分布和臭氧對輻射的吸收特徵來解釋。Steinbrecht等通過分析德國南部Hohenpeissenberg站的探空和臭氧廓線資料後，發現當出現低（高）的臭氧總量時，該地區對流層頂高度偏高（低），並且自20世紀60年代末對流層頂高度上升了大約150± 70 m。Chakrabarty等根據利用印度新德里32年(1965 - 1996年)和印度西南部的特里凡得琅(Thrivan-drum)26年(1965 - 1991年)對流層頂探空資料分析了熱帶對流層頂高度和對流層頂溫度的變化趨勢，發現近幾十年來兩地區上空對流層頂高度（溫度）存在上升（下降）趨勢與平流層臭氧減少有關。
副熱帶地區也明顯地存在著兩類臭氧層頂，兩類臭氧層頂之間也同樣存在斷裂，它們分別對應於熱帶對流層頂和極地對流層頂。Reiter對臭氧從平流層向對流層的滲入以及對流層頂在該過程中的作用進行了深入的研究。李國輝等利用二維模式模擬研究了對流層頂變化對臭氧在上對流層（下平流層）分布的影響，結果表明，對流層頂的季節變化對上對流層（下平流層）的臭氧分布有明顯的影響，臭氧的局地變化可以超過10%。Angel指出，對流層頂高度的準兩年周期變化和臭氧含量的變化頗為一致：臭氧總含量最低值和對流層頂高度兩年變程中的最大高度相一致，反之亦然。Randel等利用探空氣球和衛星觀測得到的近赤道臭氧資料，發現熱帶對流層頂上空存在著較大的臭氧年循環。
由於青藏高原及其上空臭氧的特殊分布，使得臭氧對青藏高原上空對流層頂的影響更特殊。高原存在異常的大氣臭氧低值，與高原熱動力過程緊密相關，而大氣臭氧總量的變化與對流層頂高度密切相關。卞建春等通過TOMS和地基觀測提供的臭氧總量資料發現，2003年12月14- 17日高原上空出現了大面積臭氧極低值區域。周秀驥等發現青藏高原在夏季存在大氣臭氧總量低值中心的事實並證實了青藏高原地區確為對流層與平流層物質輸送的通道之一。李鵬研究了青藏高原上空臭氧和對流層頂的關係，得出青藏高原南部表現為閉合的臭氧總量低值區，而在青藏高原北部為低值擾動。將北半球分為青藏高原地區、同緯度地區和同緯度其他地區進行研究，得出青藏高原上空對流層頂與同緯度其他地區間存在較大差異，還發現青藏高原是全球對流層頂氣壓最低的地區。Zou等指出在青藏高原地區，大氣臭氧虧損最大值的高度位於對流層頂附近。Zhou等分析了高原上空臭氧減少對高原平流層溫度變化中的可能作用,提出高原上空臭氧總量減少，使得高原平流層對太陽紫外輻射吸收減少，而進入對流層底層的輻射增加，從而導致高原上空平流層低層降溫，對流層增溫。平流層降溫和對流層增溫使得對流層頂結構變化。另外，對流活動的強弱對對流層頂有很重要的影響。
到目前為止，在影響對流層頂高度變化的諸多因子中，雖然還無法定量地確定各因子在對流層頂高度變化中的貢獻，但Santer等利用探空資料和NCEP/NCAR再分析資料，證明了近20年來(1979 - 1999年)全球對流層頂高度升高了幾百米，並利用複雜的大氣模式評估硫酸鹽氣溶膠、太陽輻射變化、火山氣溶膠、溫室氣體和臭氧對對流層頂高度的影響，發現由於溫室氣體導致的對流層變暖和臭氧導致的平流層變冷是對流層抬升的主要原因。
研究展望
目前，關於對流層頂的研究還有很多問題，諸如對流層頂附近的精細結構，對流層頂附近以及下平流層重力波特徵，對流層頂附近對流統計特徵等，隨著對對流層頂研究的日益深入，用模式來模擬對流層頂的變化對氣候的影響等，這些問題都需要進一步深入研究。
另外，關於對流層頂高度或溫度與火山的關係雖已有所研究，但其具體關係仍有待深入研究。
