基本介紹
極地渦旋簡介,極地渦旋影響,極地渦旋環流指數概述,10hPa極地渦旋強度異常成因的初步分析,冬季10hPa層極地氣旋強度與全球變暖的關係,夏季10hPa層極地反氣旋與臭氧異常的關係,
極地渦旋簡介
其位置、強度以及移動不僅對極區，而且對高緯地區的天氣都有明顯影響。
極渦的位置和活動範圍時有變化，尤其冬半年活動演變比較複雜，最長的活動過程達35天之久。極渦閉合中心有時分裂為2個或3個，甚至3個以上，當偏離極地向南移動時，常導致寒潮活動增多、增強。
據統計，在10個冬半年影響我國的171次寒潮中，有102次是亞洲上空出現持久極渦，其中6次強寒潮過程都與極渦在亞洲上空的位置明顯偏南相關。
極地渦旋影響
南極極地渦旋比北極極地渦旋更為顯著，持續時間也更長。這是因為北半球高緯度地質因素增強了羅斯比波，而就是羅斯比波引起渦旋的破裂；與之相比，在南半球渦旋則更為穩定。北極渦旋形狀上是瘦長的，有兩個中心，一個在加拿大的巴芬島，而另一個在西伯利亞的東北部。
南極極地渦旋的化學現象已經導致嚴重的臭氧消耗。極地同溫層雲團中的硝酸與CFC反應生成氯，也就是對臭氧的光化學破壞。氯在冬天的極夜中凝聚、堆積，到春天（9月/10月），持續的臭氧破壞也將更為嚴重。這些雲只能在-80°C以下形成，故而較為暖和大北極區域形成不了臭氧層空洞。
一些天體同樣已知有極地渦旋現象，包括金星、火星、木星和土星的衛星土衛六。
極地渦旋環流指數概述
在大氣環流異常研究中，經常採用環流指數來簡潔、定量地描述重要環流系統的性質。月平均氣壓場是描述大氣環流最基本的要素場，其異常與短期氣候異常關係密切。因此一些全年或季節性地在特定地理區域的閉合氣壓系統，如海平面氣壓場中的諸多大氣活動中心、自由大氣中的極渦、副高等，都可以定義相應的環流指數。以國家氣候中心繫統診斷預測室公布的“74項環流特徵量”為例，其中大多數是上述閉合氣壓系統或其局部的環流指數(北半球副高指數45種、極渦指數12種)。
1970’s起，國內外氣象學者對繞極極渦特徵參量(即極渦指數)的定義進行了系統的研究。如採用極渦中心位置和極渦繞極率；Ertel位渦定義極渦邊界；極地濤動指數反映低平流層以下繞極低壓帶的強度；文獻中提出的500hPa等壓面上的極渦面積和強度指數，取接近西風急流軸的特徵線為極渦邊界線。這些參數對揭示極渦的演變規律及對天氣和氣候的影響都有著一定的參考價值。利用球面三角計算方法給出了一種新的計算閉合系統面積(S)、強度(P)、中心位置(λc，ψc)的方法，該方法給出的極地渦旋環流指數具有明確的動力學意義，其定義也很嚴格。同時又給出了其歷年中心在球面上分布的三個特徵量(平均距離γ、扁率μ、主軸方向β)的定義，用來描述該系統的性狀。使用表明，用它求得的平、對流層一系列閉合氣壓系統(500hPa極渦、lOOhPa南亞高壓、1000hPa蒙古高壓)的環流指數具有良好的分析性質。
10hPa極地渦旋強度異常成因的初步分析
冬季10hPa層極地氣旋強度與全球變暖的關係
地球是由含有CO2、H2O、CH4、和CFCs等痕量氣體及其它氣體、塵埃的大氣所包圍，這些痕量氣體在紅外光譜區具有較強的吸收特性，其本身也向外發射長波輻射，因而對地球表面，低層大氣具有較強的增溫作用。大氣中的H2O、CO2和其它痕量氣體對太陽短波輻射吸收很弱，卻吸收來自地面的長波輻射，並向下和向上重新發射長波輻射，前者加熱地面和低層大氣，後者則在大氣頂維持輻射平衡，從而大大提高了地表面的有效輻射平均溫度，從18℃升為15℃。這樣一種增溫現象稱為痕量氣體的溫室效應。
自1990年以來，人們逐漸認識到造成氣候變化的原因除了自然因素外，人類活動的影響已經不容忽視，特別是工業革命以來，由於人口增長、工農業生產活動和城市的不斷擴大等因素使得溫室氣體和人為大氣氣溶膠濃度急劇增加並呈持續增長的態勢，直接威脅著人類賴以生存的地球環境。人類使用化石燃料和人為土地利用轉換向大氣中排放了CO2、CH4、N2O、和CFCs等溫室氣體，導致大氣中溫室氣體濃度增加，溫室效應增強，全球近地表大氣溫度上升和氣候的變化。二十世紀初以來，總體來講全球、南半球、北半球均出現了強烈的增溫，但這種增溫過程中存在著很大的地區差異和季節差異。比如說：(1)北半球地面氣溫在1950、1960年代有一個較強的降溫過程，而南半球在同期卻沒有這樣的降溫過程。(2)在全球變暖的大背景下，並不是整個地球在各處都是增溫的，甚至有些區域在某些時段出現了很強的降溫。比如海表溫度在北太平洋中緯度洋區和大西洋北部有很強的降溫。就地面氣溫的年平均來看，在中低緯(15—45°N)大陸的許多地方也有明顯的降溫，比如北非、北歐、美國大部、澳大利亞、南美中部，以及自巴爾幹半島到中國西部一線的海拔較高的地區。地面氣溫增溫的地區主要是熱帶和高緯度地區，其中最強的是兩極地區，在200hPa上，南半球的中高緯地區表現出了強烈的增溫，最高達到了3度以上。而在北半球的高緯地區，卻是強烈的降溫，其幅度超過了l度。2008年12月15日日本氣象廳發布的一項統計數據顯示，全球氣候變暖呈現出減緩的趨勢，與1971-2000年全球平均溫度相比，2008年全球平均溫度只升高了0.2℃。
根據IPCC第四次評估報告，全球近百年(1906—2005)平均氣溫上升了0.74℃，這裡，氣溫指場面氣溫。一些研究表明溫室氣體的增加對整個平流層起降溫作用。中平流層氣溫在高緯地區從60’s後期開始呈上升趨勢。但這裡研究的是全球平均的整個平流層。1992—2004北半球極區平流層下部有增溫趨勢。
無論全球、北半球或中國，20世紀氣候均明顯變暖，但其時間變化和空間分布卻與根據溫室效應所預期的不完全一致。因此，雖然我們不能據此完全否定溫室效應，但至少應當承認，在過去百年中，溫室效應不是決定氣溫變化的單一因素。也就是說，在過去百年中自然變化是很重要的。特別對高頻變率，自然變化可能是決定性的因素。溫室效應如果起作用，也主要是影響低頻趨勢變化。
夏季10hPa層極地反氣旋與臭氧異常的關係
臭氧(O3)是一種重要的大氣微量氣體，全球平均整層氣柱含量0.3cm左右(標準溫度和壓力STP)，大部分集中在10.50km的平流層，對流層O3占其總量的10%左右。O3是影響對流層．平流層大氣動力、熱力、輻射、化學等過程的關鍵成分，在氣候和環境變化中扮演非常重要的角色。大氣中臭氧的含量雖然不多，但卻起著重要的作用。
首先，O3是大氣化學的核心物種。在平流層中，臭氧層可以吸收對生物有害的紫外輻射，對地球生命起保護傘作用：在對流層大氣中，適量臭氧對清潔大氣是有益的。
其次，O3對高層大氣具有加熱作用。因為臭氧層主要分布在平流層，O3在紫外光波長0.2-0.3μm的譜段有強吸收帶(Hartley帶)，在0.3-0.36μm有弱吸收帶(Huggins帶)，在0.44-0.74μm可見光區還有一個吸收帶(Chappuis帶)，可以大量吸收紫外光和可見光，可以直接加熱平流層大氣，平流層大氣溫度向上遞增，同時大氣加熱率是驅動大氣運動的能源，所以臭氧影響平流層的大氣環流。
第三，O3對低層大氣具有溫室效應。O3在紅外波段有許多振轉吸收帶，特別是在9.6μm處有一很強的吸收帶，使之成為一種重要的溫室氣體，在平流層中上層產生冷卻效應，在平流層低層和對流層產生增暖效應，從而影響對流層大氣環流。臭氧確實具有溫室效應，在夜間或永夜地區，溫室效應使地氣系統的溫度下降減少。但臭氧對短波輻射的吸收作用比溫室效應要大，因此，對年平均而言，臭氧濃度的增大將使海平面溫度下降。但臭氧濃度增大時溫室效應增強，而短波吸收將達飽和，因此當濃度增至某一值後，溫室效應將占主導地位。
臭氧對大氣環流的影響至關重要，但是全球的臭氧含量卻在減少。雨雲7號衛星臭氧總量觀測系統TOMS(Total Ozone Mapping Spec2t rometer)的資料(1978.1.10～1990.1.10)得到的O3總量平均每年減少率和緯度、季節的變化特徵表現為：北半球隨著緯度的增加，O3總量減少的幅度在增加(在40°N附近，冬春季減少1.80%/a，60°N附近減少1%/a)，赤道地區的O3總量幾乎沒有變化，南半球隨緯度增加O3總量減少的趨勢越來越顯著，在南極地區O3總量年平均減少達到最大(3%/a)，並在冬末春初形成所謂的南極臭氧洞。中國地區大氣臭氧層也呈現異常變化。分析1979-1993年北京香河站和昆明Dobson站的臭氧總量數據發現，我國臭氧總量有減少的趨勢。利用地面觀測與TOMs資料分析了中國地區大氣臭氧總量近13年來的變化特徵，結果表明：1979年以來我國大氣臭氧總量逐年減少，年平均遞減率變化範圍為10.77%-17.5%，其值隨緯度增高而增大。在青藏高原夏季南亞高壓的影響下，高原上空形成一個臭氧異常低值中心。
同時大氣環流對臭氧也有著明顯的作用，大氣環流影響臭氧的變化。行星波對O3有運輸作用，平流層的行星波活動有明顯的季節差異，引起了中高緯地區O3分布有很大的季節變化。100hPa等壓面上的經向風與臭氧總量的變化密切相關，與北風相對應的是臭氧高值區，與南風對應的是低值區嘲。極渦增強將導致O3層出現負異常，由於極渦的不對稱性，各分區極渦強度對O3層遙相關型的影響存在著顯著差異，表明極渦形變對O3層遙相關型的形成和演變具有重要作用。O3層存在一系列遙相關型，其時域特徵與大氣環流型的變化有關，遙相關區域的空間分布具有波狀結構。隨著環流型的季節調整，冬春季與夏秋季O3層的遙相關結構存在著差異。所得結果可顯示出大氣環流對O3的輸送作用以及環流系統振盪導致O3層異常分布；QBO對行星波的影響，而間接影響O3的區域含量變化。
這些研究和大量的觀事實表明，大氣中臭氧總含量與大氣運動一樣有極其明顯的季節變化和緯度變化。由赤道至極地，臭氧層高度隨緯度增高而遞減，但總含量卻遞增，在75°N-80°N緯度處總含量達最大值，再向極地，除個別月份外，總含量反而減少。隨緯度變化的梯度或緯度變化的幅度，在春季最大，秋季最小。一年之中，臭氧總含量以春季最大，秋季最小，少部分地區在夏末可有第二個極大值出現。臭氧總含量季節變化的幅度隨緯度增高而增加，赤道地區最小。可看出臭氧含量在區域上主要分布在北半球的高續地區，季節上春季最大，秋季最小。
從上我們可知，臭氧與大氣環流是相互作用的，因此，通過大氣臭氧的研究，對於了解大氣環流，具有重要意義。
