气溶胶是平流层的重要微量成分，从直接效应和间接效应两个方面对气候产生显著影响.直接效应是指气溶胶通过自身对短波和长波的散射和吸收控制平流层大气辐射通量，直接影响地气系统的能量收支，形成阳伞效应，导致地表温度致冷而平流层增暖.间接效应是指气溶胶通过参与非均相反应控制O₃、H₂O、CH₄ 等微量气体的含量和分布，进而改变平流层大气辐射传输特性，影响温室效应，间接影响地气系统的能量平衡^[1~3].平流层气溶胶含量变化不但会导致气温结构的变化，同时因其生命史很长，具有示踪特性，也可以反映平流层化学结构和动力过程的变化.因此，了解平流层中气溶胶的分布和变化规律对研究平流层过程及其在气候中的作用具有重要价值.

El Nino和南方涛动(Southern Oscillation)因耦合形成全球尺度的气候振荡^[4]而合称ENSO 循环.自Bjerknes的先驱性研究^{[5， 6]}以来，大量研究表明ENSO 循环不但集中反映了热带海气相互作用^{[7， 8]}，还通过大气遥相关造成全球气候异常^[9~12]，尤其是对东亚季风和中国旱涝灾害有显著影响^[13~18].由于对流层-平流层动量、能量和物质交换，ENSO循环通过爆发性增温^{[19， 20]}、O₃ 收支^[21]等方式影响平流层动力、热力和化学结构^[22~24]，同时，纬向风准两年周期震荡(QBO)等平流层变化也是影响ENSO 循环的重要因子^[25].

热带对流层顶是平流层气溶胶的主要源地，也是ENSO 循环的关键区.ENSO 循环对热带海区深对流和大气环流的影响必然会通过平流层-对流层交换(Stratosphere-TroposphereExchange, STE)传导到平流层，引起平流层气溶胶的分布特征发生改变，进而影响到整个大气的辐射结构.目前尚缺乏对此过程的充分研究，有必要加强这方面的工作.本文旨在通过对平流层气溶胶和ENSO 循环的滞后相关分析，探讨ENSO 扰动信号对平流层气溶胶的影响程度和作用机制，为深入研究平流层-对流层相互作用提供帮助.

ONI是基于ERSST (Extended Reconstruction Sea Surface Temperature)资料，采用Nino3+4海区(5°N~5°S，120°W~170°W)的海温距平来定义的Nino指数.ERSST 资料是自1854年1月持续至今的实地观测数据经统计汇集而成的长时间序列海表温度资料，当前最新版本为 ERSST.v3b^[26].以 ERSST.v3b资料1971~2000年各月气候态为基础计算海表温度距平^[27]，经3 个月滑动平均即得到ONI.连续5个月ONI高于+0.5℃表明Nino3+4海区的海表温度持续偏暖，发生El Nino事件，而连续5 个月SST 距平低于-0.5℃ 意味着发生La Nina事件.

HALOE 是搭载于高层大气研究卫星(Upper Atmosphere Research Satellite, UARS)上的卤素掩星试验装置，用于测量中层大气的O₃、HCl、HF、CH₄、H₂O、NO、NO₂ 和气溶胶消光系数的垂直廓线^[28]，于1991年10月11日至2005年11月22日在轨工作.由于HALOE 资料提供了多种微量成分资料且精确性较高，世界气候计划(World Climate Research Programme, WCRP)的子计划“平流层过程及其在气候中的作用"(Stratospheric Processes And their Role in Climate, SPARC)将HALOE 资料作为其研究工作的重要资料之一^[29].HALOE 资料当前最新版本为HALOE.v19，纬向测量范围为80°S~80°N，观测高度从1000hPa延伸到10-6hPa, 共271层，不同观测对象的观测高度范围不尽相同.HALOE使用5.26μm、3.46μm、3.40μm、2.45μm 四个红外波段观测气溶胶，提供气溶胶消光系数观测数据和数密度、分布宽度、有效半径、面积密度等反演数据^[30]，气溶胶资料集中在150~10hPa之间的36层内.

本文使用ONI表征ENSO 循环的周期和强度，采用HALOE 资料描述气溶胶以反映平流层大气状态.两种资料的时间跨度为1997年至2004年，以避开1991年6月Pinatubo火山喷发对平流层气溶胶的强烈影响.研究时间内ENSO 循环经历了1997年5月至1998年5月、2002年5月至2003年3月、2004 年6 月至2005 年2 月三次El Nino 事件和1998年7 月至2000 年6 月、2000 年10 月至2001年2月两次La Nina事件，如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 El Nino 和 La Nina 事件 Fig. 1 The occurrence of El Nino and La Nina

由于ONI为ERSST 资料经3个月滑动平均得到，为保持数据一致性以减小系统误差，本文将逐日的HALOE气溶胶资料做纬度带平均和3个月滑动平均，处理成80°S~80°N 之间纬距10°的逐月资料.

本文使用回归模型剔除与ENSO 循环无关的火山强迫和季节变化以提取平流层气溶胶扰动，算法如式(1)所示:

(1)

其中，Y_t为平流层气溶胶资料时间序列；Y为多年平均值；kt为线性趋势，可近似认为火山气溶胶的清除过程，k为斜率；；，为季节变化项，将年内振荡视为不同周期波动的叠加，α_j和β_j为拟合系数；N_t为除长期趋势、火山灰清除和季节振荡以外的气溶胶变化.时间序列N_t和ONI的滞后相关性反映出ENSO 循环对平流层气溶胶分布的影响.

为了研究ENSO 循环影响平流层气溶胶的动力机制，本文使用式(2)计算了气溶胶的输送过程.其中，q为气溶胶含量(数密度、面积密度和体积密度)；v^*′ 和w^*′ 为剩余环流，由日本再分析(JRA)资料根据陈文等所推导的p 坐标系下剩余环流公式^[31]算得；式(2)右端第一项为纬向输送项，第二项为垂直输送项.

(2)

为了分析ENSO 循环对平流层气溶胶分布的影响，本文计算了ONI与滞后两年内气溶胶面积密度的相关系数，如图 2所示.图 2中等值线为气溶胶面积密度滞后于ONI的相关系数，实线代表正相关，虚线代表负相关，相邻等值线间隔为0.2，阴影区域通过了信度为95%的t检验.

图 2

Fig. 2

图 2 ONI与滞后两年内气溶胶面积密度的相关系数（滞后时间单位：月） Fig. 2 he correlation coefficient of ONI and 2-year lagged aerosol surface area density (lag time unit： month)

从图 2可以看出，相关系数演变过程大致表现出半年内(Lag:0~6)和半年至两年(Lag:7~23)两个不同的发展阶段.在前一阶段中自同期相关(Lag=0)开始，相关系数呈现出分层结构，以赤道和南半球中低纬度最明显，ENSO 循环对气溶胶的强烈影响能够维持大约半年.赤道上空分层大致以30hPa为界，中低纬度上空分层大致以40hPa为界，上层呈负相关，下层呈正相关.也就是说，若El Nino发生，Nino3+4海区的海表温度偏高，表现为ONI偏大，则中低纬度带上空平流层低层的气溶胶面积密度会随之偏大，而平流层中层的面积密度随之偏小；若La Nina发生，情况则反之.

随着滞后时间的推移，气溶胶受ENSO 循环影响的区域向上向北缓慢扩展.在第二阶段内，热带上空40~20hPa高度层中，ONI与滞后的气溶胶面积密度维持着很好的正相关，在滞后12 至16 个月间此区域向北延伸到北半球中纬度，随后向南移动，延伸到南半球中纬度.在第二阶段中，北半球中低纬度上空20~10hPa高度层内ONI与滞后的气溶胶面积密度呈现负相关.滞后23 个月后，整个平流层内两者的相关性就不明显了.

为了进一步了解ENSO 循环对平流层气溶胶的影响程度，本文以30°N 为例，给出了不同高度上三个典型滞后时段的线性拟合结果，如图 3所示.图 3中，横坐标为ONI以表征ENSO 强度，纵坐标为气溶胶面积密度距平，通过去除长期趋势、火山灰清除和季节振荡信号以突出ENSO 循环对平流层气溶胶的影响.图 3中的散点大致呈带状分布，意味着ENSO 循环对平流层气溶胶强迫的线性特征；不同滞后时间的散点呈大体一致的分布特征，表明在相关性最强的时期内，气溶胶面积密度随ONI的变化与滞后时间关系不大.

图 3

Fig. 3

图 3 ONI和气溶胶面积密度的线性相关 Fig. 3 Linear correlation of ONI and aerosol surface area density

ENSO 对平流层气溶胶的影响可以用线性拟合的斜率与气溶胶面积密度平均值之比来表示，以定量地反映气溶胶面积密度随ONI的变化.表 1给出了典型区域中ONI和气溶胶面积密度的线性拟合系数及其标准差σ.

表 1(Table 1)

表 1 ONI 和气溶胶面积密度的线性拟合系数 Table 1 Linear correlation coefficient of ONI and aerosol surface area density

表 1 ONI 和气溶胶面积密度的线性拟合系数 Table 1 Linear correlation coefficient of ONI and aerosol surface area density

表 1所列各作用强度在±3σ 之内均不包含零值，印证了ENSO 对平流层气溶胶影响具有显著性.自Brewer^[32]以来的研究指出热带对流层顶是气溶胶粒子和气相前体进入平流层的主要通道，因此赤道上空气溶胶对ENSO 强迫反应最敏感，无论是滞后半年以内还是滞后半年至两年，作用强度都大于中纬度，其中赤道上空平流层低层在滞后半年内表现尤为明显，ONI变化1K 则在滞后半年内气溶胶面积密度的变化可达到16%.

在ENSO 循环周期中，El Nino 和La Nina作反相振荡，强迫信号传递到平流层，由于ENSO 循环与平流层气溶胶的相关性，平流层气溶胶随之振荡.El Nino和La Nina时期可视为ENSO 循环的正、负半周期的典型时段，因此与之对应的平流层气溶胶含量也存在显著差异.考虑到ENSO 强迫的滞后性，本文分别计算了El Nino 和La Nina滞后6个月时的气溶胶面积密度距平百分率，以分析ENSO 强迫特征和影响程度，如图 4所示.图 4中，等值线为气溶胶面积密度距平百分比，实线为正值，虚线为负值，相邻两条等值线间隔为10%，图 4c中的阴影区域经t检验差异显著性超过了95%.

图 4

Fig. 4

图 4 El Nino和LaNina滞后6个月时气溶胶 面积密度距平百分比 (a)为El Nino滞后6个月，（b)为LaNina滞后6个月，(c)为图（a)和图（b)之差. Fig. 4 Anomaly percentage of aerosol surface area density lagging 6 months (a) Behind El Nino, (b) Behind La Nina, (c) Fig. 4a—Fig. 4b.

差异性显著的区域与3.1节所述相关性显著的区域(见图 2 的Lag6)大致吻合，印证了ENSO 强迫对此敏感区域的重要性.滞后于El Nino6 个月时，气溶胶面积密度在对流层顶附近及平流层低层，比多年平均偏高，尤其是赤道上空平流层低层距平可达20%；而滞后La Nina6个月时，情况基本与之相反，变化幅度弱于El Nino.这些特征与气溶胶和ONI的正相关性相吻合，反映了平流层气溶胶受ENSO 影响的事实.从图 4c可以看出，在中低纬度上空对流层顶附近及平流层低层，El Nino 和La Nina对半年后气溶胶含量影响的差异非常显著，变化幅度可达40%.

为了比较El Nino和La Nina在不同滞后时间对平流层气溶胶的影响，本文计算了滞后两年内典型纬度上空气溶胶面积密度距平百分比之差，如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 滞后于ElNino和LaNina的气溶胶面积密度的变化幅度（El Nino和La Nina之差，单位：％) Fig. 5 The amplitude of aerosol surface area density lagging behind ENSO (the one l agging behind El Nino minus the one lagging behind La Nina, unit： %)

图 5中，等值线为滞后于El Nino 和La Nina的气溶胶面积密度距平百分率之差，相邻两条等值线间隔为5%，差异显著性经t检验超过95% 的区域如阴影所示.赤道上空受ENSO 影响变化最明显，因El Nino和La Nina而产生的显著差异能够持续两年，滞后一年内30hPa以下均有显著差异，滞后2~8个月间60hPa高度上变化幅度甚至高达45%.而滞后一年至两年间变化主要发生在40~20hPa高度层内.北半球中纬度上空20hPa以下受El Nino和La Nina的影响与赤道上空大体相似而变化幅度较弱，仅为10%，20~10hPa高度层内滞后于El Nino一年至两年间气溶胶面积密度比滞后于LaNino时偏小.南半球中纬度的变化与赤道和北半球中纬度不同，50hPa以上气溶胶面积密度因受El Nino 影响偏小，50hPa以下则影响偏大，受ENSO 影响的高度随滞后时间的推移而呈现出下降的态势.滞后于El Nino的气溶胶面积密度大于滞后于La Nina的，这与ONI和气溶胶面积密度的正相关性相吻合，反之则与负相关性相吻合.

Andrews和McIntyre等^{[33， 34]}指出，拉格朗日平均环流是平流层物质输送的真正环流，剩余环流可以看作其近似.因此，平流层气溶胶分布的变化可以用剩余环流受ENSO 循环影响进而改变平流层气溶胶输送量来解释.本文分析了滞后6 个月时的剩余环流，见图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 滞后于El Nino和La Nina 6个月时剩余环流距平 (a)为 ElNino，（b)为 LaNina，（c)为图（a)和图（b)之差. Fig. 6 The anomaly of residual circulation lagging 6 months (a) Behind El Nino, (b) Behind La Nina， (c) Fig. 6a —Fig. 6b.

在平流层中下层，无论是El Nino时期还是La Nina时期，剩余环流自热带上升而后向极运动，热带对流层顶是对流层物质进入平流层的主要通道，因此热带上空平流层气溶胶受ENSO 影响最显著.从图 6a可以看出，在滞后于El Nino半年时，赤道上空40hPa以下上升气流比多年平均偏强，而40hPa以上则偏弱，进而导致对流层顶附近和平流层低层的气溶胶面积密度偏大，平流层中层则偏小，这与图 4a相对应，La Nina同期情况则相反(见图 6b和图 4b)，这是赤道上空气溶胶含量变化的动力因素.从图 6c可以看出，相比于La Nina, 北半球中高纬度上空在滞后于El Nino半年时出现了偏强的向上输送，造成30~10hPa高度层内气溶胶面积密度偏大(如图 4c所示).

图 7为滞后5个月时El Nino和La Nina时期气溶胶输送量之差，实线为正值，表明以输入为主，虚线为负，表明以输出为主，相邻等值线间隔为5×10^-8μm²·cm-3·s^-1.从图 7中可以看出，剩余环流对气溶胶的输送影响最显著的区域主要是热带低纬度上空.相比于La Nina, 滞后El Nino5 个月时赤道上空30hPa 以下垂直输送为净输入(见图 7c)，而向极的经向输送则为净输出(见图 7b)，最终导致60hPa以上总输送以垂直输入为主，而60hPa以下以经向输出为主.

图 7

Fig. 7

图 7 滞后El Nino和LaNina 5个月时气溶胶输送量之差 a)总输送量之差，（b)经向输送量之差，（c)垂直输送量之差. Fig. 7 The 5-month lagged aerosol transport difference between El Nino and La Nina (a)Total transport, (b) Meridional transport, (c) Vertical transport.

ENSO 是年际气候异常的强烈信号，能够迅速地导致全球气候发生明显异常，它对对流层大气的影响已经得到了广泛深刻的研究，而它对平流层大气的影响还有待进一步探讨.本文从平流层气溶胶和ENSO 循环的滞后相关性入手，进而通过ENSO循环中正负半周期(El Nino和La Nina)的对比，分析了ENSO 强迫对平流层的演变过程、影响程度和作用范围，并以剩余环流的输送形势解释了气溶胶变化的动力机制.

滞后相关性显示平流层气溶胶受ENSO 循环影响，并随其发展和衰退表现出演变过程，强迫信号具有线性特征，强烈影响能够维持大约半年，两年后基本消退.赤道上空是ENSO 强迫作用最持久、反应最敏感、表现最明显的典型区域.赤道上空30hPa以下呈正相关，气溶胶含量在El Nino事件后增多而在La Nina后减少，正相关性区域逐渐向上向北缓慢扩展，滞后12至16个月间维持在40~20hPa高度层内，并向北延伸到北半球中纬度，随后南移并衰减.在北半球20hPa以下的演变过程与热带上空大体一致，可以看作是气溶胶团的北向延伸，而北半球高纬度20~10hPa高度层内在滞后1~2年间发展出负相关性.赤道上空变化幅度明显大于中高纬度，在滞后半年内差异尤为显著，ONI变化1 K 则气溶胶面积密度的变化可达到16%.

ENSO 强迫使得平流层气溶胶含量随之产生周期性振荡，与El Nino和La Nina对应的气溶胶含量存在显著差异，其对比显示出ENSO 强迫的作用效果.差异显著的区域与相关性显著的区域大致吻合，印证了ENSO 强迫对此敏感区域的重要性.赤道上空对流层顶附近及平流层低层受ENSO 影响变化最明显，因El Nino和La Nina而产生的显著差异能够持续两年，在分别滞后于El Nino 和La Nina事件半年内的气溶胶含量差异可达40%.

平流层气溶胶的变化机制与剩余环流有密切关系.热带低纬度上空变化最显著的区域正是对流层气溶胶粒子和气相前体向上抬升和向极输送的关键区域，因此受ENSO 循环影响最典型.在此区域内滞后于El Nino半年时，赤道上空40hPa以下上升气流比多年平均偏强，而40hPa以上则偏弱，滞后于La Nina时则相反，这是赤道上空气溶胶含量变化的动力因素.滞后半年间，El Nino 相比于La Nina的典型影响为:垂直输送为净输入，而向极的经向输送则为净输出，最终导致60hPa以上总输送以垂直输入为主，而60hPa以下以经向输出为主.

综上所述，ENSO 循环对平流层气溶胶存在显著影响，热带低纬度上空变化最显著，其动力机制与剩余环流有关.

本文使用的ONI、HALOE 和JRA 数据分别来自美国气候预测中心(the Climate Prediction Center, USA)、UARS 卫星计划、日本气象厅和电力中央研究所(the Japan Meteorological Agency and the Central Research Institute of Electric Power Industry)，在此向他们致以感谢.