平流层气溶胶在平流层的大气辐射和光化学过程中起着重要的作用.平流层气溶胶的辐射作用能强烈地散射和反射太阳辐射，减少了入射的太阳短波辐射，使地表温度降低，同时又吸收太阳辐射和地面长波辐射使平流层增暖；在合适的温度、水汽(卷云)等条件下，有些平流层气溶胶的表面上会发生一系列的非均相反应，产生活性氯，破坏平流层中的臭氧，从而减少紫外辐射的吸收，导致平流层底部辐射加热的减少^[1~3].Considine等^[4]的研究表明，气溶胶同时还会影响平流层的甲烷和水汽，进而影响地气系统的辐射平衡过程.因此，了解平流层中气溶胶含量的分布和变化规律对研究平流层热力结构及辐射过程具有非常重要的意义.

在Reed等发现平流层纬向风的准两年变化后不久，Angell和Korshover^{[5, 6]}也揭示了这一现象，另外也发现了平流层温度、对流层顶高度和臭氧总量也存在着准两年的周期振荡.Lindzen^[7] 和Wallace^{[8, 9]}解释了QBO 的产生机理，指出垂直传播的长周期重力波和纬向风相互作用理论是QBO 产生的原因，Plumb^[10]进一步指出，通过与之相关的平均经圈环流作用，QBO 会影响热带平流层低层气体成分如氮氧化物、甲烷、水汽及气溶胶等的分布.张弘、陈月娟等^[11]应用NCAR 的包含化学-辐射-动力相互作用的两维模式(SOCRATES)，在不考虑极地平流层云和气溶胶表面非均相化学反应等情况下，模拟了平流层某些重要微量气体的化学、辐射和动力输送过程，结果表明，QBO 与其相关的次级环流所引起动力输送的变化，使平流层微量气体的分布发生变化.进一步的研究^[12~18]表明，平流层中的臭氧、氮氧化物等微量气体成分也都存在着准两年的周期变化.

前述工作对平流层微量成分的准两年周期变化进行了比较全面的分析，本文则在此基础上采用HALOE和SAGEII(Stratospheric Aerosoland Gas Experiment)的气溶胶卫星资料，分析了火山平静期平流层背景气溶胶的季节分布特征与准两年周期变化特征，同时与臭氧的QBO 特征进行了对比，并做了不同位相时平流层背景气溶胶的分布，从动力的角度对其进行了解释，为进一步研究平流层大气中的动力、辐射和化学过程提供参考.

HALOE 装置加载于1991 年9 月美国发射的高层大气研究卫星UARS上，采用太阳掩星法测量和反演大气微量气体、气溶胶和温度的垂直分布，测量的纬度范围为80°S~80°N.HALOE 的垂直分辨率很高，从地表到10^-6hPa，共有271层，在100km以下各层垂直间距大约为400 m.在HALOE(Version19)中，Hervig 等^[19]采用消光系数推导了硫酸盐气溶胶尺度分布资料(有效半径、中位半径、分布宽度、数密度、体积密度、面积密度)，并与OPC(OpticalParticleCounter)观测资料进行了对比.误差分析和资料对比表明，HALOE 气溶胶分布相对于OPC资料不存在明显的偏差，特别在100~15hPa高度上两者吻合相当好.HALOE 气溶胶资料与CLAES、ILAS、SAGEII等资料的对比表明HALOE资料与这些资料吻合也是比较好的^{[20, 21]}.

SAGEII同样利用太阳掩星方法来测量大气微量成分和气溶胶的垂直分布，可以提供0.5~40km各高度上的气溶胶消光系数的探测.通过与其他观测手段的对比验证，证实了SAGEII的气溶胶消光系数的可靠性：在10km 以上到28km 之间，SAGEII的气溶胶消光系数与其他观测具有很好的一致性^[22~26].

HALOE 与SAGEII气溶胶资料的缺点在于因为其升空时间长，致使其后期仪器老化比较严重，测量与反演精度有所降低.但HALOE 与SAGE 所具有的时间序列长的特点使其能更好地分析准两年周期振荡.本文采用的HALOE(Version19)资料时间范围为1991年10月~2005年11月，SAGEII资料时间范围从1984年10月~2005年8月.为了避开1991 年皮纳图博火山(Pinatubo)喷发对平流层背景气溶胶及后期仪器老化造成测量误差的影响，本文使用的都是从1998年1月到2004年12月的资料.

为了了解平流层气溶胶的时空分布与赤道风场之间的关系，本文使用了日本气象厅的JRA-25 再分析风场资料.JRA-25 数据集的时间范围自1979年1月至今，其水平分辨率为120km，模式顶高为50km.根据赤道上空30hPa纬向风U确定了1998~2004年QBO 东西风位相，东风位相包括1998 年1月到1999 年1 月，2000 年5 月到2001 年12 月，2002年12月到2004年2月；西风位相则包括1999年2 月到2000 年4 月，2002 年1 月到2002 年11月，2004年3月到2004年12月.本文在此基础上分析了气溶胶在QBO不同位相时的分布特征.

为了从动力角度进一步了解输送对气溶胶分布的影响，本文采用JRA-25 的风场资料计算了剩余速度v^* 和w^* ，并利用由v^* ，w^* 构成的环流分析了QBO不同位相时的气溶胶输送与分布特征.v^* 和w^*的计算公式采用陈文、黄荣辉等^[27]的公式：

强烈的火山活动会影响到平流层气溶胶含量的变化，为了了解气溶胶分布的背景场，本文采用火山活动相对平静期(1998~2004年)的HALOE 资料，分析了平流层气溶胶面积密度的垂直分布特征，见图 1.从图中可以看出，平流层气溶胶的分布基本上呈南北对称，其极大值区主要位于中低纬地区上空的对流层顶层及平流层底层.热带上空对流层顶附近是平流层气溶胶的重要源区，气溶胶面积密度可以达到2μm²/cm³，数密度高达100个/cm³.在南北两极100hPa高度上也存在一个气溶胶极大值区.平流层气溶胶的垂直分布特征具有明显的季节差异：在北半球春季(3~5 月)，气溶胶面积密度极大值区位于30°S~30°N 上空120hPa附近，中心略微偏北，基本呈对称形状分布于赤道两侧；而在夏季(6~8月)，极大值中心明显北移，位于0°~20°N 上空，面积密度明显增大，最大值超过2.4μm²/cm³；到了秋季(9~11月)，极大值中心南移到了赤道地区上空，在南极地区附近也出现了一个极大值区，面积密度达到了2.2μm²/cm³；冬季(12 月至次年2 月)，极大值中心又明显偏北，中心位置偏高，位于100hPa高度附近，而其值比春夏秋三季明显偏低，最大值约为1.8μm²/cm³.本文也分析了气溶胶数密度、体积密度的垂直分布，其分布特征与面积密度的分布基本类似(图略).

图 1

Fig. 1

图 1 气溶胶面积密度的分布特征（单位:μm2/cm3，粗实线为对流层顶) Fig. 1 The distribution characteristics of aerosol area density (Unit： μm2/cm3，the heavy line represents tropopause height)

为了进一步了解平流层气溶胶除季节变化以外的周期特征，本文分析了30°N 和60°N 上空气溶胶面积密度逐月距平的变化，见图 2.从图 2中可以看出，30°N 和60°N 上空平流层气溶胶的面积密度存在明显的准两年周期特征.在30°N地区上空20hPa高度左右，1998年1月到1999年1月，2000年1月到2001年12月，2003年1 月到2003 年12 月间都是平流层气溶胶的极大值.该信号向下传播直至50hPa左右被更强的季节信号湮没，下层位相落后上层半年左右.60°N 上空类似，其QBO 信号向下传播更深，直至70hPa左右变为更强的季节信号.30°N 与60°N 地区上空30到10hPa处QBO 的振荡幅度可达20% 左右，50hPa 处QBO 的幅度可达10% 左右.平流层气溶胶的QBO 信号在高纬度地区有更深的深度，这可能是因为在30°N 地区，地面海陆分布和季节变化明显，在青藏高原这样明显的大地形影响下，地面状况对平流层的影响可以到达更高的高度.气溶胶面积密度的变化与赤道纬向风的QBO也存在一定的对应关系：30°N 和60°N 上空平流层气溶胶的面积密度与赤道纬向风呈明显的负相关关系，即当赤道纬向风为东风位相时，30°N 和60°N 上空平流层气溶胶的面积密度偏大，西风位相则反之.而赤道纬向风的位相变化略先于30°N 与60°N 上空的气溶胶QBO 位相变化，即赤道纬向风场从西风位相转为东风位相后一个月左右，30°N 与60°N上空的气溶胶面积密度则从偏小转为偏大.

图 2

Fig. 2

图 2 30°N (a)和60°N (b)气溶胶面积密度距平的逐月变化 灰度填充：气溶胶面积密度距平，单位μm2/Cm3 ；等值线：赤道上空纬向风U，单位m/s. Fig. 2 Monthly variation of aerosol area density anomaly at (a) 30°N and (b) 60°N Gray filling： Anomaly of aerosol area density，Unit ： μm2/cm3； Contour ： Tropical zonal wind，Unit ： m/s

图 3是赤道与南半球各纬度带气溶胶面积密度距平的逐月变化.由图 3a可见，赤道上空的气溶胶准两年周期振荡主要存在于10~50hPa之间，且以20hPa高度左右为界，上下有不同的位相变化.即在20hPa以上气溶胶面积密度偏大的同时，20hPa以下则气溶胶面积密度偏小，QBO 信号在50hPa高度左右被季节变化信号湮没.与30°N 与60°N 地区的气溶胶QBO 信号的传播特征明显不同.由图 3b与图 3c可见，30°S 与60°S 上空，20hPa高度以上还存在一定的准两年周期信号，而20hPa以下不存在明显的准两年周期振荡特征.

图 3

Fig. 3

图 3 3赤道（a)、30°S (b)和60°S (c)气溶胶面积密度距平的逐月变化 灰度填充:气溶胶面积密度距平，单位μm2/cm3;等值线：赤道上空纬向风U，单位m/S. Fig. 3 Monthly variation of aerosol area density anomaly at (a) tropical, (b) 30°S and (c) 60°S Gray filling： Anomaly of aerosol area density, Unit：μm2/cm3； Contour： Tropical zonal wind, Unit： m/s

以上分析可见，平流层背景气溶胶的准两年周期振荡主要存在于北半球，这与平流层臭氧的QBO有些相似.作为平流层最重要的微量成分，臭氧的变化与损耗一直是平流层研究的关注重点.气溶胶虽然并不直接参与平流层大气的化学过程，但在合适的温度、水汽条件下，平流层气溶胶表面上会发生一系列的非均相反应，破坏平流层中的臭氧.而气溶胶吸收太阳辐射和地面的长波辐射，又可以使平流层增温，进而影响平流层臭氧产生与消耗的光化学反应过程.平流层气溶胶与臭氧的分布又同时受风场的强迫作用，可见，平流层臭氧与气溶胶的QBO 之间可能存在一定的关系.图 4 为去季节变化后气溶胶与臭氧的同期相关，由图 2可知，在北半球平流层50hPa到10hPa之间气溶胶的周期信号以准两年周期信号为主，则去季节变化后，平流层臭氧与气溶胶的同期相关主要是其QBO 信号的同期相关，图中着色区域为信度检验达到95%的区域.由图中可以看到，在20hPa高度以上，气溶胶的QBO 变化与臭氧的QBO 变化具有极高的正相关关系；在20~50hPa高度上，低纬地区与高纬地区上空气溶胶的QBO 与臭氧QBO 仍具有较高的正相关性，而在中纬度20°N~50°N 上空40~20hPa高度处，两者之间有明显的负相关关系.

图 4

Fig. 4

图 4 去季节变化后气溶胶面积密度与臭氧的同期相关 Fig. 4 Contemporaneous correlation between aerosol surface density and ozone after removing seasonal variation

为了更好地了解图 4 中在北半球中纬度上空40~20hPa处气溶胶与臭氧之间的负相关关系，本文对比了30°N 上空30hPa高度处气溶胶面积密度与臭氧体积混合比随时间的演变，见图 5.图 5a为两者原始资料的时间序列，两者同期相关系数约为-0.41.可见，气溶胶与臭氧的含量呈比较明显的负相关；图 5b则为去季节变化后以QBO 信号为主的气溶胶与臭氧的时间序列，可见在以QBO 信号为主时，气溶胶与臭氧的负相关更加明显，两者的相关系数约为-0.5.在去季节变化以及QBO(图 5c)后，气溶胶与臭氧虽然仍呈一定的负相关，但相关关系已明显不及图 5a 及图 5b.因此，两者在20°N~50°N上空40~20hPa高度处的负相关主要受QBO的影响.虽然气溶胶与臭氧都在同样的风场输送下，但两者在此高度上沿经向的梯度分布相反，所以输送导致的结果是两者浓度一个增加另一个减少，从而两者呈现负相关.

图 5

Fig. 5

图 5 30°N上空30 hPa高度处气溶胶与臭氧的逐月变化 (a)原始值；（b)去季节变化；（c)去季节变化与去QBO. Fig. 5 Monthly variation of aerosol and ozone at 30°N, 30 hPa (a) Original value； (b) Removing seasonal variation； (c) Removing seasonal variation and QBO.

考虑到平流层气溶胶QBO 与赤道纬向风QBO基本同步(图 2)，本文分析了平流层气溶胶在风场不同位相时的距平百分率分布(见图 6)，风场的位相划分见资料介绍部分.由图 6可见，在东风位相时(图 6a)，北半球中高纬度30hPa到10hPa高度处，气溶胶距平百分率为正，最高可达15% 到20%，南半球中纬度地区上空30hPa到10hPa处距平百分率同为正，但其值较北半球同区域低，只有5% 到10%.对流层顶平流层底层附近距平百分率同为正，而南半球上空平流层下层距平百分率则为负.这与图 2反映的情况基本一致，在东风位相时对应的是气溶胶的极大值.西风位相时则反之(图 6b).

图 6

Fig. 6

图 6 东风位相（a)和西风位相（b)时气溶胶面积密度的距平百分率分布（单位：％) Fig. 6 The distribution of anomaly percentage for aerosol area density in (a) easterly and (b) westerly phase (Unit： %)

从图 6的分析可知，在东风位相和西风位相时，平流层气溶胶的分布具有非常明显的差异.Jones等^[28]在模拟风场QBO 对平流层微量元素的输送时指出，风场QBO 会引导出一个经向环流，将长寿命的微量气体从热带地区向外输送并形成热带以外地区微量气体的QBO.本文计算了剩余速度v^* 和w^* ，图 7即为由v^* ，w^* 的距平值构成的平流层环流形势，垂直剩余速度w^* 的距平进行了一定倍数的放大.图 7a可见，东风位相时，北半球30hPa高度处，剩余环流以赤道向中高纬度地区的水平输送为主，赤道是平流层气溶胶的主要源区，在这支水平输送的作用下，平流层气溶胶在北半球中高纬度地区上空进行了堆积，故图 6 中这一区域为气溶胶的距平百分率极大值中心.南半球中纬度上空30hPa附近，剩余环流以自下而上的垂直输送为主，因为下层气溶胶含量更高，因此向上的输送使南半球中纬度上空30hPa到10hPa气溶胶距平百分率也较高.同时，南半球中高纬度平流层下层向上的输送和赤道地区向极区方向的输送，也使得这些区域的气溶胶距平百分率为负.西风位相时则反之.可见，剩余环流可以很好地解释东西风位相时平流层气溶胶距平百分率的分布.

图 7

Fig. 7

图 7 东风位相（a)和西风位相（b)时剩余速度的距平场 Fig. 7 The anomaly tield of the residual velocity in (a) easterly and (b) westerly phas

本文采用HALOE 与SAGEII提供的气溶胶资料，分析了1998~2004年平流层不同纬度带背景气溶胶的准两年周期振荡特征，得到以下结果：

(1) 在北半球上空，平流层气溶胶存在明显的准两年周期振荡特征，其振荡幅度最大可达20%.30°N上空，QBO 信号自上向下传播至50hPa高度左右消失；60°N 上空，QBO 信号向下传播至70hPa高度左右消失.赤道上空平流层气溶胶的准两年周期有不同的特征：以20hPa左右高度为界，上下存在反位相关系.南半球上空，平流层气溶胶的QBO 特征则不明显.30°N 和60°N 上空平流层气溶胶的面积密度与赤道纬向风呈明显的负相关关系，即当赤道纬向风为东风位相时，30°N 和60°N 上空平流层气溶胶的面积密度偏大，西风位相则反之.在北半球，赤道纬向风场QBO 位相略早于气溶胶的QBO位相.

(2) 在20hPa以上，气溶胶与臭氧QBO 位相呈正相关关系.在20°N~50°N 上空40~20hPa高度处，气溶胶与臭氧QBO 呈明显的负相关关系，在南半球对应区域亦为负相关关系.这是因为在30hPa高度，气溶胶与臭氧的经向分布不同，气溶胶呈赤道含量高的单峰结构，臭氧则呈南北半球中纬度上空含量高的双峰结构，在经向分布的不同结构下，经向环流对其的输送在中纬度地区上空呈不同的效果.

而在北半球极区上空，自50~20hPa，气溶胶与臭氧的QBO 位相均为正相关关系.

(3) 在赤道纬向风为东风位相时，在赤道30hPa高度处，剩余环流以从赤道向两极的经向环流为主，向北极方向的经向环流一直到北半球中高纬度地区上空下沉，而向南的分支则在南半球中纬度地区上空变为以垂直运动为主.30hPa以上高度，在北半球以水平输送为主，导致了北半球20hPa以上区域气溶胶面积密度为正距平百分率；南半球则以自下向上的垂直输送为主，导致南半球中纬度30~10hPa区域为正距平分布，但其值明显弱于北半球.西风位相时则反之.可见，由剩余速度形成的环流输送与气溶胶的平均分布有着密切的关系.

本文的工作为模拟气溶胶QBO 的变化对平流层辐射和化学过程的影响提供了基础.为了了解气溶胶QBO 变化对温度结构和微量气体含量的影响，基于本文的工作，我们采用了NCAR 的二维化学-辐射-动力模式SOCRATES进行了模拟分析，本文不再介绍其分析结果.

感谢卤素掩星实验(HALOE)、平流层气溶胶和气体实验(SAGEII)的专家以及日本气象厅(JRA-25)的专家们为我们提供了很好的资料.