平流層暴發性增溫
平流層暴發性增溫（Sudden Stratosphere Warming，SSW），或直譯為平流層突然變暖，是指極地平流層溫度在幾天內快速升高几十度（最多升高約 50°C（90°F））的一種天氣現象。[1]在增溫出現之前，平流層極地渦旋中的西風先減緩然後逆轉。平流層暴發性增溫在北半球每十年大約發生 6 次，[2] 而在南半球大約每 20-30 年才會發生一次[3]（迄今已觀察到兩次[4]）。
研究歷史[編輯]
1951年，Richard Scherhag對平流層進行了第一次的連續測量，他使用無線電探空儀在平流層上層（約40 km高度處）獲得了可靠的溫度讀數，並於1952年1月27日第一次觀察到平流層增溫。在這次發現後，他在柏林自由大學組建了一個專門研究平流層的氣象團隊，該團隊多年來持續使用無線電探空儀和火箭探空設備來繪製北半球平流層溫度和位勢高度圖。
1979年衛星時代以來，氣象觀測變得更加頻繁及方便。雖然衛星觀測主要用於對流層，但是也同時記錄了平流層的數據。如今，衛星和平流層無線電探空儀都被用來觀測平流層。
分類和描述[編輯]
SSW與極渦分解密切相關。氣象學家通常將渦旋分解分為三類：重大型、次要型和終結型。迄今為止，學術界對SSW的分類還沒有一個得到廣泛採用的標準定義。[2]然而，只要極地平流層中的環流逆轉，這些SSW定義方法的差異就顯得無關緊要。[5] 當冬季極地平流層西風帶反轉為東風時，即會發生重大型SSW。在極地輕微變暖時，溫度梯度會反轉，但環流不會，在最後的增溫過程中，渦旋會分裂並保持東風，直到接下來的北半球秋季。[2]
有時還會有第四類，即加拿大型增溫，其有獨特的結構和演變過程。
重大型[編輯]
重大型增溫通常發生在北緯60度的10 hPa高度層，當西風反轉為東風時，可以觀察到極渦完全被破壞，並且該極渦分裂成小的子極渦，或從其在極區上的正常位置移位。
根據世界氣象組織大氣科學委員會 (Mclnturff, 1978)定義：如果在10 mb高度層或以下，緯度平均溫度從60度緯度向極地升高，並且觀察到相關的環流逆轉（即，60緯度向極地的盛行平均西風繼指同一地區的東風），則稱為重大型的平流層增溫。
次要型[編輯]
次要型增溫與重大型增溫相似，但程度不那麼劇烈，西風會減慢，但不會逆轉。因此，不會觀察到渦旋的解體。
麥克林特夫指出：如果在冬季半球的任何區域的任何平流層水平上觀察到顯着的溫度升高（即，在一周內至少升高25度或更少），則稱平流層增溫是輕微的。極地渦旋沒有分解，由西風向東風的反轉幅度較小。
終結型[編輯]
平流層的輻射循環意味着在冬季平流層的盛行風為西風，在夏季為東風（向西吹的風）。在這個過渡過程中會發生最終型增溫，因此極地渦旋會改變增溫的方向，直到下一個冬天才會改變。這是因為平流層本身已進入夏季東風階段。
加拿大型[編輯]
加拿大型增溫發生在北半球平流層的初冬，通常是從11月中旬到12月初。在南半球沒有對應的現象。
動力學[編輯]
在一般的北半球冬季，會發生幾次輕微的增溫事件，其中大約每兩年發生一次重大事件。北半球發生重大平流層增溫的原因之一是地形和海陸溫度對比，這些因素也是產生對流層長羅斯貝波（波數1或2）的原因。這些大氣波可以向上傳播到平流層並在那裡消散，使得西風減速、北極增溫。[6]這就是僅在北半球觀察到重大增溫的原因，不過有兩次例外。在2002年和2019年，學者觀察到南半球也出現了重大增溫事件。[7][8][9]這些事件的原因尚不完全清楚。
增溫初期，對流層中會出現一個阻塞型環流模式。這種阻塞模式導致帶狀波數為 1 和/或 2 的羅斯比波增強到異常大的幅度。不斷增長的波動傳播到平流層並使西風平均緯向風減速。因此極夜噴流減弱，同時被不斷增強的行星波扭曲。因為波幅隨着密度的降低而增加，所以這種向東的加速過程到了一定高度層上就會失效。如果波動足夠強，平均緯向流可能會被充分減速，致使冬季西風帶反轉為東風。此時行星波可能不再穿透平流層[10]）。由此，能量的進一步向上傳輸被完全阻止，極快的東風加速和極地增溫只能發生在這個臨界高度，然後必須向下移動，直到增溫和緯向風逆轉最終影響整個極地平流層。行星波的向上傳播及其與平流層平均流的相互作用傳統上是通過所謂的埃利亞森-鮑姆通量來診斷的。[11][12]
突然的平流層增溫和准兩年振盪QBO之間存在聯繫：如果 QBO 處於其東相，大氣波導會以這樣一種方式進行調整，即向上傳播的羅斯貝波聚焦在極渦上，從而加強它們與平均流的交互作用。因此，如果根據 QBO 階段（東風或西風）對這些事件進行分組，則平流層突然增溫的頻率之間存在統計學上的顯着不平衡。
天氣影響[編輯]
雖然平流層暴發性增溫主要是由從低層大氣向上傳播的行星尺度波推動的，但也會對地表天氣產生後續的回歸效應。在平流層暴發性增溫之後，高空西風逆轉並被東風取代。東風向下穿過大氣層，通常導致對流層西風減弱，導致北歐氣溫急劇下降。[13]整個過程可能需要幾天到幾周的時間。[1]
參見[編輯]
參考文獻[編輯]
- ^ 1.0 1.1 Sudden Stratospheric Warming. Met Office. [2022-04-28]. （原始內容存檔於2015-01-03） （英語）. 引用錯誤：帶有name屬性「Met Office」的
<ref>標籤用不同內容定義了多次 - ^ 2.0 2.1 2.2 Butler, Amy H.; Sjoberg, Jeremiah P.; Seidel, Dian J.; Rosenlof, Karen H. A sudden stratospheric warming compendium. Earth System Science Data. 9 February 2017, 9 (1): 63–76. Bibcode:2017ESSD....9...63B. doi:10.5194/essd-9-63-2017.
- ^ Jucker, Martin; Reichler, Thomas; Waugh, Darryn. How frequent are Antarctic sudden stratospheric warmings in present and future climate?. Geophysical Research Letters. 2021, 48 (11). Bibcode:2021GeoRL..4893215J. doi:10.1029/2021GL093215.
- ^ Shen, Xiaocen; Wang, Lin; Osprey, Scott. The Southern Hemisphere sudden stratospheric warming of September 2019. Science Bulletin. 2020, 65 (21): 1800–1802. Bibcode:2020SciBu..65.1800S. doi:10.1016/j.scib.2020.06.028.
- ^ Palmeiro, Froila M; Barriopedro, David; Garcia-Herrera, Ricardo; Calvo, Natalia. Comparing Sudden Stratospheric Warming Definitions in Reanalysis Data (PDF). Journal of Climate. 2015, 28 (17): 6823–6840 [2022-04-28]. Bibcode:2015JCli...28.6823P. doi:10.1175/JCLI-D-15-0004.1. （原始內容 (PDF)存檔於2020-10-30）.
- ^ Eliassen, A; Palm, T. On the transfer of energy in stationary mountain waves. Geofysiske Publikasjoner. 1960, 22: 1023.
- ^ Varotsos, C. The southern hemisphere ozone hole split in 2002. Environmental Science and Pollution Research. 2002, 9 (6): 375–376. PMID 12515343. doi:10.1007/BF02987584.
- ^ Manney, Gloria L.; Sabutis, Joseph L.; Allen, Douglas R.; Lahoz, William A.; Scaife, Adam A.; Randall, Cora E.; Pawson, Steven; Naujokat, Barbara; Swinbank, Richard. Simulations of Dynamics and Transport during the September 2002 Antarctic Major Warming. Journal of the Atmospheric Sciences. 2005, 62 (3): 690. Bibcode:2005JAtS...62..690M. doi:10.1175/JAS-3313.1.
- ^ Lewis, Dyani. Rare warming over Antarctica reveals power of stratospheric models. Nature. 2019, 574 (7777): 160–161. Bibcode:2019Natur.574..160L. PMID 31595070. doi:10.1038/d41586-019-02985-8.
- ^ Charney, J. G.; Drazin, P. G. Propagation of planetary-scale disturbances from the lower into the upper atmosphere. Journal of Geophysical Research. 1961, 66 (1): 83–109. Bibcode:1961JGR....66...83C. doi:10.1029/JZ066i001p00083.
- ^ Andrews, D.G.; McIntyre, M.E. Planetary waves in horizontal and vertical shear: the generalized Eliassen-Palm relation and the mean zonal acceleration. Journal of the Atmospheric Sciences. 1976, 33 (11): 2031–2048 [2022-04-28]. Bibcode:1976JAtS...33.2031A. doi:10.1175/1520-0469(1976)033<2031:PWIHAV>2.0.CO;2. （原始內容存檔於2022-03-07）.
- ^ Jucker, Martin. Scaling of Eliassen-Palm flux vectors. Atmospheric Science Letters. 2021, 22 (4). doi:10.1002/asl.1020.
- ^ King, A.D.; Butler, A.H.; Jucker, M.; Earl, N.O.; Rudeva, I. Observed Relationships Between Sudden Stratospheric Warmings and European Climate Extremes. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2019, 124 (24): 13943–13961. Bibcode:2019JGRD..12413943K. doi:10.1029/2019JD030480.
其他資料[編輯]
- Butler, Amy H.; Sjoberg, Jeremiah P.; Seidel, Dian J.; Rosenlof, Karen H. A sudden stratospheric warming compendium. Earth System Science Data. 2017, 9 (1): 63–76. Bibcode:2017ESSD....9...63B. doi:10.5194/essd-9-63-2017.
- Charlton, Andrew J.; Polvani, Lorenzo M. A New Look at Stratospheric Sudden Warmings. Part I: Climatology and Modeling Benchmarks. Journal of Climate. 2007, 20 (3): 449. Bibcode:2007JCli...20..449C. doi:10.1175/JCLI3996.1.
- Charlton, Andrew J.; Polvani, Lorenzo M.; Perlwitz, Judith; Sassi, Fabrizio; Manzini, Elisa; Shibata, Kiyotaka; Pawson, Steven; Nielsen, J. Eric; Rind, David. A New Look at Stratospheric Sudden Warmings. Part II: Evaluation of Numerical Model Simulations. Journal of Climate. 2007, 20 (3): 470. Bibcode:2007JCli...20..470C. doi:10.1175/JCLI3994.1.
- Matthewman, N. J.; Esler, J. G.; Charlton-Perez, A. J.; Polvani, L. M. A New Look at Stratospheric Sudden Warmings. Part III: Polar Vortex Evolution and Vertical Structure. Journal of Climate. 2009, 22 (6): 1566. Bibcode:2009JCli...22.1566M. doi:10.1175/2008JCLI2365.1.
- Pedatella, N.; Chau, J.; Schmidt, H.; Goncharenko, L.; Stolle, C.; Hocke, K.; Harvey, L.; Funke, B.; Siddiqui, T. How sudden stratospheric warming affects the whole atmosphere.. Eos. 2018, 99. doi:10.1029/2018EO092441.
- Hendon, Harry; Watkins, Andrew B.; Lim, Eun-Pa; Young, Griffith. The air above Antarctica is suddenly getting warmer – here's what it means for Australia. The Conversation. 2019-09-06 [2019-09-10]. （原始內容存檔於2022-05-07）.