极地涡旋

地球极地发生的气旋

极地涡旋，简称极涡，是地球上南极的冬季到来时，由于下沉的空气在南极洲的山地受阻，停止环流而就地旋转，吸入冷空气形成一股很强的围绕极地旋转的西向环流现象。极地涡旋也是一年四季维持在北极地区上空对流层和平流层的持续性大尺度低气压环流系统。

现象描述

极地涡旋是极地高空冷性大型涡旋系统，是极区大气环流的组成部分。其位置、强度以及移动不仅对极区，而且对高纬地区的天气都有明显影响。

极地是地球的冷极，也是大气的冷源，因而在极地低空形成冷性高压，在极地上空则形成冷性低压。

极涡的位置和活动范围时有变化，尤其冬半年活动演变比较复杂，最长的活动过程达35天之久。极涡闭合中心有时分裂为2个或3个，甚至3个以上，当偏离极地向南移动时，常导致寒潮活动增多、增强。

据统计，在10个冬半年影响我国的171次寒潮中，有102次是亚洲上空出现持久极涡，其中6次强寒潮过程都与极涡在亚洲上空的位置明显偏南相关。

形成原因

地球是由含有CO2、H2O、CH4、和CFCs等痕量气体及其它气体、尘埃的大气所包围，这些痕量气体在红外光谱区具有较强的吸收特性，其本身也向外发射长波辐射，因而对地球表面，低层大气具有较强的增温作用。大气中的H2O、CO2和其它痕量气体对太阳短波辐射吸收很弱，却吸收来自地面的长波辐射，并向下和向上重新发射长波辐射，前者加热地面和低层大气，后者则在大气顶维持辐射平衡，从而大大提高了地表面的有效辐射平均温度，从18℃升为15℃。这样一种增温现象称为痕量气体的温室效应。

自1990年以来，人们逐渐认识到造成气候变化的原因除了自然因素外，人类活动的影响已经不容忽视，特别是工业革命以来，由于人口增长、工农业生产活动和城市的不断扩大等因素使得温室气体和人为大气气溶胶浓度急剧增加并呈持续增长的态势，直接威胁着人类赖以生存的地球环境。人类使用化石燃料和人为土地利用转换向大气中排放了CO2、CH4、N2O、和CFCs等温室气体，导致大气中温室气体浓度增加，温室效应增强，全球近地表大气温度上升和气候的变化。二十世纪初以来，总体来讲全球、南半球、北半球均出现了强烈的增温，但这种增温过程中存在着很大的地区差异和季节差异。比如说：(1)北半球地面气温在1950、1960年代有一个较强的降温过程，而南半球在同期却没有这样的降温过程。(2)在全球变暖的大背景下，并不是整个地球在各处都是增温的，甚至有些区域在某些时段出现了很强的降温。比如海表温度在北太平洋中纬度洋区和大西洋北部有很强的降温。就地面气温的年平均来看，在中低纬(15—45°N)大陆的许多地方也有明显的降温，比如北非、北欧、美国大部、澳大利亚、南美中部，以及自巴尔干半岛到中国西部一线的海拔较高的地区。地面气温增温的地区主要是热带和高纬度地区，其中最强的是两极地区，在200hPa上，南半球的中高纬地区表现出了强烈的增温，最高达到了3度以上。而在北半球的高纬地区，却是强烈的降温，其幅度超过了l度。2008年12月15日日本气象厅发布的一项统计数据显示，全球气候变暖呈现出减缓的趋势，与1971-2000年全球平均温度相比，2008年全球平均温度只升高了0.2℃。

根据IPCC第四次评估报告，全球近百年(1906—2005)平均气温上升了0.74℃，这里，气温指场面气温。一些研究表明温室气体的增加对整个平流层起降温作用。中平流层气温在高纬地区从60’s后期开始呈上升趋势。但这里研究的是全球平均的整个平流层。1992—2004北半球极区平流层下部有增温趋势。

无论全球、北半球或中国，20世纪气候均明显变暖，但其时间变化和空间分布却与根据温室效应所预期的不完全一致。因此，虽然我们不能据此完全否定温室效应，但至少应当承认，在过去百年中，温室效应不是决定气温变化的单一因素。也就是说，在过去百年中自然变化是很重要的。特别对高频变率，自然变化可能是决定性的因素。温室效应如果起作用，也主要是影响低频趋势变化。

臭氧(O3)是一种重要的大气微量气体，全球平均整层气柱含量0.3cm左右(标准温度和压力STP)，大部分集中在10.50km的平流层，对流层O3占其总量的10%左右。O3是影响对流层．平流层大气动力、热力、辐射、化学等过程的关键成分，在气候和环境变化中扮演非常重要的角色。大气中臭氧的含量虽然不多，但却起着重要的作用。

首先，O3是大气化学的核心物种。在平流层中，臭氧层可以吸收对生物有害的紫外辐射，对地球生命起保护伞作用：在对流层大气中，适量臭氧对清洁大气是有益的。

其次，O3对高层大气具有加热作用。因为臭氧层主要分布在平流层，O3在紫外光波长0.2-0.3μm的谱段有强吸收带(Hartley带)，在0.3-0.36μm有弱吸收带(Huggins带)，在0.44-0.74μm可见光区还有一个吸收带(Chappuis带)，可以大量吸收紫外光和可见光，可以直接加热平流层大气，平流层大气温度向上递增，同时大气加热率是驱动大气运动的能源，所以臭氧影响平流层的大气环流。

第三，O3对低层大气具有温室效应。O3在红外波段有许多振转吸收带，特别是在9.6μm处有一很强的吸收带，使之成为一种重要的温室气体，在平流层中上层产生冷却效应，在平流层低层和对流层产生增暖效应，从而影响对流层大气环流。臭氧确实具有温室效应，在夜间或永夜地区，温室效应使地气系统的温度下降减少。但臭氧对短波辐射的吸收作用比温室效应要大，因此，对年平均而言，臭氧浓度的增大将使海平面温度下降。但臭氧浓度增大时温室效应增强，而短波吸收将达饱和，因此当浓度增至某一值后，温室效应将占主导地位。

臭氧对大气环流的影响至关重要，但是全球的臭氧含量却在减少。雨云7号卫星臭氧总量观测系统TOMS(Total Ozone Mapping Spec2t rometer)的资料(1978.1.10～1990.1.10)得到的O3总量平均每年减少率和纬度、季节的变化特征表现为：北半球随着纬度的增加，O3总量减少的幅度在增加(在40°N附近，冬春季减少1.80%/a，60°N附近减少1%/a)，赤道地区的O3总量几乎没有变化，南半球随纬度增加O3总量减少的趋势越来越显著，在南极地区O3总量年平均减少达到最大(3%/a)，并在冬末春初形成所谓的南极臭氧洞。中国地区大气臭氧层也呈现异常变化。分析1979-1993年北京香河站和昆明Dobson站的臭氧总量数据发现，我国臭氧总量有减少的趋势。利用地面观测与TOMs资料分析了中国地区大气臭氧总量近13年来的变化特征，结果表明：1979年以来我国大气臭氧总量逐年减少，年平均递减率变化范围为10.77%-17.5%，其值随纬度增高而增大。在青藏高原夏季南亚高压的影响下，高原上空形成一个臭氧异常低值中心。

同时大气环流对臭氧也有着明显的作用，大气环流影响臭氧的变化。行星波对O3有运输作用，平流层的行星波活动有明显的季节差异，引起了中高纬地区O3分布有很大的季节变化。100hPa等压面上的经向风与臭氧总量的变化密切相关，与北风相对应的是臭氧高值区，与南风对应的是低值区嘲。极涡增强将导致O3层出现负异常，由于极涡的不对称性，各分区极涡强度对O3层遥相关型的影响存在着显著差异，表明极涡形变对O3层遥相关型的形成和演变具有重要作用。O3层存在一系列遥相关型，其时域特征与大气环流型的变化有关，遥相关区域的空间分布具有波状结构。随着环流型的季节调整，冬春季与夏秋季O3层的遥相关结构存在着差异。所得结果可显示出大气环流对O3的输送作用以及环流系统振荡导致O3层异常分布；QBO对行星波的影响，而间接影响O3的区域含量变化。

这些研究和大量的观事实表明，大气中臭氧总含量与大气运动一样有极其明显的季节变化和纬度变化。由赤道至极地，臭氧层高度随纬度增高而递减，但总含量却递增，在75°N-80°N纬度处总含量达最大值，再向极地，除个别月份外，总含量反而减少。随纬度变化的梯度或纬度变化的幅度，在春季最大，秋季最小。一年之中，臭氧总含量以春季最大，秋季最小，少部分地区在夏末可有第二个极大值出现。臭氧总含量季节变化的幅度随纬度增高而增加，赤道地区最小。可看出臭氧含量在区域上主要分布在北半球的高续地区，季节上春季最大，秋季最小。

从上我们可知，臭氧与大气环流是相互作用的，因此，通过大气臭氧的研究，对于了解大气环流，具有重要意义。

影响

南极极地涡旋比北极极地涡旋更为显著，持续时间也更长。这是因为北半球高纬度地质因素增强了罗斯比波，而就是罗斯比波引起涡旋的破裂；与之相比，在南半球涡旋则更为稳定。北极涡旋形状上是瘦长的，有两个中心，一个在加拿大的巴芬岛，而另一个在西伯利亚的东北部。

南极极地涡旋的化学现象已经导致严重的臭氧消耗。极地同温层云团中的硝酸与CFC反应生成氯，也就是对臭氧的光化学破坏。氯在冬天的极夜中凝聚、堆积，到春天（9月/10月），持续的臭氧破坏也将更为严重。这些云只能在-80°C以下形成，故而较为暖和大北极区域形成不了臭氧层空洞。

一些天体同样已知有极地涡旋现象，包括金星、火星、木星和土星的卫星土卫六。

流指数概述

在大气环流异常研究中，经常采用环流指数来简洁、定量地描述重要环流系统的性质。月平均气压场是描述大气环流最基本的要素场，其异常与短期气候异常关系密切。因此一些全年或季节性地在特定地理区域的闭合气压系统，如海平面气压场中的诸多大气活动中心、自由大气中的极涡、副高等，都可以定义相应的环流指数。以国家气候中心系统诊断预测室公布的“74项环流特征量”为例，其中大多数是上述闭合气压系统或其局部的环流指数(北半球副高指数45种、极涡指数12种)。

1970’s起，国内外气象学者对绕极极涡特征参量(即极涡指数)的定义进行了系统的研究。如采用极涡中心位置和极涡绕极率；Ertel位涡定义极涡边界；极地涛动指数反映低平流层以下绕极低压带的强度；文献中提出的500hPa等压面上的极涡面积和强度指数，取接近西风急流轴的特征线为极涡边界线。这些参数对揭示极涡的演变规律及对天气和气候的影响都有着一定的参考价值。利用球面三角计算方法给出了一种新的计算闭合系统面积(S)、强度(P)、中心位置(λc，ψc)的方法，该方法给出的极地涡旋环流指数具有明确的动力学意义，其定义也很严格。同时又给出了其历年中心在球面上分布的三个特征量(平均距离γ、扁率μ、主轴方向β)的定义，用来描述该系统的性状。使用表明，用它求得的平、对流层一系列闭合气压系统(500hPa极涡、lOOhPa南亚高压、1000hPa蒙古高压)的环流指数具有良好的分析性质。

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