平流層:對流層,我的汙染,從來與你有關丨大氣悟理

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

導讀：對流層（大氣的最低層，平均厚度在8-16km左右）和平流層（對流層之上，距地表約10～50公裡處的大氣層）是與人類生活最息息相關的大氣層。我們已經知道對流層內嚴重的空氣汙染可能影響氣候變化。那麼，你知道對流層與平流層之間也會「交流」嗎？通過大氣交換，對流層汙染將被帶到平流層，從而影響全球。平對流層的交換又是如何被發現的呢?

平流層-對流層交換（STE）——是朋友，有交流

隨著一聲呼嘯，飛機衝上雲霄，飛過厚厚雲層，穩穩在在一片晴朗之間翱翔。此時，你已經身在3萬英尺以上（10km以上）的高空，珠穆朗瑪都在你腳下。在這裡，沒有狂風暴雨，沒有鳥群略過，雲海之間，只有你和你身邊耀眼的陽光。

沉醉於窗外的群山延綿湖泊縱橫的美麗，你可能並未意識到你已經完成了一次對流層到平流層的時空交換了！

大氣垂直分層，對流層頂在不同緯度高度不同，此處為舉例。（圖片來源：福建氣象科普）

當你站在地面，仰望天空，目光所及，是蔚藍天幕和朵朵白雲，這裡就是對流層——與人類生活最息息相關的大氣最底層。在這裡，集中了全部大氣約四分之三的質量和幾乎全部的水汽，由於空氣垂直運動活躍，容易發生對流運動，是天氣變化最複雜的層次，也是對飛行影響最重要的層次。飛行當中的一切阻礙：雷暴、濃霧、低雲幕、雨、雪、大氣湍流、風切變等，都出現在這裡。

 

聽說為了減小水平空氣阻力的影響，在對流層神仙都是豎著飛（圖片來自網絡）

如果將對流層比作喜怒無常的小孩，平流層就是喜怒不形於色的老人。這裡空氣稀薄，是我們賴以生存的臭氧層的聚集區。同時大氣主要以水平方向流動為主，垂直運動較弱，因此氣流平穩，一般晴空無雲。他們之間的最大差異來自溫度：一個溫度隨高度向上減少，一個溫度從低層不變到中上層迅速增加。為啥會有這麼大區別？

我們所感受到的溫度其實指熱量。在地面上，熱源主要就是地面輻射，因此越往上走熱量慢慢減少，溫度也就降低了。而在平流層，由於中上部聚集了大量的O3分子，會吸收200 nm到290 nm波長的輻射（也就是紫外波段），從而造成平流層中上部快速的增溫。

連接兩者「性格」差異的，就是對流層頂。

大氣垂直分層，對流層以上的黃色層就是對流層頂，對流層頂在不同緯度高度不同，此處為舉例。（圖片來自網絡）

對流層頂有多特殊？他並不是你想像中薄薄的一個幾何斷面，而是具有複雜時空結構的層區。由於對流層溫度隨高度升高降低，而平流層變化相反，勢必使得兩者過渡處溫度變化不連續，帶來很大的溫度垂直變化率，他就像一個大蓋子，阻擋了水汽和雜質氣體向上擴散，也使得平流層「脫水變幹「。

這樣看來，似乎兩層互不關聯。但是，氣象現象（如切斷低壓）會造成某一地點周期性的短暫溫度連續性」破壞「，使得對流層頂結構突然斷裂，導致大範圍平流層大氣穿過本來穩定的對流層頂結構，快速向對流層傳輸，進而影響對流層大氣化學和氣候變化。這就製造了契機，讓平流層的物質有機會到平流層「串串門「，反之亦然。這就是常說的平流層-對流層交換（STE）。

STE全球分布（圖片來源：參考文獻1）

STE威力大——影響全球氣候環境

而全球性的STE出現，可以通過大氣環流實現——它可以為氣溶膠和汙染物進入全球平流層提供通道。而一旦躍層，它們的壽命將大大延長，在更長的時間尺度上發揮「作用」。

可以說，若是汙染發生，就不僅僅是對流層的事情了。

2020年1月12日，位於菲律賓首都馬尼拉以南約45英裡處的塔爾(Taal)火山在毫無徵兆的情況下突然噴發，釋放的大量火山灰高度達10-15km，穿過對流層，滲透到平流層，在這裡，SO2迅速在臭氧的氧化下轉化為硫酸鹽氣溶膠，並將太陽光返回會太空，從而使得低層大氣冷卻（陽傘效應）。在大氣環流的作用下，發生在熱帶地區的噴發更可以隨著哈德萊環流上升支（一隻在赤道受熱上升，副熱帶下沉的大氣環流）到達高緯，對兩個半球的氣候都產生影響。而歷史上記錄的最強火山噴發之一——坦波拉火山的噴發，直接影響了全球多年的氣溫，並可能導致了所謂的「無夏之年」。

 

3萬多公裡之外的日本的Himawari-8衛星觀察到的1月12日至13日火山羽的生長和擴散（圖片來源：NOAA）

近年來，隨著大氣溫室氣體的增加，對流層溫度不斷升高，而平流層大氣溫室氣體向外放出長波輻射（指4~120μm波長範圍內，均為肉眼所不能看見的紅外輻射）大於吸收的來自對流層大氣的長波輻射，使得平流層不斷降溫。平流層的研究已經受到越來越多重視。正是因為平流層與對流層的相互作用如此複雜而重要，要想對它有完整的認知，就需要能直接反映垂直方向上的變化的高解析度觀測資料。

 

全球平均對流層下部和平流層下部溫度距平，相對於1981-2010年。（圖片來源：IPCC）

到野外去「碳測」

但是大氣的垂直變化（大氣廓線數據）實在抽象，我們要想將這個過程表現清楚，就不得不找個能追尋蹤跡的「導航」了。

由於二氧化碳由於性格穩定，還具有很長的壽命，因此經常作為平流層示蹤劑。一氧化碳（CO）在平流層中十分「敏感」，容易被氧化，迅速減少，因此通常被認為是對流層的示蹤劑，並與平流層的示蹤劑如臭氧（O3）聯繫起來，以確定對流層頂的位置。這種方法被稱為示蹤物質相關法，也被用來研究混合氣團的分布及其不同的氣源區域。

這條小小的廓線可謂深藏不露，除了用來研究變化，它還可以起到檢索局地表面通量，驗證模式結果和研究大氣傳輸過程的作用。

 

劉毅課題組首次獲得的地面到平流層CO2濃度垂直分布觀測

由於野外實驗的昂貴和風險性，想要得到一條垂直廓線並不像想得這麼簡單。

2018年6月，中科院大氣物理所的劉毅研究員以及合作者，為了實現高覆蓋率和高精度「碳測「目的，決定遠赴內蒙古錫林浩特展開實驗。這一次，他們帶上了「秘密法寶」——大氣所與氣象探測中心合作、自主研發的長管大氣成分採樣系統（AirCore）。

 

長管下投採樣系統的實驗步驟（左），長管下投採樣系統構造圖（右）

AirCore是一種被動式採樣系統，可以高精度的探測從地面到高空35km大氣中痕量氣體的垂直分布，彌補飛機探測的不足。在其下降階段通過長管內外氣壓差將周圍大氣壓進長管中。在其不斷下降過程中，管中能收集到不同高度處的氣體，從而獲取痕量氣體廓線。在三個子系統（探空系統，控制和通信系統、移動分析系統）的配合下快速完成實驗。

這是AirCore在中國的首次」出徵」。

本次實驗是「青藏高原平流層-對流層交換觀測研究」子課題的第一個觀測實驗，因此首次AirCore成功觀測對於後續平流層觀測實驗具有重要的意義。在實驗開始之前，他們已經經過前期幾個月的準備。包括長管的採購、長管的測試、載荷艙的搭建及調試、氣體分析系統的搭建及調試。為了讓探測的精度更高，他們甚至直接將高精密的氣體分析儀（PICARRO）千裡迢迢從北京一路開車運到錫林浩特。

沒想到的是，信心滿滿的出發，大自然卻先與他們開了個「玩笑」。

剛到錫林浩特，他們便遭遇到了多年不遇的強沙塵暴。看著窗外黃沙漫天的恐怖景象，只能在心理暗暗著急：實驗對天氣有很嚴格的要求，若是沙塵不停，可能會錯過觀測的最佳時機！

 

6月12日沙塵後的彩虹（實驗準備）

幸運的是，在第二天就迎來了風沙後的藍天白雲。看著觀測站後那道絢爛的彩虹。他們總算長呼了口氣。

6月12日沙塵後的彩虹（實驗準備）

這是一個需要耐心的「配合戰」。

首先，一組人通過高空氣球將採樣系統釋放到平流層的特定高度，然後利用中控系統發送切斷信號，使氣球與載荷（載有儀器）分離，載荷緩慢下降，並將不同高度的氣體採集到60米長的不鏽鋼管採樣器中。另一組人需要按照載荷的飛行軌跡趕往落點，回收降落的設備，並會以最快速度將載荷送到分析車進行數據處理和分析。路途可謂十分曲折，因為載荷可不聽話，它往往隨風流浪，才不會按照你規劃的路程飛行，所以往往可能降落在牧民家的草地裡。

在王勇老師團隊以及國家氣象局氣象探測中心方雙喜老師團隊的配合下，整個實驗過程放飛、回收和分析工作均在2小時左右時間內完成。

  

左圖為高空氣球正在工作，右圖為設備回收。

經過6月13日和6月14日兩天的連續採集，他們成功獲取了從地面至24公裡的CO2和CO及其他氣體的垂直分布信息。

找不同——觀測永不止步

CO2和CO的源是化石燃料的燃燒，集中在地表的人為排放，那麼在自由對流層中的濃度應該是比近地面濃度小的。

本次實驗中，他們卻發現在6月13日探測到的二氧化碳（CO2）廓線和一氧化碳（CO）廓線卻並不符合這一規律。利用軌跡模式和衛星探測數據，他們發現造成6月13日自由對流層CO2和CO濃度的最大值來自於中國的東北部，巨大的工業排放使得那片地區CO2和CO濃度高，這種高值信息通過大氣的輸送直接顯示在了探測的廓線中。

CO2和CO的最典型的產生過程都是燃燒過程，化石燃料燃燒的量大，排放出的CO和CO2量就大，也就是說對於同一氣團，CO2濃度大，CO濃度也會大。但他們發現在6月14日觀測到的廓線中，在8公裡到11公裡，出現了厚度約為1km的氣團中連續三個CO和CO2負相關的薄層結構。通過分析發現6月14日錫林浩特地區的氣流來源於西北部的貝加爾湖地區附近，該地區在垂直方向上出現了平流層入侵現象，水平方向上CO2呈現較大梯度，即平流層入侵造成的CO低值的區域是CO2的高值區，反之亦然。多層片狀結構導致了6月14日在8公裡到10公裡之間的CO2和CO的正相關。更詳盡的分析可參見文章。

（a）13日沿著100°E的位溫遞減。綠線、黑線和玫紅線分別表示了在實驗地點8.7 km，9.7 km和10.7 km處的一天的後向軌跡。（b）GOSAT觀測的CO2柱總濃度的月平均值，線與（a）一致，但是為兩天的後向軌跡，每一個圈代表一天。

這次試驗結果已經整理發表在 Advances in Atmospheric Sciences 上。

探測，從來就不是一件容易的事情。即使隨著科技發展，我們有了更先進的技術手段——衛星，雷達，但是也需要這樣到天上「走一遭」的實實在在的觀測數據，才能使衛星雷達提供的數據更準確。 

當然，這次試驗的成功只是新的開始。在STE區，一項旨在同時測量西藏地區更多氣體種類(如CH4、N2O和O3)的 airCore 實驗也正在進行。而這些氣體之間的相互關係的研究將有助於披露有關氣團輸運屬性的更多細節。文章第一作者易遊表示，「我們將永不停止用觀測說事實的腳步」。

參考文獻：

1. 胡寧,張朝林,仲躋芹,李玉煥.大氣對流層平流層交換(STE)研究進展[J].地球科學進展,2011,26(04):375-385.

2. Yi, Y., Cai, Z., Liu, Y. et al. Direct Observations of Atmospheric Transport and Stratosphere-Troposphere Exchange from High-Precision Carbon Dioxide and Carbon Monoxide Profile Measurements. Adv. Atmos. Sci. 37, 608–616 (2020). https://doi.org/10.1007/s00376-020-9227-2 

3. Liu, F., and Coauthors, 2020: Could the recent Taal Volcano eruption trigger an El Niño and lead to Eurasian warming? Adv. Atmos. Sci., 37(7),  https://doi.org/10.1007/s00376-020-2041-z.(in press)

來源：中國科學院大氣物理研究所

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