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在纽约-奥勒松匀质探空记录中观测到的北极变暖、水分增加和环流变化

Marion Maturilli amp; Markus Kayser1

阿尔弗雷德韦格纳研究所，赫尔姆霍兹极地和海洋研究中心，波茨坦，德国

摘要：从1993年到2014年，用北极点纽约-奥勒松（78.9 N，11.9 E）获得的无线电探空测量数据，纠正制造商提供的资料中已知的错误后，对仪器的不连续性进行了均质化处理。所产生的均质无线电探空记录作为补充材料提供在http://doi pangaea.de / 10.1594 / PANGAEA.845373。从均匀化的数据记录中，提出了第一个有关风、温、湿度的纽约-奥勒松高空气候学，形成了22年期间变化分析的背景。特别是在冬季，大气温度和湿度明显增加，1月和2月的自由对流层温度每10年上升到3K。冬季在1千米以下的边界层变暖，大概是中尺度放大的原因，包括地形效应或边界层覆盖反演。尽管在冬天大气中的大气水汽柱是从最低的2公里处开始的，但在特定的湿度变化的作用下并没有被发现。相反，我们在大背景湿度剖面的湿度含量中发现了一个折痕。与此同时，在冬季，对流层很少在北方流动，而在南方比较频繁。我们的结论是，大气环流的变化导致了冬季变暖，潮湿的空气从低纬度地区向斯瓦尔巴地区上升，导致了大气柱的升温和湿润，这可能与北极振荡的变化有关。

关键词：对流层；气候学；湿度；温度

1.引言

由于北极扩大进程，导致全球变暖在北极地区有效地增加。放大反馈机制是建立在大气-冰冻圈状况-海洋相互作用的基础上的, 北极海冰逐渐减少。北极反照率的进一步减少与雪上的烟尘、大气中的化石燃烧以及吸热的黑碳气溶胶的海冰有关。更重要的是, 海冰程度的变化影响着北冰洋和上空的垂直热流。考虑到开阔水面对潜热通量的影响, 云盖和大气水汽含量的相关变化影响着下长波的辐射流量。此外, 环流变化也增加了水汽向北极的经向传输, 并对长波辐射产生了影响。并且,大气和大洋径向热运输的变化也影响着北极变暖。事实上, 最近北极变暖的垂直结构表明, 在今年大部分时间内, 地表上方的温度上升很多, 这是因为大气层能量向北极输送。垂直状态下, 在晴朗的冬季大气中, 温度反演的存在、向下的长波辐射以及对空间的衰减会导致下面的大气层变暖。此外, 北极特定湿度影响了晴朗天空条件下的长波辐射。并且, 特定的湿度反转也会影响云的生长和持久性。虽然北极大气特别干燥, 但是水蒸气可以饱和的排放, 并创造出了额外的云。因此, 水蒸气含量的变化预计会对北极气候系统产生强烈影响。

在研究中, 我们专注于纽约-奥勒松 (78.9°N, 11.9°E) 的观测, 这是位于格陵兰海和北冰洋大西洋区的巴伦支海之间的斯瓦尔巴特群岛西海岸。从气候上来说这是北极最热的地方, 那里的对流层温度相对较高, 因为有温暖的海洋绝热。在纽约-奥勒松,阿尔弗雷德-韦尔研究所是研究极地和海洋的，二十几年都在运作一个大气观测站, 包括从表面到上层大气层的测量。纽约-奥勒松表面观测反映了最近的北极变暖, 在1994至2013期间, 每年平均气温增加1.3k, 每十年 增加0.7 K。这个观测到的气候变暖的最大的部分是黑暗的冬季, 12月1月2月平均气温增加了3.1k, 每十年增加2.4 K。同期, 冬季的表面辐射预算 与 11.6 10.9 Wmminus;2为向上和 15.6 * 11.6 Wmminus;2为向下的表面辐射相比，大幅增加。向上的长波辐射增加通常与表面温度的折痕有关, 向下辐射的显著增加表明大气柱的辐射贡献。

本文中, 我们分析纽约-奥勒松在1993至2014期间所检索到的每日探空剖面情况, 以推断过去两年中垂直温度和湿度剖面的变化。为了检测这些变化，必须使用一致的数据集。 尽管人们对广泛使用的集成全球探空归档实施了正式 的质量控制, 例如格式化问题和物理上不可信的值,但存档的数据来自不同的传感 器,并且随着间的推 移发生变化。很多工作 站缺少 元 数 据 信 息。人们已经认识到, 为天气预报而开发的探空测量, 受最新技术的硬件和软件变化的影响, 甚至程序上的变化或报告做法可能会对数据记录产生效果。意识到观察记录的变化, 我们组装了一个均匀化的纽约-奥勒松探空数据集, 它以当前状态已知的最佳方式解释了所有可能的错误。下一节将介绍对原始数据的应用更正。所产生的均质无线电探空记录作为补充材料提供在http://doi pangaea.de / 10.1594 / PANGAEA.845373。这是探空气候学的基础，1993至2014期间高空大气状态变化的分析在以下各节中。

2. 数据和方法

在纽约-奥勒松, 阿尔弗雷德. 韦氏研究所从1991年开始进行探空测量。从1992年11月起，每日 12 UTC 定期发射运作, 通过挪威气象研究所在气象组织01004号下转入全球电信系统。额外的无线电探空仪在其他时间发射，但被排除在本研究之外，以避免在统计分析中出现错误。在这里, 介绍 12 UTC 探测在1993至2014期间的高空气候学, 以及对在此期间发生的变化进行分析。从长期探空数据记录的气候趋势的大量研究发现, 在单个电台的数据记录中或从全球探空站的子集的数据记录中, 存在着不均匀性的问题。近年来, 通过统计方法对探空数据的均匀化进行了一些尝试,在该站的探空数据记录中发现了不连续的情况。历史和活跃的全球无线电探空网络的不同质性证明了全球气候观测系统(GCOS)的科学性，从而启动了GCOS参考高空网络(GRUAN)的实施，该网络现在已经发展并提供了高质量的高空数据产品。纽约-奥勒松是由 GRUAN 认证的第一个探空站, 通过 GRUAN 网站可获得纽约-奥勒松参考质量数据。然而, 这些数据仅包括2006年以来维萨拉 RS92 探空所采取的措施。早期的纽约-奥勒松探空观察是由 RS80-A 探空获得的, 随后是一个4年期的维萨拉·☐RS90, 这给数据记录带来了另一种工具性的间断。除了探空类型的变化外, 在接收端也发生了硬件和软件的变化。总的来说, 标准制造商派生的探空产品在描述的22年期间绝不是同类的。虽然对大部分元数据的知识仍然可用, 但我们尝试根据当前状态已知的最佳物理校正方法, 为奥勒松装配一个均匀化的探空数据集算法。

在1993至 2002年7月 (2003年1月) 期间, 维萨拉 RS80-A 探空已例行飞行。RS80 A 型 HUMICAP 湿度测量发现在低温下有相当大的干偏性。RS80-A 湿度测量中的控制误差是由于温度的不精确校准造成的, 追根溯源又是由于探头包装材料中聚合物传感器的储存引起的物质污染造成的。在奥勒松数据集合中, 应用王等 (2002) 所提出的修正方法对数据进行了修正。此外, 应用 Miloshevich 等 (2004) 开发的校正算法, 对湿度传感器在低温下的长响应时间所产生的时间滞后进行了修正。

这些传感器结冰的情况已从匀质数据集中的湿度数据中排除。所应用的修正与早先发表的关于纽约-奥勒松 探空湿度观测的出版物一致, 重点是 Treffeisen 等 (2007) 的冰过饱和。在2002年7月23日至2006年5月19日之间, 每日无线电探测的维萨拉 RS90, 就像每周在2002年11月17日和2007年1月17日之间的臭氧探测一样。RS90 配备两个 H 型 HUMICAP 传感器, 交替加热, 以摆脱凝结水或冰, 防止传感器结冰。虽然 H 聚合物具有更快的传感器响应时间, 但时间滞后仍然是一个问题, 并在 Miloshevich 等 (2004) 所开发的校正算法中应用相应的时间常数进行修正。由于湿度传感器不受太阳辐射的屏蔽, 在白天发射时, 入射的短波辐射可以加热传感器, 造成所谓的白天辐射干偏。夜间长波辐射的影响是可以忽略的, 但白天的辐射干偏仍要考虑。在高纬度的奥勒松, 最大的太阳高度角是30度。

最后, 在2006年5月20日, 每日无线电探测分别由维萨拉 RS92 探空操作。在每次发射之前, 所有 RS92 无线电探空仪都检查了标准湿度室, 其中含有饱和空气100% 相对湿度。他的这一额外地面检查的元数据有助于处理GRUAN铅中心的所有纽约-奥勒松 RS92的原始数据，并使用GRUAN 版本2数据处理算法处理。该算法对减少太阳辐射引起的温度和湿度的主要误差、湿度传感器的时差以及在飞行前地面检查时的传感器重新校准等数据进行修正。此外, 一些次要的错误来源被弥补了, 例如, 由于负载的钟摆运动, 传感器通过气球的热唤醒而导致温度峰值的消除。GRUAN处理算法利用额外的飞行前地面值，为每个数据点提供了具有不确定性参考质量无线电探空资料。奥勒松均匀化探空数据集的 RS92 部分基于根据 GRUAN 剖面。

一般而言, 对纽约-奥勒松探空数据的应用修正主要影响到使用 RS92 探空之前的相对湿度值。这是关于2006年5月之前的时间段。由于干偏校正在低温测量中是最大的，所以在对流层上部的校正效果是最大的。事实上, 湿度校正可能会影响早期研究使用未修正的相对湿度值, 如云微物理计算,这是由于压力受到影响。关于水蒸气柱的研究, 效果是微不足道的, 因为大多数水蒸气位于大气层最下部, 温度较高, 校正效果较小。在我们的研究中, 我们讨论湿气的变化时,关注的是特定的湿度和集成的水蒸气。为了融汇长期的奥勒松 探空数据记录, 描述了以往的大量修正。生成的匀质探空记录作为可用的补充数据集提供在http://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.845373。这些数据是在一个有50米垂直分辨率的普通高度网格中插入的。此外, 湿度数据不提供高于10公里的海拔高度, 由于时滞误差引入了对流层顶区域的相关误差, 而上述影响了平流层中测量的可靠性。这无线电探空仪的风廓线是通过跟踪探头从发射点的位移作为时间的函数来推导出来的。在RS-80早期，无线电探空仪本身是通过接收欧米欧地面导航信号来跟踪的，在1997年9月之后，所有无线电探空都使用全球定位系统(GPS)卫星信号。定位信号允许时间分辨率几秒，但事实上，风数据被过滤，以解释气球下的悬挂线的无线电探头的钟摆运动。无线电探空仪在地面上的风速为零，因为无线电探空仪还没有被取代。在气球加速阶段刚发射后，钟摆运动是最强的，而悬索的解除仍然是不完整的。因此，在发射后半分钟内，可以假定探测器与风场的拉格朗日运动，风速数据由200米高的同质化的纽约-奥勒松无线电数据集提供。

3.高空气候学

自校正后的均匀化22年纽约-奥勒松无线电探测器数据网，针对高达30km的垂直剖面提出了高空气候学气候学。虽然基于观测数据的气候学可用于地面和地面参数, 但这是一个高欧洲北极站探空测量的第一个高空空气气候学。由于发射点奥勒松位于靠近山脉的海湾沿岸, 预计地形会对垂直大气结构造成影响。

3.1风

纽约-奥勒松 位于西北-东南方向的 Kongsfjord 海岸, 周围有典型海拔800米的山脉。给定的地形导致了这部分大气中的水流在与山谷轴线相对准的情况下窜出, 导致整个季节的东南方向有明显的风向 (图 1)。较不频繁的是窜向相反的方向, 北西风流在最下部的公里是主要观察在春季和夏季。在地形印记之上, 自由对流层的特征是一般的西风流。在图2中, 对不同季节的风速垂直分布进行了说明。在对流层, 风速高达15米/秒是常见的, 而它们很少超过20米/秒. 在所有季节可见, 虽然没有经常观察到在纽约-奥勒松, 最高风速高达50米/秒。在上述平流层中, 气流强度和方向的季节性差异明显。平流层夏季环流的东风风速高于20公里 (图 3), 其特点是风速低于10米/秒。9月10月11月的秋季, 随着极地涡旋的形成, 动态态势发生了巨大变化 (图2和 3)。极地漩涡的存在也可见于 12月1月2月的冬季, 但风向和速度都比较多变, 因而显得模糊不清，变化与平流层的动力学有关。

由于探空数据经常用于卫星验证或与模型研究相比较, 因此必须考虑测量的地理位置。与发射位置相比, 气球漂移可以对测量位置产生实质性影响。因此, 在均匀化数据集中的所有垂直级别上的每个测深都提供了地理位置,这些数据在每年的补充资料中都有提供。

图1：探空剖面风方向的发生频率1993–2014在每个高度步骤的15度箱中计数, 与四季分开, 如春季 (a)、夏季 (b)、秋季 (c) 和冬季 (d)

图2。风速的发生频率从探空剖面1993–2014计数在1米/秒箱子为每个高度步,分离到季节作为春天 (a), 夏天 (b), 秋天 (c) 和冬天 (d)

图3风向的发生频率从探空剖面 1993–2014 30 公里计数在15度箱子为每个高度步, 分离到季节作为春天 (a), 夏天 (b), 秋天 (c) 和冬天 (d)

3.2温度

奥勒松在春季 (3月, 4月, 5月),夏季（6月，7月，8月）， 秋季 (9月, 10月, 11月) 和冬季 (12月, 1月, 2月) 上的季节性平均气温状态在1993至2014期间由无线电探空仪检测分别显示在图4。在对流层中, 不同季节的温度分布与结构相似, 仅在绝对数量上不同。相比之下, 平流层部分的温度剖面提供了更多样的图片。从标准差和最小和最大温度线来看, 显然夏季是年际变化最低的季节。

在夏季的几个月里, 对流层顶结构明显可见, 而上面的平流层则几乎是等温的, 海拔约为30公里。8月下旬, 北极平流层的气旋环流每年都在坍塌。中平流层的冷却在那个月初开始, 冷却波迅速地向下扩散。随着平流层环流的变化, 在秋季, 温度剖面的变异性变大。平流层温度较低, 在对流层顶区上空呈负温度梯度, 这是因为太阳辐射的辐射加热消失了。平流层极地涡旋与冷池的形成，在一个单一的北极站的观测中，在同温层温度下产生了很大的变化。北极极地涡旋的特点是, 由于波浪相互作用相关的动力学, 包括涡破裂事件, 它经常从极

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