平流层：对流层，我的污染，从来与你有关丨大气悟理
导读：对流层（大气的最低层，平均厚度在8-16km左右）和平流层（对流层之上，距地表约10～50公里处的大气层）是与人类生活最息息相关的大气层。我们已经知道对流层内严重的空气污染可能影响气候变化。那么，你知道对流层与平流层之间也会“交流”吗？通过大气交换，对流层污染将被带到平流层，从而影响全球。平对流层的交换又是如何被发现的呢?
平流层-对流层交换（STE）——是朋友，有交流
随着一声呼啸，飞机冲上云霄，飞过厚厚云层，稳稳在在一片晴朗之间翱翔。此时，你已经身在3万英尺以上（10km以上）的高空，珠穆朗玛都在你脚下。在这里，没有狂风暴雨，没有鸟群略过，云海之间，只有你和你身边耀眼的阳光。
沉醉于窗外的群山延绵湖泊纵横的美丽，你可能并未意识到你已经完成了一次对流层到平流层的时空交换了！
大气垂直分层，对流层顶在不同纬度高度不同，此处为举例。（图片来源：福建气象科普）
当你站在地面，仰望天空，目光所及，是蔚蓝天幕和朵朵白云，这里就是对流层——与人类生活最息息相关的大气最底层。在这里，集中了全部大气约四分之三的质量和几乎全部的水汽，由于空气垂直运动活跃，容易发生对流运动，是天气变化最复杂的层次，也是对飞行影响最重要的层次。飞行当中的一切阻碍：雷暴、浓雾、低云幕、雨、雪、大气湍流、风切变等，都出现在这里。
听说为了减小水平空气阻力的影响，在对流层神仙都是竖着飞（图片来自网络）
如果将对流层比作喜怒无常的小孩，平流层就是喜怒不形于色的老人。这里空气稀薄，是我们赖以生存的臭氧层的聚集区。同时大气主要以水平方向流动为主，垂直运动较弱，因此气流平稳，一般晴空无云。他们之间的最大差异来自温度：一个温度随高度向上减少，一个温度从低层不变到中上层迅速增加。为啥会有这么大区别？
我们所感受到的温度其实指热量。在地面上，热源主要就是地面辐射，因此越往上走热量慢慢减少，温度也就降低了。而在平流层，由于中上部聚集了大量的O3分子，会吸收200 nm到290 nm波长的辐射（也就是紫外波段），从而造成平流层中上部快速的增温。
连接两者“性格”差异的，就是对流层顶。
大气垂直分层，对流层以上的黄色层就是对流层顶，对流层顶在不同纬度高度不同，此处为举例。（图片来自网络）
对流层顶有多特殊？他并不是你想象中薄薄的一个几何断面，而是具有复杂时空结构的层区。由于对流层温度随高度升高降低，而平流层变化相反，势必使得两者过渡处温度变化不连续，带来很大的温度垂直变化率，他就像一个大盖子，阻挡了水汽和杂质气体向上扩散，也使得平流层“脱水变干“。
这样看来，似乎两层互不关联。但是，气象现象（如切断低压）会造成某一地点周期性的短暂温度连续性”破坏“，使得对流层顶结构突然断裂，导致大范围平流层大气穿过本来稳定的对流层顶结构，快速向对流层传输，进而影响对流层大气化学和气候变化。这就制造了契机，让平流层的物质有机会到平流层“串串门“，反之亦然。这就是常说的平流层-对流层交换（STE）。
STE全球分布（图片来源：参考文献1）
STE威力大——影响全球气候环境
而全球性的STE出现，可以通过大气环流实现——它可以为气溶胶和污染物进入全球平流层提供通道。而一旦跃层，它们的寿命将大大延长，在更长的时间尺度上发挥“作用”。
可以说，若是污染发生，就不仅仅是对流层的事情了。
2020年1月12日，位于菲律宾首都马尼拉以南约45英里处的塔尔(Taal)火山在毫无征兆的情况下突然喷发，释放的大量火山灰高度达10-15km，穿过对流层，渗透到平流层，在这里，SO2迅速在臭氧的氧化下转化为硫酸盐气溶胶，并将太阳光返回会太空，从而使得低层大气冷却（阳伞效应）。在大气环流的作用下，发生在热带地区的喷发更可以随着哈德莱环流上升支（一只在赤道受热上升，副热带下沉的大气环流）到达高纬，对两个半球的气候都产生影响。而历史上记录的最强火山喷发之一——坦波拉火山的喷发，直接影响了全球多年的气温，并可能导致了所谓的“无夏之年”。
3万多公里之外的日本的Himawari-8卫星观察到的1月12日至13日火山羽的生长和扩散（图片来源：NOAA）
近年来，随着大气温室气体的增加，对流层温度不断升高，而平流层大气温室气体向外放出长波辐射（指4~120μm波长范围内，均为肉眼所不能看见的红外辐射）大于吸收的来自对流层大气的长波辐射，使得平流层不断降温。平流层的研究已经受到越来越多重视。正是因为平流层与对流层的相互作用如此复杂而重要，要想对它有完整的认知，就需要能直接反映垂直方向上的变化的高分辨率观测资料。
全球平均对流层下部和平流层下部温度距平，相对于1981-2010年。（图片来源：IPCC）
到野外去“碳测”
但是大气的垂直变化（大气廓线数据）实在抽象，我们要想将这个过程表现清楚，就不得不找个能追寻踪迹的“导航”了。
由于二氧化碳由于性格稳定，还具有很长的寿命，因此经常作为平流层示踪剂。一氧化碳（CO）在平流层中十分“敏感”，容易被氧化，迅速减少，因此通常被认为是对流层的示踪剂，并与平流层的示踪剂如臭氧（O3）联系起来，以确定对流层顶的位置。这种方法被称为示踪物质相关法，也被用来研究混合气团的分布及其不同的气源区域。
这条小小的廓线可谓深藏不露，除了用来研究变化，它还可以起到检索局地表面通量，验证模式结果和研究大气传输过程的作用。
刘毅课题组首次获得的地面到平流层CO2浓度垂直分布观测
由于野外实验的昂贵和风险性，想要得到一条垂直廓线并不像想得这么简单。
2018年6月，中科院大气物理所的刘毅研究员以及合作者，为了实现高覆盖率和高精度“碳测“目的，决定远赴内蒙古锡林浩特展开实验。这一次，他们带上了“秘密法宝”——大气所与气象探测中心合作、自主研发的长管大气成分采样系统（AirCore）。
长管下投采样系统的实验步骤（左），长管下投采样系统构造图（右）
AirCore是一种被动式采样系统，可以高精度的探测从地面到高空35km大气中痕量气体的垂直分布，弥补飞机探测的不足。在其下降阶段通过长管内外气压差将周围大气压进长管中。在其不断下降过程中，管中能收集到不同高度处的气体，从而获取痕量气体廓线。在三个子系统（探空系统，控制和通信系统、移动分析系统）的配合下快速完成实验。
这是AirCore在中国的首次”出征”。
本次实验是“青藏高原平流层-对流层交换观测研究”子课题的第一个观测实验，因此首次AirCore成功观测对于后续平流层观测实验具有重要的意义。在实验开始之前，他们已经经过前期几个月的准备。包括长管的采购、长管的测试、载荷舱的搭建及调试、气体分析系统的搭建及调试。为了让探测的精度更高，他们甚至直接将高精密的气体分析仪（PICARRO）千里迢迢从北京一路开车运到锡林浩特。
没想到的是，信心满满的出发，大自然却先与他们开了个“玩笑”。
刚到锡林浩特，他们便遭遇到了多年不遇的强沙尘暴。看着窗外黄沙漫天的恐怖景象，只能在心理暗暗着急：实验对天气有很严格的要求，若是沙尘不停，可能会错过观测的最佳时机！
6月12日沙尘后的彩虹（实验准备）
幸运的是，在第二天就迎来了风沙后的蓝天白云。看着观测站后那道绚烂的彩虹。他们总算长呼了口气。
6月12日沙尘后的彩虹（实验准备）
这是一个需要耐心的“配合战”。
首先，一组人通过高空气球将采样系统释放到平流层的特定高度，然后利用中控系统发送切断信号，使气球与载荷（载有仪器）分离，载荷缓慢下降，并将不同高度的气体采集到60米长的不锈钢管采样器中。另一组人需要按照载荷的飞行轨迹赶往落点，回收降落的设备，并会以最快速度将载荷送到分析车进行数据处理和分析。路途可谓十分曲折，因为载荷可不听话，它往往随风流浪，才不会按照你规划的路程飞行，所以往往可能降落在牧民家的草地里。
在王勇老师团队以及国家气象局气象探测中心方双喜老师团队的配合下，整个实验过程放飞、回收和分析工作均在2小时左右时间内完成。
左图为高空气球正在工作，右图为设备回收。
经过6月13日和6月14日两天的连续采集，他们成功获取了从地面至24公里的CO2和CO及其他气体的垂直分布信息。
找不同——观测永不止步
CO2和CO的源是化石燃料的燃烧，集中在地表的人为排放，那么在自由对流层中的浓度应该是比近地面浓度小的。
本次实验中，他们却发现在6月13日探测到的二氧化碳（CO2）廓线和一氧化碳（CO）廓线却并不符合这一规律。利用轨迹模式和卫星探测数据，他们发现造成6月13日自由对流层CO2和CO浓度的最大值来自于中国的东北部，巨大的工业排放使得那片地区CO2和CO浓度高，这种高值信息通过大气的输送直接显示在了探测的廓线中。
CO2和CO的最典型的产生过程都是燃烧过程，化石燃料燃烧的量大，排放出的CO和CO2量就大，也就是说对于同一气团，CO2浓度大，CO浓度也会大。但他们发现在6月14日观测到的廓线中，在8公里到11公里，出现了厚度约为1km的气团中连续三个CO和CO2负相关的薄层结构。通过分析发现6月14日锡林浩特地区的气流来源于西北部的贝加尔湖地区附近，该地区在垂直方向上出现了平流层入侵现象，水平方向上CO2呈现较大梯度，即平流层入侵造成的CO低值的区域是CO2的高值区，反之亦然。多层片状结构导致了6月14日在8公里到10公里之间的CO2和CO的正相关。更详尽的分析可参见文章。
（a）13日沿着100°E的位温递减。绿线、黑线和玫红线分别表示了在实验地点8.7 km，9.7 km和10.7 km处的一天的后向轨迹。（b）GOSAT观测的CO2柱总浓度的月平均值，线与（a）一致，但是为两天的后向轨迹，每一个圈代表一天。
这次试验结果已经整理发表在 Advances in Atmospheric Sciences 上。
探测，从来就不是一件容易的事情。即使随着科技发展，我们有了更先进的技术手段——卫星，雷达，但是也需要这样到天上“走一遭”的实实在在的观测数据，才能使卫星雷达提供的数据更准确。
当然，这次试验的成功只是新的开始。在STE区，一项旨在同时测量西藏地区更多气体种类(如CH4、N2O和O3)的 airCore 实验也正在进行。而这些气体之间的相互关系的研究将有助于披露有关气团输运属性的更多细节。文章第一作者易游表示，“我们将永不停止用观测说事实的脚步”。
参考文献：
1. 胡宁,张朝林,仲跻芹,李玉焕.大气对流层平流层交换(STE)研究进展[J].地球科学进展,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)
来源：中国科学院大气物理研究所
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