郑州地区对流层顶断裂区与平流层热力结构的多时间尺度变化特征

摘要：中纬度双层对流层顶之间的断裂区是平流层-对流层交换的关键通道，其演变对高空环流调整及城市高影响天气具有重要指示意义。针对现有研究多依赖平均资料易平滑极端细节的不足，本文利用郑州探空站2006—2025年14109组逐日08、20时原始探空数据，依据WMO热力学标准识别对流层顶，系统分析了断裂区厚度在多时间尺度上的分布特征及其与平流层热力场的耦合关系。

关键词：郑州；对流层顶断裂区；逐日探空；多时间尺度；热力耦合

引言

对流层顶作为对流层与平流层之间的动力和热力学屏障，其结构变异直接影响大气垂直交换效率。中纬度地区常存在极地（第一）与副热带（第二）双层对流层顶结构，两层之间的垂直过渡带被称为“对流层顶断裂区”。该区域不仅是高空急流和行星波活动的活跃场所，更是臭氧、水汽及气溶胶等痕量成分跨层交换的关键通道[1-2]。

目前，关于对流层顶的研究多基于再分析资料或月、季平均数据进行气候态诊断[3-5]，虽能揭示宏观趋势，但难以捕捉逐日尺度的极端廓线扰动及短时结构演变细节。特别是在黄淮流域大城市，针对对流层顶断裂区的长时序逐日观测分析及其与平流层热力耦合机制的研究仍较为薄弱。郑州地处中原腹地，受东亚季风环流影响显著，是开展城市尺度高空结构研究的理想站点。本文基于2006—2025年高分辨率逐日探空资料，摒弃传统均值合成方法，旨在精细化刻画郑州地区对流层顶断裂区的多时间尺度演变特征，并量化其与平流层低层热力场的相关关系，以期为区域高空气候变化认知及城市气象服务保障提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源与质控

选用郑州国家探空站（34°43′N，113°39′E）2006—2025年L波段雷达探空资料。选取每日08时（北京时，下同）和20时两个时次的温湿廓线，剔除缺测、仪器故障及记录异常样本，最终获得14109组有效样本。平流层标准层（100、70、50、30 hPa）气温采用同期月平均数据用于热力耦合分析。

1.2 对流层顶识别与断裂区定义

依据WMO热力学定义及业务规范识别对流层顶：在500~150 hPa范围内，寻找向上2 km平均温度递减率≤2 ℃/km的气压层，取其顶界为第一对流层顶；在150~40 hPa范围内识别第二对流层顶。当两层对流层顶同时存在且中间存在不稳定过渡层时，判定存在对流层顶断裂区。断裂区厚度定义为第二对流层顶与第一对流层顶的位势高度差。

1.3 统计分析方法

采用非参数统计方法，基于全部逐日独立样本开展分析：（1）统计全域对流层顶结构频次；（2）分季节计算断裂区厚度的均值、标准差及百分位数，利用箱线图揭示其分布规律与离散程度；（3）通过同日双时次样本对比分析日内变化；（4）采用最小二乘法进行年际趋势拟合；（5）利用Pearson相关分析法探讨断裂区参数与平流层气温的耦合关系。

2 结果与分析

2.1 对流层顶整体结构特征

统计期内，郑州地区对流层顶结构以双对流层顶和单一第二对流层顶为主（表1）。其中，双对流层顶（含断裂区）样本共6998组，占总样本的49.60%；仅存在第二对流层顶的样本占比47.15%；仅存在第一对流层顶的样本极少（3.25%）。这表明郑州上空极地型第一对流层顶极少单独出现，多与副热带第二对流层顶共存，或在夏季强对流背景下完全被第二对流层顶覆盖。

表 1 郑州站 2006—2025 年对流层顶整体结构统计

2.2断裂区厚度的季节演变特征

分季节统计结果显示（图1），对流层顶结构类型具有显著的季节转换特征。冬季，极地气团南下，第一对流层顶稳定维持，双对流层顶占比高达85.78%。春季占比75.56%，断裂结构依然占据主导。进入夏季，受副热带高压控制，热带气团北抬，第一对流层顶识别率骤降，仅8.49%的样本存在双层结构，断裂区基本消退。秋季为过渡季节，双对流层顶占比回升至27.84%。

图1 对流层顶结构年中占比统计（%）

2.3 断裂区厚度的日内变化特征

基于同日08时与20时的匹配样本分析表明，断裂区厚度的日内变化极其微弱。两个时次的平均厚度差值仅为29.02 m，远小于季节变化的量级（845.42 m）。箱线图对比显示，除冬季20时厚度略有增加外，其余季节早晚分布几乎重叠。这表明郑州地区对流层顶断裂区的垂直结构在一天内相对稳定，季节尺度的环流调整是控制其厚度演变的主导因子，日变化的热力贡献相对较小。

2.4 年际变化特征

2006—2025年的线性趋势分析表明，第一、第二对流层顶高度及断裂区厚度均呈微弱的正趋势（即缓慢抬升增厚），但均未通过95%显著性检验。同期，平流层100~30 hPa气温亦呈不显著的微弱增温趋势。这说明近20年来郑州上空的高空热力分层背景整体保持稳定，未出现类似于高纬度地区的显著气候态偏移，体现了中低纬平流层热力响应对全球变化的惰性特征。

2.5 断裂区与平流层热力耦合关系

相关分析结果（表2）显示，第一、第二对流层顶高度及断裂区厚度与100、50、30 hPa平流层低层气温均呈极显著负相关（p<0.01），且相关性随气压降低（高度增加）而逐渐减弱。其中，与100 hPa气温的相关系数最高（断裂区厚度为-0.65）。

物理机制阐释：这种负相关关系主要受季节尺度动力与热力过程的共同调控。夏季，对流活动旺盛，第一对流层顶因对流抬升而抬高，导致断裂区厚度相对较薄，同时强烈的上升运动伴随绝热冷却效应，使得平流层低层气温偏低。冬季，对流受抑制，平流层臭氧吸收紫外辐射产生加热效应，导致平流层低层气温偏高；与此同时，极地冷空气南下迫使第一对流层顶下沉，第二对流层顶相对稳定，两者垂直间距拉大，致使断裂区厚度增厚。因此，断裂区厚度可作为表征平流层低层热力状况的有效宏观参数。

3 结论

（1）郑州地区双对流层顶结构出现频率接近50%。结构生消受季风环流控制显著，冬季高发（85.78%），夏季基本消退（8.49%）。

（2）断裂区厚度呈显著“冬厚夏薄”特征，冬夏平均厚度差为845.42 m。箱线图分析表明，冬季厚度离散度最大，夏季最为集中；春季存在高值离群点，暗示了过渡季节大气的不稳定性。

（3）断裂区日内变化微弱（日较差29.02 m），季节环流是主控因子。近20年来，断裂区厚度及平流层低层气温均无显著变化趋势，区域高空热力背景稳定。

（4）断裂区厚度与平流层低层气温呈极显著负相关，受对流绝热调整与平流层辐射加热的共同调控。本研究可为中原城市高空精细结构认知及气象保障服务提供了详实的观测依据。

参考文献

[1] 王立国, 符养, 杜晓勇，等. 利用掩星数据研究全球对流层顶断裂带变化[J]. 地球物理学进展, 2011, 26(3): 794-804.

[2] 唐超礼, 朱一东, 魏合理, 等. 近 40 年中国区域对流层顶温度场时空变化特征[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(1): 25-35.

[3] 余小嘉, 杨胜朋，等. 利用 COSMIC 掩星资料研究青藏高原对流层顶季节变化特征[J]. 大气科学学报, 2022, 45(2): 292-301.

[4] 李嘉鑫, 蒲晓明, 杜冠男. 青藏高原及毗邻地区对流层顶变化分析[J]. 气象灾害防御, 2023, 30(2): 39-43.

[5] 夏昕, 任荣彩, 吴国雄，等. 青藏高原周边对流层顶时空分布、热力成因及动力效应分析[J]. 气象学报, 2016, 74(4): 525-541.

作者简介：王丽，（1972.10），女，民族：汉族，河南省商水县，本科学历，副高级工程师，研究方向：气象综合观测及数据质控研究。