1975年，Belmont et al.(1975)就提出了零风层、弱风层的概念，它是指平流层冬夏转换期间东西风发生翻转，在东风区和西风区之间往往存在空间范围较大、时间上比较稳定的纬向风转换层。随着科学技术的不断进步，临近空间已经成为21世纪人类开发利用的重点空间资源。多种临近空间飞行器的研制开发，也成为各国关注的焦点，其中包括平流层飞艇、高空气球等，具有长滞空时间的优点，可以实现准定点观测，满足对特定地区、特定目标、特定事件的连续观测(吕达仁等，2002)。然而，平流层飞行器的这种优点同时对其运行环境提出了很高的要求。在20~22 km高度处，存在一个风速较小和温度相对稳定、基本无垂直运动的区域，该区域是目前平流层飞行器驻空的理想高度。据此，吕达仁等(2002)提出了零风层的概念，平流层准零风层(Quasi-Zero Wind Layer，QZWL)一般是指平流层下层20 km高度附近的大气层，上下层纬向风风向相反，同时南北风分量亦很小。平流层准零风层的研究可以为平流层飞行器提供更好的环境参考，平流层准零风层附近的大气风场是影响平流层飞行器的飞行姿态和动力控制的重要因素。随着平流层QZWL概念的提出，一部分学者对其进行了初步的统计分析。肖存英等(2008)首次利用ECMWF提供的1999年和2000年的ERA-40再分析风场资料分析了中国上空准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征，同时通过对这两个准两年周期振荡(Quasi-Biennial Oscillation，QBO)典型年的分析，分析了QBO对QZWL年际变化的影响。

近年来，众多学者的研究证明，平流层风场年际尺度的影响因子众多，QZWL是由于平流层风场中上下层纬向风逆转形成的，是存在于平流层风场的一种特殊现象，因此QZWL的年际变化也受到众多因素的影响。赤道平流层的QBO是指热带平流层中低层纬向平均风场东、西风交替出现的现象，其变化周期在两年左右。QBO现象是重力波与赤道平流层纬向风之间相互作用的结果(Wallace and Holton， 1968；Holton and Lindzen， 1972)。QBO是平流层大气中最为重要的大气年际变率，国内外大量研究表明QBO通过调制平流层行星波可以影响平流层中高纬风场(Holton and Tan， 1980；Chen and Huang， 2002；Chen and Li， 2007)。同时，研究表明，平流层风场还受到众多因子的影响，其中主要有太阳活动(Labitzke，2005；Camp and Tung， 2007b；Lu et al., 2009；刘毅和陆春晖，2010)和ENSO(Chen et al., 2003；Sassi et al., 2004；Camp and Tung， 2007a；Garfinkel and Hartmann， 2007)。近年来，平流层对对流层大气环流的影响研究也受到广泛的关注，特别是在2008年冬季的南方暴雪的相关研究中，刘毅等(2008)强调了平流层环流异常对对流层环流异常的影响。

由于观测数据的不足，目前国内针对平流层QZWL的研究有待深入，除了缺少观测数据外还存在统计工作未系统化、影响因素不清楚等问题。本文将用ECMWF提供的ERA-40再分析全球资料，分别从QZWL的季节分布和作为平流层低层最强的年际变化信号的QBO入手，分析其在不同季节对QZWL产生的影响。2 资料

本文采用的数据是ECMWF提供的1979~2001年的ERA-40再分析格点风场资料。该资料水平分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)，垂直方向从1000 hPa至1 hPa共23层。ERA-40是ECMWF运用现代同化方法于2003年完成的第二代再分析资料数据集，相较于第一代再分析资料，ERA-40具有更长的时间尺度、更精确的空间分辨率，特别是更细化的垂直分层，对于研究有关平流层中上层的要素场的问题具有优势。

3 QZWL形成机制分析及分类

如前所述，QBO是平流层中最重要的大气年际变率，而QBO中的东、西风振荡现象以约1 km每月的速度从30 km的高度向下传播(Ebdon and Veryard， 1961；Reed et al., 1961)。因此在赤道地区，QBO东西风在垂直方向上的交界就会形成符合前文定义的QZWL(吕达仁等，2002)，我们将这种在热带地区，由于QBO东西风位相在垂直方向上交界而形成的QZWL称为第一类QZWL。

首先引入对数压力系下的垂直坐标：

在对数压力坐标系中，可导出对数压力坐标下的热成风方程为

平流层的大气环流与对流层有很大差别，对流层大气温度主要受下垫面和太阳辐射的影响，热带外地区纬圈的平均温度梯度始终从高纬指向低纬，冬季纬圈平均温度梯度较大，而夏季较小。因此根据热成风公式(2)，热带外地区对流层大气环流全年以西风为主，冬季西风强于夏季。而在平流层中大气温度主要受到O₃吸收紫外线辐射增温的影响，热带外地区纬圈平均温度梯度冬季从高纬指向低纬，夏季则相反，根据热成风公式(2)，冬季平流层为西风环流，夏季为东风环流。根据本文已阐明的QZWL的定义(吕达仁等，2002)，从大气环流的角度分析，在热带外地区，夏季存在下层为西风、上层为东风的QZWL，而冬季上下层都为西风环流，没有此类QZWL存在。本文将在热带外地区形成的下层为西风、上层为东风的QZWL称为第二类QZWL。根据热成风公式(2)，第二类QZWL一方面与对流层上层的纬向风有关，另一方面与平流层中低层平均温度经向梯度有关。

4 QZWL季节变化特征4.1 随纬度分布

由于平流层中低层的经向风速较纬向风速小很多，本文把讨论的重点放在纬向风上，对经向风暂不作讨论。从图 1可以看出1月、4月和10月都存在第一类QZWL，在图 1中表现为一条低纬地区上空东西纬向风的交界线(粗实线)，且在不同季节分布的纬度范围不同。平流层1月热带外地区形成绕极西风环流，平流层中低层0°~20°N存在东西纬向风交界的零风线，这是由于各气压层处于不同QBO位相造成的(如图 1a所示)；20°N~35°N虽然不存在零风线，但由于冬季平流层低层中纬度地区存在一个相对温度大值区，从赤道到中纬度温度梯度逆转，使得该纬度范围内纬向风速随高度减小，从而形成一个风速较小的区域，且该区域会随QBO的东西风位相而变化，这个将在后面予以讨论。4月平流层处于冬季向夏季环流转换的时期，低纬地区的第一类QZWL依然维持，而由于高低纬间热力状况的翻转，使中高纬地区的热成风转为东风，因此第二类QZWL基本贯穿于北半球中高纬地区(如图 1b所示)。7月伴随着极地非绝热加热的进一步增加，以及平流层低层赤道至极地整体温度梯度的逆转，第二类QZWL出现在25°N以北的纬度内(如图 1c所示)。10月西风环流逐渐恢复，零风线在高纬地区消失，转而又向低纬地区推进(如图 1d所示)。从逐侯的平均纬向风风场分布(图略)可以看出，零风线的分布也存在冬夏两个较长时间的分布状态和短暂的过渡时期：10月底至次年4月初，QZWL在低纬度地区存在，而高纬地区不存在QZWL，这是典型的冬季QZWL分布特征，5月下旬至9月初呈中高纬地区存在QZWL、低纬地区无QZWL的夏季分布形式，冬夏分布形式间的过渡时间大约为一个月。

图 1

Fig. 1

图 1 1979～2001年气候平均的纬向平均温度(阴影)和纬向风(等值线，单位: m·s-1)的纬度-高度分布:(a)1月;(b)4月;(c)7月;(d)10月。加粗实线为零风速线Fig. 1 Latitude-height sections of zonal mean temperature(shaded) and zonal wind(contour，units:m·s-1)averaged from 1979 to 2001 in(a)Jan，(b)Apr，(c)Jul， and (d)Oct. The contours of zero are thickened

为了进一步准确直观地表示不同季节QZWL在各高度出现的概率，根据第3节中QZWL的定义，QZWL出现的条件有两个：1)100~20 hPa(高度约16~27 km)间；2)上下两层气压层的纬向风风向相反。将P定义为资料中某年某月北半球QZWL出现在某一高度占100~20 hPa高度中出现总天数的比值，N定义为该月中QZWL出现在北半球100~20 hPa总天数，N_Q定义为该月QZWL出现在北半球某一高度上的总天数，则有

虽然相比于对流层，平流层风场较平直，但对流层的行星波在一定条件下会上传到平流层(Chen and Huang， 2002)，因此平流层风场具有一定的纬向非均匀性。从图 2可见，1月低纬地区(15°N)和夏季(7月为代表)中高纬地区(45°N、60°N、75°N)存在的QZWL都具有较好的纬向一致性，特别是夏季中高纬地区的QZWL，各纬度QZWL所在高度均在18 km左右，偏差不超过±2 km。冬季低纬地区除中、西太平洋上空(120°E~160°W)QZWL高度约在17 km以外，其他地

表 1(Table 1)

表 1 1979~2001年气候平均北半球QZWL出现概率各月份各高度层的分布 Table 1 The climatic averaged probability of QZWL occurring over the North Hemisphere at each level in each month during 1979-2001 月份 高度层 100～70 hPa 70～50 hPa 50～30 hPa 30～20 hPa 1月 21.8% 20.2% 33.8% 24.2% 2月 22.2% 17.0% 37.0% 23.8% 3月 21.9% 18.3% 38.2% 21.6% 4月 23.0% 24.4% 33.5% 19.1% 5月 20.4% 28.0% 36.4% 15.2% 6月 22.2% 45.3% 25.1% 7.4% 7月 24.5% 44.8% 19.1% 11.5% 8月 17.0% 27.2% 36.7% 19.1% 9月 24.9% 23.8% 31.6% 19.6% 10月 29.5% 24.0% 29.7% 16.7% 11月 27.0% 21.5% 30.1% 21.5% 12月 24.9% 21.0% 30.3% 24.9%

表 1 1979~2001年气候平均北半球QZWL出现概率各月份各高度层的分布 Table 1 The climatic averaged probability of QZWL occurring over the North Hemisphere at each level in each month during 1979-2001

区的QZWL高度均在21 km左右，比夏季的QZWL高度约高3 km。需要注意的是，冬季中低纬地区(30°N~45°N)的纬向一致性较差，太平洋上空(120°E~120°W)约20~27 km存在QZWL，这是由于冬季平流层阿留申高压的存在，副热带太平洋地区存在东风带，从热成风原理的角度解释：冬季太平洋上空平流层低层50°N附近存在一个暖中心，使温度梯度在赤道至暖中心区域内逆转，热成风为东风，导致上下层纬向风的逆转，从而在该区域内形成了QZWL，因此这里的零风线应归为第二类QZWL。5 QBO对QZWL影响分析

如前所述，QBO可能是影响平流层中低层风场的最重要因素之一，那么QBO对QZWL是否有一定的影响？若有，这种影响随着不同的季节有怎样的变化？第3节指出QZWL在一年中存在冬夏两个持续时间较长的稳定态和两个短暂的过渡期，因此在下面的分析中，主要关注QBO在冬季和夏季两个稳定态时对QZWL的影响。 5.1 QBO东西风位相年的划分

关于赤道纬向风QBO东西风位相的划分，以往的研究一般采用某一等压面上的风表示，但采用的等压面有所不同，大多采用30 hPa(Gray，1984)或50 hPa(Yasunari，1989)。陈文等(2004)研究指出，50 hPa纬向风与QBO 风场的深厚程度相关最密切，且本文通过分别用ERA-40再分析资料30 hPa和50 hPa赤道上空纬向风分别进行了QBO东西风位相年的划分结果也显示，不论冬季(上年12月、1月、2月)或者夏季(6月、7月、8月)用50 hPa纬向风划分出的东西风位相年的样本数更平均，因此本文选择月平均赤道上空50 hPa纬向平均的纬向风作为划分QBO东西位相年的指数，分别选取指数最大和最小的8年进行合成分析(按指数由大到小排列)：冬季东风位相年有1980年、1997年、1990年、1999年、1985年、1982年、1992年、1995年，西风位相年有2000年、1981年、1986年、1989年、1991年、1983年、1998年、1988年；夏季东风位相年有1994年、1992年、1982年、1987年、1984年、1998年、1996年、2001年，西风位相年有1983年、1997年、1988年、1986年、2000年、1993年、1985年、1995年。

图 2

Fig. 2

图 2 1979～2001年1月(左列)和7月(右列)气候平均纬向风沿着特定纬圈的经度-高度分布(单位：m·s-1，粗实线为零风线)：(a1、a2)15°N；(b1、b2)30°N；(c1、c2)45°N；(d1、d2)60°N；(e1、e2)75°NFig. 2 Longitude-height sections of monthly zonal wind(m·s-1)averaged from 1979 to 2001 along(a1，a2)15°N，(b1，b2)30°N，(c1，c2)45°N，(d1，d2)60°N，(e1，e2)75°N in Jan(left panel) and Jul(right panel). The contours of zero are thickened

图 3

Fig. 3

图 3(左列)和7月(右列)QBO(a1、a2)西风和(b1、b2)东风位相最强8年的合成以及(c1、c2)二者之差纬向风的合成(单位：m·s-1)。阴影区域表示通过90%信度t检验(浅色为正值区，深色为负值区)Fig. 3 Composite zonal wind(m·s-1)sections: eight stronger(a1，a2)westerlies and (b1，b2)easterlis phases of the QBO years and (c1，c2)their difference in Jan(left panel) and Jul(right panel). The shading areas are above 90% confidence level of t-test(the light and dark shadings are positive and negative values，respectively)

从图 3左列可以看到，1月，不同QBO位相时，北半球平流层下层风场的分布有明显差异：虽然东西位相年在冬季热带地区都存在第一类QZWL，但西风位相年第一类QZWL(即图中低纬地区的零风线只有一条)下层为西风、上层为东风，处在约25 km的高度上；而东风位相年从100 hPa到20 hPa高度内夹着一层东风，其上下均为西风，因此存在两条零风线，分别位于18 km和25 km左右的高度上；西风位相年20°N以北的中低纬地区存在第二类QZWL，从图 3c1可明显看出“Holton-Tan振荡”的形式，也就是西风位相年与东风位相年相比约40°N以北的平流层下层平均纬向西风偏强，与此相反的是20°N～40°N的副热带平流层下层平均纬向西风略偏弱，致使西风位相年第二类QZWL区域所跨纬度范围约至38°N，且西风位相年平流层下层中低纬地区的等风速线更稀疏，风速的垂直和纬向梯度都比较小，而东风位相年冬季基本不存在第二类QZWL。

从7月的合成图(图 3右列)可看出，不论东风位相还是西风位相年，夏季中高纬地区都存在第二类QZWL，且QBO对热带外风场的影响不如冬季显著，主要影响区域集中在100 hPa以下的对流层中层，我们注意到以50°N为界，50°N以南的对流层热带外地区，西风位相年相较于东风位相年西风略偏强，50°N以北西风位相年的纬向西风略偏弱，这样的差别造成西风位相年50°N以南的第二类QZWL略高于东风位相年，而50°N以北则相反。5.3 QBO异常典型年QZWL特征

引言中已经提到，目前许多研究表明影响平流层中低层风场的主要因素有QBO、ENSO和太阳活动，因此选定QBO异常典型年时，要尽量排除ENSO和太阳活动的影响。原则上将Nio3指数和太阳活动指数的标准化距平接近于0且QBO指数距平绝对值较大的年份选为典型年。据此，本文选择1980年和1981年为冬季QBO典型东风位相年和典型西风位相年，1992年和1983年为夏季QBO典型东风位相年和典型西风位相年。

从图 4可以看出，4个典型年的QZWL符合合成分析中QZWL受到QBO影响的主要结论。1980年1月，QBO处于东风位相，QZWL存在于0°~25°N纬度范围内，且存在上下两条零风线，1981年冬季作为典型的冬季西风位相年，0°~35°N范围内存在QZWL，且零风线只有一条，在50~20 hPa间；夏季QBO处于东风位相的1992年和QBO处于西风位相的1983年，7月纬向风场分布的区别不如上两年1月的差别明显，其QZWL的纬度分布范围基本相同，都出现在25°N以北，而1992年QZWL所在高度随纬度有一些起伏，25°N ~45°N QZWL随纬度升高，QZWL在西风急流轴对应的纬度处于22 km左右的高度，之后随纬度略有降低，65°N以北随纬度升高。而1983年7月QZWL在西风急流轴以北其高度随纬度的变化不大，基本稳定在20 km左右。

图 4

Fig. 4

图 4 纬向平均纬向风纬度-高度分布(单位：m·s-1，粗实线为零风线):(a)1980年1月;(b)1981年1月;(c)1992年7月;(d)1983年7月Fig. 4 Latitude-height sections of zonal wind(m·s-1):(a)Jan of 1980;(b)Jan of 1981;(c)Jul of 1992 ;(d)Jul of 1983. The contours of zero are thickened

图 5

Fig. 5

图 5 1980年(左列)和1981年(右列)1月北半球纬向平均纬向风沿特定纬圈的经度-高度分布(单位：m·s-1):(a1、a2)35°N；(b1、b2)30°N；(c1、c2)25°NFig. 5 Longitude-height sections of zonal wind(m·s-1)along(a1，a2)35°N，(b1，b2)30°N， and (c1，c2)25°N in Jan of 1980(left panel) and 1981(right panel)

图 6

Fig. 6

图 6(a)1980年和(b)1981年1月北半球30 hPa温度场和位势高度场的水平分布(阴影为温度场；等值线为位势高度场，单位：gpm)Fig. 6 The spatial distribution of the temperature(shaded) and geopotential height(contours，units:gpm)in Jan of(a)1980 and (b)1981 over the North Hemisphere at 30 hPa

结合上面的分析，针对合成分析和典型年分析中，冬季中低纬地区QZWL受到QBO影响存在明显的年际变化这一特征，下面将1980年和1981年两年25°N、30°N和35°N的纬向风随经度高度的分布对比分析(图 5)。如4.3节所分析，该两个典型年冬季中低纬地区平流层下层风场都具有纬向不一致性，并不是整个纬圈都存在QZWL、而是一定经度范围内存在。1980年作为典型东风位相年，中低纬度上QZWL分布在太平洋上空(120°E~120°W)，而1981年是典型的西风位相年，在中低纬过渡地区，QZWL的分布经度范围明显大于1980年。图 5b1中QZWL几乎覆盖整个25°N纬圈，这两年的QZWL分布差异最明显存在于欧亚大陆上空(0°~120°E)，1980年无QZWL而1981年该范围内存在QZWL。结合1980年和1981年1月的30 hPa位势高度场和温度场(图 6)可以看出，1980年1月30 hPa中纬度的相对温度大值区在太平洋上空，而1981年的相对温度大值区西至欧亚大陆东至北美西部，跨越大半纬圈，这就造成1981年1月从赤道至极地的温度梯度逆转区域经度范围更广，导致了中纬度更大范围QZWL的形成。5.4 QBO对QZWL影响的讨论

在引言中已经提到，众多因素影响着平流层低层风场的分布，QBO只是其中之一，其他因素有太阳活动、ENSO等，这些因素之间存在着复杂的非线性相互作用，下面将进一步分析上文提到的QBO对赤道外QZWL的影响的一个主要特征，即冬季QBO西风位相年比东风位相年在20°N~40°N范围内更容易出现QZWL。下面将5.1节中选出的QBO典型年分为两组[QBO信号最强的4年(2000年、1981年、1986年、1989年)和次强的4年(1980年、1997年、1990年、1999年)]，将两组所对应的1月QZWL出现概率(具体计算方法见4.2节)分别进行了合成。对比图 7a和7b可以发现，QZWL出现概率最大区都在中纬度太平洋地区，而QZWL的概率大值区在西风位相年比东风位相年向东和向西扩展了，整个中纬度地区西风位相年都比东风位相年QZWL出现概率要大，而其他年份中中纬度QZWL存在概率在西风位相年和东风位相年的差异则不大。这是因为图 7a和7b反映的是QBO信号最强的4年，QBO对QZWL的影响占主要地位。但在QBO信号较弱的年份中，其他因素和QBO信号相互作用，对QZWL的影响更为复杂。因此，如何将各影响因子有效的分离，并了解它们有怎样的相互作用是一个值得探讨的问题。

另外1月北半球高纬度地区在冬季有约10%的概率出现QZWL，这与平流层爆发性增温(Stratosheric Sudden Warming，SSW)有关。在SSW期间，高低纬间温度梯度发生了反转，根据热成风关系式(2)，纬向风随着高度的增加而减小，当减小到负值时，西风转为东风，就形成了QZWL。但由于SSW出现的时间较短，且强度较弱的SSW不能引起纬向风的转向，所以由于SSW的出现而形成的QZWL出现的概率较小。

图 7

Fig. 7

图 7(a)西风和(b)东风位相年QBO指数最强4年的平均1月北半球(最外纬圈20°N)100~20 hPa存在QZWL的概率Fig. 7 The QZWL frequency occurring at 100-20 hPa over the North Hemisphere in Jan of the four strongest(a)westerly phase and (b)easterly phase of QBO years

利用ECMWF提供的ERA-40再分析资料，在讨论了QZWL两种形成机制前提下，将QZWL划分为两类，然后分析了两类QZWL的季节变化特征，并讨论了QBO东西风位相年划分方法，通过合成分析和QBO典型异常年的分析讨论了冬夏两季QBO对两类QZWL的影响，得出的结论如下：

(1)根据QZWL的形成机制可将其分为两类，第一类的形成机制是平流层中低层热带地区的QBO各高度上的位相差；第二类是由于平流层中低层热带外地区经向温度梯度逆转而形成的。第一类QZWL出现在平流层冬季和冬夏过渡时期的低纬地区，第二类QZWL冬季出现在中低纬度(20°N ~40°N)太平洋地区上空，夏季和冬夏过渡时期出现在中高纬地区。

(2)QZWL出现的高度大约在100~20 hPa即约16~27 km之间。夏季QZWL分布高度比冬季低约3 km，夏季QZWL的分布高度比冬季稳定，约在20 km；冬季QZWL由于QBO的影响分布高度存在明显的年际变化，东风位相时可能存在上下两个零风层，西风位相年QZWL约在20 ~25 km之间。

(3)无论冬季、夏季，QBO都会对QZWL产生影响，冬季QBO对QZWL的影响更明显，主要体现在冬季相较于QBO东风位相年，QBO西风位相年在20°N ~40°N的纬度范围内出现QZWL的概率更高，但在QBO位相不显著或其他影响因子较强的年份，该规律则不明显。