胡耀月 王東海 吳珍珍 張春燕 曾智琳 萬軼婧

1(中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 珠海 519082)

2(民航西南空管局氣象中心 成都 610202)

3(澳門海岸帶生態(tài)環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站 澳門科技大學(xué)澳門環(huán)境研究院 澳門 999078)

4(南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室 珠海 519082)

5(廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點實驗室 珠海 519082)

0 引言

臨近空間距離地面20～100 km[1,2]，涵蓋了大氣圈層的平流層、中間層以及部分熱層，是低層大氣與高層電離大氣的航行交通樞紐。相較于低層大氣和逸散層大氣，臨近空間的物質(zhì)組成、能量交換以及圈層相互作用極其復(fù)雜，蘊藏著許多有待發(fā)現(xiàn)的科學(xué)規(guī)律和物理現(xiàn)象，需要進一步深入研究[3,4]。目前臨近空間環(huán)境探測主要通過高空氣球/飛機、火箭、球載/地基探測等共同配合[5,6]，隨著中高層大氣科學(xué)探測能力的快速提升，各國高度重視臨近空間高新技術(shù)的發(fā)展，例如美國航空航天局（NASA）和Google 公司都順利實現(xiàn)了高空氣球在平流層底部的長航時飛行[7-9]。伴隨臨近空間開發(fā)應(yīng)用的逐漸深入，對相應(yīng)的臨近空間大氣科學(xué)研究提出了迫切需求，臨近空間環(huán)境要素已成為空間技術(shù)發(fā)展的重要參考依據(jù)[10,11]。

平流層中下層風(fēng)速為0 的高度層[12,13]，是臨近空間風(fēng)場環(huán)境中的重要特征，被看作是高空大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換的標(biāo)志[14,15]，Lü等[16]把其稱為準(zhǔn)零風(fēng)層（Quasi-zero Wind Layer）。由于其空間范圍較大、持續(xù)時間較長，臨近空間浮空器可以較為穩(wěn)定地駐留，有利于開展各種臨近空間的觀測與試驗[16,17]，可應(yīng)用于高空氣球/無人機、高速飛行器等領(lǐng)域。這些臨空飛行器是高空裝備體系的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，并在高空環(huán)境探測、區(qū)域持續(xù)偵察、預(yù)警探測和通信服務(wù)等方面具有重要的科學(xué)應(yīng)用價值。準(zhǔn)零風(fēng)層本質(zhì)上是平流層中下層?xùn)|西風(fēng)的轉(zhuǎn)換，研究準(zhǔn)零風(fēng)層不僅有助于理解平流層大氣環(huán)流的轉(zhuǎn)變過程和季節(jié)更替的作用機理，還可以為臨近空間飛行器的高空活動提供重要環(huán)境參考[18]，從而在多個領(lǐng)域中充分挖掘臨近空間的應(yīng)用價值。

準(zhǔn)零風(fēng)層在冬季和初春分布于低緯度地區(qū)（30°N 以南），在夏季和春末分布于中高緯地區(qū)[19]（30°N 以北），除地理位置、季節(jié)時間的影響，準(zhǔn)零風(fēng)層還與平流層準(zhǔn)兩年振蕩（Quasi-Biennial Oscillation，QBO）、平流層爆發(fā)性增溫（Stratospheric Sudden Warming，SSW）相聯(lián)系[20-24]。根據(jù)準(zhǔn)零風(fēng)層形成機制可將其分為兩類[20]：在熱帶地區(qū)受QBO 位相影響形成的準(zhǔn)零風(fēng)層被定義為第一類準(zhǔn)零風(fēng)層，QBO 是影響中低緯地區(qū)準(zhǔn)零風(fēng)層分布的主要因素[21]，當(dāng)QBO 處于東風(fēng)位相時中低緯度地區(qū)還會出現(xiàn)雙層零風(fēng)層的現(xiàn)象[20]；中高緯度地區(qū)的風(fēng)場主要受平流層大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響[23]，平流層在冬季表現(xiàn)為環(huán)極西風(fēng)，在夏季表現(xiàn)為環(huán)極東風(fēng)[24]，這種由于平流層環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)變帶來溫度梯度的逆轉(zhuǎn)而形成的準(zhǔn)零風(fēng)層被定義為第二類準(zhǔn)零風(fēng)層。此外SSW 爆發(fā)時，平流層高層環(huán)流發(fā)生異常變化，冬季平流層高層原本存在的西風(fēng)環(huán)流區(qū)域產(chǎn)生了東風(fēng)，在兩者邊緣交界處就會產(chǎn)生不易穩(wěn)定維持的準(zhǔn)零風(fēng)層[22]。

由于難以獲取長時間高層大氣的實況觀測，以往對準(zhǔn)零風(fēng)層的研究大都基于再分析資料，直接根據(jù)緯向風(fēng)大小為零的風(fēng)速帶位置來研究準(zhǔn)零風(fēng)層的特點[19-22]。再分析數(shù)據(jù)是使用同化技術(shù)和數(shù)值模式對觀測資料進行再次分析，其準(zhǔn)確度和質(zhì)量問題在不同地區(qū)會有差異[25]。而L 波段探空數(shù)據(jù)具有高精度垂直分辨率，可以更準(zhǔn)確地解析出高層大氣的精細化垂直結(jié)構(gòu)特征，大大增加了資料的準(zhǔn)確度和可利用率[26,27]。已有研究結(jié)合單站L 波段探空觀測資料驗證再分析資料和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性[21,28]，但并未基于大量探空資料統(tǒng)計出準(zhǔn)零風(fēng)層的觀測特征。另外，目前的研究著重分析單層準(zhǔn)零風(fēng)層，并未對雙層準(zhǔn)零風(fēng)層進行相關(guān)定義和深入討論，關(guān)于準(zhǔn)零風(fēng)層的一些細致的空間特征也并未得到進一步量化，難以滿足現(xiàn)有臨近空間浮空器運行的核心需求。

本文基于中國地區(qū)秒量級的L 波段觀測資料，根據(jù)風(fēng)場特征分別定義了兩種不同類型的準(zhǔn)零風(fēng)層，通過分析兩種準(zhǔn)零風(fēng)層的厚度/高度、出現(xiàn)/維持時間等特征，細致地討論了中國兩種準(zhǔn)零風(fēng)層的時空分布特征和變化規(guī)律，旨在對臨近空間大氣風(fēng)場環(huán)境的結(jié)構(gòu)和變化有更深入的認(rèn)識，從而為臨近空間飛行器運行環(huán)境、臨近空間科學(xué)觀測與試驗提供氣象支撐。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)與資料

本文所使用的新一代L 波段高空氣象探測系統(tǒng)實現(xiàn)了時間分辨率達秒量級，觀測時間分辨率可達1.2 s[29]，探測高度可達10 hPa，每個采集周期內(nèi)可收集到氣壓、高度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、仰角、方位、斜距、經(jīng)緯度方位等多種信息[28-30]，是目前高空高精度自動化探測的有效手段，大大提升了高空自動化氣象探測的精度和時間密度[29,30]，在臨近空間大氣環(huán)境研究中具有重要的理論和實際價值。近年來很多科學(xué)研究廣泛運用了高分辨率的探空資料[25-30]，體現(xiàn)了其非常重要的應(yīng)用價值。例如Zhang 等[25]通過探空觀測資料分析了中國高空風(fēng)速的時間和空間特征，Yang 等[27]使用垂直高分辨率探空資料進行建模，分析了大氣邊界層中近地面層的具體特征，Liang 等[29]采用L 波段探空觀測分析了中國邊界層高度的時空變化規(guī)律。

中國共有121 個L 波段探空站，除了青藏高原西部，其余地區(qū)站點分布較為均勻（見圖1）。本文所用資料為2010 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的L 波段探空資料，包括每日兩次常規(guī)觀測（08:00－20:00 BLT），部分站點有加密觀測時次（02:00－14:00 BLT）。在對探空記錄進行質(zhì)控和篩選時，為滿足準(zhǔn)零風(fēng)層高度的計算要求，首先剔除最高觀測高度不足20 hPa 的觀測記錄、單個文件小于2000 條的記錄時次，其次根據(jù)大氣相應(yīng)平均高度層風(fēng)速氣候?qū)W界限值[31]對各個氣壓層中異常的風(fēng)速值、風(fēng)切變值記為缺省，以及對異常的風(fēng)切變進行判斷[31]，可以按下列步驟計算出各層的判斷系數(shù)：

圖1 根據(jù)緯度分區(qū)的全國探空站點空間分布（不同顏色站點代表不同區(qū)域）Fig.1 Spatial distribution of sounding stations in China according to the latitude partition(Different color represents different region)

式中，Wk與Wk+1為第k層和第k+1 層的風(fēng)速[31]，以此計算出第k層與第k+1 層相關(guān)判斷系數(shù)Xk,k+1以及類似的第k?1 層與第k層相關(guān)判斷系數(shù)Xk?1,k。若Xk?1,k+Xk,k+1≥1.5，將第k層的風(fēng)速Wk記為缺省。經(jīng)過質(zhì)控剔除了3 個站點，缺失率分別為92.6%、77.3%、63.6%，其中2 個站點是由于大量觀測記錄不滿足準(zhǔn)零風(fēng)層的高度計算需求而被剔除，總共選取118 個站點數(shù)用于統(tǒng)計準(zhǔn)零風(fēng)層特征。

1.2 分析方法

準(zhǔn)零風(fēng)層在熱帶地區(qū)和熱帶外地區(qū)具有不同的形成機制、分布時間和高度范圍[20]，忽略準(zhǔn)零風(fēng)層隨經(jīng)度的變化[19]，根據(jù)其緯向變化的特征，本文將中國站點分為5 個區(qū)域（見圖1）：15°N－20°N，20°N－25°N，25°N－30°N，30°N－40°N，40°N－50°N，從而利用各區(qū)域內(nèi)站點的準(zhǔn)零風(fēng)層平均特征來表現(xiàn)該緯度帶的準(zhǔn)零風(fēng)層特點。

由于缺乏統(tǒng)一定義，準(zhǔn)零風(fēng)層尚未基于大量探空觀測資料進行定量分析，以往的研究大多基于再分析資料[19-22,32]。本文基于前人的定義和研究，并參照實際觀測數(shù)據(jù)，提出了在探空資料中單層準(zhǔn)零風(fēng)層的定義和計算方法，即高度（指位勢高度，下同）位于16 km 以上，連續(xù)出現(xiàn)緯向風(fēng)風(fēng)速不超過4 m·s–1，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速不超過6 m·s–1的厚度層，上下層的緯向風(fēng)方向相反，則認(rèn)為該層為準(zhǔn)零風(fēng)層。雙層準(zhǔn)零風(fēng)層是指在1 次探空記錄中出現(xiàn)了準(zhǔn)零風(fēng)層的中斷，中斷處上方風(fēng)場條件再次滿足準(zhǔn)零風(fēng)層條件。

此外，本文還定義了與準(zhǔn)零風(fēng)層相關(guān)的幾個概念來描述其特征：考慮到探空資料垂直分辨率較高，將準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度Hstart和 準(zhǔn)零風(fēng)層結(jié)束高度Hend之間的高度層每50 m 劃分為1 層，將準(zhǔn)零風(fēng)層的發(fā)生概率P[21]定義為某天某高度層出現(xiàn)準(zhǔn)零風(fēng)層的總次數(shù)與該天該高度層10 年內(nèi)總觀測記錄的比值，顯然在Hstart以上每50 m 就有相應(yīng)的概率值，計算公式為

式中，N為某站該天某高度層準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)的總次數(shù)，Nsum為該站該天10 年（2010－2019 年）總觀測記錄。定義Have為準(zhǔn)零風(fēng)層的起始高度與結(jié)束高度之間的平均高度，即平均維持高度，計算公式為

定義Hthi為起始高度與結(jié)束高度之間的差值，即準(zhǔn)零風(fēng)層的厚度，其計算公式為

準(zhǔn)零風(fēng)層每月出現(xiàn)天數(shù)是指在該月準(zhǔn)零風(fēng)層總共存在的天數(shù)；每月維持天數(shù)是指在該月準(zhǔn)零風(fēng)層存在并且連續(xù)維持不間斷的天數(shù)。圖2 為不同站點兩次探測記錄的風(fēng)廓線，圖2（a）中只出現(xiàn)了單層準(zhǔn)零風(fēng)層，起始高度Hstart為 19.815 km，結(jié)束高度Hend為23.375 km。圖2（b）的風(fēng)廓線存在雙層準(zhǔn)零風(fēng)層，即1 次觀測記錄中出現(xiàn)了兩次準(zhǔn)零風(fēng)層的開始和兩次準(zhǔn)零風(fēng)層的結(jié)束。第1 層準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度Hstart為18.684 km，結(jié)束高度Hend為19.547 km，第2 層準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度Hstart2為2 3.328 km，結(jié)束高度Hend2為27.06 km。

圖2 一次探空觀測記錄的風(fēng)廓線 (黑色和藍色實線表示緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)，紅點隨高度遞增依次表示準(zhǔn)零風(fēng)層的開始和結(jié)束高度)Fig.2 Wind profile for one record of sounding observation (black and blue full line represent zonal wind and meridional wind,respectively.The red dots increasing with the height indicate the beginning and ending height of the Quasi-zero wind layer in turn)

2 單層準(zhǔn)零風(fēng)層分布特征

2.1 單層準(zhǔn)零風(fēng)層總體分布

已有研究指出[19-22]準(zhǔn)零風(fēng)層的分布結(jié)構(gòu)隨緯度變化存在明顯的季節(jié)差異。從圖3 不同區(qū)域單層準(zhǔn)零風(fēng)層逐日發(fā)生概率的高度–時間分布來看，準(zhǔn)零風(fēng)層分布結(jié)構(gòu)可以大致分為三個時段，6－8 月（夏季）、12 月至次年2 月（冬季）、3－5 月及9－11 月（季節(jié)轉(zhuǎn)換期）。相較于季節(jié)轉(zhuǎn)換期，單層準(zhǔn)零風(fēng)層分布結(jié)構(gòu)在夏季和冬季更具緯度差異性。隨著緯度遞增，單層準(zhǔn)零風(fēng)層在夏季的發(fā)生概率逐漸變大，在冬季的發(fā)生概率逐漸變小，分布范圍也逐漸縮小：圖3（a）（b）所示15°N－25°N 區(qū)域在夏季基本沒有單層準(zhǔn)零風(fēng)層分布，高概率帶（發(fā)生概率大于80%的區(qū)域）主要分布在10 月至次年5 月的18.4～22.8 km 之間；25°N 以北區(qū)域（見圖3 c～e）單層準(zhǔn)零風(fēng)層高概率帶都主要分布在夏季，高度范圍為17～22.6 km，其中40°N－50°N區(qū)域（見圖3 e）夏季準(zhǔn)零風(fēng)層結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，維持厚度和邊界高度的逐月變化都較小，整體維持在19～21.9 km 之間，最大發(fā)生概率為92.8%，極大值月份為7 月，可見夏季為40°N－50°N 區(qū)域的單層準(zhǔn)零風(fēng)層穩(wěn)定維持期。Tao 等[20,32]也認(rèn)為準(zhǔn)零風(fēng)層存在冬季、夏季、過渡期三個狀態(tài)，在10 月底至次年4 月初，準(zhǔn)零風(fēng)層主要在低緯度地區(qū)存在，而5 月下旬至9 月初，主要出現(xiàn)在中高緯度地區(qū)。

圖3 2010－2019 年平均單層準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)概率高度–時間分布Fig.3 Height temporal sections of probability for existence of the single-layer QZWL averaged from 2010 to 2019

在冬季，北半球平流層西風(fēng)氣流占據(jù)主導(dǎo)，東風(fēng)氣流只存在于熱帶地區(qū)，此時在中高緯度地區(qū)幾乎不存在大范圍的東西風(fēng)轉(zhuǎn)換層，單層準(zhǔn)零風(fēng)層的分布也較零散，由圖3(e)可知40°N－50°N 地區(qū)冬季的單層準(zhǔn)零風(fēng)層分布時常間斷，且發(fā)生概率遠遠低于其他區(qū)域，分布高度也沒有特別集中。

從單層準(zhǔn)零風(fēng)層高概率帶（發(fā)生概率大于60%的區(qū)域）的全年整體分布來看，15°N－40°N 緯度區(qū)域（圖3 a～d）準(zhǔn)零風(fēng)層發(fā)生高度大致呈V 型分布：其分布高度在春季逐漸下降，到夏季下降到最小值，秋季又逐漸回升，直至完全過渡到冬季。40°N－50°N區(qū)域（圖3 e）夏季單層準(zhǔn)零風(fēng)層逐月變化較小，發(fā)生高度呈U 型分布。另外由于平流層環(huán)流轉(zhuǎn)型存在區(qū)域差異[24]，導(dǎo)致不同緯度帶的準(zhǔn)零風(fēng)層發(fā)生高度下降和上升的轉(zhuǎn)折時間點不同：圖3（a）所示15°N－20°N區(qū)域從3 月開始下降，11 月逐漸回升；圖3（b）（c）所示20°N－30°N 區(qū)域從4 月開始下降，9 月逐漸回升；圖3（d）（e）所示30°N－50°N 區(qū)域從5 月開始下降，9 月逐漸回升。5 個分區(qū)的單層準(zhǔn)零風(fēng)層在兩次過渡季節(jié)內(nèi)的垂直分布范圍都較為廣泛，這是由于當(dāng)平流層處于季節(jié)轉(zhuǎn)換期時，風(fēng)場也處于過渡期，西風(fēng)急流和熱帶東風(fēng)環(huán)流強度相當(dāng)，風(fēng)速較弱的區(qū)域范圍相應(yīng)擴大[21]，單層準(zhǔn)零風(fēng)層的分布范圍也有所擴大，尤其表現(xiàn)在圖3（d）（e）所示的中高緯度地區(qū)，秋季和春季高概率帶的下邊界高度最低為18.7 km，上邊界高度最高達28.8 km。

2.2 單層準(zhǔn)零風(fēng)層平均維持高度變化

準(zhǔn)確把握準(zhǔn)零風(fēng)層高度對于浮空器的定點、定區(qū)域長航時駐留試驗具有重要意義[18]，且北半球準(zhǔn)零風(fēng)層高度存在季節(jié)變化，夏季準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)的高度更為穩(wěn)定和集中，更適合開展有關(guān)飛行試驗[32]。由前述討論可知，單層準(zhǔn)零風(fēng)層在不同月份內(nèi)，發(fā)生概率和分布高度存在一定差異，并隨緯度變化明顯。因此在討論準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度特征時，需要同時關(guān)注緯度和季節(jié)的變化。以下利用探空觀測資料對不同地區(qū)單層準(zhǔn)零風(fēng)層的Have逐月分布進行分析。

從圖4 可以看到，不同緯度地區(qū)的單層準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度的分布基本表現(xiàn)為以20°N 為界的南北差異。15°N－20°N 區(qū)域（圖4 a）單層準(zhǔn)零風(fēng)層主要分布于9 月至次年6 月，且逐月變化較小，高度在20.5～22.8 km 之間。其余4 個分區(qū)（圖4 b～e）冬半年的單層準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度比夏半年平均高4.5 km，從4 月開始維持高度逐漸下降，夏季下降至最小，秋季逐漸回升，這與前面分析的單層準(zhǔn)零風(fēng)層分布概率結(jié)構(gòu)呈V 型和呈U 型趨勢有很好的一致性。圖4（b）（c）所示20°N－30°N區(qū)域準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度在17.4～25.5km之間，圖4（d）（e）所示30°N－50°N 區(qū)域在18.4～26.9 km 之間，可見單層準(zhǔn)零風(fēng)層每月維持高度隨緯度遞增相應(yīng)升高。Liu 等[33]在分析新疆地區(qū)平流層底部風(fēng)場特征時，也發(fā)現(xiàn)與本文類似的空間變化特征：準(zhǔn)零風(fēng)層穩(wěn)定高度的月變化呈現(xiàn)U 型分布，5 月下旬至7 月上旬處于下降期，7 月下旬至9 月下旬處于上升期，雖選取的站點數(shù)與本文不同，但變化趨勢與本文基本相符。

圖4 2010－2019 年單層準(zhǔn)零風(fēng)層平均維持高度逐月變化Fig.4 Annual variation of averaged height of the single-layer QZWL from 2010 to 2019

2.3 單層準(zhǔn)零風(fēng)層維持厚度變化

準(zhǔn)零風(fēng)層的時空分布特征對臨近空間飛行器的飛行指標(biāo)具有重要指示意義，其厚度對飛行過程的影響也不容忽略，特別是對于高質(zhì)量的飛行試驗來說，準(zhǔn)零風(fēng)層分布厚度的深厚可以為飛行高度范圍提供有效保障。就這5 個緯度帶而言，各區(qū)域單層準(zhǔn)零風(fēng)層的厚度變化趨勢與維持高度不完全一致，但同樣季節(jié)和緯度變化差異顯著。

圖5 為各區(qū)域單層準(zhǔn)零風(fēng)層逐月厚度的箱式分布：15°N－20°N 區(qū)域（圖5 a～d）50%的樣本厚度保持 在0.87～3.3km的范圍內(nèi)；20°N－25°N區(qū)域（圖5e～h）保持在0.5～3.9 km 之間；25°N－30°N 區(qū)域（圖5 i～l）保持在0.5～4.6 km 之間；30°N－40°N區(qū)域（圖5 m～p）保持在1.4～4.4 km 之間；40°N－50°N 區(qū)域（圖5 q～t）保持在1.7～5.9 km 之間，可見單層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度和變化幅度隨著緯度遞增。整體來看，圖5（e）～（t）所示20°N－50°N 區(qū)域準(zhǔn)零風(fēng)層厚度的季節(jié)分布呈雙峰變化趨勢，峰值位于春季和秋季，如圖5（e）（i）（m）（q）和圖5（g）（k）（o）（s）所示；季節(jié)過渡期厚度的變化幅度大于冬季和夏季，其上四分位和下四分位相差較大，平均為3.7 km，這與前述討論中單層準(zhǔn)零風(fēng)層在季節(jié)過渡期的垂直分布范圍廣泛吻合。15°N－20°N區(qū)域（圖5 a～d）準(zhǔn)零風(fēng)層主要分布在10 月至次年5 月，其厚度沒有顯著的季節(jié)變化，各月厚度的上四分位和下四分位相差不大，平均為2.8 km，這與其維持高度的變化保持一致。此外，單層準(zhǔn)零風(fēng)層的厚度在夏季隨緯度增大而增大，冬季則隨緯度增大而減小。例如15°N－20°N 區(qū)域（圖5 b）的準(zhǔn)零風(fēng)層在夏季分布極少，其厚度也較薄，平均為0.5 km，但在冬季平均維持在2.9 km 左右；而40°N－50°N 區(qū)域（圖5 r）夏季厚度平均在2.7 km 左右，冬季在2.1 km 左右。

圖5 2010－2019 年單層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度的季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variation of thickness of the single-layer QZWL from 2010 to 2019

3 雙層準(zhǔn)零風(fēng)層分布特征

3.1 雙層準(zhǔn)零風(fēng)層總體分布

通常在QBO 東風(fēng)位相年，低緯度地區(qū)存在雙層準(zhǔn)零風(fēng)層[20]，本節(jié)擬探究其分布特征和變化規(guī)律，首先從發(fā)生概率入手，討論其分布的時間和空間范圍。

根據(jù)圖6 可以看出雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的發(fā)生概率明顯小于單層，發(fā)生時間和高度范圍也存在明顯的緯度差異和季節(jié)變化。25°N 以南（圖6 ab）為雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的主要分布緯度，主要分布時間為10 月至次年5 月，主要高度范圍（發(fā)生概率大于平均概率的時間內(nèi)，其雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的高度范圍）為16.8～32 km；25°N 以北區(qū)域（圖6 c～e）在夏季雖存在雙層準(zhǔn)零風(fēng)層，但發(fā)生概率極小，10 月至次年5 月的發(fā)生概率和分布范圍較25°N 以南也明顯減小?？梢婋p層準(zhǔn)零風(fēng)層整體分布范圍和發(fā)生概率隨緯度增大而減小。

圖6 2010－2019 年多年平均雙層準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)概率高度–時間分布Fig.6 Height temporal sections of probability for existence of the double-layer QZWL from 2010 to 2019

低緯地區(qū)的雙層準(zhǔn)零風(fēng)層發(fā)生概率在夏半年和冬半年明顯不同，這是QBO 位相在不同季節(jié)的影響造成的。Tao 等[20]通過對典型QBO 年的合成分析發(fā)現(xiàn)，在冬季當(dāng)QBO 處于西風(fēng)位相時，低緯地區(qū)較容易出現(xiàn)單層準(zhǔn)零風(fēng)層，當(dāng)QBO 處于東風(fēng)位相時，低緯地區(qū)較容易出現(xiàn)雙層準(zhǔn)零風(fēng)層，此時準(zhǔn)零風(fēng)層的結(jié)構(gòu)一般表現(xiàn)為兩層西風(fēng)包裹一層?xùn)|風(fēng)。而在夏季，Tao[32]指出，QBO 不論是處于西風(fēng)位相還是東風(fēng)位相，低緯很少出現(xiàn)雙層準(zhǔn)零風(fēng)層。由于QBO 是發(fā)生于赤道地區(qū)的環(huán)流現(xiàn)象，因而低緯度地區(qū)雙層準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)概率明顯大于中高緯度地區(qū)。

此外，各區(qū)域雙層準(zhǔn)零風(fēng)層分布時間不同于單層，雙層準(zhǔn)零風(fēng)層在低緯度地區(qū)主要分布于冬半年，中高緯度地區(qū)主要分布于季節(jié)轉(zhuǎn)換期，發(fā)生概率的極大值隨緯度增大反而減小：15°N－20°N 區(qū)域（圖6 a）最大發(fā)生概率為50%，極大值月份為5 月和11 月；20°N－25°N 區(qū)域（圖6 b）為44.2%，極大值月份為11 月；25°N－30°N 區(qū)域（圖6 c）為43.9%，極大值月份為11 月；30°N－40°N 區(qū)域（圖6 d）為39.3%，極大值月份為5 月；40°N－50°N 區(qū)域（圖6 e）為35.9%，極大值月為5 月和9 月。

3.2 雙層準(zhǔn)零風(fēng)層平均維持高度變化

雙層準(zhǔn)零風(fēng)層中的第一層和第二層維持高度變化趨勢較為同步，除15°N－20°N 區(qū)域（圖7 a）的第二層平均維持高度是夏半年稍大于冬半年以外，其余分區(qū)雙層的平均維持高度在冬半年都明顯大于夏半年，這與單層準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度的逐月變化趨勢保持一致。30°N 以南區(qū)域（圖7 a～c）的雙層準(zhǔn)零分層主要分布于10 月至次年5 月，其中第一層準(zhǔn)零風(fēng)層的維持高度在18.1～23.2 km，第二層在24.6～28.4 km。30°N－40°N 區(qū)域（圖7 d）第一層高度范圍在17.9～24 km，第二層在19.7～28.6 km；40°N－50°N 區(qū)域（圖7 e）第一層高度范圍在19.1～24.8 km，第二層在22.8～28.34 km?？梢婋S著緯度增大，雙層準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度有所升高。

圖7 2010－2019 年雙層準(zhǔn)零風(fēng)層平均維持高度逐月變化Fig.7 Annual variation of average height of the double-layer QZWL from 2010 to 2019

3.3 雙層準(zhǔn)零風(fēng)層維持厚度變化

雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的厚度分為兩層，從季節(jié)變化形勢上來看，15°N－25°N 區(qū)域（圖8 a～h）在夏季幾乎沒有雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的分布，在其他季節(jié)內(nèi)的波動較小，而25°N－50°N 區(qū)域（圖8 i～t）雙層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度的季節(jié)分布呈雙峰變化，峰值位于春季和秋季，如圖8（i）（m）（q）和圖8（k）（o）（s）所示，這與單層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度的季節(jié)變化趨勢保持一致。另外，這5 個分區(qū)雙層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度在冬季的變化幅度最小，第一層和第二層厚度的上四分位和下四分位平均相差為1.8 km 和1.9 km。

圖8 2010－2019 年雙層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度季節(jié)變化Fig.8 Seasonal variation of thickness of the double-layer QZWL from 2010 to 2019

就第一層而言，15°N－20°N 區(qū)域（圖8 a～d）50%的樣本厚度保持在1.3～2.5 km 的范圍內(nèi)，20°N－30°N 區(qū) 域（圖8 e～l）在0.6～3 km 之 間，30°N－40°N 區(qū)域（圖8 m～p）在0.6～3.4 km 之間，40°N－50°N 區(qū)域（圖8 q～t）在0.9～4.1 km 之間。第二層厚度與第一層厚度相差不大，總體上雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的厚度隨著緯度增大而增大。

4 兩種準(zhǔn)零風(fēng)層維持時間

4.1 準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)天數(shù)變化

準(zhǔn)零風(fēng)層結(jié)構(gòu)存在與否，直接影響到能否運行臨近空間飛行器，因此研究兩種準(zhǔn)零風(fēng)層的出現(xiàn)時間十分必要。圖9 為5 個區(qū)域兩種準(zhǔn)零風(fēng)層每月出現(xiàn)天數(shù)的分布，可以看到在10 月至次年5 月，兩種準(zhǔn)零風(fēng)層都集中出現(xiàn)在30°N 以南（圖9 a～c），單層準(zhǔn)零風(fēng)層平均出現(xiàn)16 天，雙層為7 天；6－9 月單層準(zhǔn)零風(fēng)層集中出現(xiàn)在30°N 以北，如圖9（d）（e）所示，平均22天，而雙層準(zhǔn)零風(fēng)層在該區(qū)域出現(xiàn)時間較短。從變化趨勢上看，圖9（b）（c）所示20°N－40°N 地區(qū)基本保持一致，但峰值的大小和時間點不同，最小值都在夏季出現(xiàn)：20°N－25°N（圖9 b）單層/雙層準(zhǔn)零風(fēng)層最大峰值分別為21 和13 天，出現(xiàn)在4 月和11 月；25°N－30°N（圖9 c）單層準(zhǔn)零風(fēng)層最大峰值為21 天，出現(xiàn)在5 月和10 月，雙層準(zhǔn)零風(fēng)層最大峰值為11 天，出現(xiàn)在10 月；30°N－40°N（圖9 d）單層準(zhǔn)零風(fēng)層最大峰值為24 天，出現(xiàn)在9 月。40°N－50°N 區(qū)域（圖9 e）單層準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)天數(shù)分布呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，峰值26 天，出現(xiàn)于7 月和8 月，對應(yīng)前述討論中的夏季穩(wěn)定維持期（圖3 e）。

圖9 2010－2019 年多年平均的單層/雙層準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)天數(shù)逐月變化Fig.9 Annual variation of occurrence days of the single/double-layer QZWL from 2010 to 2019

4.2 準(zhǔn)零風(fēng)層維持天數(shù)變化

長航時飛行駐留是臨近空間飛行器發(fā)展的必然趨勢，也是目前研究熱點。Bellemare[34]等為改善氣球在高空飛行中的駐留時間，通過強化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning，RL）讓氣球在平流層停留數(shù)周。Google 公司在Project Loon 計劃[8-9]中也使用RL 控制器預(yù)判高空中的風(fēng)速風(fēng)向，借此控制氣球的高度和走向，使氣球在平流層的飛行時間更長、消耗的能量更少。臨近空間飛行試驗往往持續(xù)數(shù)天乃至數(shù)月，如果中途經(jīng)常出現(xiàn)準(zhǔn)零風(fēng)層中斷和結(jié)束，將難以滿足駐留試驗需求，因此繼續(xù)討論準(zhǔn)零風(fēng)層的維持天數(shù)。

圖10 為各分區(qū)單層準(zhǔn)零風(fēng)層平均維持天數(shù)逐月分布，隨著緯度遞增，單層準(zhǔn)零風(fēng)層在夏季的維持時間越持久，南北差異以30°N 為界。30°N 以北地區(qū)在夏半年的維持時間大于冬半年，而30°N 以南變化相反。15°N－20°N 區(qū)域在夏季沒有單層準(zhǔn)零風(fēng)層的維持，在其他月份內(nèi)維持天數(shù)為3～6 天；20°N－30°N區(qū)域在夏季維持天數(shù)為3～5 天，在7 至8 月有明顯下降趨勢，在9 月至次年5 月的維持天數(shù)為4～6 天。30°N 以北地區(qū)在夏季維持時間明顯延長，30°N－40°N 地區(qū)分布趨勢呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，峰值為9 天，在9 月出現(xiàn)；40°N－50°N 地區(qū)呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，峰值為12 天，在8 月出現(xiàn)。Chen[21]提出在35°N－50°N區(qū)域，東風(fēng)中斷的時間遠遠小于低緯度地區(qū)，而準(zhǔn)零風(fēng)層的出現(xiàn)與東風(fēng)期有很好的對應(yīng)關(guān)系[14]，因此35°N－50°N 區(qū)域的準(zhǔn)零風(fēng)層連續(xù)出現(xiàn)的時間最長，這與本文的結(jié)果保持一致。經(jīng)過計算分析雙層準(zhǔn)零風(fēng)層主要在低緯度15°N－20°N 出現(xiàn)，且維持天數(shù)不超過2 天。

圖10 2010－2019 年多年平均的單層準(zhǔn)零風(fēng)層維持天數(shù)逐月變化Fig.10 Annual variation of maintenance days of the single layer QZWL from 2010 to 2019

5 討論與結(jié)論

基于2010－2019 年中國118 個站點的L 波段探空資料，對準(zhǔn)零風(fēng)層進行定義與分析，根據(jù)實測風(fēng)場特征發(fā)現(xiàn)平流層下部存在單層和雙層的準(zhǔn)零風(fēng)層。將中國分為5個緯度區(qū)域：15°N－20°N，20°N－25°N，25°N－30°N，30°N－40°N，40°N－50°N，統(tǒng)計不同區(qū)域內(nèi)兩種準(zhǔn)零風(fēng)層的發(fā)生概率、維持高度/厚度、出現(xiàn)/維持天數(shù)，兩種準(zhǔn)零風(fēng)層分布均表現(xiàn)為隨緯度和季節(jié)的變化特征，結(jié)論如下。

（1）5 個分區(qū)單層/雙層準(zhǔn)零風(fēng)層總體分布表現(xiàn)為以25°N 為界的南北差異：單層準(zhǔn)零風(fēng)層主要分布于25°N 以北區(qū)域的夏季，分布高度范圍為17～22.6 km；雙層準(zhǔn)零風(fēng)層主要分布于25°N 以南區(qū)域的10 月至次年5 月，分布高度范圍為16.8～32 km。

（2）5 個分區(qū)單層/雙層準(zhǔn)零風(fēng)層平均維持高度隨緯度遞增，20°N－50°N 區(qū)域兩種準(zhǔn)零風(fēng)層維持高度在冬半年都明顯大于夏半年。就單層準(zhǔn)零風(fēng)層厚度而言，20°N－50°N 區(qū)域在全年呈雙峰變化，峰值位于春季和秋季。就雙層厚度而言，25°N－50°N 區(qū)域的季節(jié)變化趨勢與單層保持一致。

（3）單層準(zhǔn)零風(fēng)層每月出現(xiàn)天數(shù)大于雙層，且單層出現(xiàn)天數(shù)隨緯度遞增，雙層反之。單層準(zhǔn)零風(fēng)層集中出現(xiàn)在中高緯度地區(qū)的6－9 月，平均22 天；雙層準(zhǔn)零風(fēng)層集中出現(xiàn)在低緯度地區(qū)的10 月至次年5 月，平均7 天。

（4）單層準(zhǔn)零風(fēng)層每月維持天數(shù)表現(xiàn)為以30°N為界的南北差異，主要體現(xiàn)在夏季：30°N 以南地區(qū)在夏季維持天數(shù)不超過5 天，30°N 以北地區(qū)維持時間明顯延長。

本文采用高精度垂直分辨率的探空觀測資料，在給出兩種準(zhǔn)零風(fēng)層定義的基礎(chǔ)上統(tǒng)計了其在中國的時空分布特征。但目前尚沒有基于探空觀測準(zhǔn)零風(fēng)層的明確定義，特別是雙層準(zhǔn)零風(fēng)層的定義還有待進一步探討。此外，本文分析準(zhǔn)零風(fēng)層側(cè)重于季節(jié)變化，而雙層準(zhǔn)零風(fēng)層受到熱帶準(zhǔn)兩年振蕩的影響，其形成機理分析和年際變化規(guī)律有待進一步深入研究。