夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究

基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART, 通过气块轨迹计算, 对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送 (Troposphere to Stratosphere Transport, 简称TST) 的近地层源区、 输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明: (1) 夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区, 一个是热带西太平洋地区; 另一个是青藏高原南部、 孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区, 上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近 (约16 km高度), 两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现, 穿越对流层顶高度的质量输送只有约10％能够进入20～22 km高度的平流层中, 且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区 (约贡献75%), 这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。 (2) 轨迹分析显示, 夏季亚洲季风区对流层进入平流层的 “入口区” 主要在 (25°N～35°N, 90°E～110°E) 区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、 北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。 (3) 亚洲季风区TST两个主要的过程, 一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程, 它可以使近地层大气在1～2天内输送到平流层中, 贡献了整个TST的10%～30%; 另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送, 该输送是一个相对的慢过程, 时间尺度一般为5～30天。此结果意味着, 源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。     

利用卫星大气成分资料分析夏季亚洲季风区平流层-对流层输送特征

首先利用臭氧探空资料验证了Aura-MLS卫星反演臭氧产品在青藏高原地区的可信度, 然后基于2005年和2006年夏季的数据产品确定了亚洲季风区夏季对流层向平流层的输送通道。结果表明, 青藏高原及其周边区域上对流层－下平流层（UT/LS）中, 一氧化碳(CO)和臭氧（O3）浓度散点分布大体上呈现出典型的“L”型分布, 夏季季节内变化反相关特征表现最明显的高度位于150 hPa附近。从时间变化上看, 7月份相关系数最大, 说明该月份对流层－平流层物质交换最为强烈。100 hPa高度位于对流层顶高度以上, 具有对流层特性的大气主要分布在青藏高原东南侧、 孟加拉湾、 印度半岛、 阿拉伯海以及阿拉伯半岛等区域上空, 说明该区域可能是亚洲季风区夏季对流层向平流层物质输送的一个主要通道。     

青藏高原地区上对流层—下平流层区域水汽分布和变化特征

利用2005-2008年青藏高原(下称高原)地区微波临边探测器MLS(Microwave Limb Sounder)、高光谱分辨率大气红外探测仪AIRS(Atmosphere Infrared Sounder)、ECMWF的ERA-Interim资料,以及NCEP/NCAR再分析数据和NOAA HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)轨迹模式资料,讨论了高原上空对流层顶附近的水汽分布和变化特征及高原上空平流层与对流层之间的物质交换。结果表明,3-4月高原南侧对流层顶附近100 hPa存在一个水汽低值带,而7-8月和9-10月此处存在一个明显的水汽高值区。3-4月夏季风未发展之前,受高原大地形抬升和西风气流的影响,高原以南地区存在对流层与平流层的物质交换,而215 hPa的高原中部地区(80°E-90°E)则由于空气的下沉运动将上层的干空气向下输送而出现一个水汽低值中心。7-8月,受印度夏季风和高原上空反气旋式环流的影响,高原上空有明显的水汽穿过对流层顶向平流层输送,反气旋环流中心的水汽经过2~4天的上升过程可以从对流层进入平流层。高原及其以东、以西地区的水汽在对流层顶附近的季节变化基本一致,100 hPa三个不同区域的水汽在3月达到最低。     

青藏高原深对流及其在对流层—平流层物质输送中作用的研究进展

深对流能够向上对流层—下平流层（UTLS）输送大量水汽和污染物,对对流层顶的辐射平衡、平流层的臭氧恢复以及全球气候变化都有着重要的影响。近年来,一系列重要的观测事实发现,青藏高原和亚洲季风区是对流层向平流层物质输送（TST）的重要窗口。本文介绍了近年来取得的一些主要进展和成果,包括:（1）通过卫星观测在青藏高原—亚洲季风区上空发现水汽、气溶胶的极大值区和臭氧的极小值区;（2）深对流活动的主要观测途径和通过卫星观测识别深对流的方法;（3）青藏高原深对流向平流层物质输送的物理过程;（4）青藏高原深对流与亚洲季风区、热带海洋地区深对流的结构差异以及不同环境场对深对流物质输送过程的影响。     

2009年和2010年夏季我国及周边地区STE模拟与对比分析

夏季是深对流多发的季节,深对流在STE(Stratosphere Troposphere Exchange,对流层-平流层交换)过程中起着重要作用。对2005-2012年夏季我国及周边地区的深对流统计发现,2009年深对流发生的次数较少,2010年深对流发生的次数较多。通过拉格朗日输送模式对2009年和2010年夏季的大气运动状态进行模拟并统计分析,发现30°N以南和以北的地区具有明显不同的平流层-对流层交换特征,30°N以北我国及周边地区TST(Troposphere to Stratosphere Transport,对流层向平流层输送)和STT(Stratosphere to Troposphere Transport,平流层向对流层输送)较为活跃,30°N以南远没有30°N以北地区活跃,但其净输送量却大致相当。在30°N以南,6-8月净输送是对流层向平流层输送。在30°N以北,6月净输送是平流层向对流层输送,7-8月净输送是对流层向平流层输送。比较深对流出现较少的2009年夏季和深对流出现较多的2010年夏季的TST和TST-STT,发现2010年6-8月这3个月的TST和TST-STT总量都超过2009年,表明2010年夏季我国及周边地区对流层向平流层的输送和净输送都强于2009年,与深对流活动的多少可能表现出正相关。     

一次高空急流增强过程中的中尺度扰动和动量输送特征

本文利用中尺度数值模式的高分辨率模拟结果,研究了夏季东亚副热带西风急流一次短时间尺度强度变化过程中的中尺度西风扰动特征和相应的动量输送特征。结果表明,此次急流强度短时间尺度变化以急流轴线为界,北侧增强,南侧减弱。急流整体增强和急流内部中尺度西风扰动的积累效应有关。急流入口区(出口区)南侧主要为西风动量水平通量辐散区(辐合区),北侧为辐合区(辐散区),西风动量水平辐合辐散区的水平尺度只有百公里左右,也属于中尺度范围,并且辐合辐散区一般位于地形坡度较大区域上空。西风动量的垂直输送与西风动量水平通量散度分布几乎一致,但数值小一个量级以上。     

夏季青藏高原附近云顶分布和对流层顶高度的关系（英文）

以CALIPSO卫星观测的云顶高于对流层顶事件为参考,亚洲夏季风区该事件的发生率占北半球的49%,进一步通过对大尺度连续方程的诊断估计,在该区域上升气流的作用下,亚洲季风区在北半球夏季对流层向平流层物质输送总量中贡献远大于50%。南亚高压反气旋对云顶高度的影响体现在:在南侧的高空东风急流核附近(约16.5 km),云顶出现的概率最大,垂直方向达到了10%每500米;北侧的高空西风急流下方,云顶垂直概率大于3%每500米的区域被抑制在11 km以下,远离热力学对流层顶但接近动力学对流层顶。     

青藏高原及附近区域穿越对流层顶的质量和臭氧通量研究

利用等熵坐标下的Wei公式对青藏高原及附近地区穿越动力学和热力学定义下对流层顶的质量和臭氧通量的时空分布变化进行了计算分析。结果表明,采用这两种定义下的对流层顶时,穿越对流层顶的质量和臭氧通量都表现出在热带纬度带为TST通量,到了副热带则转换为STT通量。由于热力学定义下的对流层顶位置稍高,造成了穿越热力学对流层顶的质量和臭氧通量变化幅度大于动力学对流层顶的情况。另外,还发现在所研究的区域穿越对流层顶质量和臭氧通量交换具有明显的年代际变化特征,在1958—2001年时段内交换是先减弱后增强。青藏高原南部及南侧地区向上的质量和臭氧输送经历了逐渐减弱过程,青藏高原北部地区向下的质量和臭氧通量交换也表现为逐渐减弱的过程,这些区域作为通量输送的通道作用是在减弱的。而接近青藏高原西北侧的塔里木盆地附近的向上输送则是逐渐加强的,表明这一区域交换通道作用在青藏高原及附近地区的质量和臭氧交换过程中起着越来越重要的作用。     

青藏高原北侧民丰站2011年7月对流层和低平流层大气观测研究

利用2011年7月1-31日在青藏高原北侧民丰站进行加密探空观测获取的高空气象资料,分析了民丰夏季大气结构和塔里木盆地南缘上空的水汽特征。结果表明:(1)受青藏高原地形热力影响,民丰夏季对流层高度可达到16 000m以上,其绝对高度与珠峰地区对流层绝对高度相近;0℃层高度约为3 450m,略低于珠峰地区。(2)夏季副热带西风急流在青藏高原北侧表现强劲,呈东西向分布,厚度约为12 000m,最大风速中心带位于10 700～11 400m高度,最大风速达到45m.s-1以上。(3)受副热带西风急流底部西风和西西南风影响,夏季青藏高原西北部上空的水汽被输送到塔里木盆地南缘,若羌、民丰及和田站上空3 000～7 500m高度存在湿度大值层,平均相对湿度在60%～70%之间,最大湿度可达到85%以上。(4)民丰夏季白天对流边界层可达到3 200m高度,夜间稳定边界层高度约为1 200m,远远高于珠峰地区的观测结果,但低于敦煌地区的边界层高度。     

中国东部高空颠簸时空分布特征及其与热带中东太平洋海温的关系

本文利用1979～2014年NCEP-DOE日平均再分析资料和中国区域2375份航空器空中颠簸报告资料,研究中国东部区域高空颠簸的时空分布特征及其与热带中东太平洋海温异常（简称“海温异常”;空间范围:5°S～5°N,120°～170°W）的关系以及产生这种关系的可能原因。结果表明:中国东部地区高空颠簸与东亚副热带西风急流之间存在显著时空相关关系,其原因是高空纬向风引起的垂直风切变是构成高空颠簸时空分布的主导因素。中国东部夏季高空颠簸与海温异常存在正相关关系;冬季呈现南北两个正负相关区:以30°N为界,北部区域存在显著的负相关,南部区存在显著的正相关,在30°N急流轴附近区域无显著相关关系。海温异常影响中国高空颠簸时空分布的可能原因是海温变化引起对流层高层温度出现异常,进而影响温度的经向梯度,导致东亚副热带西风急流强度和位置出现异常（夏季,急流轴南侧出现西风异常;冬季,急流轴北侧出现东风异常,南侧出现西风异常）。高空纬向风的变化导致纬向风的垂直梯度和经向梯度出现异常,最终影响高空颠簸的时空分布特征。对流层高层温度的异常变化可能是由与热带海温异常相关的平流层水汽变化所引起。     

夏季风爆发前后中国区域对流层顶高度变化特征

利用2008—2014年全国高垂直分辨率的L波段探空资料,统计分析了东亚夏季风爆发前后我国不同区域对流层顶高度变化特征。研究表明:夏季风爆发后,对流层顶高值区向北推进,最大值位于青藏高原南部及其东南部地区;对流层顶高度的向南梯度和向东梯度大值区均由爆发前的30°~40°N北移至40°~50°N;受地面加热和垂直运动的影响,中国东北部和中东部在夏季风爆发后对流层升温,平流层-对流层过渡层降温,大气温度梯度增加,对流层顶上升,其中中国东北部在夏季风爆发前,大气温度廓线为双峰结构,易出现双对流层顶,第一对流层顶较低;中国南部整层大气温度廓线在夏季风爆发后略有增加,对流层顶有所下降。     

ANALYSES OF THE DYNAMIC EFFECTS ON WINTER CIRCULATION OF THE TWO MAIN MOUNTAINS IN THE NORTHERN HEMISPHERE——Ⅱ.VERTICAL PROPAGATION OF PLANETARY WAVES

A linear,hemispheric and stationary spectral model with multilayers in the vertical was employed to simulate thevertical propagation of waves triggered by mountains.Results show that,in cooperation with the East Asia zonal meanflow,Tibetan Plateau can excite a strong wavenumber 1 perturbation in the stratosphere with its ridge and trough lo-cated over the Pacific and Atlantic Oceans respectively.On the other hand,the stratospheric wavenumber 1 perturbationcaused by the mechanical forcing of the Rocky Mountains in cooperation with the North America zonal mean flow isvery weak.Calculations from observational data of the vertical profile of critical wavenumber for vertically propagatingwaves imply that the tropospheric wavenumber 1 perturbation can hardly penetrate the North America tropopause up-wards,whereas it can freely propagate through the East Asia tropopause into the stratosphere.Two-dimensional E-Pcross-sections obtained from both observational data and simulated results also demonstrate that waves excited by theRocky Mountains are refracted towards low latitudes in the troposphere during their upward propagation:whereas,inaddition to the above mentioned equatorward leaning branch,the wavenumber 1 and 2 planetary waves excited by theTibetan Plateau possess another branch which is refracted to high latitudes during upward propagation and penetratesthe tropopause into the stratosphere.It is therefore concluded that the difference in the horizontal and vertical wavepropagations in the two hemispheres is a result of the different dynamical forcing induced by the two main mountains inthe Northern Hemisphere.     

ANALYSES OF THE DYNAMIC EFFECTS ON WINTER CIRCULATION OF THE TWO MAIN MOUNTAINS IN THE NORTHERN HEMISPHERE--Ⅱ.VERTICAL PROPAGATION OF PLANETARY WAVES

A linear,hemispheric and stationary spectral model with multilayers in the vertical was employed to simulate the vertical propagation of waves triggered by mountains.Results show that,in cooperation with the East Asia zonal mean flow,Tibetan Plateau can excite a strong wavenumber 1 perturbation in the stratosphere with its ridge and trough located over the Pacific and Atlantic Oceans respectively.On the other hand,the stratospheric wavenumber 1 perturbation caused by the mechanical forcing of the Rocky Mountains in cooperation with the North America zonal mean flow is very weak.Calculations from observational data of the vertical profile of critical wavenumber for vertically propagating waves imply that the tropospheric wavenumber 1 perturbation can hardly penetrate the North America tropopause upwards,whereas it can freely propagate through the East Asia tropopause into the stratosphere.Two-dimensional E-Pcross-sections obtained from both observational data and simulated results also demonstrate that waves excited by the Rocky Mountains are refracted towards low latitudes in the troposphere during their upward propagation:whereas,in addition to the above mentioned equatorward leaning branch,the wavenumber 1 and 2 planetary waves excited by the Tibetan Plateau possess another branch which is refracted to high latitudes during upward propagation and penetrates the tropopause into the stratosphere.It is therefore concluded that the difference in the horizontal and vertical wave propagations in the two hemispheres is a result of the different dynamical forcing induced by the two main mountains in the Northern Hemisphere.     

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅱ.行星波的垂直传播

线性、定常、多层半球谱模式模拟结果表明,在东亚纬向气流下,青藏高原能在平流层激发出强大的1波扰动,脊槽分别位于太平洋和大西洋上空。在北美纬向气流下,落基山在平流层激发的1波很弱。观测资料计算指出,对流层行星1波很难通过北美对流层顶上传,但却能自由穿过东亚高纬度地区的对流层顶向平流层传播。北美地形所激发的波动在上传过程中均折向低纬传播。青藏高原所激发的行星1波和2波在上传过程中有分支:折向低纬的一支主要局限在对流层中;折向高纬的一支进入平流层。模拟和分析证明,这些差异是北半球两大地形不同的动力作用的结果。     

THE EXCHANGE OF MASS BETWEEN STRATOSPHERE AND TROPOSPHERE OVER THE TIBETAN PLATEAU AND ITS SURROUNDINGS IN 1998

n this paper,using NCEP dataset and the Wei's method,we calculate the exchange of massacross the thermal tropopause during 1998 over the Tibetan Plateau and its surroundings.Theresults indicate that:(1)There is strong air transport from troposphere to stratosphere in summerover the Tibetan Plateau and its surroundings.The air transport reaches the summit in midsummerwith three large value centers among which the Bay of Bengal is the largest and the other two largecenters lie in the east and northwest of the Tibetan Plateau,respectively.In May and October thecross-tropopause mass exchange reaches balance.In other months the mass transport is fromstratosphere to troposphere.(2)As far as the cross-tropopause mass exchange from June toSeptember in 1998 is concerned,the net mass transport is 13.7×10~(18) kg from troposphere tostratosphere,So the area from Tibetan Plateau to the Bay of Bengal is a channel through which airmass gets into stratosphere from troposphere.     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

A Study of the Characteristics of the Low-Frequency Circulation over the Tibetan Plateau and its Association with Precipitation in the Yangtze River Valley in 1998

The propagation characteristics of the atmospheric low frequency (LF, 30--60 days) oscillation (LFO) around the Tibetan Plateau from troposphere to stratosphere and its relationship with the floods over the mid-lower reaches of the Yangtze River in the summer of 1998 are studied, based on the GAME dataset from Meteorological Research Institute (MRI)/Japan Meteorological Agency, the TRMM satellite rainfall and the 730-station precipitation over China. The results show that the zonal propagation direction of LFOs in horizontal winds varies with seasons in the troposphere during May to August in 1998. The eastward propagation of LFOs is remarkable before the start of the rainy season in the Tibetan Plateau and the eastern Asian continent, while the westward propagation is significant after the start date. The northward LFOs from the south side of the plateau and the southward LFOs from the north are both significant before and after the start date. The plateau is a LFO sink in the meridional and zonal directions, but the west part of it is an intensifying area for the continual westward LFOs only after the start of the rainy season. Besides, the strongest LFOs occur at the tropopause (100 hPa) and rapidly decay after entering the stratosphere. The rainfall over the mid-low reaches of Yangtze River in the summer of 1998 exhibits two LFO cycles. According to the phases of the two rainfall LFO cycles, the composite analysesof precipitation distribution, LF circulations at 500 and 100 hPa,and LF vertical motion along 30°N are performed. It is the joint effect of the mid-upper tropospheric strong 30--60-day filtered cyclone (anticyclone) over the eastern plateau and the LFO anticyclone (cyclone) over the west subtropical Pacific that induces the whole layer LF descending (ascending) motion over the mid-lower reaches of Yangtze River, which provides the favorable condition for the break (maintenance) of precipitation.     

春季青藏高原西北侧一次平流层臭氧向对流层传输的模拟研究

利用NCEP/NCAR FNL客观分析资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料以及臭氧监测仪(OMI)的臭氧廓线资料,结合区域大气化学模式WRF-Chem对中国春季一次高空冷槽过境引起的对流层顶折卷过程(2012年3月19—21日)进行了分析,并从平流、湍流混合、对流输送等几个方面诊断分析了平流层臭氧向对流层的传输特征和细节。结果表明,发生于青藏高原西北侧的对流层顶折卷事件,其所在位置处于热带对流层顶向中纬度对流层顶的过渡区,由于陡峭的对流层顶南北梯度,在该区域发生的平流层-对流层物质交换(STE)比对流层顶东西方向折卷引起的物质交换要强烈和持久,跨越等熵面的物质交换和湍流混合对平流层-对流层物质交换有很大的贡献。大地形对平流层-对流层物质交换过程有显著的影响,且具有明显的日变化特征。早晚时段,大地形导致的爬坡上升气流显著,抑制了平流层空气与对流层空气的混合交换。午后,大地形热力作用增强,受背风坡局地环流的影响,靠近山顶处湍流混合作用对上对流层臭氧浓度升高的贡献显著增强,且地形越高,这种效应越显著。地形的湍流混合作用在2.5 km高度以上凸显,此高度之上地形平均高度每升高100 m,湍流混合的贡献增加约1%。