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。     

夏季云顶高于对流层顶事件对东亚天气型及上对流层-下平流层大气结构的影响

采用A-Train系列卫星的AURA/MLS水汽、温度资料,CALIPSO/CALIOP云物理资料,结合ECMWF气象再分析资料,分析了东亚地区云顶高于对流层顶事件(Cloud Top Above the Tropopause,CTAT)的区域分布,及其对上对流层-下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)水汽和温度结构的影响。结果表明:亚洲季风区的夏季CTAT发生率是30%~55%,为全球最强区域;东北亚的夏季CTAT发生率是15%~20%,为中纬度最强分布区。以CTAT为指标的合成结果表明:15~30°N的东亚-西太平洋UTLS,水汽呈"上干下湿"的异常分布,温度呈"上冷下暖"的异常分布,该结构与该区域热带气旋合成的结果一致,说明热带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统;35~50°N的东北亚UTLS,水汽呈"上干下湿"的异常分布,温度呈"上暖下冷"的异常分布,该结构与该区域温带气旋合成的结果一致,说明温带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统。     

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。     

2011年夏季西南极端干旱事件及其成因

利用近30 a中国地面气象台站1 767站的逐月降水资料、同期NOAA的扩展重建（Extended Reconstructed SST V3b）海表温度资料和NCEP/NCAR大气再分析资料,分析了2011年夏季（6—8月）东北太平洋海温异常对西南地区极端干旱事件的影响机理。结果表明：2011年夏季西南地区降水呈现极端偏少的特征,区域平均降水距平为-270 mm,小于负两倍标准差,降水负异常极小值区域主要位于滇黔桂三地交界处。2011年夏季西南地区降水极端负异常与东北太平洋海表温度异常偶极型（NorthEast Pacific SSTA Dipole,NEPD）分布存在联系。将热带东北太平洋[90°～120°W,5°～20°N]海温负/正异常、中纬度北太平洋[150°～170°W,37°～45°N]海温正/负异常定义为NEPD负/正位相。NEPD负位相事件引起了热带中东太平洋对流层低层东风异常,并通过中纬度纬向东传波列引起远东地区位势高度正异常,减弱了西太平洋副热带高压,不利于西南暖湿气流向中国西南地区输送;同时,西南地区对流层低层辐散、高层辐合,受异常下沉气流控制。上述条件共同作用造成了2011年西南地区夏季降水极端负异常。     

Calculation of stratosphere–troposphere exchange in East Asia cut-off lows:cases from the Lagrangian perspective

本文使用三维非绝热朗格朗日轨迹模式OFFLINE3,对春末夏初东亚地区的切断低压所主导的双向平流层-对流层交换(STE)进行定量计算。通过对10个东亚地区切断低压的识别、计算、分析,发现切断低压附近发生平流层向对流层质量通量(STT)与对流层向平流层质量通量(TST)量级相当,但是分布范围不同:STT出现在低压中心西南部,最大通量位置出现在低压中心东南,TST最大值出现在槽前,并且从低压中心向外STT与TST交替分布。从本文所取的切断低压个例而言,切断低压产生的STT质量通量量级为10-4 kg m-2 s-1,促成的STE的净输送方向为从平流层向对流层,量级为10-4 kg m-2 s-1,比全球平均STE质量通量大1–2个量级。     

夏季青藏高原地区水汽向平流层的等熵绝热和非绝热传输的气候学特征及其与落基山地区的对比

夏季亚洲季风区是对流层向平流层物质输送的主要通道,其对平流层水汽的变化有重要贡献。以往的研究表明亚洲季风区向平流层的水汽传输主要在青藏高原及周边地区。本文利用多年平均的逐日ERAi、MERRA再分析数据和微波临边观测仪（Microwave Limb Sounder,MLS）数据,首先对比分析夏季青藏高原周边上空水汽的分布特征,再利用再分析资料分析了对流层—平流层水汽传输的特征。结果表明:青藏高原周边特定的等熵面和对流层顶结构分布有利于水汽向平流层的绝热输送;在南亚高压的东北侧,从青藏高原到中太平洋地区,340~360 K层次存在最为显著的水汽向平流层的纬向等熵绝热输送通道,7~8月平均输送强度可达约7×103 kg s-1。此外,在伊朗高原及南亚高压的西部,350~360 K层次也存在一支水汽向平流层的经向等熵绝热输送通道,但强度相对较弱（约2.5×103 kg s-1）。在青藏高原南侧370~380 K层次存在强的水汽向平流层的非绝热输送,主要由深对流和大尺度上升运动引起,7~8月平均输送强度约0.4×103 kg s-1。落基山以东到大西洋西部,350~360 K层次存在水汽向平流层的纬向等熵绝热输送通道,但强度也弱得多（约2.5×103 kg s-1）。     

1979～2020年北极和青藏高原臭氧低值区的动力输送特征比较

基于ERA5月平均再分析资料,利用Lorenz环流分解方法从定常和瞬变以及基流和涡旋的角度对比了北极与青藏高原臭氧低值区的动力输送特征。结果表明：动力总输送在两地上平流层作用最强,均使其臭氧浓度降低,且定常输送均强于瞬变输送,纬向与经向输送的作用均大致相反。然而,动力输送在北极地区的作用强度远大于青藏高原地区。北极地区纬向输送使得平流层中上层臭氧浓度降低,平流层下层臭氧浓度升高,经向输送的作用与之相反且强度明显偏弱,二者均主要作用于上平流层。青藏高原地区纬向和经向输送除在上平流层均使得臭氧浓度降低外,二者作用大致相反且强度相当,输送大值区在垂直方向上存在双中心结构,分别位于上平流层与上对流层—下平流层（Upper Troposphere–Lower Stratosphere,简称UTLS）区。两地区纬向和经向输送的差异均主要由定常涡旋输送所造成。青藏高原地区定常与瞬变输送的强度差异没有北极地区大。此外,两地定常和瞬变输送中涡旋对臭氧纬向平均的输送均起到主要作用,体现出涡旋输送在两地臭氧浓度变化的动力输送过程中发挥着至关重要的作用。     

亚洲地区夏季风期间氨气的时空分布特征

利用ENVISAT卫星搭载的迈克尔逊干涉仪和Aqua卫星搭载的AIRS探测仪观测到的大气NH₃浓度数据以及全球大气化学—气候模式EMAC模拟的NH₃浓度结果，分析了2008～2011年6～9月亚洲地区大气NH₃的空间分布特征。结果显示，夏季时近地面NH₃浓度最高值出现在印度北部，同时紧邻印度北部的孟加拉湾存在深对流，凭借青藏高原的高海拔地势，此深对流可以将寿命较短的NH₃输送到上对流层和下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)，所以在青藏高原上空出现了NH₃的向上输送柱，即青藏高原是NH₃向上输送的主要通道。亚洲夏季风反气旋的位置主导着NH₃在UTLS区域的空间分布，反气旋内持续存在NH₃高浓度中心，NH₃高浓度中心位置与反气旋中心位置对应良好，会出现一个或两个NH₃高浓度中心，说明反气...     

副热带东亚季风区一次穿透性对流过程影响下平流层成分变化的个例分析

穿透性对流是导致北半球夏季平流层低层南亚高压内水汽极值形成的重要机制之一,关于副热带东亚季风区穿透性对流是否对平流层低层水汽等物质分布存在影响目前尚不清楚。本文选取2016年的武汉暴雨事件,采用Cloudsat和Aura Microwave Limb Sounder（MLS）卫星数据,分析了东亚季风区的穿透性对流活动对上对流层/下平流层物质分布的影响。利用CloudSat卫星资料云分类产品和Aura MLS卫星数据联合分析武汉暴雨过程中捕捉到1次穿透性对流事件,该事件发生于2016年7月4日05时（协调世界时）的穿透性对流,中心位于海上梅雨带区域。分析表明,这次对流穿透事件对上对流层/下平流层物质分布有显著影响,穿透性对流活动影响到对流层顶以上的物质分布,具体表现是:首先,穿透性对流显著减少了局地对流层顶附近的臭氧含量,较之气候态对流层顶臭氧含量偏少32.53%;其次,穿透性对流能够增加局地对流层顶附近的水汽混合比含量,它通过更多的云冰粒子蒸发来增强局地平流层水汽含量,同时通过更强的垂直水汽输送来直接加湿平流层。此次穿透性对流事件对水汽变化影响较之对臭氧含量变化的影响更为显著,它使得对流层顶水汽混合比增加近乎一倍（98.15%）。因此,副热带东亚季风区的穿透性对流活动对于对流层向平流层的物质输送起着重要的作用。     

青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶质量通量的时空演变特征

利用1958~2001年ECMWF资料, 根据Wei公式估算了青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶的质量通量 (CTF), 分析了CTF的时空分布特征。分析结果表明: (1) CTF分布呈现纬向型, 在副热带西风急流北侧即对流层顶断裂带中存在东西向的TST (对流层向平流层输送)[CD*2]STT (平流层向对流层输送)[CD*2]TST的波列结构 (水平输送项决定), 而南侧分布决定于垂直输送项。 (2) 在80°E~105°E范围内, 冬春季节, 青藏高原南部及其以南区域为TST, 北部为STT; 夏秋季节, 整个区域几乎由TST所控制。西风急流南侧的CTF主要决定于垂直项, 而北侧主要决定于水平项, 再往北, 垂直项与水平项贡献相当。 (3) 青藏高原与孟加拉湾区域平均CTF在所有季节均为TST, 即有从对流层到平流层净的向上输送, 2月强度最大, 7月为另一个极大值; 两个极大值有不同的产生机制, 后者决定于垂直项, 而前者由水平项决定。 (4) 青藏高原 (及孟加拉湾) 区域年平均CTF在1958~2001年之间的变化趋势在1982年左右出现一个转折: 1982年之前, CTF为递减过程; 而之后CTF为相对较强的增长。上述结果表明: 尽管冬季高原上空为下沉气流, 但高原上空的水平输送项有很强的向上贡献, 这与丛春华等 (2003) 得出的STT不一致。但需要指出的是, 根据Wei公式计算的CTF, 〖JP2〗尤其在急流附近, 对资料中存在的误差十分敏感 (Gettleman等, 2000), 因此青藏高原主体上空在冬季是STT还是TST, 有待于进一步的分析研究。     

2000年北半球平流层、对流层质量交换的季节变化

用2000年NCEP资料,P坐标下Wei公式诊断北半球平流层、对流层交换的季节变化.主要结论:(1)热带西太平洋是物质由对流层向平流层输送的主要通道,并有明显的季节性东西移动.由于2000年赤道辐合带偏弱,因此秋季通量最大.(2)中高纬度地区同时存在向上、向下的通量,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送.一年中冬春季向下的输送强,夏秋季较弱,其季节变化与大尺度环流的季节性变化一致.(3)东亚地区存在很强的平流层向下输送,且中心位置移动不大.只占北半球5.6%面积的东亚其年净交换量竟占北半球的29%,这说明东亚地区的平流层与对流层之间的质量交换对北半球平流层、对流层交换研究的重要性.     

东亚对流层上部和平流层中下部大气环流的初步研究

根据1957—1961平东亚九十余个探空站的记录,对东亚对流层中上部和平流层中下部的大气环流特点作了初步的分析,得到如下几点结果: 1.在冬季,对流层中上部的气压场和风场特点和过去研究的结论基本一致。在夏季,高原部分的环流特征却和过去的结论不同,夏季在高原上对流层中部出现微弱的气旋性环流,但在300毫巴已在反气旋的控制之下,而且反气旋的势力愈往上去愈强,在100毫巴处高原上空的反气旋达到最大强度,这是与青藏高原的热力性质有关系的。此外,从1月到7月东亚对流层上部的气压场和风场变化甚大,在中高纬度气压场有相反的趋势,并且副热带高压脊线从冬季的北纬15°位置移到夏季的北纬28°。 2.在东亚沿海,中纬度的几个测站在平流层中部的温度年变程呈双峰型,最高温度出现在1月和6—7月。在低纬度温度的年变程也呈双峰,但位相与中纬度相反。低纬温度年变化特点与辐射有关;中纬度的温度年变化,经过计算表明,1月的高峰与温度平流有密切关系。 3.东亚对流层中上部和平流层中下部风场的季节变化,与对流层中下部一样显著。从夏到冬的环流季节变化过程,高低空有一致性,而从冬到夏的环流季节变化过程,高低空变化并不一致。     

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.     

一次对流层异常臭氧次峰的观测研究及其动力输送过程的分析

文中分析了 1996年 8月 1日发生在西宁 (36 .4 3°N ,10 1.4 5°E ,海拔 :2 2 96m)地区对流层异常臭氧次峰现象。观测资料揭示了高空低压槽东移是臭氧次峰的主要天气特征。三维后向轨迹计算表明 ,尽管代表臭氧次峰的气团可以追溯到中亚地区 ,但是明显的气团向下输送则发生在新疆、青海间的高空低压槽内。中尺度模拟进一步确认了对流层顶折叠和平流层向下输送是臭氧次峰出现的动力机制。臭氧次峰在对流层高度位置与准无辐散层有关     

基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构

本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006~2010年6~8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明:(1)夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5~10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。(2)研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°~30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。(3)研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。     

On the Temporal and Spatial Structure of Troposphere-to- Stratosphere Transport in the Lowermost Stratosphere over the Asian Monsoon Region during Boreal Summer

This study produced a novel characterization of the troposphere-to-stratosphere transport(TST) over the Asian monsoon region during boreal summer,using a comprehensive analysis of 60-day backward trajectories initialized in the stratosphere.The trajectory datasets were derived from the high-resolution Lagrangian particle dispersion model(FLEXPART) simulation driven by the wind fields acquired from the National Center for Environmental Prediction(NCEP).The results indicate that the distribution of residence time(tTST) of tropopause-crossing trajectories in the lowermost stratosphere represents a horizontal signature of the Asian summer monsoon.Vertically,the distribution of tTST can be roughly separated into two layers:a consistent lower layer with tTST <5 days forming a narrow band,corresponding to a layer～3 km thick following the location of the tropopause,and an upper layer at a larger distance from the local tropopause.The maximum residence time was～20 days,especially within the Asian high anticyclone consistent with its confinement effects.In general,the overall geographical distribution of dehydration points was not coincident with the location of tropopause crossing.TST trajectories,which were initialized in the stratosphere,underwent their Lagrangian cold points mostly in the tropics and subtropics 1-4 days after the TST event;they were characterized by a wide range of temperature differences,with a mean value of 3-12 K.The vertical extent of the influence of tropospheric intrusion on the Asian monsoon region in the stratosphere exhibited a peak at～16.5-18.5 km,and the uppermost height was～21 km.     

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。