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。     

亚洲夏季风是低层污染物进入平流层的重要途径

夏季亚洲季风区是对流层低层水汽和污染物进入全球平流层的一个重要通道, 自然或人为污染物通过该通道进入平流层后对臭氧层的破坏以及全球气候环境的影响, 成为目前国际科学界关注的热点问题。早先观点认为: 夏季青藏高原是对流层低空物质向平流层输送的一个重要渠道。然而, 越来越多的观测表明: 包括青藏高原在内的整个亚洲夏季风通过强对流的快速输送以及大尺度输送过程可以把低层大气物质输送到全球平流层。在地面物质进入平流层的过程中有两个关键过程, 一是垂直快速输送的对流活动, 这对于短寿命化学成分非常重要, 二是缓慢的大尺度反气旋输送和限制作用。但是, 目前对于亚洲季风区不同源区的贡献还有很大的争议。     

上对流层/下平流层水物质分布与输送特征

基于Aura卫星微波临边探测仪（MLS）探测的水汽、冰水含量和温度等资料,对比分析了夏季亚洲季风区与北美季风区、暖池区以及伊朗高原上对流层/下平流层水汽、冰水含量以及水物质总含量（水汽和冰水含量之和）的分布特征,并探讨了不同区域水汽的输送过程。结果表明：在215-83 hPa高度上水物质总含量在亚洲季风区均出现了高值中心,且亚洲季风区水物质总含量明显大于北美季风区;在215 hPa高度水汽对水物质总含量起主要的贡献,而到了147-83 hPa高度,冰水含量与水汽对水物质总含量的贡献大致相当,亚洲季风区上对流层/下平流层水汽的高值中心揭示了反气旋对水汽的隔离作用。水汽混合比在147 hPa和100 hPa高度不同的概率密度分布反映出不同高度影响水汽输送的不同因素。北半球冬季暖池区100 hPa上空温度极低,水汽混合比峰值概率仅为2 ppmv;而在147 hPa高度上,亚洲季风区频繁的深对流使得大量水汽被输送到对流层上层,这是亚洲季风区水汽概率“长尾”分布的主要原因。在100 hPa和147 hPa高度,冰水含量主要集中在小值,可能是由冰晶粒子消耗水汽而增长到一定尺度后沉降造成的。     

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）。     

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。     

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。     

夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布的观测研究

对流层臭氧垂直分布变化对气候环境有重要的影响,然而观测数据一直较为稀缺。利用2016年7月下旬—8月青海省格尔木市对流层臭氧探空观测资料开展夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布变化特征及其形成机制的大气背景研究。结果表明,在大气背景的转换下对流层臭氧垂直分布整体上呈现高（低）臭氧与低（高）水汽和高（低）位势涡度的对应。除7月25—27日高空低压槽过境导致的平流层向下输送使对流层臭氧浓度升高明显外,阻塞暖高压反气旋和源自青藏高原主体地区的强对流天气过境也对对流层臭氧分布有影响:阻塞暖高压在观测点东北部形成后导致7月31日至8月8日格尔木对流层连续出现罕见东风,但对流层臭氧浓度仅在8月2日因东北—西南方向反气旋切变而出现较高值,其中6 km高度以下则因为东风输送而出现高臭氧、高比湿的污染性气团;强对流天气过境影响使得8月12—14日10 km高度以上出现臭氧最低值和比湿最高值。与西宁历史夏季（1996年7—8月初）臭氧探空测值比较,格尔木对流层臭氧浓度8月偏低,该特征与季风影响青藏高原纬度最高地区所在月份一致。与林芝（2014年7月）、那曲（2011年7月末—8月中旬）和拉萨（1998年8月）历史夏季臭氧探空测值比较发现,纬度效应对青藏高原地区对流层臭氧浓度有影响。      

江淮梅雨期平流层—对流层物质交换过程的个例分析

利用MERRA再分析资料,选取2007年江淮梅雨作为研究个例,通过对上对流层、下平流层(UTLS)区域3种化学示踪物(臭氧、一氧化碳和水汽)及位涡的水平与垂直分布变化的分析,探讨梅雨发生前后梅雨区上空的平流层—对流层物质交换(STE)特征。研究表明,梅雨期存在由对流层顶折卷造成的跨越对流层顶向下的物质传输和对流活动引起的物质向上传输。入梅前,主要是由对流层顶折卷造成的物质向下传输(至少能达到300 h Pa),这一过程导致对流层中上层存在高浓度臭氧及一个干层;随后,伴随梅雨的发生,对流活动频繁出现,对流层顶开始抬升,在入梅第二天已经恢复到对流层顶折卷过程发生之前的高度,对流层内的高浓度臭氧和干层也随对流层顶折卷的东移而移出梅雨区。还通过分析梅雨区臭氧和整个亚洲夏季风区臭氧的相对变化量发现,整个梅雨期的STE为物质的向下传输,在UTLS区,梅雨区对亚洲夏季风区的STE贡献为跨越对流层顶向下传输。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟北大核心CSCD

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

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。     

深对流云向平流层的水汽垂直输送问题研究进展

水汽是一种比CO₂温室效应更强的温室气体,在平流层中为光化学反应提供氢氧自由基,凝结成冰晶后还能为臭氧的消耗提供非均相化学反应界面,从而加速臭氧的消耗,因而对气候有重要影响.深对流云对水汽的垂直输送是平流层水汽的重要来源之一,因此研究深对流云向平流层的水汽输送可以为研究气候变化提供参考.回顾了近年来关于深对流云向平流层的水汽垂直输送问题的研究进展,包括水汽垂直输送到平流层的证据、穿透性深对流云的识别方法、水汽被深对流云垂直输送到平流层的机理以及穿透性深对流云对平流层湿度作用的影响因子4个方面,并进行了小结和展望.     

亚洲夏季风爆发的深对流特征

文中应用ＮＯＡＡ卫星反演的１９８０～１９９５年候平均对流层上部水汽亮温（ＢＴ）资料、向外长波辐 射（ＯＬＲ）资料和美国ＮＭＣ全球分析８５０　ｈＰａ风资料与美国ＣＭＡＰ降水资料作了对比分析，发现Ｂ Ｔ能够较好地反映中低纬度地区的深对流降水，偏南风场辐合区与深对流降水有比较一致的 关系，而ＯＬＲ不能反映热带外地区的对流降水。ＢＴ资料所具有的这一特征可以应用于亚洲夏 季风爆发过程的深对流特征分析。ＢＴ描述深对流的临界值是２４４　Ｋ。亚洲季风区是全球深对 流季节变化范围和强度最大的地区。赤道外地区的夏季风爆发可以定义为来自热带地区深对 流的季节扩张。中南半岛上的夏季风对流发生在南海夏季风爆发之前。华南前汛期深对流是 中低纬系统相互作用的结果。第２８候，南海夏季风的突然爆发在降水、风场和卫星反演 的深对流特征上都有明确的反映。南海夏季风爆发后，印度夏季风对流由南向北逐渐爆发， 青藏高原东侧和中国东部沿海的夏季风对流向北推进早于中国中部地区。     

热带对流层顶温度异常与低平流层水汽异常“不匹配”个例的分析

利用UARS卫星卤素掩星试验(HALOE)的观测资料结合同时期的ERA-Interim再分析资料分析了1994—2005年热带对流层顶温度异常与低平流层水汽异常的关系。结果表明,1994—2005年期间大部分年份都是热带对流层顶温度异常偏高(偏低)对应平流层水汽异常增加(减小)的温度-水汽的"匹配"现象,但是在1996年则出现了温度-水汽的"不匹配"现象。对比同年中所出现的"不匹配"月份与"匹配"月份,"不匹配"月份的对流活动发生频率低于"匹配"月份,对流活动月平均强度弱于后者,但"不匹配"月份的对流活动瞬时强度较大,在四个时段内发生了强而深厚的深对流活动,地面气旋活动与海温升高则是造成这四个时段发生强深对流活动的主要因素。在较强上升气流的作用下,水汽能够从对流层低层直接传输至低平流层,使平流层水汽增加。另一方面,较强的深对流活动抬升对流层顶,使对流层顶温度降低。因而,短时强烈的深对流活动是造成1996年温度-水汽"不匹配"的关键因素。此外,"不匹配"月份期间BD环流的异常增强使得低平流层的水汽更进一步增加,加剧了温度-水汽的"不匹配"现象。     

青藏高原臭氧谷的分布及其与太阳辐射的关系

使用2005—2015年夏季Aura卫星微波临边探测器(MLS)逐日臭氧观测资料,讨论了夏季青藏高原臭氧低值区的三维分布。研究发现,青藏高原臭氧不仅在对流层顶附近存在着臭氧低值区,而且在平流层上层(20~1 hPa)也存在显著的低值区。高原区上空50%以上的臭氧存在于21.5~1.2 hPa的范围内,因此平流层上层高原臭氧低值对高原臭氧谷来说也很重要。使用合成分析法对MLS夏季北半球昼夜臭氧进行研究,结果表明该低值区仅存在于白天。根据高原区平流层上层臭氧模拟数据的集合经验模态分解,得到IMF4的平均频率为0.09,平均周期为11.1年,正好对应太阳活动最强的周期。说明太阳辐射是影响高原平流层上层臭氧低值中心的一个因素。     

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明:高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。     

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。     

夏季南亚高压与邻近上对流层下平流层区水汽变化的联系

利用1979-2015年ERA-interim月平均再分析资料,分析了夏季南亚高压（SAH）与邻近上对流层下平流层（UTLS）区水汽空间分布特征,讨论了二者的相关关系和因果联系。结果表明:（1）在对流层上层,水汽大值区位于南亚高压的东南侧,并随高度升高向西北倾斜到100 hPa,水汽大值中心基本位于南亚高压中心附近。（2）南亚高压偏强（弱）时,南亚高压东部UTLS区水汽显著偏多（少）,而南亚高压西北部水汽异常不显著。（3）南亚高压偏强（弱）时南亚高压中部UTLS区水汽偏多（少）可能与南亚高压对水汽的抽吸和对水汽输送屏障有关。（4）而南亚高压东南侧UTLS区水汽偏多（少）时南亚高压偏强（弱）可能与深对流输送的水汽潜热释放有关。      

2013年6月江西一次持续性暴雨过程分析

利用常规观测资料、卫星云图和地面加密观测资料以及NCEP再分析资料等,对2013年6月26—29日江西持续暴雨过程进行天气动力学诊断分析和中尺度分析。结果表明：（1）此次持续暴雨过程是西太平洋副热带高压、季风涌、冷空气以及青藏高原东传的短波槽共同作用的结果;（2）对流层低层水汽辐合加强,以及低层辐合和高层辐散使垂直运动厚度和强度增大,有利暴雨强度增强;（3）冷暖交汇区上升支气流与其北侧的下沉气流同时加强,也有利于暴雨增强;（4）对流层低层西南急流的日变化与强降水在后半夜至凌晨开始加强关系密切;（5）该过程伴随着一系列γ或β中尺度对流系统发生、发展、合并,导致了赣北地区持续暴雨或大暴雨;（6）中尺度强雨团有向地面辐合线区域和对流性不稳定大值区移动发展的趋向。     

平流层-对流层相互作用研究进展：等熵位涡理论的应用及青藏高原影响

系统介绍了近年来应用等熵位涡理论研究平流层-对流层动力相互作用所发现的一些新的事实和机理,包括平流层冬季极涡振荡过程中平流层、对流层环流异常的时空传播特征,以及等熵质量理论框架下的平流层-对流层动力耦合机理,还介绍了影响平流层环流年际尺度异常的因子及影响过程。回顾了夏季青藏高原的热力作用所激发的负位涡强迫源对东亚及全球大气环流的影响。并基于对夏季高原周边等熵位涡经向输送垂直分布的诊断进一步说明,夏季青藏高原的存在使高原东缘及东亚地区成为平流层和对流层物质交换的独特区域,探讨了夏季青藏高原影响平流层-对流层动力耦合的一种重要途径及其影响全球气候的重要意义。