东亚地区一次切断低压引起的平流层、对流层交换数值模拟研究

用中尺度模式(MM5)模拟研究东亚地区(网格中心45°N,120°E)一次强切断低压过程(2000年4月8日～12日)引起的平流层、对流层交换.用Wei公式计算此次过程由平流层到对流层的净交换量为5.0×1014 kg,平均交换通量为-0.72×10-3 kg m-2 s-1.地面锋与高空锋的相互作用,在急流入口处和高空锋区出现对流层顶折叠,并引起平流层、对流层物质交换,其中空气的水平运动起主要作用.利用历史天气图统计东亚地区(20～70°N,80～180°E)切断低压的年平均个数为60,占北半球极区类型切断低压的52%.由此,推断东亚地区的平流层、对流层交换对整个北半球的平流层、对流层交换贡献很大.     

全球穿越对流层顶质量通量的时空变化特征

利用1958—2001年44年的ECMWF再分析值资料,采用Euler算法的Wei诊断模型,计算估计了全球平流层与对流层之间穿越对流层顶的质量通量(cross-tropopause flux,即CTF),并对其时空变化特征进行了分析。结果表明:(1)全球CTF的空间分布呈纬向型,且基本与全球经向环流相配合,其中对流层顶断裂带中向下的通量形势较复杂,南半球通量交换的空间变化较均匀,北半球有多峰结构的空间变化,东亚在全球的CTF中有重要作用。(2)南北半球热带对流层顶纬向平均向上的净通量极值分别在5°S为0.873×10-4kg.m-2.s-1和10°N为0.155×10-3kg.m-2.s-1;极地对流层顶向上和向下的通量极值对应在62.5°S为0.510×10-3kg.m-2.s-1,75°S是-0.365×10-3kg.m-2.s-1,55°N为0.257×10-3kg.m-2.s-1,75°N是-0.234×10-3kg.m-2.s-1,两极向上的通量极值在87.5°S为0.355×10-3kg.m-2.s-1,90°N为0.300×10-3kg.m-2.s-1;对流层顶断裂带中向下的净通量极值在35°S是-0.416×10-3kg.m-2.s-1,35°N为-0.333×10-3kg.m-2.s-1。(3)全球的净通量变化出现非对称性的季节波动,南半球和北半球净通量的季节与年际变化趋势完全相反,全球极地对流层顶控制区域的半球年平均质量交换量为-3.55×108Tg.a-1。(4)全球平均的CTF有显著的QBO特征,南北半球的年代际变化明显,特别是20世纪70年代中期至80年代中期出现了质量通量振幅的异常突变现象。     

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。     

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。     

华南地区春季平流层入侵对对流层低层臭氧影响的模拟研究

利用中尺度大气化学模式WRF/Chem对2013年3月6日华南地区一次平流层入侵事件及其对对流层低层臭氧的影响进行模拟研究。通过加入UBC（Upper Boundary Condition）上边界处理方案,弥补WRF/Chem模式未考虑平流层臭氧化学反应的不足。结合臭氧探空廓线资料、地面O₃、CO、NO_x、相对湿度、温度和风速等观测资料以及再分析资料对模拟结果进行定量评估,结果表明模式能较为真实地模拟本次平流层入侵过程。模拟分析进一步揭示:（1）副热带高空急流是本次平流层入侵的主要原因。当华南地区处在副热带急流入口区左侧下沉区域时,平流层入侵将富含臭氧的干燥空气输送到对流层中低层。（2）本次平流层入侵对对流层低层臭氧收支有重要影响,导致香港地区近地层臭氧体积混合比浓度明显上升,如塔门站夜间臭氧浓度升高21.3 ppb（1 ppb=1×10-9）。地面气象场和化学物种的分析进一步确认了平流层入侵的贡献。（3）采用动力学对流层顶高度时零维箱式模型和Wei公式计算得到的平流层入侵通量相当,分别为-1.42×10-3 kg m-2 s-1和-1.59×10-3 kg m-2 s-1,这一结果与前人研究相吻合,且与采用热力学对流层顶高度计算所得到的结果具有可比性。     

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.     

敦煌戈壁地表风蚀起沙量的计算

利用三种不同的计算方案,根据敦煌地区的观测资料,计算了2002年4月8日沙尘天气过程中戈壁地表的风蚀起沙量(垂直尘粒通量)。结果表明:三种方法的计算结果比较接近;在风蚀起沙较严重的时段内,顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量平均值的量级分别为10-4kg·m-1·s-1和10-8kg·m-2·s-1。通过计算结果和观测结果的比较,在地面风蚀起沙物理机制的基础上,讨论了三种计算方案各自的优缺点。     

不同类型和强度的东亚切断低压过程中UTLS区域臭氧变化对比分析

利用ERA-Interim高分辨率臭氧资料和NCEP再分析资料,对比分析了不同类型(浅薄型和深厚型)、不同强度(针对深厚型)的东亚切断低压过程中伴随平流层空气入侵引起的上对流层-下平流层UTLS(Upper Troposphere-Low er Stratosphere)区域臭氧变化情况,结果表明:(1)深厚型和浅薄型切断低压过程中均出现了平流层臭氧入侵现象。在300 h Pa上,存在浅薄型切断低压引起的臭氧增量与深厚型切断低压相当的情况。在垂直分布上,深厚型个例臭氧浓度升高范围集中在对流层中上层至平流层下层区域,而浅薄个例中的臭氧浓度上升只集中发生在对流层中上层。(2)切断低压引起的UTLS区域臭氧浓度高值分布范围及臭氧含量大小与系统本身强度存在一定的联系。强度较强的深厚型切断低压过程中动力学对流层顶下降深度和入侵的臭氧浓度均远大于强度较弱的深厚型切断低压。(3)在选取11年臭氧平均值和11年当月臭氧平均值分别作为距平基准进行对比分析时发现,不同类型和强度的切断低压对比结果不受不同臭氧基准态选取的影响。     

东亚地区平流层、对流层交换对臭氧分布影响的模拟研究

首先将区域酸沉降模式(RADM)进行改造,加入平流层化学模块以替代对流层模块.然后用MM5单向耦合改造后的化学模式M-RADM,对东亚地区一次切断低压(2000年4月8～12日)引起的对流层顶折叠对上对流层、下平流层臭氧分布形式的影响进行模拟.结果显示:(1)随着高空槽的发展与切断,高空槽的底部及切断低压四周臭氧有显著增加.对流层顶折叠使高空臭氧向下输送,这种向下的输送可以到达对流层中部,对上对流层的臭氧影响最大.(2)模式可以成功地模拟出在北京地区探测到的臭氧垂直廓线的双峰结构.250 hPa处的臭氧分压比背景值增加近5倍.模拟表明改造后的区域化学模式M-RADM可以用于研究天气过程引起的对流层顶附近臭氧的演变情况.(3)上对流层臭氧分布形势的变化主要是由动力过程中的水平平流作用引起的,但是对流层顶附近臭氧的化学过程是不可忽略的.     

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）。