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。     

超级单体向平流层输送水汽机制的数值模拟

为了揭示深对流云直接向平流层输送水汽的物理机制,利用WRF中尺度模式的理想个例运行方式对CCOPE(Cooperative Convective Precipitation Experiment)试验期间的一次超级单体进行了数值模拟。选用Thompson云微物理过程方案设置一系列初始云滴数浓度(N_c)进行模拟试验后发现,N_c=175 cm~(-3)情形下模拟云的最大垂直风速与实测结果最为接近,并且模拟出了超级单体。因此,本文利用该模拟结果分析了超级单体向平流层输送水汽的机制。1 min一次的输出结果表明:冻干脱水机制与本次所模拟出的平流层加湿没有直接的关系,超级单体向平流层输送水汽的主要机制可能为湍流输送机制,而升华加湿机制的作用很小。这是由于超级单体云上部的冰晶大部分被消耗而形成雪,因此被输送到平流层的主要是雪这种落速较大粒子,这种粒子不易被向上输送但又容易降落,因此升华所形成的水汽量相比湍流输送的水汽量小很多。湍流造成的水汽输送通量密度的量级约为10~(-9)kg·m~2·s~(-1)。     

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。     

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。     

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）。     

深对流云输送对于对流层O3、NOx在分析的作用

利用一个冰雹云模式与云化学输送模块耦合而成的三维对流云化学／输送模式, 研究对流云对重要的大气污染物臭氧 （Ｏ３）、氮氧化物 （ＮＯｘ, 包括ＮＯ 和ＮＯ２） 的输送作用。模式较好地体现了一个单体积云的发展过程及其特征。云化学／输送模式的结果表明, 云内强烈的垂直输送能在３０ ｍ ｉｎ 左右, 把低层低体积分数的Ｏ３和高体积分数的ＮＯ２快速、有效地输送到对流层的上部, 造成化学物种的再分布。而在云顶附近, 由于对流穿透了对流层的顶部,造成了上层高体积分数Ｏ３的向下侵入,说明云的对流活动除了能把边界层内的污染物向上输送, 其夹卷作用还可以造成平流层和对流层化学物质的交换。     

未来甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧的影响

利用一个耦合的大气化学-气候模式(WACCM3)研究了地表甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧变化的影响.结果表明,如果地表甲烷的排放量在2000年的基础上增加50%(达到政府间气候变化专门委员会A1B排放情景中2050年的值),平流层水汽体积分数将平均增加约0.8×10^-6.南半球平流层甲烷转化为水汽的效率比北半球高.在北半球平流层中,1mol甲烷分子可以转化为约1.63mol的水汽分子,而在南半球1mol甲烷分子大概可以转化为约1.82mol的水汽分子.甲烷排放增加50%将使全球中低纬度地区以及北半球高纬度地区的臭氧柱总量增加1%-3%,使南半球高纬度地区臭氧柱总量增加近8%,而秋季(南半球春季)南极地区臭氧柱总量增加幅度可高达20%,南极臭氧的这种显着增加主要是由于甲烷增加造成的化学反馈所致.在北半球中高纬度地区,甲烷增加引起的臭氧变化主要与甲烷氧化导致的水汽增加有关.研究还表明,未来甲烷排放增加对臭氧的恢复作用其实与溴化物排放的减少一样重要.     

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。     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

青藏高原东北侧臭氧垂直分布与平流层-对流层物质交换

利用臭氧和温度探空廓线,结合NCEP/NCAR资料、TOMS臭氧总量卫星观测资料和NOAAHYSPLIT后向轨迹模式资料,通过个例分析探讨了影响青藏高原(下称高原)附近臭氧垂直分布的因子和过程。结果表明,动力过程是影响高原上空臭氧垂直分布的主要因子,特别是中高纬度高臭氧浓度的空气向南入侵会导致高原上空臭氧浓度的升高,影响高原上空臭氧低谷的范围大小和形态;尽管大气化学过程对高原上空的平流层下层臭氧垂直分布的影响并不显著,但是高原上空的平流层臭氧变化与温度变化具有较好的一致性。同时还发现,对流层上层的强反气旋系统,特别是中高纬度阻塞高压的边缘有明显的平流层空气向对流层入侵,从而导致对流层内臭氧浓度的增加。     

Further evidences of deep convective vertical transport of water vapor through the tropopause

A few years ago, we identified a deep convective transport mechanism, of water vapor through the tropopause, namely, storm top gravity wave breaking, such that tropospheric water substance can be injected into the lower stratosphere via this pathway. The main evidence presented previously was taken from the lower resolution AVHRR images of the storm anvil top cirrus plumes obtained by polar orbiting satellites. Recent observations have provided further supporting evidence for this important cross-tropopause transport mechanism. There are now many higher resolution satellite images, mainly from MODIS instrument, that show more definitely the existence of these plumes, many of which would probably be unseen by lower resolution images.Furthermore, a thunderstorm movie taken in Denver (USA) area during STEPS2000 field campaign and another thunderstorm movie taken by a building top webcam in Zurich also demonstrate that the jumping cirrus phenomenon, first identified by T. Fujita in 1980s, may be quite common in active thunderstorm cells, quite contrary to previous belief that it is rare. We have used a cloud model to demonstrate that the jumping cirrus is exactly the gravity wave breaking phenomenon that transports water vapor through the tropopause.These additional evidences provide increasing support that deep convection contributes substantially to the troposphere-to-stratosphere transport of water substance. This corroborates well with recent studies of the stratospheric HDO/H₂O ratio which is much highly than it would be if the transport is via slow ascent. The only explanation that can be used to interpret this observation at present is that water substance is transported through the tropopause via rapid vertical motion, i.e., deep convection.     

A CASE STUDY OF THE UNCORRELATED RELATIONSHIP BETWEEN TROPICAL TROPOPAUSE TEMPERATURE ANOMALIES AND STRATOSPHERIC WATER VAPOR ANOMALIES

Using the measurements from the Halogen Occultation Experiment(HALOE) and the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) Interim reanalysis data for the period 1994-2005, we analyzed the relationship between tropical tropopause temperature anomalies and stratospheric water vapor anomalies. It is found that tropical tropopause temperature is correlated with stratospheric water vapor, i.e., an anomalously high(low) tropical tropopause temperature corresponds to anomalously high(low) stratospheric water vapor during the period 1994-2005,except for 1996. The occurrence frequency and strength of deep convective activity during the‘mismatched'months is less and weaker than that during the‘matched'months in 1996. However, the instantaneous intensity of four short periods of deep convective activity, caused by strong surface cyclones and high sea surface temperatures, are greater during the ‘mismatched'months than during the ‘matched'months. Water vapor is transported from the lower troposphere to the lower stratosphere through a strong tropical upwelling, leading to an increase in stratospheric water vapor. On the other hand, deep convective activity can lift the tropopause and cool its temperature. In short, the key factor responsible for the poor correlation between tropical tropopause temperature and stratospheric water vapor in1996 is the instantaneous strong deep convective activity. In addition, an anomalously strong Brewer-Dobson circulation brings more water vapor into the stratosphere during the‘mismatched'months in 1996, and this exacerbates the poor correlation between tropical tropopause temperature and stratospheric water vapor.     

Lower Stratospheric Water Vapor Variations Diagnosed from Satellite Observations,Reanalysis Data,and a Chemistry–Climate Model

Stratospheric water vapor variations, which may play an important role in surface climate, have drawn extensive studies. Here, the variation in stratospheric water vapor is investigated by using data from observations of the Microwave Limb Sounder(MLS) on the Aura satellite, from the ECMWF Interim Reanalysis(ERAI), and simulations by the Whole Atmosphere Community Climate Model(WACCM). We find that the differences of annual mean stratospheric water vapor among these datasets may be partly caused by the differences in vertical transports. Using budget analysis, we find that the upward transport of water vapor at 100 h Pa is mainly located over the Pacific warm pool region and South America in the equatorial tropics in boreal winter and over the southeast of the South Asian high and south of North America in boreal summer. It is found that temperature averaged over regions with upward transport is a better indicator of interannual variability of tropical mean stratospheric water vapor than the tropical mean temperature. It seems that the distributions of the seasonal cycle amplitude of lower stratospheric water vapor in the tropics can also be impacted by the vertical transport. The radiative effects of the interannual changes in water vapor in the lowermost stratosphere are underestimated by approximately 29% in both ERAI and WACCM compared to MLS, although the interannual variations of water vapor in the lowermost stratosphere are dramatically overestimated in ERAI and WACCM. The results here indicate that the radiative effect of long-term changes in water vapor in the lowermost stratosphere may be underestimated in both ERAI and WACCM simulations.     

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。      

青藏高原一次强对流过程对水汽垂直输送的数值模拟

本文采用中尺度天气研究预测模式(WRF)模拟了青藏高原那曲地区的一次强对流过程,分析了强对流对水汽的垂直输送量及对模式不同云微物理参数化方案的敏感性.通过与实测资料的比较,发现此次模拟在对流发生时间、地点、降水时间等方面均与实际接近.敏感性试验表明:当对流发生时,对流区域向上的水汽通量随海拔高度呈先增大后减小的趋势,该...     

青藏高原及周边UTLS水汽时空特征的多源资料对比

利用Aura卫星微波临边观测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)数据,评估了ERA-I、MERRA、JRA-55、CFSR和NCEP2等5套再分析资料的水汽数据在青藏高原及周边上对流层-下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)的质量,然后选取其中质量较好的两套水汽数据,分析它们对青藏高原及周边UTLS水汽的时空分布和演变的表征能力。结果表明,与MLS数据相比,5套再分析资料中在UTLS普遍偏湿,最大偏湿在上对流层215 hPa,约为165%,而在下平流层,ERA-I和MERRA与MLS的差异相对较小。总的来看,ERA-I和MERRA表征的水汽与MLS更为接近。进一步的对比表明,ERA-I和MERRA中青藏高原及周边水汽含量的时空分布与MLS较为接近,夏季能够表征青藏高原在纬向和经向上的水汽高值区,冬季能够表征对流层顶、西风急流中心附近的水汽梯度带,而且MERRA的结果要好于ERA-I。ERA-I、MERRA和MLS中青藏高原地区的水汽季节演变都表现为冬季1-2月水汽含量低,夏季7-8月水汽含量高,水汽的季节变化在200~300 hPa最大。MLS资料显示,在青藏高原地区对流层顶附近,存在随时间向上向极的水汽传输信号。相较而言,ERA-I对向上水汽传输信号的表征更好,而MERRA对下平流层(100 hPa)向极水汽传输信号的表征更好。     

1998年区域性水汽输送及对流活动与副高活动变异的相关特征(英)

根据1998年NCEP逐日资料和TBB逐日资料,探讨了低纬度对流活动和副高周边水汽输送及其对流活动对夏季西太平洋副热带高压季节性北跳、南撤的影响效应。研究表明:低纬热带对流加强,且110°-150°E地区的南北向垂直经圈环流下沉区北移,夏季西太平洋副热带高压有北跳现象。另外,诊断结果亦表明西太平洋副高周边纬向水汽输送的显著减弱亦预示将出现副高的北跳,而西太平洋地区低纬经向水汽输送减少一候之后,副高南撤。研究结果表明西太平洋副高北跳、南撤与低纬度的对流潜热释放、中纬西太平洋副高周边的水汽输送及其对流活动存在密切的关系。数值模拟结果进一步证实上述副高活动变异与前期水汽输送及其对流特征的相关关系。     

The vertical transport of air pollutants by convective clouds. Part III: Transport features of different cloud systems

The vertical transport features of gaseous pollutants, with a negative exponent profile of concentration, by dif-ferent types of convective cloud systems are numerically investigated by using a two-dimensional, reactionless convective cloud transport model. The results show that an isolated, weak storm is able to pump pollutant gas out PBL and transport it to the mid-troposphere, whereas a deep, intense thunderstorm can very efficiently transport air pollutants up to the mid and upper troposphere and laterally spread with anvil, forming an extensive concentration surge layer at altitude of ten-odd kilometers altitude. Each type of convective transport results in concentration re-duction in PBL. In a wind shear environment the transport efficiency of deep thunderstorm significantly increases and the pollutants enter into clouds on the downshear side at low-level and spread downwind in anvil layer. On the other hand, for a cumulus cloud with plenty of liquid water, the gas dissolution effect is increased, and the irreversible aqueous reactions, in extreme, may significantly weaken the vertical transports of pollutant gases even with solubility coefficients no more than 103 M atm-1.