南极东部高原夏季大气垂直结构分析

利用中国第28次南极内陆考察队在东南极冰盖最高点Dome A获取的2012年1月南极夏季20次珍贵的GPS探空资料,对该地区的大气垂直结构和边界层特征进行了研究。结果表明:南极高原对流层中部平均垂直温度递减率为5.2℃·km-1,低于全球平均对流层中部的递减率(6.5℃·km-1),递减率(LRT)对流层顶平均高度和平均温度分别为4.6 km和-51.3℃。水汽主要集中在距地2 km以下的对流层中。边界层中存在多层逆温结构,强逆温层出现在500 m以下高度,边界层平均高度为890 m,并具有早晩低、午间高的日变化特征。     

2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

利用国产GPSO3臭氧探空系统观测的大气臭氧探空资料和NCEP再分析资料,结合对天气形势、大气环流背景、高空位涡变化及对流层顶高度扰动的分析,深入研究了2008年冬季北京地区10~14 km高度范围内持续出现的臭氧次峰值及大气臭氧含量异常现象。结果表明:在2008年我国南方雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布持续出现次峰值现象及臭氧含量异常的主要原因是平流层空气强烈下沉运动及其与对流层的交换作用,而引起这种下沉运动及平流层-对流层交换则是由于该阶段特殊的天气背景,乌拉尔阻塞高压长时间维持,贝加尔湖到巴尔喀什湖一带横槽稳定存在,里海以东切断低压长期维持,造成冷空气长时间、稳定地南下影响北京上空臭氧的垂直分布。加之副热带急流的出现,北京正处于其入口区左侧,其上空有强烈的辐合下沉运动,有利于平流层空气向下输送。此次臭氧次峰值及臭氧含量异常的现象很好地说明,在冷空气天气过程的影响下,北京地区上空的平流层空气运动及其与对流层的交换十分活跃。     

北京地区对流层顶变化及其对上对流层/下平流层区域臭氧变化的影响

根据2001～2003年期间获得的大气臭氧探空资料,揭示了北京地区上空对流层顶高度的某些变化特征及其对上对流层(UT)和下平流层(LS)区域内大气臭氧含量变化的影响.结果显示:北京地区上空对流层顶高度的平均值约11.1 km,其变化范围为7.7～14.4 km,臭氧层顶始终处在对流层顶下方约0.9 km高度处.对流层顶高度变化与臭氧总量变化之间的关系相对较弱.通常情况下,LS中的臭氧积分量明显高于UT中的相应值,并且二者呈相反的季节变化特征.北京地区上空仲夏和初秋季节第一对流层顶出现的频数明显减少,在第一对流层顶消失的情况下,LS中的臭氧积分量明显减少,而UT中的臭氧积分量明显增加,臭氧量减少最多发生在200～100 hPa层次中,而臭氧量增幅最大的层次是400～250 hPa.     

季风爆发前后青藏高原西部改则地区大气结构的初步分析

通过2008年青藏高原西部改则地区季风前(FM)和季风爆发阶段(MJ)两个加强观测期的无线电探空资料发现: 青藏高原西部改则地区对流层顶以第二对流层顶为主。冬季多表现为双对流层顶或复对流层顶。到了夏季, 第一对流层顶 (极地对流层顶) 较少见, 基本只有第二对流层顶。季风前第一对流层顶高度为10752 m, 温度为219 K, 气压为245.2 hPa, 第二对流层顶高度16826 m, 温度为202 K, 气压93 hPa。季风爆发阶段, 第一对流层高度为10695 m, 温度229 K, 气压256.7 hPa; 第二对流层顶高度为17360 m, 温度198 K, 气压89.4 hPa。由两个观测期的月平均温度的升温情况可以判断出第二对流层顶温度夏低冬高, 第一对流层顶温度为夏高冬低。从小时的时间尺度上发现, 第二对流层顶的高度变化和对流层顶温度、气压、风速的变化均为反位相变化; 对流层顶升高时, 对流层顶气压、温度、风速、湿度随之降低, 反之也成立。第一对流层顶对地表向上的热量输送及云顶有很好的阻挡作用, 进而对大气加热有显著影响。从靠近地面的月平均风速均匀混合特征, 判断出季风爆发阶段改则地区边界层高度能达到3500 m左右。西风急流在高原改则地区有明显季节变化。冬季西风急流最强, 几乎没有东风带出现。季风爆发阶段西风急流逐渐离开改则地区并向高原北部移动, 在该地区表现为减弱。同时东风带逐渐北移到改则地区, 在该地区上空表现为逐渐增强, 并位于西风带之上。     

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。     

上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比

本文使用CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的1995—2010年GPS掩星干反演大气温度和我国无线电探空温度资料,选择临近的廓线进行匹配,以掩星资料为基准,分析上对流层/下平流层区域(200～30 hPa)探空温度与掩星温度之间的偏差。分析多种时空匹配条件下总的温度偏差和标准差的结果表明,匹配条件对偏差平均值影响较小,主要影响偏差标准差,选择探空和掩星廓线时间差小于3 h、距离小于200 km作为匹配条件。就全国平均而言,探空温度和掩星温度相差很小,其中在上对流层的偏差大于下平流层,偏差的标准差随高度增加而变大。在上对流层昼夜偏差都为正,下平流层白天为正、夜间为负,温度偏差和标准差在白天大于夜间,说明掩星资料具有足够的精度可以识别出太阳辐射对我国探空温度的影响。偏差在低纬较大,随纬度升高逐渐减小,与使用掩星资料计算的大气垂直减温率有较好的对应关系,其变化特征与探空滞后误差比较一致,说明使用掩星资料可以辨别滞后误差对探空资料的影响。就全国平均而言,L波段探空仪和59型探空仪的平均温度偏差都相对较小,但在不同纬度表现不同;在低纬地区二者偏差对比明显,59型探空仪具有较大的偏差,L波段探空仪偏差较小,高纬地区二者偏差相对都较小;59型探空仪的偏差标准差始终大于L波段探空仪。结果说明掩星资料可以分辨仪器换型对温度偏差的影响,探空仪的升级使我国探空资料的精准度提高,特别在纬度较抵的区域,偏差的改进更加明显。     

2006年湖北宜昌地区对流层特征分析

利用2006年湖北省宜昌市高空观象台基于GFE(L)1型二次测风雷达观测的高空探测资料,分析了该地区对流层顶高度、对流层内温度、风等要素的季节特征.分析结果表明:这些要素显现出明显的季节差异,对流层顶高度在冬季最高,春、夏、秋依次减小;对流层顶温度夏季最低,冬季最高,春秋介于两者之间;对流层内的温度变化主要受太阳短波辐射的影响,不仅有明显的季节变化,且日变化显著;对流层的底层风速基本在10 m/s以内,风速随高度递增,春秋冬季在12 km左右达到一个极值;近地面风向变化大,以上的对流层内夏季变化大,春秋冬盛行西风.     

大理地区对流层至低平流层大气垂直结构的特征分析

利用JICA计划中日合作"2008年季风过程与暴雨天气上游关键区综合气象观测试验"期间在大理站的GPS探空资料,分析了季风3个加密观测阶段该地区对流层至低平流层大气垂直结构特征。结果表明,观测期间对流层顶以第二(副热带)对流层顶为主,平均高度为14.8 km,对流层平均温度递减率为6.4℃·km~(-1);对流层顶高度与气温、气压和风速均呈显著的负相关;季风爆发前(后)水汽主要集中在6.6(8.3)km以下对流层;季风爆发前对流层至低平流层被西风带控制;季风爆发阶段对流层至低平流层风速减小,低平流层风向由西风转成东风;季风强盛阶段低平流层东风逐渐下传,对流层高层至低平流层风速增大,风向基本转成偏东风。     

上对流层-下平流层交换过程研究的进展与展望

上对流层和下平流层(UTLS)区域的高度范围大致为5～20 km.UTLS区域大气成分的分布及变化对于认识气候长期变化也极为重要,因为该区域的臭氧是一种有效的温室气体,其中的水汽、卷云和气溶胶对太阳短波辐射和地球长波辐射有很强的调制作用,因而对于天气和气候变化产生不可忽略的辐射强迫作用; UTLS区域中,还有航空业的飞机排放,强对流云云中与云上闪电产生相当量的NOx,这些都对UTLS区域乃至更高及更低层大气的化学成分与分布产生重大影响.该文介绍上对流层和下平流层区域的交换过程研究的意义和手段,同时介绍有关研究的进展,重点回顾近年来国内一些学者开展的工作.另外,还列举一些研究问题和方向,最后重点展望青藏高原上空上对流层-下平流层区域的研究,因为该地区UTLS交换过程不仅具有显著区域特征,而且在全球平流层-对流层交换中可能有重要贡献.     

Study on horizontal relative diffusion in the troposphere and lower stratosphere

The behaviour of relative diffusion theory and Gifford’s random-force theory for long-range atmospheric diffusion is examined. When a puff scale is smaller than the Lagrangian length scale, 2KTL, an accelerative relative diffusion region exists, i.e., σy∝t3/2. While the puff diffusion enters a two-dimensional turbulence region, in which the diffusion scale is larger than 500 km, or time scale is larger than 1 day, divergence and convergence are main cause of horizontal diffusion. Between the two above-mentioned regimes, diffusion deviation is given byσy=2KTL. The large-scale horizontal relative diffusion parameters were obtained by analyzing the data of radioactive cloud width collected in air nuclear tests.     

2013—2018年大连中心城区臭氧时空变化及其影响因子分析

基于2013—2018年大连中心城区O_(3)监测数据和气象数据,分析了该区O_(3)污染时空变化特征及气象要素对O_(3)污染的影响。结果表明:2013—2018年大连中心城区O_(3)已经逐渐成为最主要的大气污染物之一。O_(3)年平均浓度由2013年的66.66μg·m^(-3)上升至2018年的101.62μg·m^(-3)。秋季和夏季是大连O_(3)浓度较高的季节,其次是冬季和春季。O_(3)最高浓度月份主要为5月、6月及9月。O_(3)浓度日变化呈明显的单峰状,从上午08时开始增加,在下午14—16时达到最高,白天浓度高于夜晚。O_(3)污染物在2013—2017年从大连中心城区的西南向东北扩散。大连中心城区O_(3)与其他5种大气污染物均存在不同程度的负相关,与气温呈显著正相关,与相对湿度、气压及风速相关性较差。有利于大连O_(3)污染天气的气象条件主要为高气温(>30℃)、低湿度(≤80%)、低风速(1.5—2.0 m·s^(-1))、北风风向和长日照时间。高污染日的出现可能是受高温天气与本地逐渐增加的排放物共同影响。     

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。     

Sensitivity analysis of planetary boundary layer schemes using the WRF model in Northern Colombia during 2016 dry season

This study conducted meteorological simulations in northern Colombia by analyzing different planetary boundary layer (PBL) schemes available in the numerical Weather Research and Forecasting (WRF) model. The study area included three nested domains with horizontal resolutions of 18 km, 6 km, and 2 km, with 38 vertical levels. The evolution and structure of the PBL were analyzed during the driest months (March, April, and May 2016) and in regions with the highest particulate matter concentrations. Sensitivity analysis of the WRF model was performed with two local and two non-local PBL schemes. The results were validated using observations of the surface air temperature, relative humidity, and surface wind speed collected from three meteorological stations in the area. The PBL heights were experimentally determined using radiosonde data provided by a station located in the center of the study area. Variations in PBL heights were estimated using linear regression methods and minimization of statistical errors for the bulk Richardson number, as well as analysis of vertical temperature and wind profiles. The WRF model reliably reproduced the daily values and diurnal cycles of temperature, relative humidity, and wind speed within the PBL and accounted for the influence of topography and sea breezes. Horizontal heat advection dominates the upwelling of air masses when sea breezes are active. The onshore wind direction starts to change from east to northwest, implying a decay in the land breeze regime. All schemes overestimate the mixing height and tend to underestimate surface air temperature values at night. All show wetter conditions and underestimate wind speed. Although the non-local Yonsei University (YSU) scheme shows the best performance, it also shows the largest sources of errors when determining the behavior of the surface layer during stable conditions. Relative humidity and wind speed estimates provided by the local Mellor‐Yamada‐Nakanishi‐Niino (MYNN) scheme were closer to those recorded at the meteorological stations.     

中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的对比研究

为评估中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的差异,基于ERA-Interim、JRA-55、MERRA和CFSR再分析和中国118探空站1979-2015年逐月850-300 hPa大气比湿和相对湿度的原始值及均一化序列,通过分析探空与再分析资料的相对偏差、相关系数、标准差比和变化趋势,研究了两者在多年平均值、年际变率、离散度及长期变化趋势等方面的差异。结果表明,中国探空原始湿度序列存在显著的非均一性问题,均一化提高了序列的连续性,但存在显著的低偏差,总体较原始湿度偏低5%-43%。再分析中国平均对流层大气比湿和相对湿度较探空观测偏高,相对湿度的偏差幅度（7%-48%）较比湿大（4%-13%）,对流层高层较低层大,春秋季偏差较夏季显著。各再分析资料间的差别较小,JRA-55在对流层高层较其他再分析资料偏低,与探空观测较接近。再分析与均一化后中国探空比湿和相对湿度年际变率和离散度在对流层低层较为一致,对流层中高层再分析资料的离散度明显高于探空。再分析与均一化探空中国平均比湿在对流层低层一致呈上升趋势;对流层中层探空为上升趋势,再分析资料为下降趋势。再分析与均一化探空相对湿度变化趋势差异较大,探空为上升趋势且对流层中高层上升显著,对流层再分析为下降趋势。      

The impact of cut-off lows on ozone in the upper troposphere and lower stratosphere over Changchun from ozonesonde observations

In situ measurements of the vertical structure of ozone were made in Changchun(43.53?N, 125.13?E), China, by the Institute of Atmosphere Physics, in the summers of 2010–13. Analysis of the 89 validated ozone profiles shows the variation of ozone concentration in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) caused by cut-off lows(COLs) over Changchun. During the COL events, an increase of the ozone concentration and a lower height of the tropopause are observed.Backward simulations with a trajectory model show that the ozone-rich airmass brought by the COL is from Siberia. A case study proves that stratosphere–troposphere exchange(STE) occurs in the COL. The ozone-rich air mass transported from the stratosphere to the troposphere first becomes unstable, then loses its high ozone concentration. This process usually happens during the decay stage of COLs. In order to understand the influence of COLs on the ozone in the UTLS, statistical analysis of the ozone profiles within COLs, and other profiles, are employed. The results indicate that the ozone concentrations of the in-COL profiles are significantly higher than those of the other profiles between ±4 km around the tropopause. The COLs induce an increase in UTLS column ozone by 32% on average. Meanwhile, the COLs depress the lapse-rate tropopause(LRT)/dynamical tropopause height by 1.4/1.7 km and cause the atmosphere above the tropopause to be less stable. The influence of COLs is durable because the increased ozone concentration lasts at least one day after the COL has passed over Changchun. Furthermore, the relative coefficient between LRT height and lower stratosphere(LS) column ozone is-0.62,which implies a positive correlation between COL strength and LS ozone concentration.     

2012年春季宜春地区降水期间高空风的频谱分析

利用地面和梯度塔的风连续观测数据进行的频谱分析已经开展很多,而受资料限制,高空风的频谱分析仍较欠缺。本文使用风廓线雷达获取的长时间序列连续测风数据,运用傅里叶变换的方法,计算了风的脉动谱密度。脉动谱能够反映不同频率的风速涨落对风动能的贡献。使用2012年4月江西宜春前汛期期间的高空风连续数据,结合地面降水资料进行了1 000～3 000 m高度区间的频谱分析,发现地处前汛期雨带上的宜春地区降水存在着两种不同时间周期的天气系统影响,脉动谱的分布表现出时间周期为5～7 d和2～3 d的峰值区。分别对两种不同时间周期的天气系统频谱进行了分析,并与平稳天气时的频谱进行比较。5～7 d周期峰区的脉动谱密度数值为2～3 d的4～5倍,脉动谱峰区在2 000～3 000 m高度上较强,峰值强度向下迅速降低;2～3 d周期的脉动谱峰区在低层比较明显,峰值强度较弱。风的脉动谱分布与地面降水的时间周期较为吻合。     

Impact of intensity variability of the Asian summer monsoon anticyclone on the chemical distribution in the upper troposphere and lower stratosphere

During the Asian summer monsoon (ASM) season, the process of stratosphere–troposphere exchange significantly affects the concentration and spatial distribution of chemical constituents in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS). However, the effect of the intensity of the Asian summer monsoon anticyclone (ASMA) on the horizontal distribution of chemical species within and around the ASMA, especially on the daily time scale, remains unclear. Here, the authors use the MERRA-2 reanalysis dataset and Aura Microwave Limb Sounder observations to study the impact of ASMA intensity on chemical distributions at 100 hPa during the ASM season. The intraseasonal variation of ASMA is classified into a strong period (SP) and weak period (WP), which refer to the periods when the intensity of ASMA remains strong and weak, respectively. The relatively low ozone (O₃) region is found to be larger at 100 hPa during SPs, while its mixing ratio is lower than during WPs in summer. In June, analysis shows that the O₃ horizontal distribution is mainly related to the intensity of AMSA, especially during SPs in June, while deep convections also impact the O₃ horizontal distribution in July and August. These results indicate that the intraseasonal variation of the ASMA intensity coupled to deep convection can significantly affect the chemical distribution in the UTLS region during the ASM season.摘要亚洲夏季风期, 平流层–对流层物质交换过程能显著影响上对流层下平流层化学成分的浓度变化和空间分布. 然而, 亚洲夏季风反气旋强度的季节内变化对其内部和周围地区化学成分水平分布的影响尚不清楚. 本文将亚洲夏季风反气旋划分为季节内强周期和弱周期, 发现当亚洲夏季风反气旋更强时, 100 hPa O₃低值区的面积更大, O₃浓度更低. 但是这种影响主要体现在6月份, 7, 8月的O₃水平分布还受东南亚地区深对流的影响. 这些结果表明亚洲夏季风反气旋强度和深对流的季节内变化可以显著影响亚洲夏季风期上对流层下平流层的化学分布.     

2000—2013年北京及周边地区大气气溶胶光学厚度时空变化特征及气象影响因素分析

利用NASA Terra卫星搭载的MODIS传感器观测到的2000—2013年气溶胶光学厚度数据和河北省142个观测站同期的气象数据,对北京及周边区域大气气溶胶的时空变化特征进行了分析,并通过研究光学厚度与各气象要素的关系,对影响大气气溶胶时空变化的关键气象因素进行探讨。结果表明：北京以南区域的气溶胶光学厚度在夏季最大,其次为春季,秋冬季相对较低,河北省西北部低于东南部;坝上地区的光学厚度年际变化小于其他地区,平原区与沿海地区的年际变化基本一致,春夏高于秋冬。春季相对湿度是影响光学厚度值的重要因素,气溶胶光学厚度的高值出现在5—7月,并伴随较高的相对湿度、较低的能见度、南风、较低的地面风速和稳定的大气层结。北京以南的河北省各台站污染程度与北京类似,南部站点的光学厚度高于东北部,这与人为气溶胶的排放主要集中于北京南部的工业城市,以及南风控制的污染物扩散方向有关。     

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。