一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧(原暖湿区)的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5km(约500hPa)处,锋下向上的深对流注入可达10km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧（原暖湿区）的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5 km（约500 hPa）处,锋下向上的深对流注入可达10 km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

典型东北冷涡个例的平流层-对流层交换过程数值模拟研究

利用中尺度模式WRF对发生于2010年6月19~23日的我国东北地区一次典型冷涡过程开展高垂直分辨率数值模拟研究.在模式结果再现此次东北冷涡基本特征的基础上,进一步用Wei公式考察该冷涡引起的平流层-对流层质量交换的时空分布特征.分析结果表明,此次冷涡过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效应表现为平流层向对流层的净输送.在冷涡形成前期,即大型槽脊发展阶段,已经存在活跃的交换.在冷涡活动的整个过程中,槽后和冷涡移动方向的后部主要表现为空气质量由平流层向对流层的输送,而在槽前和冷涡移动方向的前部主要表现为由对流层向平流层的输送.这种空间分布形态主要是由对流层顶变化项决定,但由于其引起的向上、向下交换量作用相抵消,因此它对净交换量的贡献很小,而对此次过程净交换的贡献起决定性作用的是水平运动项.冷涡活动区域平均的总交换通量随时间的变化特征表现为三段:(1)在冷涡形成前期,存在较强的平流层空气向对流层输送过程;(2)随着冷涡的形成发展,总通量表现为TST-STT-TST波动趋势;(3)冷涡发展后期,又表现为平流层空气向对流层输送.     

青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.     

东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟

平流层-对流层物质交换是影响全球大气成分收支的重要过程.过去的研究认为大尺度的交换过程在平流层-对流层物质交换中最为重要,但是近些年的研究表明,中小尺度过程对平流层-对流层物质交换也有重要贡献.本文利用OMI和MLS数据、ERA-Interim再分析资料,结合中尺度WRF模式综合分析了东北地区发生在冷涡前部和冷涡后部的两次强对流天气过程.结果表明：发生在冷涡前部暖锋云系中的强对流持续时间长,对流垂直尺度小,下平流层静力稳定度高;发生在冷涡后部的孤立强对流持续时间短,水平尺度较小,且在对流层顶附近,静力稳定度小,对流可穿出热力学对流层顶.从示踪物分布情况来看,两次强对流都可将示踪物输送到对流层顶附近,但是冷涡前部对流可将示踪物从边界层输送到整个对流层,而孤立对流是把示踪物输送到对流层顶,而不与自由对流层空气发生混合.

     

北半球平流层极涡崩溃过程的动力诊断分析

极地气候变化研究, 特别是极地在气候变化中作用的研究, 现在已经成为国际重要的研究领域, 是2007~2008年开展的“国际气候年”的核心研究问题. 针对以前研究中北半球平流层极涡崩溃时间的分歧, 首先确定了北半球平流层极涡在春季的崩溃时间, 并分析了在平流层极涡崩溃过程中的环流演变和波动活动特征. 分析表明北半球平流层极涡的平均崩溃时间为4月10日左右, 极涡崩溃时间的年际变化比较大, 最早和最晚的崩溃时间跨度达到两个月. 长期趋势表明20世纪90年代以来极涡持续时间增长. 对极涡崩溃异常早年和异常晚年的合成分析显示极涡崩溃过程在早晚年有不同的特征. 极涡崩溃早年, 平流层极涡在3月中旬只有一次快速的衰减过程, 这次过程主要与对流层上传的行星尺度波动异常有关; 而极涡崩溃异常晚年一般有两次衰减过程, 第一次衰减为一次快速过程, 对应有异常的波动活动, 和平流层的爆发性增温有关. 第二次过程则是一次慢过程, 此次过程不伴随异常的波动活动, 主要是非绝热过程起作用. 进一步对极涡崩溃异常早晚年大气低层环流异常的研究表明, 极涡崩溃早晚年低层温度场和位势高度场的异常上有明显不同, 这表明平流层极涡的崩溃伴随有上下层的动力耦合过程.     

夏季亚洲季风区对流层-平流层不可逆质量交换特征分析

基于2005年NCEP/GFS分析资料和拉格朗日粒子扩散模式的“Domain Filling”技术,以气块穿越对流层顶后的滞留时间为标准,诊断分析了夏季亚洲季风区对流层-平流层质量交换,重点讨论了对平流层大气成分收支具有实际意义的不可逆双向质量交换过程,并利用前向（后向）轨迹追踪方法,分析了其4天的“源（汇）”特征.研究结果表明：(1)对流层-平流层质量交换(Troposphere-Stratosphere mass Exchange,STE)的计算对滞留时间阈值的选择具有较强敏感性,大多数的气块在1～2天内可频繁地往返对流层顶.这些瞬时交换事件的考虑与否对穿越对流层顶的质量交换计算的准确性具有重要影响,尤其在中纬度的风暴轴区域.(2)从亚洲季风区对流层-平流层质量净交换纬向平均上看,45°N以南的区域为对流层向平流层的质量输送(Troposphere to Stratosphere mass Transport,TST),副热带地区为最强的上升支,而在45°N~55°N的中纬度地区是平流层向对流层质量输送（Stratosphere to Troposphere mass Transport,STT）.地理分布上,STT主要分布在青藏高原以北的东亚地区,与亚洲季风区夏季大尺度的槽区相对应.夏季整个亚洲季风区都是TST发生的区域,最大值位于青藏高原东南侧及其附近区域,该区域占亚洲季风区不可逆TST夏季平均总量的46%.(3)对流层-平流层质量交换的“源汇”特征分析表明,STT主要源于100°E以西、50°N以北的高纬地区,向下可以输送到中国东北部及朝鲜半岛北部等中纬度区域.而TST主要来源于中纬度和副热带地区的大气输送,向上穿越对流层顶高度以后,可分别向高纬的极地和热带地区输送,这意味着亚洲季风区夏季的TST水汽输送可能进入“热带管”中,进而可能对全球平流层水汽平衡产生重要影响.     

亚洲夏季平流层-对流层水汽交换年际变化与亚洲夏季风的联系

亚洲地区是物质由对流层向平流层输送的主要通道,在平流层-对流层交换中扮演着积极的角色. 本文主要利用卫星资料和欧洲中心ERA40再分析资料,借助Wei诊断模式研究亚洲地区夏季上对流层-下平流层(UTLS)水汽分布和平流层-对流层水汽交换特征,重点着眼于水汽交换的年际变化,并探讨其与亚洲夏季风的联系. 结果表明,季风区UTLS水汽较赤道地区偏多,且通过磁带记录信号的传播,可穿越对流层顶影响下平流层水汽的多寡. 夏季平流层-对流层水汽交换表现出明显的年际特征,其年际变化与亚洲季风强弱变化有密切联系,尤其与南亚夏季风的关系更为显著. 在亚洲夏季风影响下,亚洲地区出现异常的大气环流和垂直运动,从而影响平流层-对流层之间水汽的交换. 这些结果对认识其它大气成分的输送过程也具有重要的指示意义.     

全球平流层-对流层之间臭氧通量的时空演变研究

利用1958~2001年的臭氧混合比和ECMWF(European Centre for Medium_range Weather Forecast)资料,采用Wei诊断模型定量计算了穿越全球对流层顶的臭氧质量通量.结果表明:(1)臭氧通量场存在纬向型和经向型的空间波列结构,这些空间波列均未能跨越对流层顶断裂带到达热带对流层顶控制区,其中南北两极的极区、地中海-伊朗高原-青藏高原-日本南部-北太平洋和南半球对流层顶断裂带中沿纬圈完整的空间波列最为显著.海洋上空臭氧通量的性质较为均匀一致,大陆上空的空间结构多变.北半球向下与向上的局地平均最大臭氧通量分别是-4μg.m-2.s-1和2.5μg.m-2.s-1,南半球的对应值为-2.5μg.m-2.s-1和1.5μg.m-2.s-1.(2)纬向平均的臭氧净通量依赖于纬度变化,北半球与南半球具有显著的非对称特性,总效应是平流层臭氧向对流层输运注入.臭氧通量有着显著的季节变化,可随不同季节在地理分布上发生空间转移现象,而且其控制机制不仅受对流层顶的季节运动影响,也随大气环境的季节调整而发生改变.(3)南北半球臭氧净通量的变化趋势相反,南半球为双峰结构,表现为非对称振幅的季节波动结构.全球臭氧通量振幅的年际变化表现出明显的QBO(Quasi_Biennial Oscillation)特性,年代际演变的结构形态(向下的臭氧净通量)可划分为4个阶段:1960年代是平稳变化期,1970年代为增强期,1980年代是又一个相对平稳期,1990年代为剧烈变化期.向下的臭氧净通量主极大值出现在1977、1990年和1998年,极小值在1993年和1996年.     

青藏高原和热带西北太平洋大气热源在亚洲地区夏季平流层-对流层水汽交换的年代际变化中的作用

利用欧洲中期天气预报中心ERA40资料,借助Wei诊断模式研究平流层一对流层水汽交换过程,重点分析亚洲地区夏季平流层．对流层水汽交换的年代际特征,探讨青藏高原和热带西北太平洋大气热源在其变化中的作用．气候学特征表明,北半球夏季“亚洲南部半岛-印度洋-太平洋交汇区”为全球最强的对流层向平流层输送的通道,它能将亚洲季风区丰富的水汽源源不断地输送到平流层,影响平流层水汽的分布和变化．北半球夏季亚洲地区穿越对流层顶水汽交换整体上都具有明显的年代际变化,且在近44a可以分为三段比较稳定的时段：1958～1977年、1978～1992年和1993。2001年．在这三个时段中,孟加拉湾．东亚大陆及南海海域的水汽交换通道作用在逐渐减弱,而西北太平洋地区在水汽交换中扮演着越来越重要的角色．进一步研究发现,青藏高原、热带西北太平洋热源的年代际异常是亚洲地区平流层．对流层水汽交换年代际变化的主要原因．44a来青藏高原和热带西北太平洋的热力作用均发生了重大调整,在年代际尺度上两者的综合作用决定了亚洲夏季风的年代际变异,从而影响平流层．对流层水汽交换的年代际异常．然而不同时段不同地区两者的贡献有所不同,尤其是1992年以后,高原热源影响明显减弱,而热带西北太平洋热源在影响平流层．对流层水汽交换中起主要作用．这些结果对深入认识其他大气成份输送过程和正确评估人类活动（排放）对全球气候的影响也具有重要的指示意义．     

利用COSMIC掩星资料研究对流层/下平流层大气比湿对ONI指数的响应

本文利用2006年6月至2014年6月COSMIC掩星观测的水汽廓线, 分析了对流层/下平流层(TLS)比湿信号对ENSO的响应.在数据处理中, 将COSMIC掩星水汽廓线计算得到的全球比湿数据内插为1000~30 hPa区间水平分辨率为5°×5°的三维格网, 在各等压面上求取各格网点去除年/月际信号后的比湿月异常值.然后在对比湿月异常时间序列低通滤波的基础上, 进行经验正交分解(EOF)得到比湿主成分, 并对该主成分信号进行二项式平滑; 接下来将平滑后的主成分信号与反映ENSO活动的ONI指数进行相关处理, 得到各等压面主成分信号相对于ONI指数的相关系数及对应的时间延迟.论文分析了包括Niño-3.4的5个代表性区域的TLS比湿异常主成分信号, 结果表明:在各区域, 采用本文先低通滤波再EOF分解的处理方法获得的TLS比湿异常主成分信号与ONI指数均有很强相关性, 对流层相关系数绝对值达0.8以上, 低平流层高于0.7, 在300~200 hPa的上对流层达到峰值; 各等压面上比湿异常主成分信号相对于ONI指数的时间延迟不尽相同, 在对流层中比湿异常主成分信号普遍滞后于ONI指数1~6个月; 在各区域, 比湿异常主成分与ONI指数相关系数绝对值达到最大的等压面都接近250 hPa, 最大相关系数绝对值均达到0.9以上.进一步对全球250 hPa等压面比湿异常主成分与ONI指数相关性的分析表明:两者强相关的区域主要集中在热带; 在这些强相关区域, 比湿异常主成分相对于ONI主要表现为滞后, 且相关系数越大, 相应的时间延迟越短.

     

基于Cloudsat探测的一次非典型东北冷涡结构及其降水

采用ERA-Interim气象分析资料、云顶亮温TBB资料、Cloudsat云雷达资料、降雨量资料等,对2009年6月10日至12日我国东北地区的一次冷涡天气过程进行研究,重现了该冷涡的精细三维结构和演变过程.分析表明冷涡发生前,东北亚地区处于南北双槽结构之间,随后北槽向赤道发展切断后形成东北冷涡.南槽背景的冷涡热力结构特殊,强冷空气集中在涡内西北象限,暖湿空气在东北象限,南部为相对中性空气,该配置导致北部暖锋强盛,西部冷锋仅在发展初期较强,冷涡过程没有经典挪威学派的气旋锢囚锋出现.冷涡发展初期,狭长冷舌快速入侵南下,冷舌前冷锋对流降水较强,冷舌后部左侧还有暖锋降水;冷涡发展后期,冷锋减弱,冷锋上的高层云停止降水,系统内主要为冷涡北部的暖锋雨层云降水;冷涡成熟后,中心辐合加强,有较强的对流性降水.     

北京地区一次持续重污染过程O3、NOx、CO的垂直分布分析

在2004年9月27日至10月12日期间,北京地区大气环境出现了严重污染事件,其间,使用紫外光度法O3分析仪、化学发光NO-NO2-NOx分析仪和气体相关过滤CO分析仪,在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象与环境观测塔上进行了污染物浓度梯度观测,分别在8、120、280 m三层观测平台对大气中的O3、NOx、CO体积比浓度进行了垂直梯度的连续观测.通过分析该过程中大气污染物和相关气象因素的垂直分布数据得知,污染物浓度在280 m以内分布很不均一;较低气压控制下,24 h变温为正时,易形成由辐合、堆积造成的污染物浓度增高.通过敏感性分析计算,近地层臭氧光化学生成处于VOC敏感,是垂直梯度分布的主要因素;边界层顶存在高浓度氧化污染气团的振荡效应.