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.     

Observation of a summer tropopause fold by ozonesonde at Changchun,China: Comparison with reanalysis and model simulation

Tropopause folds are one of the key mechanisms of stratosphere-troposphere exchange (STE) in extratropical regions, transporting ozone-rich stratospheric air into the middle and lower troposphere. Although there have been many studies of tropopause folds that have occurred over Europe and North America, a very limited amount of work has been carried out over northeastern Asia. Ozonesondes produced by the Institute of Atmospheric Physics were launched in Changchun (43.9°N, 125.2°E), Northeast China, in June 2013, and observed an ozone-enriched layer with thickness of 3 km and an ozone peak of 180 ppbv at 6 km in the troposphere. The circulation field from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Interim Reanalysis (ERA-Interim) dataset shows that this ozone peak was caused by a tropopause fold associated with a jet stream at the eastern flank of the East Asian trough. By analyzing the ozone data from the ozone monitoring instrument and Weather Research and Forecasting model with Chemistry (WRF-Chem) simulations, it was found that a high ozone concentration tongue originating from the lower stratosphere at high latitude (near central Siberia) intruded into the middle troposphere over Changchun between 5 and 8 km on 12 June 2013. The high-resolution WRF-Chem simulation was capable of describing events such as the tropopause fold that occurred on the cyclonic shear side of the jet stream. In addition, the TRAJ3D trajectory model was used to trace the origin of measured secondary ozone peaks in the middle troposphere back, for example, to stratospheric intrusion through the tropopause fold.     

对流层顶气压与气温的年(代)际变率研究:冬季特征

利用NCEP／NCAR再分析月平均对流层顶气压、气温资料，研究了1979-2002年冬季全球对流层顶气压、气温的年际和年代际变率。选取了冬季对流层项变率最大的区域来定义气压指数、气温指数。通过分析得到：（1）全球对流层项气压、气温随纬度的增加而增高，但在整个热带地区和高纬度地区对流层顶气压、气温的分布较均匀。在分析时段内全球平均的对流层顶气压呈下降趋势，气温呈降低趋势。这些从全球资料得到的结果支持了已有的从部分探空资料所得到的结果。（2）对流层顶变率最大值出现在北半球的副热带地区，最小值出现在低纬度地区。气压指数和气温指数显示出准13a及准3～6a的周期。在1992年以前准3a的周期变化较强，1989年后准6a较强，显示出年际变化的年代际差异。对流层项气压与对流层顶气温在全球大部分地区都呈显著正相关，但在热带和副极地的部分地区相关较弱。对流层顶气压与对流层平均气温在全球大部分地区都呈显著负相关，但在极地地区有正相关关系，显示了对流层顶与对流层内部变化关系的复杂性。     

青藏高原两类对流层顶频率的季节分布特征及其与同纬度地区的差异

基于1979~2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法,计算出北半球两类对流层顶(热带对流层顶和极地对流层顶)频率数据。对比分析了青藏高原与同纬度地区两类对流层顶频率在季节变化上的差异,并讨论了青藏高原两类对流层顶频率分布与高空温度的关系。结果表明:1)依据温度递减率插值法计算出的再分析两类对流层顶频率可以反映青藏高原两类对流层顶频率季节变化特征:热带对流层顶全年频率高,冷、暖季节差异不明显;极地对流层顶盛夏频率极低,冷、暖季节差异明显。与极地对流层顶频率相比,青藏高原热带对流层顶频率的可信度更高。2)青藏高原和同纬度地区热带(极地)对流层顶频率在暖季增加(减少),在冷季减少(增加)。相比同纬度地区,青藏高原热带(极地)对流层顶频率在冬季偏少(多),其他季节偏多(少)。青藏高原两类对流层顶频率等值线的梯度更大,表明青藏高原对流层顶更易断裂。3)青藏高原两类对流层顶频率与高空温度关系密切。青藏高原对流层中上层(平流层下部)温度升高(降低),有利于青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少,反之亦然。     

夏季风爆发前后中国区域对流层顶高度变化特征

利用2008—2014年全国高垂直分辨率的L波段探空资料,统计分析了东亚夏季风爆发前后我国不同区域对流层顶高度变化特征。研究表明:夏季风爆发后,对流层顶高值区向北推进,最大值位于青藏高原南部及其东南部地区;对流层顶高度的向南梯度和向东梯度大值区均由爆发前的30°~40°N北移至40°~50°N;受地面加热和垂直运动的影响,中国东北部和中东部在夏季风爆发后对流层升温,平流层-对流层过渡层降温,大气温度梯度增加,对流层顶上升,其中中国东北部在夏季风爆发前,大气温度廓线为双峰结构,易出现双对流层顶,第一对流层顶较低;中国南部整层大气温度廓线在夏季风爆发后略有增加,对流层顶有所下降。     

中纬度夏季一次深厚对流过程的数值模拟研究:高空热力层结和风切变影响

针对一次发生在中纬度夏季的深厚对流过程进行的数值模拟研究的结果,引入一个较详细描述深厚对流状态下云微物理过程的参数化方案,对一个有限差分三维非静力弹性大气数值模式进行了改进.数值模拟得到了与天气雷达观测一致的结果.结果还显示,对于这次穿透高度超过了对流层顶的深厚对流过程,与高空斜压扰动有关的上对流层弱稳定热力层结对系统的维持起到了重要的作用.另外,还发现强烈的对流发展到对流层顶的高度时,受上曳体的驱动,在对流层顶附近的稳定层结中产生浮力性的扰动;它们与风切变相结合,进而对系统的水平移动产生控制作用.     

华南地区对流层顶和边界层顶高度特征分析

利用华南地区14个站点2010年1月1日至2015年12月31日六年逐日的L波段探空资料,对华南地区对流层顶、边界层顶的时空分布特征及其高度的变化特征进行分析。结果表明,华南地区平均对流层顶高度5月最高,8月最低,对流层顶的变化与夏季风爆发的时间节点有较好的对应;平均边界层顶高度3月最高,8月最低,沿海站点与内陆站点边界层顶高度变化规律明显不同;华南地区四季的平均边界层高度的空间分布与对流层顶高度的空间分布反相,西沙上空与广西西北部两块区域始终存在极值中心。     

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。     

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

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。     

青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系

根据1979-2008年青藏高原地区14个探空站对流层项气压资料以及同期各标准等压面上的温度资料,分析了不同季节高原上空两类对流层顶高度与高空各层温度之间的关系;在此基础上,结合同期的NCEP／NCAR月平均再分析资料以及NASA提供的TOMS／SBUV月平均臭氧总量资料,分别讨论了高原上升运动以及高原臭氧总量与对流层顸高度的耦合关系。结果表明：高原第一（二）对流层顶高度全年处在300～200hPa（100hPa附近）高度,在季节变化、年际变化以及长期变化趋势上,两类对流层顸高度与各自对应高度层上的温度存在着密切的反相变化关系,当对流层顶高度偏高（低）时,相应高度上的温度偏低（高）。上升运动有助于两类对流层顶高度的抬升,尤其是当高空200（100）hPa附近有上升运动时,有利于第一（二）对流层项高度抬升。各季节高原臭氧总量与第二对流层顶高度均呈显著的负相关关系,当臭氧含量减少（增加）时,该对流层顶高度将偏高（偏低）,近年来伴随着高原臭氧总量的减少,高原第二对流层顸高度出现了明显的抬升。     

青藏高原两类对流层顶高度的季节变化特征

根据青藏高原地区14个探空站近30 a（1979—2008年）的对流层顶逐日观测资料,分析了该地区上空热带对流层顶（第二对流层顶）和极地对流层顶（第一对流层顶）出现的频率及高度的季节变化特征。结果表明：（1）高原全年均可观测到第二对流层顶,其中在暖季（6—10月）第二对流层顶占绝对主导地位,而在其余月份则以复合对流层顶为主;（2）两类对流层顶高度在季节变化上存在着明显的差异,第一对流层顶高度在春秋（夏冬）季偏高（低）,第二对流层顶高度在春夏（秋冬）季偏高（低）,即第一（二）对流层顶高度的年变化曲线呈双（单）峰型;（3）两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,第一（二）对流层顶高度除秋季存在准3.6 a（6 a）的周期变化外,其余季节均具有4.5~6 a（2~4 a）的振荡周期;（4）近30 a来高原第一（二）对流层顶主要表现出下降（上升）的趋势,尤其是第二对流层顶高度在冬、春季存在着明显的上升趋势。     

西藏改则地区雨季上对流层/下平流层大气垂直结构观测研究

利用中国第3次青藏高原大气科学试验2014年7-8月改则探空试验期间获取的每天3次观测的探空数据,对该地区对流层大气垂直结构进行了研究。结果表明：改则地区海拔高度17-19 km存在逆温现象;第一对流层顶平均高度16082 m,第二对流层顶平均高度16466 m,前者出现概率远高于后者,两类对流层顶的高度均与其对流层顶的温度、气压成反比。08、14和20时（北京时）的最大风速分别出现在11.8、12.6和12.1 km高度,风速分别为16.2、16.3和15.9 m/s,风向随高度顺时针变化,对应为暖平流,由下层西南风转为上层的东南风,17 km以上高度稳定成东北风,下层主导风为西南风。在约8 km的高度上存在一个最大相对湿度聚集区,从地面开始相对湿度随高度升高而增大（逆湿现象）,达到该聚集区后,随高度升高而减小。青藏高原西部雨季对流层顶折叠现象出现概率较低,可能与该季节高空急流或高空锋天气较少有关。     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

Static Stability of the Troposphere Over the Southeastern Beaufort Sea–Amundsen Gulf Region of the Western Maritime Arctic

The characterization of the static stability of the troposphere over the western maritime Arctic remains limited in spite of its significance to both atmospheric thermodynamics and dynamics. Field observations of microwave radiometric temperature profiles from the International Polar Year, Circumpolar Flaw Lead System Study (late November 2007 to mid-July 2008) and the ArcticNet field campaign (mid-July to early November 2009) provided a unique opportunity to characterize the static stability of the troposphere over the southeastern Beaufort Sea–Amundsen Gulf region. Notably, the monthly median atmospheric boundary layer (<2000?m) static stability profile for April and the profile for May clearly revealed an inversion elevated above a thermal internal boundary layer, whereas the median summer static stability profiles had very strong surface-based inversions. These profiles have been linked to the seasonal evolution of sea-ice cover in Amundsen Gulf. The monthly static stability profiles for the free atmosphere (2000–10,000?m) revealed an annual cycle. The average static stability of the lower troposphere (2000–5000?m) had a minimum of 3.3?±?0.5?K?km^?1 in July and a maximum of 4.5?±?0.5?K?km^?1 in January and February. In the upper troposphere (>5000–8000?m), the average static stability had a minimum of 2.9?±?0.6?K?km^?1 in June and August and a maximum of 5.3?±?0.8?K?km^?1 in January. The monthly median heights of the tropopause also had an annual cycle. The maximum of 9750?m occurred in June, July, and August. The minimum tropopause height of 8000?m occurred in December, January, and March. The seasonal cycles of static stability in the free atmosphere and the seasonal cycle in the height of the tropopause can be attributed to regional as well as synoptic-scale forcing. This analysis will contribute to the understanding of the thermodynamics and dynamics of a data-sparse region of the Arctic by providing a “snapshot” of the state of the atmosphere through a composite annual cycle.     

甘肃省对流层顶高度的季节变化特征分析

根据甘肃省8个探空站25年(1980—2004年)的对流层顶观测资料,分析了第一对流层顶和第二对流层顶高度的季节变化特征,结果表明:(1)全省各站全年各月均可观测到复合对流层顶,两类对流层顶存在着明显的季节差异,冬(夏)季以第一(二)对流层顶为主。(2)第一对流层顶的平均高度在春、秋(冬、夏)季相对较高(低),年变化曲线呈双峰型;第二对流层顶的平均高度在春、夏(秋、冬)季相对较高(低),年变化表现出单峰型。(3)两类对流层顶高度均存在明显的年际变化,除秋季外,各个季节第一(二)对流层顶普遍存在5～6 a(准3 a)的周期振荡。(4)近25年来甘肃省两类对流层顶主要以上升趋势为主,特别是在夏季两类对流层顶高度均存在明显的上升趋势。     

北京地区极地对流层顶与地面要素之间的关系

利用北京地区１９７７－１９９０年的高空、地资料，讨论了极地对流层顶与地面温度的关系。发现两者之间正相关关系较好。然而，当两者谷值出现的月份发生位相关异时，当年年降水相对变率大于同期降水的平均相对变率。     

Ten-year climatological features and air origin of midlatitude double tropopauses

The 10-year climatological features related to midlatitude double tropopause events(DTs) are examined using ERAInterim data from 2003 to 2012. The analysis is based on tropopauses defined by lapse rate. Results show that DTs are permanent or semi-permanent in the midlatitudes,and high DT frequency bands move poleward in winter and equatorward in summer,which is consistent with the seasonal movement of the subtropical jet. Based on our statistics,the second tropopause is found at about 100 h Pa in the subtropics and at slightly lower altitudes in sub-polar regions. The thickness between the first and second tropopause is smaller in the subtropics and increases with latitude. Next,the origin of air sandwiched between the first and second tropopause of DTs is studied with a revised version of the UK Universities Global Atmospheric Modelling Programme Offline Trajectory Code(Version 3) diabatic trajectory model. The results show that,in the lower or middle troposphere,air is transported into the DTs from lower latitudes,mainly in the tropics. The dominant source regions are mainly areas of deep convection and steep orography,e.g.,the western Pacific and Himalayan Mountains,and they show strong seasonality following the seasonal shift of these strong upwelling regions.     

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.     

利用探空资料验证GOME卫星臭氧数据

利用1996年3月-2003年6月部分时段拉萨、西宁、北京3个站的臭氧探空资料验证了GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）卫星臭氧廓线及对流层臭氧柱总量。对比结果表明:在对流层中下层,拉萨和西宁两地GOME与探空的平均偏差小于5%,北京地区平均偏差小于10%;在对流层上层/平流层下层,拉萨和西宁平均偏差小于10%,北京小于20%;在平流层中上层3个站的平均偏差均小于5%。在对流层上层/平流层下层区域,GOME与臭氧探空的平均偏差在北京明显高于拉萨和西宁。3个地区对流层柱总量的平均偏差都在10%以内,表明该资料可用于研究我国对流层臭氧总量的变化规律。同时段的GOME最低层（0~2.5km）月平均臭氧浓度对比结果显示,GOME结果同地面臭氧观测值有很好的相关性,GOME臭氧浓度反映了拉萨、瓦里关、临安地面臭氧浓度的主要变化特征。