热带平流层与对流层之间相互作用的研究进展

以热带平流层和对流层大气中的准两年振荡和ENSO现象,以及热带平流层和对流层交换（STE）过程为主轴,介绍了热带平流层和对流层大气相互作用方面的一些研究进展。众多的研究结果表明,平流层准两年振荡（QBO）和对流层准两年振荡（TBO）存在潜在联系,但二者之间相互作用的物理机制还不是很清晰。QBO对平流层大气中化学成分的空间分布具有显著的影响,但其中的化学-辐射-动力反馈作用目前还未得到充分的研究。以往的研究提供了ENSO影响热带平流层大气令人信服的证据,但影响的程度和范围还未形成一个共识,其中一个原因是平流层内的ENSO信号受到火山喷发和太阳活动的干扰。一些研究指出ENSO事件通过改变行星波的强度和传播对极地平流层大气产生影响,而平流层过程也会对ENSO的发生、发展和演变产生影响,但其可靠性需要进一步的确证。目前,一个较一致的结论是全球变暖会导致热带上涌增强,STE加快。然而,影响热带STE的大气过程较多,特别是季风系统和热带深对流系统对STE的贡献还需要深入的分析研究。      

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。     

7个CMIP5模式的平流层、对流层温度趋势与SSU/MSU观测资料的对比

采用1979—2005年美国大气海洋局(NOAA)的卫星观测资料和IPCC第5次全球气候变化比较试验(CMIP5)的模式资料,对全球对流层和平流层近26 a的气温趋势进行了研究。结果表明,CMIP5模拟的全球平均大气温度趋势与观测结果较一致,能够再现平流层冷却和对流层增温等特点,但是在气温趋势的经纬度分布上,模式资料与观测资料间存在较大差异,同时模式间也存在明显的不一致。与观测资料相比,CMIP5模式资料低估了平流层在热带地区的降温速率,而且明显高估了对流层中部到平流层下层的南极区域的降温趋势。不同CMIP5模式间的最大标准方差出现在平流层的南北极区域,但是在对流层所有纬度上标准方差都保持着较小值。     

平流层臭氧变化对对流层气候影响的研究进展

平流层对对流层的作用是准确评估、预测对流层气候变化的一个重要方面。其中平流层成分尤其是臭氧的变化,可以改变平流层乃至对流层的辐射平衡,从而影响平流层、对流层的热动力过程。本文从辐射、动力2个角度介绍了平流层臭氧影响对流层气候变化的若干研究进展。平流层臭氧可以通过长短波辐射的方式对对流层大气造成辐射强迫,利用大气化学气候模式可以定量计算平流层臭氧变化引起的辐射强迫,但是辐射强迫的估算受模式中辐射传输模块本身缺陷的影响存在不确定性。动力方面,平流层臭氧变化产生的辐射效应可以改变温度的垂直和经向梯度,造成波折射指数的变化,进而影响平流层甚至对流层内波的折射与反射,通过上对流层下平流层区域内的波—流相互作用,对对流层气候产生影响。另外,南极臭氧损耗可通过大气环状模影响冬春季中高纬度对流层的天气气候,但是其影响的强度大小以及物理机制仍需进一步的确认。值得注意的是,北极平流层臭氧的变化与北半球中高纬度气候变化之间的关系相比南半球要更加复杂,需要更为深入的研究。     

1979—2011年热带对流层顶高度线性趋势变化的因子贡献及其年际变率成因探讨

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料分析了近30年(1979—2011年)热带(0~360 °E,20 °S~20 °N)对流层顶高度变化,结果显示其高度有明显的线性上升趋势,近30年气压下降了3.5 hPa。其中对流、臭氧和对流层温度的贡献分别为13.3%、27.26%和57.31%。在去除线性趋势后,热带对流层顶气压表现出了显著的年际变率,主要周期峰值为18.2、28.6和40个月。其中臭氧和热带对流层温度都对18.2个月的周期有贡献,而臭氧和热带对流层温度18.2个月的周期很可能是由北半球的季风环流引起的;28.6个月的周期主要源于臭氧总量的准两年周期变化,而后者是由热带平流层低层纬向风场的准两年振荡引起的;热带对流层顶气压40个月的周期似乎源于ENSO循环引起的对流层温度变化。      

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.     

中国及邻近地区污染排放对对流层臭氧变化与辐射影响的研究

利用双向耦合的区域气候模式和大气化学模式系统, 研究了中国与邻近地区人为污染排放引起对流层臭氧变化和产生的辐射强迫.结果表明, 污染排放对对流层臭氧含量的影响有明显的季节变化, 对北方的影响不如南方显著, 西部的季节变化稳定且小于东部, 内陆污染地区各季节臭氧柱含量的变化量均较高.对整个模拟区域而言, 臭氧变化量的年平均值为30.928 DU, 春季最大为32.168 DU, 而空间分布变化在12～38 DU之间.臭氧变化量对北方地区辐射的影响较小, 而对低纬和华东地区影响较大, 臭氧变化量引起的晴空地气系统短波辐射强迫、长波辐射强迫的平均值分别是0.185 W·m-2和0.464 W·m-2, 标准化短波辐射强迫与净辐射强迫值为0.006 W·m-2·DU-1和0.021 W·m-2·DU-1.气候反馈过程对对流层臭氧含量的影响范围在-0.470～0.752 DU之间, 包含气候反馈过程的区域年平均臭氧变化量是30.942 DU.在气候反馈条件下, 臭氧变化量的短波和长波辐射强迫分别是0.249 W·m-2及 0.482 W·m-2, 标准化的短波与净辐射强迫值为0.008 W·m-2·DU-1和0.024 W·m-2·DU-1.臭氧变化量导致地表温度的变化范围在±0.80 K之间.     

沿120°E中纬度对流层—平流层下部气候变化及与臭氧变化的联系

利用1958~1995年海拉尔、沈阳、南京三地区地面至30 hPa标准层月平均气温资料,研究了近40年沿120°E、30°~50°N区域气候变率随高度、纬度和季节的分布特征,前、后两个20年气候变率的变动及其与亚欧不同地区臭氧变化的联系。结果指出：近20年来,该区域对流层中下部变暖速率随纬度显著增大,尤其在冬季;200 hPa以上变冷速率亦随高度及纬度显著增大,尤其在冬、春季。而前、后两个20年,高、低层气候变化趋势截然相反,这是一种年代际尺度气候变化。三地区各季节平流层下部变冷率（对流层中下部变暖率）随纬度增高而加大与邻近同纬带地区臭氧减少率随纬度增高而加大的现象基本对应,表明平流层下部因臭氧减少引起的辐射加热减少,可能是支配我国东部平流层下部变冷率（对流层中下部变暖率）随纬度增高而显著加大的一个重要因子。     

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。     

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.     

Trends of Lower-to Mid-Stratospheric Water Vapor Simulated in Chemistry-Climate Models

Using the outputs from 16 chemistry-climate models(CCMs), the trends of lower- to mid-stratospheric water vapor(WV) during the period 1980–2005 were studied. Comparisons were made between the CCM results and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) Interim Reanalysis(ERA-Interim).The results of most of the CCMs, and those based on ERA-Interim, showed the trends of lower- to mid-stratospheric WV during the period 1980–2005 to be positive, with the extent of the trend increasing with altitude. The trend of lower- to mid-stratospheric WV in the ensemble mean of the CCMs was 0.03 ppmv per decade,which was about twice as large as that based on ERA-Interim. The authors also used a state-of-the-art general circulation model to evaluate the impacts of greenhouse gas(GHG) concentration increases and ozone depletion on stratospheric WV. The simulation results showed that the increases of lower- to mid-stratospheric WV affected by the combined effects of GHG and ozone changes happened mainly via warming of the tropopause and enhancement of the Brewer-Dobson circulation(BDC), with the former being the greater contributor.GHG increase led to a higher and warmer tropopause with stronger BDC, which in turn led to more WV entering the stratosphere; while ozone depletion led to a higher and cooler tropopause, which caused the decreases of lowerto mid-stratospheric WV, despite also causing stronger BDC.     

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。     

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。     

广西热带气旋特征变化与灾损变化态势

运用线性倾向估计法,分析1951～2012年影响广西热带气旋频数和强度变化及1984～2012年热带气旋灾害失情况.结果显示：8、9月的热带气旋频数呈明显减少趋势;热带气旋年频数呈减少趋势;热带气旋频数年代际变化表现为近10年最少.热带气旋最大强度呈不显著减弱趋势,平均强度呈不显著增强趋势.29年间,热带气旋造成的受灾人口明显增多,死亡人数明显减少;农作物受灾率和绝收率、房屋倒塌数量以及直接经济损失总体变化趋势均不明显.     

皖北地区对流层顶气象特征分析

利用阜阳高空气象站2007—2011年08时的对流层顶气象资料,运用统计学方法,对皖北地区两类对流层顸的气象特征进行分析。结果表明：极地类对流层顶与热带类对流层顶大部分时间并存于皖北地区上空,7、8、9月极地类对流层顶消失;热带类对流层顶的高度先扬后抑,5月最高,11月最低,温度先降后升,12月最高,9月最低;极地类对流层顶的高度上半年不断抬高,下半年依次走低,温度年头高、年中低;两类对流层顶季节性特征的变化大体上呈正相关关系,极地类对流层顸季节性变化较大。     

Evaluation of the Ocean Feedback on Height Characteristics of the Tropical Cyclone Boundary Layer

In this study, the interaction between the tropical cyclone（TC） and the underlying ocean is reproduced by using a coupled atmosphere-ocean model. Based on the simulation results, characteristics of the TC boundary layer depth are investigated in terms of three commonly used definitions, i.e., the height of the mixed layer depth（HVTH）, the height of the maximum tangential winds（HTAN）, and the inflow layer depth（HRAD）. The symmetric height of the boundary layer is shown to be cut down by the ocean response, with the decrease of HVTH slightly smaller than that of HTAN and HRAD. The ocean feedback also leads to evident changes in asymmetric features of the boundary layer depth. The HVTH in the right rear of the TC is significantly diminished due to presence of the cold wake, while the changes of HVTH in other regions are rather small. The decreased surface virtual potential temperature by the cold wake is identified to be dominant in the asymmetric changes in HVTH. The impacts of ocean response on the asymmetric distributions of HTAN are nonetheless not distinct, which is attributed to the highly axisymmetric property of tangential winds. The HRAD possesses remarkable asymmetric features and the inflow layer does not exist in all regions, an indication of the inadequacy of the definition based on symmetric inflow layer depth. Under influences of the cold wake, the peak inflow area rotates counterclockwise distinctly. As a consequence, the HRAD becomes deeper in the east while shallower in the west of the TC.     

北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究

使用1979～2005年NCEP/NCAR 再分析数据,分析了北半球平流层中低层（300 hPa至10 hPa）纬向风的季节转换规律,并采用二维空间场相似性方法确定了平流层的季节过渡日期。分析表明,平流层大气环流基本为冬夏二元状态,冬夏转换具有突变性;其季节过渡在纬向是接近同步进行的,而在经向则有时间差异,无论是冬夏转换还是夏冬转换高纬都要早于低纬。在平流层中部（10～70 hPa）季节过渡是自上而向下进行的;而在平流层下部（100～200 hPa）季节过渡的上下传递关系则比较复杂,在不同的纬度带有不同的表现。在北半球热带外地区,平流层中部东风期的起止日期与相似性方法计算得到的平流层季节过渡日期之间具有较好的对应关系,在东风期之前和之后往往各存在持续10天左右的零风—弱风期。     

一次南方冷季降水过程揭示的热带水汽羽与降水的关系

利用逐日降水量资料、FY-2E卫星资料以及NCEP/NCAR再分析资料,对2012年1月13~16日的一次南方冷季降水过程进行分析,剖析了热带水汽羽形成的水汽输送源和动力机制,及其与降水的关系。分析表明,热带水汽羽不但表征了中高层孟加拉湾水汽的输送,它实际上反映了对流层整层水汽的输送、辐合,低层南海水汽输送带为水汽羽的维持和降水的产生做出了贡献;高空槽前急流与低空切变线的耦合促使了上升运动的形成,导致降水的产生。后期高空槽的移动填塞致使急流轴发生移动及转向,从而引导了热带水汽羽的移动,最终导致热带水汽羽的断裂消亡;热带水汽羽上不存在强对流云团,未形成强对流过程,但由于水汽输送条件较好,配合弱的上升运动产生了这次强降水过程。     

The Uncertainty of Tropical Cyclone Intensity and Structure Based on Different Parameterization Schemes of Planetary Boundary Layer

Based on different parameterization schemes of planetary boundary layer (PBL), the uncertainty of intensity and structure of the Super-strong Typhoon Rammasun (1409) is investigated using the WRF model (v3.4) with six PBL parameterization schemes. Results indicate that PBL uncertainty leads to the uncertainty in tropical cyclone (TC) prediction, which increases with forecast time. The uncertainty in TC prediction is mainly reflected in the uncertainty in TC intensity, with significant differences in the TC intensity forecasts using various PBL schemes. The uncertainty in TC prediction is also reflected in the uncertainty in TC structures. Greater intensity is accompanied by smaller vortex width, tighter vortex structure, stronger wind in the near-surface layer and middle and lower troposphere, stronger inflow (outflow) wind at the lower (upper) levels, stronger vertical upward wind, smaller thickness of the eye wall, smaller outward extension of the eye wall, and warmer warm core at the upper levels of eye. PBL height, surface upward heat flux and water vapor flux are important factors that cause the uncertainty in TC intensity and structure. The more surface upward heat flux and water vapor flux and the lower PBL height, the faster TC development and the stronger TC intensity.