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)。     

深对流云向平流层的水汽垂直输送问题研究进展

水汽是一种比CO₂温室效应更强的温室气体,在平流层中为光化学反应提供氢氧自由基,凝结成冰晶后还能为臭氧的消耗提供非均相化学反应界面,从而加速臭氧的消耗,因而对气候有重要影响.深对流云对水汽的垂直输送是平流层水汽的重要来源之一,因此研究深对流云向平流层的水汽输送可以为研究气候变化提供参考.回顾了近年来关于深对流云向平流层的水汽垂直输送问题的研究进展,包括水汽垂直输送到平流层的证据、穿透性深对流云的识别方法、水汽被深对流云垂直输送到平流层的机理以及穿透性深对流云对平流层湿度作用的影响因子4个方面,并进行了小结和展望.     

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。     

赤道低平流层纬向风垂直切变与对流层环流及东亚季风的关系

在以赤道低平流层纬向风垂直切变为依据划分平流层QBO位相的基础上，讨论了赤道低平流层纬向风QBO与对流层环流及东亚季风的关系。结果表明：强冬季风和弱夏季风对应着赤道低平流层纬向风的东风切变位相，强夏季风和弱冬季风对应着赤道低平流层西风切变位相，赤道低平流层纬向风QBO对对流层环流有一定影响，冬春季节平流层与对流层的相互作用比夏秋季节明显。     

全球变暖趋缓背景下辽宁夏季降水变化及水汽输送特征

利用中国气象数据网提供的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中的降水数据以及ERA-Interim逐月再分析资料对全球变暖趋缓背景下(1998年后)辽宁夏季降水变化特征及水汽输送对其的影响进行研究.结果表明:全球增暖减缓背景下,辽宁夏季降水量存在一定的增加趋势,但趋势较弱,其中辽宁南部降水的增加趋势较其他地区显著,对...     

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.     

赤道低平流层纬向风垂直切变与对流层环流及东亚季风的关系

在以赤道低平流层纬向风垂直切变为依据划分平流层QBO位相的基础上,讨论了赤道低平流层纬向风QBO与对流层环流及东亚季风的关系.结果表明强冬季风和弱夏季风对应着赤道低平流层纬向风的东风切变位相,强夏季风和弱冬季风对应着赤道低平流层西风切变位相,赤道低平流层纬向风QBO对对流层环流有一定影响,冬春季节平流层与对流层的相互作用比夏秋季节明显.     

1980-2000年北极平流层冬季十年际变化形势的逐月演变

采用1980-2000年的ERA-Interim再分析资料,计算北半球冬季各月(12月、1月、2月)行星波的Eliassen-Palm(EP)通量及其散度,并按冬季不同月份分析平流层整层温度和纬向风场的十年际变化特征与行星波活动变化的关系.结果 表明,温度的十年际变化在高纬度中下平流层12月呈明显增温趋势,1月转为较弱...     

低平流层准两年变率研究

分析NCAR/NCEP40年再分析资料得出,赤道低平流层纬向风年际变率的平均周期约28.2个月,最大振幅在20hPa,西(东)风距平垂直下传平均速度1.21(1.04)km/月。用10hPa和70hPa月平均纬向风标准化距平之差可反映整层准两年变率的相位,低平流层两半球中纬气温有与之配合的振荡,西(东)风切变时,中纬气温偏低(高)。赤道纬向风准两年变率引起的经圈环流异常是联系低纬纬向风与中纬气温准两年变率的纽带。     

赤道低平流层纬向风垂直切变与ENSO变率的关系

利用NCEP／NCAR 40a再分析资料研究了赤道低平流层纬向风垂直切变与ENSO变率间的关系。结果得出，赤道低平流层纬向风的垂直切变呈现明显的准两年振荡，SOI和Nino3区SSTA的准两年周期成分与赤道低平流层纬向风垂直切变分别呈现反位相和同位相关系。赤道低平流层西（东）风切变位相时，OLR、1000hPa高度，2000hPa高度和温度、850hPa温度等要素的距平分布与其在El Nino(La Nina)时段的分布相似。     

纬向平均的气候温度场特征分析

利用40aNCEP/NCAR全球再分析资料所给定的图,分析了季(月)平均温度场的纬向平均分布,得出了温度随高度的分布特征,温度随纬度的变化特征,温度随季节变化和时间演变的分布特征。     

温度和纬圈平均西风等气象要素对赤道的对称分布和反对称分布

把任一气象要素分为对赤道对称和对赤道反对称的两部分,利用Oort等的气候资料进行分析,发现在全年中,许多气象要素,如500和1000百帕纬圈平均的高度、温度和西风等,主要呈对称分布。对称部分的绝对值和其沿经圈分布曲线的起伏,都远远大于其反对称部分的对应值。而且,对称部分的曲线起伏,除1000百帕的西风和高度不太明显外,在1—7月普遍呈减小的趋势。至于反对称部分,其变化趋势则与对称部分相反。为了解释上述现象,还对年平均的非绝热加热、摩擦和地形等进行了分析。发现地面拔海高度的反对称部分最明显。在12—2月和6—8月,净辐射、地面雷诺应力、地面（包括海洋）和大气之间的热交换（包括辐射、感热和潜热）的反对称部分也很明显,有时和对称部分相当,甚至超过;但它们在这两个季节的沿经圈分布的位相是相反的。这看来和上述气象要素中反对称部分的产生,以及对称运动维持及其随季节变化有密切关系。     

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。     

中国西部空中水汽分布结构特征

利用1958-1997年月平均NCEP比湿资料研究了中国西部空中水汽分布特征。结果表明：水汽的垂直分布结构非常相似，850hPa以上的水汽分布中心位于青藏高原上空，5-10月水汽含量主要集中在500hPa以下，其中7月的空中水汽含量最丰沛。水汽含量随高度减少，从季节变化来分析，夏季最大、秋季次之、冬季最小。40a的水汽年代际变化表明，夏季空中水汽含量呈现线性下降趋势，特别是20世纪90年代以来更明显；冬季比湿呈线性上升趋势，1月和7月比湿的年代际变化趋势呈反位相特征。     

天山山区水汽和云水含量的空间分布特征

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,分析了1979～2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示：(1)水汽含量的高值中心出现在伊犁河谷地区,中心值域在10—11kg m-2之间,低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近,中心值域在5—6kg m-2之间;夏季水汽含量最丰富,在8—11kg m-2之间。(2)云液水含量的高值区出现在博格达山北坡,而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区,低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区;夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势,云冰水含量较云液水减少的更为明显,下降速率为0.28kg kg-1/10a;(3)垂直分布上,云液水含量在600hpa左右的高空出现高值区,中心最大值为10kg kg-1;云冰水含量的高值区则出现在500hpa左右的高空,为11kg kg-1;在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水,且云冰水发展的高度较云液水更高。     

山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征

利用山东省气象站的降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料,分析了1962-2016年山东夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律,探讨了夏季降水与水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源。结果表明:从常年值来看,山东平均夏季降水量为401.2 mm,大气可降水量为3478.8 mm,降水转化率为11.5%。降水转化率和降水量的时空演变特征更加一致,经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切,当大气可降水量充沛、外部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时,更加有利于山东南部地区降水的发生发展,从而形成夏季降水量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地,巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是重要的冷空气输送区域;当山东上游盛行偏西风时,自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽扰动并发展,是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件。     

0509号台风"麦莎"进入山东前后水汽分布特征

通过对0509号台风“麦莎”进入山东前后云图和可降水量、比湿、水汽通量等反映水汽含量的物理量场分析,发现台风在移动过程中对应的水汽云团和水汽场都存在突然增强的现象。分析风场资料发现,对流层中低层的南风急流使向北的水汽通量增大,从而造成水汽的强辐合,引起水汽场的突然增强,也是云团增强的重要原因。     

重庆地区空中水资源的时空分布特征

利用1987—2006年重庆及其周边地区11个站的探空资料,通过计算水汽含量、水汽通量等参量,分析了重庆地区上空水汽含量和水汽输送的时空分布特征。结果表明,重庆地区空中水汽含量在夏季最大,冬季最小;南部、西部较多,北部、东部较少。绝大部分的水汽含量集中在500 hPa以下。重庆地区的水汽主要来源自西边界的西风水汽输送和南边界的西南风水汽输送;重庆大部分地区上空的水汽输送多以辐合为主,尤其在重庆西部地区更为明显,进行人工增雨潜力较大。     

川渝地区空中水资源分布及水汽输送特征

利用NCEP/NCAR全球1948~2003年共56年月平均再分析网格点(2.5°×2.5°)资料,计算并分析了川渝地区(100~110°E,25~35°N)空中水资源的逐年变化特征、时空分布、水汽输送特征、水汽收支状况以及大气可降水能力。结果表明:近56年来,川渝地区整层水汽含量总体是略呈下降趋势,但夏冬两季水汽呈上升态势;区域内水汽含量的水平分布表现为以四川盆地东南部至重庆涪陵为湿中心,自东南向西北逐渐减少的趋势;水汽输送以西南和东南方向为主;全年水汽收支呈现净输入的状态;秋、夏、春三季皆有较大的可降水量,空中潜在水资源丰富。