青藏高原深对流及其在对流层—平流层物质输送中作用的研究进展

深对流能够向上对流层—下平流层（UTLS）输送大量水汽和污染物,对对流层顶的辐射平衡、平流层的臭氧恢复以及全球气候变化都有着重要的影响。近年来,一系列重要的观测事实发现,青藏高原和亚洲季风区是对流层向平流层物质输送（TST）的重要窗口。本文介绍了近年来取得的一些主要进展和成果,包括:（1）通过卫星观测在青藏高原—亚洲季风区上空发现水汽、气溶胶的极大值区和臭氧的极小值区;（2）深对流活动的主要观测途径和通过卫星观测识别深对流的方法;（3）青藏高原深对流向平流层物质输送的物理过程;（4）青藏高原深对流与亚洲季风区、热带海洋地区深对流的结构差异以及不同环境场对深对流物质输送过程的影响。     

青藏高原及周边UTLS水汽时空特征的多源资料对比

利用Aura卫星微波临边观测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)数据,评估了ERA-I、MERRA、JRA-55、CFSR和NCEP2等5套再分析资料的水汽数据在青藏高原及周边上对流层-下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)的质量,然后选取其中质量较好的两套水汽数据,分析它们对青藏高原及周边UTLS水汽的时空分布和演变的表征能力。结果表明,与MLS数据相比,5套再分析资料中在UTLS普遍偏湿,最大偏湿在上对流层215 hPa,约为165%,而在下平流层,ERA-I和MERRA与MLS的差异相对较小。总的来看,ERA-I和MERRA表征的水汽与MLS更为接近。进一步的对比表明,ERA-I和MERRA中青藏高原及周边水汽含量的时空分布与MLS较为接近,夏季能够表征青藏高原在纬向和经向上的水汽高值区,冬季能够表征对流层顶、西风急流中心附近的水汽梯度带,而且MERRA的结果要好于ERA-I。ERA-I、MERRA和MLS中青藏高原地区的水汽季节演变都表现为冬季1-2月水汽含量低,夏季7-8月水汽含量高,水汽的季节变化在200~300 hPa最大。MLS资料显示,在青藏高原地区对流层顶附近,存在随时间向上向极的水汽传输信号。相较而言,ERA-I对向上水汽传输信号的表征更好,而MERRA对下平流层(100 hPa)向极水汽传输信号的表征更好。     

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.     

青藏高原周边对流层顶的时空分布、热力成因及动力效应分析

利用多套、多种再分析资料的逐日气候平均场,通过对比分析,揭示了青藏高原周边区域对流层顶分布及其季节演变的独特特征,并分析了其热力成因以及气候学效应。结果表明,与同纬度的落矶山和太平洋地区相比,青藏高原及伊朗高原区域对流层顶高度的冬夏变化幅度更大。冬季副热带对流层顶断裂带（热带对流层顶与极地对流层顶之间高度剧烈变化的过渡带）位于青藏与伊朗两个高原上空,春季开始两个高原上空对流层顶抬升迅速,夏季最高可超过热带对流层顶的高度（超过100 hPa）,成为同纬度甚至全球对流层顶最高点。青藏与伊朗两个高原上空对流层顶的剧烈抬高,对应两个高原上空大气气柱比同纬度明显偏暖,同时伴随着青藏与伊朗两个高原上空位势涡度值的明显降低。因此,在青藏与伊朗两个高原区域,由春至夏等熵面强烈下凹,同时等位涡面剧烈抬升;夏季时等位涡面及对流层顶断裂带在青藏高原北部成近乎上下垂直分布,与南北倾斜分布的等位温面接近正交分布。这种特征与夏季同纬度其他地区相对平缓的对流层顶断裂带、等位涡面以及等熵面的经向分布形成强烈对比。进一步研究发现,青藏与伊朗两个高原上空由春至夏迅速发展的强大热源是引起上述对流层顶变化特征的主要原因。不同的是,青藏高原上空主要由发展强烈的对流凝结潜热所主导,而伊朗高原上空则主要由绝热下沉加热引起;此外,由春季至夏季,随着青藏高原地区对流层顶与等熵面剧烈相交分布的形成,南亚高压也逐步控制青藏高原上空,在南亚高压东缘盛行的偏北气流作用下,中高纬度平流层的高位涡空气得以在青藏高原东缘及东亚地区沿剧烈倾斜的等熵面被输送到较低纬度的对流层。与降水的季节演变对比可知,平流层高位涡输送的出现、加强和减弱与夏季降水的发展、加强与减弱成同步对应关系。从而证实了青藏高原影响夏季东亚地区形成独特气候格局的事实,说明在这种影响过程中,平流层-对流层动力相互作用过程不可忽视。      

南海夏季风期间水汽输送的气候特征

通过分析NCEP/NCAR 1973～1998年(共26年)4～8月的再分析比湿场和风场资料,研究了南海夏季风期间的水汽输送特征.夏季,东亚上空水汽水平输送特征在各月有很大差异,这是夏季风环流系统演变的结果.孟加拉湾南部地区是中国长江中下游和南海地区重要的水汽源地,来自上游孟加拉湾南部地区的水汽输送对南海季风的爆发具有重要意义.经向水汽输送主要有利于20～30°N之间华南地区的水汽辐合.从总的收支看,南海地区是一个水汽汇区.南海季风爆发早晚年的水汽输送通道存在明显差别.在爆发偏早年,从赤道印度洋到南海地区的输送通道建立早且维持时间长,4～5月南海易成为水汽辐合区;在偏晚年,南海地区水汽则是辐散的,不利于形成季风性降水.南海季风爆发早晚年与长江中下游旱涝年的水汽输送有一定联系.     

青藏高原东北侧臭氧垂直分布与平流层-对流层物质交换

利用臭氧和温度探空廓线,结合NCEP/NCAR资料、TOMS臭氧总量卫星观测资料和NOAAHYSPLIT后向轨迹模式资料,通过个例分析探讨了影响青藏高原(下称高原)附近臭氧垂直分布的因子和过程。结果表明,动力过程是影响高原上空臭氧垂直分布的主要因子,特别是中高纬度高臭氧浓度的空气向南入侵会导致高原上空臭氧浓度的升高,影响高原上空臭氧低谷的范围大小和形态;尽管大气化学过程对高原上空的平流层下层臭氧垂直分布的影响并不显著,但是高原上空的平流层臭氧变化与温度变化具有较好的一致性。同时还发现,对流层上层的强反气旋系统,特别是中高纬度阻塞高压的边缘有明显的平流层空气向对流层入侵,从而导致对流层内臭氧浓度的增加。     

副热带东亚季风区一次穿透性对流过程影响下平流层成分变化的个例分析

穿透性对流是导致北半球夏季平流层低层南亚高压内水汽极值形成的重要机制之一,关于副热带东亚季风区穿透性对流是否对平流层低层水汽等物质分布存在影响目前尚不清楚。本文选取2016年的武汉暴雨事件,采用Cloudsat和Aura Microwave Limb Sounder（MLS）卫星数据,分析了东亚季风区的穿透性对流活动对上对流层/下平流层物质分布的影响。利用CloudSat卫星资料云分类产品和Aura MLS卫星数据联合分析武汉暴雨过程中捕捉到1次穿透性对流事件,该事件发生于2016年7月4日05时（协调世界时）的穿透性对流,中心位于海上梅雨带区域。分析表明,这次对流穿透事件对上对流层/下平流层物质分布有显著影响,穿透性对流活动影响到对流层顶以上的物质分布,具体表现是:首先,穿透性对流显著减少了局地对流层顶附近的臭氧含量,较之气候态对流层顶臭氧含量偏少32.53%;其次,穿透性对流能够增加局地对流层顶附近的水汽混合比含量,它通过更多的云冰粒子蒸发来增强局地平流层水汽含量,同时通过更强的垂直水汽输送来直接加湿平流层。此次穿透性对流事件对水汽变化影响较之对臭氧含量变化的影响更为显著,它使得对流层顶水汽混合比增加近乎一倍（98.15%）。因此,副热带东亚季风区的穿透性对流活动对于对流层向平流层的物质输送起着重要的作用。     

利用卫星大气成分资料分析夏季亚洲季风区平流层-对流层输送特征

首先利用臭氧探空资料验证了Aura-MLS卫星反演臭氧产品在青藏高原地区的可信度, 然后基于2005年和2006年夏季的数据产品确定了亚洲季风区夏季对流层向平流层的输送通道。结果表明, 青藏高原及其周边区域上对流层－下平流层（UT/LS）中, 一氧化碳(CO)和臭氧（O3）浓度散点分布大体上呈现出典型的“L”型分布, 夏季季节内变化反相关特征表现最明显的高度位于150 hPa附近。从时间变化上看, 7月份相关系数最大, 说明该月份对流层－平流层物质交换最为强烈。100 hPa高度位于对流层顶高度以上, 具有对流层特性的大气主要分布在青藏高原东南侧、 孟加拉湾、 印度半岛、 阿拉伯海以及阿拉伯半岛等区域上空, 说明该区域可能是亚洲季风区夏季对流层向平流层物质输送的一个主要通道。     

青藏高原和亚洲夏季风动力学研究的新进展

亚洲夏季风环流受海陆和伊朗高原—青藏高原大地形的热力作用调控.亚洲季风所释放的巨大潜热又对大气环流形成反馈.这种相互反馈过程十分复杂,揭示其物理过程对理解气候变化格局的形成和变化以及提高天气预报及气候预测的准确率十分重要.夏季北半球副热带对流层上层环流的主要特征是存在庞大的南亚高压(SAH)以及强大的对流层上层温度暖中心(UTTM).本文介绍了温度—加热垂直梯度(T-Q_Z)理论的发展,并用以揭示SAH和UTTM的形成机制.指出沿副热带欧亚大陆东部的季风对流潜热加热及其中西部的表面感热加热和高层长波辐射冷却是导致SAH和UTTM在南亚上空发展的原因.文中还介绍了Gill模型用于上部对流层研究的局限性及解决的办法.     

青藏高原UT/LS夏季CO的季节内变化特征及可能影响因子分析

基于2005、2006年夏季大气微波临边探测仪(MLS)探测的青藏高原上对流层-下平流层(UT/LS)一氧化碳(CO)和臭氧浓度数据,分析了其浓度的季节内变化特征并对可能机制进行了初步探讨。结果表明,青藏高原及其周边区域UT/LS是大气痕量成分的异常区,具有对流层特性的一氧化碳和具有平流层特性的臭氧在时间变化呈现出反位相变化特征;UT/LS大气成分的变化存在两个主要季节内振荡(ISO)周期,即10～20天和30～60天,但不同的高度上具有不同的表现特征,UT主要表现为10～20天的季节内振荡,而LS主要表现为30～60天的季节内振荡;这两个振荡周期分别和夏季对流活动以及南亚高压的季节内变化具有同位相特征,说明上述两个因子可能是影响该区域不同高度的大气痕量成分季节内振荡的两个主要动力过程。      

西南地区一次对流复合体调控下的对流层向平流层输送的特征及机制

利用WRF模式对2009年6月发生在西南地区的一次中尺度对流复合体(Me-soscale Convective Complex,MCC)天气过程进行了数值模拟,结合HYSPLIT拉格朗日轨迹分析,研究了此次强对流天气调控下的对流层向平流层输送(Troposphere-to-Strat-osphere transport...     

亚洲夏季风爆发的深对流特征

文中应用ＮＯＡＡ卫星反演的１９８０～１９９５年候平均对流层上部水汽亮温（ＢＴ）资料、向外长波辐 射（ＯＬＲ）资料和美国ＮＭＣ全球分析８５０　ｈＰａ风资料与美国ＣＭＡＰ降水资料作了对比分析，发现Ｂ Ｔ能够较好地反映中低纬度地区的深对流降水，偏南风场辐合区与深对流降水有比较一致的 关系，而ＯＬＲ不能反映热带外地区的对流降水。ＢＴ资料所具有的这一特征可以应用于亚洲夏 季风爆发过程的深对流特征分析。ＢＴ描述深对流的临界值是２４４　Ｋ。亚洲季风区是全球深对 流季节变化范围和强度最大的地区。赤道外地区的夏季风爆发可以定义为来自热带地区深对 流的季节扩张。中南半岛上的夏季风对流发生在南海夏季风爆发之前。华南前汛期深对流是 中低纬系统相互作用的结果。第２８候，南海夏季风的突然爆发在降水、风场和卫星反演 的深对流特征上都有明确的反映。南海夏季风爆发后，印度夏季风对流由南向北逐渐爆发， 青藏高原东侧和中国东部沿海的夏季风对流向北推进早于中国中部地区。     

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。     

青藏高原积雪对亚洲夏季风影响的诊断及数值研究

通过对青藏高原多、少雪年的合成分析及数值试验，研究了青藏高原积雪对亚洲 夏季风和我国东部气候异常的影响。结果表明:青藏高原积雪造成亚洲大气环流较大的年际变化。高原积雪改变了高原陆面春、夏季的热状况，使亚洲夏季风爆发推迟20天左右。高原积雪通过以下物理过程影响亚洲夏季风和我国东部气候:高原积雪多(少)→高原春、夏季的感热弱(强)→感热加热引起的上升运动弱(强)，高原强(弱)环境风场→不利(有利)于高原感热通量向上输送→高原上空对流层加热弱(强)→高原对流层温度低(高)→高原南侧温度对比弱(强)→造成亚洲夏季风弱(强)→我国长江流域易涝(旱)。     

2012年冬春季高原积雪异常对亚洲夏季风的影响

利用罗格斯大学积雪遥感资料、NCEP/NCAR再分析格点资料和NOAA陆地降水分析数据PREC/L,从2011/2012年冬春季青藏高原积雪偏多现象与亚洲夏季风的观测事实与以往研究结果不一致出发,诊断分析了2011/2012年冬春积雪与亚洲夏季风的可能联系。结果表明：2012年春季和前期冬季,青藏高原主体上空对流层主要为气旋性环流距平且气温偏低,这与积雪偏多年的环流特征一致。尤其在90°E以西,自青藏高原到热带地区,前期冬春季对流层中部气温表现为北冷南暖的距平特征,有利于夏季自热带印度洋到高原温度梯度偏弱,造成南亚夏季风偏弱。但是在90°E以东的高原东部到东亚地区及其南侧的低纬度地区,对流层温度距平为北正南负型,温度梯度偏弱,有利于亚洲东南部大气环流冬夏季节转换偏早,南海夏季风爆发偏早,东亚夏季风偏强,这种环流特征受到高原以外的其他外强迫信息的影响。2011/2012年冬春季积雪偏多特征可能对南亚夏季风偏弱有重要贡献,而对东亚夏季风的影响不明显。     

亚洲夏季风区中尺度地形降水结构及分布特征

采用高分辨率TRMM、AIRS卫星实测资料, 从气候态的降水微物理过程角度分析了亚洲夏季风期间中尺度山脉对不同性质降水垂直结构和水平分布的影响。研究表明, 中尺度山脉迎风、背风坡均以层云降水为主, 层云降水强度在迎风坡强于背风坡; 对流降水在迎风坡主要为浅对流, 背风坡主要为深对流, 对流降水强度在背风坡强于迎风坡。沿西南季风推进方向依次经过的中尺度山脉, 其两侧发生降水像素个数、 降水微物理特征等差异逐渐减小, 其中, 对流降水迎风坡向背风坡转变明显, 而层云降水背风坡向迎风坡转变明显。大气稳定度与对流降水在迎风、背风坡的分布相一致。另外, 对中尺度地形降水的研究为区域气候模式模拟高精度地形降水分布提供了实测依据。     

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。     

欧亚大陆冷季积雪与亚洲夏季风的关系:区域特征与季节性

主要回顾了欧亚大陆冷季积雪与亚洲夏季风的关系,特别是积雪对季风演变和强度的影响。从Blanford(1884)着眼喜马拉雅山测站积雪开始,到20世纪70年代卫星测量的大范围雪盖资料的问世,直至近几十年来全球气候模式模拟与资料分析的结合,回顾了人们在不同时期对积雪-季风关系的不同认识以及对积雪影响季风的物理过程的不同理解。一方面,积雪通过反照率效应影响温度、温度梯度和大气环流包括季风环流;另一方面,积雪通过融化效应影响大气,特别是增强大气异常信号的持续性。在这些过程中,陆面积雪与大气运动的相互作用是一个正反馈的过程。另外,特别关注不同地区和季节的欧亚大陆积雪对不同亚洲区域季风的不同影响,以及积雪在季风演变过程中对不同阶段季风特征的作用。虽然积雪与季风的关系非常复杂,加深对这些复杂关系的认识,对理解季风系统的整体变化以及改进季风预报都尤为重要。     

高分辨率卫星实测资料揭示的近年亚洲热带夏季风爆发进程

利用高分辨率卫星观测资料,从气候态角度分析了亚洲热带夏季风爆发特征。研究表明,亚洲热带夏季风最先在中南半岛西部爆发,随后在整个中南半岛和孟加拉湾东部,然后扩大至孟加拉湾西部和南海。夏季风爆发后,与孟加拉湾和南海相比,中南半岛雨量增强形势不明显。第26—28候（即5月第2候—5月第4候）是亚洲热带夏季风的爆发阶段。整个爆发过程,低层风场的时空演变与对流降水相对应,海表温度场增温较海表风场提早约1候左右;华南地区以锋面降水为主,即副热带季风降水。采用对流降水和海表上空10 m风场分别代表夏季风降水和盛行风向的时空演变特征较常规资料更为准确、精细。     

利用MOPITT资料分析亚洲地区对流层CO的时空分布特征

目前CO的模式模拟结果与实际观测存在着很大的差别,需要结合观测资料的分析研究来验证和改善模式能力。而南亚地区源汇的复杂性和站点观测资料的严重不足,使得对该地区CO分布与变化特征的认识更为有限。本文尝试使用2000~2011年MOPITT卫星资料,分析该地区CO的气候态空间分布特征,并结合再分析风场和卫星出射长波辐射资料,对大气运动影响CO分布进行探讨。主要结论是:1)南亚对流层中上层四季都存在CO高浓度带,其位置随着季节有南北变化,其中夏季高值带范围最小,但极值最大。2)在南亚季风区东侧,夏季对流层CO垂直廓线呈连续的高值分布,而在西侧对流层中上层出现孤立的高值分布,验证了东风急流的水平输送效果。3)CO浓度的季节变化在南北(27.5°N/12.5°S)纬度基本反相,并且在12年内500 h Pa高度上呈减少趋势,而在300 h Pa高度上有增加趋势。4)南亚中上对流层CO浓度值的分布和赤道附近垂直风场之间存在较好的相关性,对于该区域CO的来源问题提供了一个新的研究方向。