利用COSMIC掩星弯曲角数据分析中国区域对流层顶结构变化

对流层顶是地球大气的一个最基本的结构特征,对流层与平流层通过对流层顶交换气团、水汽、微量气体、能量等.对流层顶结构变化与气候变化密切相连.本文采用掩星弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶,利用气象、电离层与气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate,COSMIC)2007年1月至2011年12月共5年的掩星观测数据分析了中国区域对流层顶高度、温度、气压等参数随经度、纬度、时间变化的特征.采用2°×2°网格法,把包括中国在内的16°N-54°N、72°E-136°E区域共分成19×32个格网单元,然后计算每个格网单元内对流层顶高度、温度、气压的平均值,结果表明对流层顶参数呈明显的纬度分带分布特征.计算每个格网单元内对流层顶参数季节平均值,结果显示对流层顶高度和气压具有明显的季节性变化特征.采用中位数斜率回归法分析对流层顶参数年平均值,发现在研究时段内中国区域对流层顶高度平均每年降低8 m.     

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.     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

基于武汉MST雷达的对流层顶观测研究

基于无线电探空仪和掩星的对流层顶观测虽然可以揭示对流层顶高度和温度的一些特性,但是在某一个地点的时间分辨率较低,资料的时间分辨率几乎都是以天计,同时所获得的对流层顶信息也不能直接反映对流层顶的产生、发展和消亡过程.借助于MST雷达具有高时间分辨率和连续性这一显著优势,实时、连续地获得对流层顶雷达回波,通过构建普适性雷达对流层顶判读模型,可以更好地研究对流层顶高度和结构形态的时空演化过程.探空仪对比实验表明:雷达方法观测对流层顶高度与气象学方法观测对流层顶高度相差约2 km,这应该和二者的探测机制相关.统计分析2012年全年雷达对流层顶回波差异值可以发现,雷达对流层顶高度的年平均值为13.3 km,标准差为0.65 km;对流层顶回波差异平均值约为11.7 d B,标准差为4.3 d B,雷达对流层顶回波差异值直接反映了雷达对流层顶结构的稀疏状态.同时本文利用Lomb-Scargle谱分析方法检测了对流层顶结构形态的扰动周期,结果表明大气潮汐波和行星波分量会影响对流层顶的结构形态.     

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.     

火山活动对热带高空温度变化的影响

本文利用序列回归分析、对比分析和个例分析法分析了火山活动对热带高空大气的温度效应. 主要结论为：火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动将引起平流层大气升温、对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;火山活动对于热带70 hPa高空温度距平变化的影响超过了总方差的457%;单独考察几次强火山活动（如阿贡火山、皮纳图博火山和厄尔奇冲火山等）的温度效应表明,在热带地区强火山爆发后的20个月内,对热带高空温度的影响超过了其距平变化的80%！成为该时段高空温度变化的决定性因素.     

利用掩星数据研究全球对流层顶断裂带变化

应用掩星数据研究全球对流层顶断裂带的变化.介绍了温度递减率定义下的对流层顶的判别原理和算法,并且把由掩星数据判别的对流层顶与探空仪数据获得的对流层顶作比对,验证掩星对流层顶数据的可靠性.进一步给出了通过生成的对流层顶数据获得对流层顶断裂带的原理和算法.选用2006年7月到2008年12月COSMIC掩星数据,分析了南北...     

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.     

全球纬向平均大气环流基本模态年代际变化的凝聚小波分析

应用1871-2008年NCEP／NCAR月平均再分析资料,研究了1948-2008年期间全球纬向平均大气环流基本模态的年代际变化.小波凝聚谱的结果表明全球纬向平均大气环流基本模态存在显著的20年左右周期的年代际变化.小波凝聚位相的结果清楚地显示了纬向平均大气环流基本模态的变化顺序.在20年左右的年代际变化时间尺度上,全球纬向平均温度超前纬向平均位势高度2个月,同时超前纬向平均流10个月出现变化;全球纬向平均位势高度又超前纬向平均流8个月出现变化.全球温度上升(下降), 将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高),中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低);进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速,同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速.20世纪70年代末期以来全球显著增暖的异常信号最早出现在南半球对流层顶附近,其次出现在南半球对流层低层、北半球对流层顶附近和北半球对流层低层.     

南亚高压区Rossby波能量向上穿越对流层顶传播的特征与机制

夏季平流层盛行强东风,Rossby波能量难以从对流层向上传播至平流层,而冬季平流层盛行西风,Rossby波能量容易上传,因此以往对Rossby波能量向平流层传播的研究多考虑冬季的情况.而事实上,因为夏季高原上空南亚高压反气旋环流,并非只有强东风存在,所以Rossby波能量也可能在南亚高压区向上传播,从而影响平流层的温度、风场及大气成分等.因此,本文利用ERA-interim逐日再分析资料,分析了1979—2015年夏季南亚高压区Rossby波能量穿越对流层顶传播的特征与机制.结果表明:Rossby波能量可以从南亚高压西北部的窗口区上传至平流层,最高可到达平流层顶,而在南亚高压的其他部分,Rossby波能量均不能穿越对流层顶上传或穿越对流层顶后无法继续上传.南亚高压西北区Rossby波能量可以穿越对流层顶传播的原因是盛行西风,且西风急流出现的频率很小,同时涡动热量通量异常引起的垂直分量的第一项对其上传有很大贡献.南亚高压东北区也盛行西风,然而Rossby波能量不能向上穿越对流层顶的原因是强西风出现频率较高,且温度脊与高度脊位相相近,不利于上传.南亚高压南部均盛行东风,在平流层中下层均为稳定层结,因此Rossby波能量很难上传.南亚高压西南区在对流层位于青藏高原环流的伊朗高原下沉区附近,层结稳定,并且温度脊超前于高度脊,所以Rossby波能量很难上传.而南亚高压东南区在对流层位于南海-西太平洋热带幅合带,层结不稳定,存在Rossby波能量较弱的上传,达到对流层顶后无法继续上传,该区域温度脊落后于高度脊的温压场配置也为Rossby波能量在对流层内的传播提供了条件.     

平流层准两年变化对南海夏季风影响机制的探讨

利用美国大气研究中心(the National Center for Atmospheric Research, NCAR)的中层大气模式模拟了平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)过程对对流层顶和对流层上层的影响, 并结合NCEP(the National Centers for Environmental Prediction)/NCAR、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)月平均的风场资料和实际的探空观测资料, 分析了平流层QBO对南海夏季风的影响作用. 结果表明: 平流层QBO会引起平流层的异常经向环流并向下传播, 在QBO位相的中后期和位相转换期影响到对流层顶和对流层上层, 使热带和低纬度的对流层上层形成异常的经向气压梯度, 最终在夏季的对流层热带地区激发出不同类型的异常环流—西风位相时, 激发出与南海夏季风环流相反的异常环流, 在南海地区有显著的异常下沉运动, 对南海夏季风有削弱作用; 东风位相时, 激发出反Hadley环流型的异常环流, 在南海地区有明显的异常上升气流, 对南海夏季风有加强的效果. 虽然QBO对南海夏季风经向环流有影响, 但它并不是决定南海夏季风准两年变化的唯一因子.     

太阳活动11年周期对气象参数影响

利用多种资料研究了太阳活动11年周期对全球气温、风场、海表温度(SST)的影响,结果表明:(1)在第21、22太阳活动周,中低纬对流层顶以上大气温度变化具有类似太阳黑子变化的11年左右周期,相对于太阳黑子数,气温变化具有1～2年的延迟性;相对于太阳活动低年,200～10 hPa大气在太阳活动高年整层增温,以赤道低纬地区...     

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．     

夏季亚洲大地形双加热及近对流层顶位涡强迫的激发Ⅱ:伊朗高原-青藏高原感热加热

基于诊断和数值模拟,研究了夏季青藏高原和伊朗高原热力强迫的相互作用,其对亚洲副热带季风区水汽通量辐合的贡献及对欧亚大陆上空高对流层顶和平流层低层冷中心形成的影响.结果表明两大高原感热加热存在相互影响和反馈,伊朗高原感热加热减少青藏高原的表面加热,而青藏高原的感热加热则增加伊朗高原的表面加热;形成了观测到的伊朗高原感热加热-青藏高原感热加热和凝结潜热释放-大气垂直环流之间的准平衡耦合系统(TIPS),影响大气环流.青藏高原上的感热-潜热相互反馈在这个TIPS耦合系统中起主要作用.两大高原感热加热对其他地区的影响有相互加强也有相互抵消;青藏高原感热加热引发的对亚洲副热带季风区水汽通量辐合贡献率为伊朗高原感热影响的2倍以上;伊朗高原和青藏高原的感热加热共同作用对亚洲副热带季风区的水汽辐合作出最主要的贡献.TIPS的加热作用使对流层温度升高,并抬升了其上空的对流层顶,造成了那里平流层下层温度偏低;与欧亚大陆大尺度热力强迫共同作用,形成了对流层上层的暖性但在平流层下层为冷性的强大的反气旋环流南亚高压,从而影响区域和全球的天气气候.     

北半球中高纬度对流层顶转换层中O3/H2O 混合关系的结构形态

利用北半球40°N～50°N纬度带上HALOE实验测量的O₃和H₂O廓线资料,根据示踪成分O₃和H₂O空间分布的化学寿命以及输运特征时间常数等性质,在等熵坐标中构建了对流层顶附近及最低平流层300～390 K等熵面间,O₃/H₂O混合关系的结构形态和季节特征.结果表明: (1) 在对流层顶转换层的320～380 K等熵面间O₃混合比廓线的斜率具有空间转折"突变",而H₂O混合比廓线的斜率则出现空间渐变转折.在对流层顶附近O₃和H₂O的源分别是平流层与对流层,使O₃混合比和H₂O混合比在320～380 K等熵面的两侧显现出截然不同的垂直分布梯度.(2) 在对流层顶附近O₃/H₂O达到最小二乘意义上的最佳拟合时,两者参考关系的对流层支与平流层支呈现出非规则"L"结构形态的季节与季节内变化,其中对流层支的斜率为负,而平流层支的斜率可随季节出现正负变化.同时,由"L"形态的转角处可确定随季节变化的化学对流层顶(chemopause)特征.(3) 由O₃/H₂O混合关系反映出对流层不同区域空气携带的物质成分分别与平流层空气混合而形成混合层,而且可使混合层的混合线不恒定.混合层的表现在2003年、2005年1月和2003年4月的混合程度相当,混合的等熵厚度大约是30 K,即在320～350 K等熵面间.2005年11月的混合高度有所增高,进入平流层的H₂O混合比要比2003年和2005年1月的小,混合的等熵厚度大约为30 K,在330～360 K等熵面间.不同季节混合的等熵厚度变化较小,但高度可随季节而变化.O₃/H₂O混合关系的平流层支随季节的变化很明显,1月最低平流层空气脱水是引起平流层支季节变化的重要原因.     

青藏高原对流层臭氧含量变化的太阳周期活动信号分析

利用1979~1992年卫星TOR对流层臭氧数据库资料,以及同期太阳辐照度数据序列,考察青藏高原对流层臭氧含量变化与太阳辐射周期变化之间的关系.分析表明,青藏高原对流层臭氧分布表现出与太阳辐照度相同的变化趋势,存在着明显的太阳周期变化特征.逐月线性回归分析表明,太阳辐照度增加导致青藏高原对流层臭氧增加的正效应.在太阳周期内,太阳辐射增加可使青藏高原对流层臭氧、平流层臭氧和臭氧总量分别增加1.31、4.97、6.628DU,或4.07%、2.04%、2.28%.该特征与赤道太平洋地区完全相反,分析产生差异的原因,至少应包括两方面因素：一是背景大气NO_X和水汽含量的差异;二是青藏高原频繁发生的平流层-对流层大气物质交换和输送.     

高纬地区低层大气行星波的无线电探空仪观测研究

本文通过分析美国阿拉斯加地区三个站点(Nome,64.50°N,165.43°W;McGrath,62.97°N,155.62°W;Fairbanks,64.82°N,147.87°W)无线电探空仪1998～2006年观测数据,研究了北半球高纬地区低层大气行星波特性.通过分析发现行星波主要存在于两个区域,一个在对流层顶附近,一个在冬季极夜急流附近,两个区域的行星波都具有明显的间断性,持续时间一般不超过2个月;三个分量中,温度扰动量的振幅最小,经向风扰动量的振幅最大.对流层顶附近的行星波没有明显的季节变化且谱成分较为复杂,5天波的振幅最小,10天波的振幅略强于16天波.极夜急流附近的行星波主要出现在冬季,波振幅比对流层顶附近小,主要为10天波和16天波,且16天波的振幅强于10天波.由折射指数可以看出,夏季在对流层上方有明显反射层,冬季则较弱甚至消失,很好地解释了平流层行星波主要在冬季出现的原因.对2003/2004年冬季三个站点行星波的细致分析发现对流层区域和极夜急流区域出现明显的准10天波和准16天波,准10天在垂直方向为驻波,温度分量垂直波长约为12km,经向风分量垂直波长大于26km,波自东向西传,纬向...     

北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系

利用中国第4~6次北极考察获得的北冰洋中心区(80°~88°N))GPS探空资料和NCEP再分析资料,分析了大气垂直结构、边界层参数的变化特征及其与海冰和温度变化的关系.结果表明,2010、2012和2014年夏季北冰洋中心区的对流层顶、边界层高度、逆温强度及风速和风向的垂直结构均存在明显差异.通过分析1979~2014年9月温度与海冰范围变化的关系,解释了其差异的原因.2012年9月北极海冰范围最小,减少了44%,具有明显的增温过程.2010年和2014海冰分别减少了22.6%和17%,出现的是降温过程.对比2种过程反映出海冰变化对大气边界层结构有重要影响.近30年北冰洋中心区(80°~90°N)1000和850hPa的温度变化呈显著的升温趋势,并与海冰范围呈显著的负相关.表明北极海冰的持续减少,会使地表至对流层中层持续增温.     

火山活动对北半球平流层气候异常变化的影响

文中利用逐次滤波法滤除北半球平流层70 hPa约15~22 km高空大气温度异常变化中太阳活动的影响之后,进一步分析了火山活动的气候效应,分析结果表明,火山活动能引起平流层较大幅度增温,对于北半球70hPa高空气候异常变化的影响超过了总方差的30%;火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约15~22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动引起平流层大气升温的同时还将引起对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;强火山爆发如皮纳图博火山爆发、阿贡火山爆发和堪察加北楮缅奴等火山爆发是引起未来两年左右平流层中下层温度异常变化最重要的因素,其方差贡献率超过百分之五十三！;火山喷发高度越高,引起平流层增温效应的层次也越高;北半球大气温度异常变化对南半球火山活动响应的滞后时间比北半球火山活动长. 平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期,分析认为是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应,其方差贡献率超过9%.     

中国南部对流层中上层臭氧增加的气象场判识及臭氧变化的多尺度特征

副热带急流对中国南部地区对流层中上层臭氧浓度的影响程度及地理范围目前还研究较少,且缺乏综合使用常规气象资料及卫星资料来判识对流层中上层臭氧浓度增高的方法.本文利用NCEP再分析与最终分析资料、日本GMS-5地球静止卫星水汽云图资料,以2001年3月27~29日中国南部的临安、昆明、香港臭氧探测个例为基础,结合1996年3月29日香港与2001年4月13日临安对流层中上层高浓度臭氧分布个例对副热带急流对中国南部对流层中上层臭氧浓度的影响进行了详细分析,提出根据气象要素场判识春季中国南部对流层中上层臭氧浓度增高的充分条件为根据卫星水汽图像上的暗区、高空急流入口区的左侧辐合区、高空锋区、对流层中上层≥1 PVU的向下伸展的舌状高位涡区来综合判断.本文的分析结果表明,本文个例中对流层中上层高浓度臭氧来自平流层;香港对流层中上层低浓度臭氧来自热带海洋地区.不仅臭氧垂直廓线的多个极小与极大值表明臭氧垂直分布的多尺度变化特征,而且对流层中上层PV分布以及卫星水汽图像分析也表明大气中的多尺度运动对臭氧垂直分布特征有显著影响.本文的结果表明与副热带高空急流相联系的平流层空气侵入不仅发生在中国大陆的较高纬度地区,较低纬度的昆明与香港地区也有平流层空气侵入导致对流层中上层臭氧浓度升高.