夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. II：向平流层的绝热和非绝热传输

夏季7～8月青藏高原及周边地区上对流层水汽质量的年际异常分布为整体异常型和东西偶极异常型所主导。本文基于ERA-Interim再分析资料并利用HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）轨迹模式,分析了两个主导分布型对应的水汽质量向平流层绝热和非绝热传输的异常特征,结果表明:青藏高原上空水汽质量整体偏多（少）时,对应南亚高压和青藏高原地区垂直向上的水汽质量非绝热输送偏强（弱）,青藏高原及周边水汽质量向平流层的绝热和非绝热传输均偏强（弱）。水汽质量整体偏多与偏少年,水汽质量向平流层绝热和非绝热传输的主要区域和层次相近,只是水汽质量整体偏多年,水汽质量向平流层非绝热传输的层次略高。当青藏高原上空水汽质量呈西多/东少分布时,对应南亚高压偏西,青藏高原西北、东北侧水汽质量向中纬度平流层的绝热传输偏强,青藏高原南侧高层水汽质量向热带平流层的经向绝热传输也偏强,而青藏高原北侧水汽质量向中纬度平流层的经向绝热传输明显减弱。同时青藏高原主体上空水汽质量向平流层的非绝热传输偏强,而青藏高原南侧高层和北侧低层水汽质量向平流层的非绝热传输偏弱。水汽质量呈西少/东多分布时有相反的结果。轨迹模式模拟的结果证实了水汽质量整体偏多年,青藏高原及周边地区绝热进入平流层的轨迹频次偏多;也证实了水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西北、东北和南侧绝热进入平流层的轨迹频次偏多,而青藏高原北侧绝热进入平流层的轨迹频次偏少。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. I：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7~8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330~360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

西南地区东部夏季旱涝的水汽输送特征

利用1959-2006年两南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了西南地区东部夏季旱涝年的水汽输送特征.结果表明,西南地区东部水汽来源主要有两个:第1条主要来自青藏高原转向孟加拉湾经缅甸和云南进入西南地区东部,第2条水汽经由孟加拉湾南部,强大的水汽输送带继续向东输送至中南半岛及南海,与南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部,而由四太平洋副热带高压西侧转向的偏南水汽对向西南地区东部水汽输送也有影响.与西南地区东部夏季降水相联系的水汽通道中,印度洋水汽通道强度最强,太平洋水汽通道强度最弱.在印度季风区,偏北的高原南侧水汽通道(经向)强度远小于偏南的印度洋水汽通道.东亚季风区夏季水汽输送经向输送大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则是纬向输送大于经向输送.西南地区东部夏季降水与纬向通道的强度变化关系密切,而与经向通道的水汽输送强度变化关系不明显.当印度季风区南支水汽输送偏弱时,印度季风区北支(高原南侧)和东亚季风区向西的水汽输送偏强,使得以纬向输送为主的印度季风区经向水汽输送加大,而以经向输送为主的东亚季风区纬向水汽输送加大,从而使东亚地区的水汽输送带偏西,西南地区东部夏季降水偏多,可能出现洪涝,反之则可能出现干旱.西南地区东部夏季水汽有弱的净流出,是一个弱的水汽源区,南边界流入水汽量最多,干旱年整个区域水汽流出较常年明显,而洪涝年则有弱的净流入.夏季水汽通道水汽输送强弱变化与同期500 hPa高度场和SST场的分布形势密切相关.     

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。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常.Ⅰ：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7～8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330～360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

亚洲夏季风是低层污染物进入平流层的重要途径

夏季亚洲季风区是对流层低层水汽和污染物进入全球平流层的一个重要通道, 自然或人为污染物通过该通道进入平流层后对臭氧层的破坏以及全球气候环境的影响, 成为目前国际科学界关注的热点问题。早先观点认为: 夏季青藏高原是对流层低空物质向平流层输送的一个重要渠道。然而, 越来越多的观测表明: 包括青藏高原在内的整个亚洲夏季风通过强对流的快速输送以及大尺度输送过程可以把低层大气物质输送到全球平流层。在地面物质进入平流层的过程中有两个关键过程, 一是垂直快速输送的对流活动, 这对于短寿命化学成分非常重要, 二是缓慢的大尺度反气旋输送和限制作用。但是, 目前对于亚洲季风区不同源区的贡献还有很大的争议。     

夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究

基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART, 通过气块轨迹计算, 对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送 (Troposphere to Stratosphere Transport, 简称TST) 的近地层源区、 输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明: (1) 夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区, 一个是热带西太平洋地区; 另一个是青藏高原南部、 孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区, 上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近 (约16 km高度), 两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现, 穿越对流层顶高度的质量输送只有约10％能够进入20～22 km高度的平流层中, 且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区 (约贡献75%), 这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。 (2) 轨迹分析显示, 夏季亚洲季风区对流层进入平流层的 “入口区” 主要在 (25°N～35°N, 90°E～110°E) 区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、 北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。 (3) 亚洲季风区TST两个主要的过程, 一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程, 它可以使近地层大气在1～2天内输送到平流层中, 贡献了整个TST的10%～30%; 另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送, 该输送是一个相对的慢过程, 时间尺度一般为5～30天。此结果意味着, 源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。     

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。     

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。     

1979～2020年北极和青藏高原臭氧低值区的动力输送特征比较

基于ERA5月平均再分析资料,利用Lorenz环流分解方法从定常和瞬变以及基流和涡旋的角度对比了北极与青藏高原臭氧低值区的动力输送特征。结果表明：动力总输送在两地上平流层作用最强,均使其臭氧浓度降低,且定常输送均强于瞬变输送,纬向与经向输送的作用均大致相反。然而,动力输送在北极地区的作用强度远大于青藏高原地区。北极地区纬向输送使得平流层中上层臭氧浓度降低,平流层下层臭氧浓度升高,经向输送的作用与之相反且强度明显偏弱,二者均主要作用于上平流层。青藏高原地区纬向和经向输送除在上平流层均使得臭氧浓度降低外,二者作用大致相反且强度相当,输送大值区在垂直方向上存在双中心结构,分别位于上平流层与上对流层—下平流层（Upper Troposphere–Lower Stratosphere,简称UTLS）区。两地区纬向和经向输送的差异均主要由定常涡旋输送所造成。青藏高原地区定常与瞬变输送的强度差异没有北极地区大。此外,两地定常和瞬变输送中涡旋对臭氧纬向平均的输送均起到主要作用,体现出涡旋输送在两地臭氧浓度变化的动力输送过程中发挥着至关重要的作用。     

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。     

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)。     

大气扰动分解技术在副高边缘大暴雨落区精细化分析中的应用

利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts， ECMWF）再分析资料，基于大气扰动分解技术，对2012年7月华北东部两次副高边缘大暴雨事件进行扰动分析。结果表明：边界层及对流层低层扰动辐合中心与副高边缘大暴雨中心有较好地对应关系；扰动锋区和扰动比湿大值区（4 g·kg^-1）叠加的区域与大暴雨落区相对应，与切变线类暴雨不同，副高边缘暴雨中心并不是出现在冷暖空气対峙扰动（0 ℃线）的位置，而是发生在扰动锋区内的暖区一侧（扰动温度0 ℃以南）；两次过程均存在自南向北的水汽通道，且水汽在输送过程中不断得到抬升，大暴雨落区对应的扰动水汽通量散度中心分别达到-6.8×10^-8g·cm^-2·hPa^-1·s^-1和-11.9×10^-8g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，为大暴雨的形成提供了较好地水汽条件。     

2009年和2010年夏季我国及周边地区STE模拟与对比分析

夏季是深对流多发的季节,深对流在STE(Stratosphere Troposphere Exchange,对流层-平流层交换)过程中起着重要作用。对2005-2012年夏季我国及周边地区的深对流统计发现,2009年深对流发生的次数较少,2010年深对流发生的次数较多。通过拉格朗日输送模式对2009年和2010年夏季的大气运动状态进行模拟并统计分析,发现30°N以南和以北的地区具有明显不同的平流层-对流层交换特征,30°N以北我国及周边地区TST(Troposphere to Stratosphere Transport,对流层向平流层输送)和STT(Stratosphere to Troposphere Transport,平流层向对流层输送)较为活跃,30°N以南远没有30°N以北地区活跃,但其净输送量却大致相当。在30°N以南,6-8月净输送是对流层向平流层输送。在30°N以北,6月净输送是平流层向对流层输送,7-8月净输送是对流层向平流层输送。比较深对流出现较少的2009年夏季和深对流出现较多的2010年夏季的TST和TST-STT,发现2010年6-8月这3个月的TST和TST-STT总量都超过2009年,表明2010年夏季我国及周边地区对流层向平流层的输送和净输送都强于2009年,与深对流活动的多少可能表现出正相关。     

Atmospheric Moisture Distribution and Transport over the Tibetan Plateau and the Impacts of the South Asian Summer Monsoon

In this study, by using the ECMWF ERA-Interim reanalysis data from 1979 to 2010, the spatial distribution and transport of total atmospheric moisture over the Tibetan Plateau（TP） are analyzed, together with the associated impacts of the South Asian summer monsoon（SASM）. Acting as a moisture sink in summer, the TP has a net moisture flux of 2.59× 107kg s 1during 1979–2010, with moisture supplies mainly from the southern boundary along the latitude belts over the Bay of Bengal and the Arabian Sea. The total atmospheric moisture over the TP exhibits significant diferences in both spatial distribution and transport between the monsoon active and break periods and between strong and weak monsoon years. Large positive（negative） moisture anomalies occur over the southwest edge of the TP and the Arabian Sea, mainly due to transport of easterly（westerly） anomalies during the monsoon active（break） period. For the whole TP region, the total moisture supply is more strengthened than the climatological mean during the monsoon active period, which is mainly contributed by the transport of moisture from the south edge of the TP. During the monsoon break period, however, the total moisture supply to the TP is slightly weakened. In addition, the TP moisture sink is also strengthened（weakened） in the strong（weak） monsoon years, mainly attributed by the moisture transport in the west-east directions. Our results suggest that the SASM has exerted great impacts on the total atmospheric moisture and its transport over the TP through adjusting the moisture spatial distribution.     

青藏高原地区大气红外探测器（AIRS）资料质量检验及揭示的上对流层水汽特征

上对流层水汽（UTWV）是大气中最重要的温室气体,对全球气候变暖有重要贡献; 而青藏高原被认为是UTWV进入平流层的重要通道,在平流层－对流层水汽交换及平流层水汽变化中扮演着重要角色。首先利用高原探空站资料对大气红外探测器（AIRS）反演的水汽数据在高原地区的质量进行了检验,发现AIRS反演的水汽数据与探空实测数据是相当一致的。其中全年和夏半年AIRS的可信度较好,而冬半年,尤其是上对流层AIRS水汽可信度相对较低,但在缺乏高精密数据时仍部分可用。利用AIRS资料对青藏高原地区UTWV季节变化特征进行了分析,结果表明,高原冬季偏干,而夏季显著偏湿,并且空间分布具有明显的不均匀性。经验正交函数(EOF)分析显示,夏季高原UTWV主要存在三种空间分布型,即全区一致型,高原东西偶极型和南北带状偶极型。一致型分布具有明显的季节变化,而偶极型则以季节内振荡为主。在此基础上,重点研究夏半年高原地区UTWV季节内振荡特征,结果表明,UTWV季节内振荡的显著周期位于10～20天和30～60天。前者主要表现为纬向东传,并且可以越过高原进入我国江淮流域上空;而后者主要向南移动,基本表现为高原局地振荡。最后,进一步探讨了高原UTWV季节内振荡的可能机制,结果表明,高原地区UTWV的低频变化主要与高原热状况、南亚高压活动及其与二者相耦合的对流活动有关。     

A climatological perspective of water vapor at the UTLS region over different global monsoon regions: observations inferred from the Aura-MLS and reanalysis data

The Aura-MLS observations of eight years from 2004 to 2011 have been utilized to understand the hydration and the dehydration mechanism over the northern and the southern hemispheric monsoon (NH and SH) regions. The monsoon regions considered are the Asian Summer Monsoon, East Asian Summer Monsoon, Arizona Monsoon (AM), North African Monsoon, South American Monsoon and the Australian Monsoon. The annual cycle of water vapor as expected shows maxima over the NH during June–August and during December–February over the SH. The time taken by the air parcels over the NH monsoon regions is found to be different compared to that over the SH monsoon regions. The analysis shows the concentration of water vapor in the upper troposphere and the lower stratosphere (UTLS) has not changed over these eight years in both the hemispheres during their respective monsoon seasons. The present analysis show different processes viz., direct overshooting convection, horizontal advection, temperature and cirrus clouds in influencing the distribution of water vapor to the UTLS over these different monsoon regions. Analysis of the UTLS water vapor with temperature and ice water content shows that the AM is hydrating the stratosphere compared to all the other monsoon regions where the water vapor is getting dehydrated. Thus it is envisaged that the present results will have important implications in understanding the exchange processes across the tropopause over the different monsoon regions and its role in stratosphere chemistry.