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)。     

深对流云对不同高度示踪气体层垂直输送的数值模拟研究

采用考虑化学气体传输过程的云模式模拟了2014年7月30日发生在安徽滁州境内一次深对流过程,研究深对流活动对不同高度示踪气体的输送及再分布作用。结果表明,在积云发展阶段,强上升气流使得云内源层示踪气体有效地向上输送,对流层中部强的夹卷过程及水平入流使得云外气体入云输送至主要对流区,并在垂直气流的作用下进一步影响各层示踪气体的分布。各层示踪气体均可向上输送至对流层上部,其中对流层中部示踪气体（2.1~4.5 km、4.5~7.5 km和7.5~10.8 km）的向上输送作用与近地层示踪气体（0~2.1 km）的贡献相当。例如,输送到11~13 km的示踪气体有4.9%来自近地层,6.3%来自2.1~7.5 km。此外,近地层示踪气体可在深对流的水平输送下向云侧边界扩散,将局地污染输送到云外周边地区。源层高度位于2.1~4.5 km的示踪气体可下沉输送至近地层,形成新的局地污染。随着源层高度的抬升,示踪气体向下输送作用减弱,其中对流层上层示踪物（10.8~15 km）无法输送到6 km以下。     

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。     

深对流系统对污染气体CO垂直动力输送作用的数值模拟研究

本文采用高分辨率WRF-Chem模式模拟了2014年7月27日和8月24日发生于长三角地区的两次强度不同的深对流系统对污染气体CO的再分布作用,对比分析了模拟的两次深对流系统在CO垂直输送过程中的差异。通过与实际雷达回波的比较发现,两次模拟的深对流发生时间、回波强度等都与实际观测接近。8月24日深对流过程发生前的对流有效位能和0～6 km垂直风切变强度均高于7月27日个例,因此 8月24日深对流系统更不稳定,发展高度更高。从CO浓度垂直剖面、质量通量随高度的变化特征发现,7月27日的深对流系统最高可以将CO输送到14 km高度处,8月24日的深对流系统最高可以将CO输送到16 km高度处。对CO浓度的垂直通量散度平均垂直廓线分析看出,7月27的深对流系统主要将CO输送到12 km附近,导致7月27日个例对流层中层的CO浓度更高,8月24日的深对流系统主要将CO输送到15 km附近,导致8月24日个例对流层上层的CO浓度更高。对垂直通量求和的分析表明,8月24日的深对流系统每小时垂直输送的CO浓度是7月27的1.3倍,而考虑到8月24日的深对流系统持续时间更长,8月24日的深对流系统对CO的垂直输送作用远远大于7月24日的深对流系统的垂直输送作用。     

夏季东亚地区水汽输送的气候特征

使用 1980—1997年垂直积分的水汽输送通量资料,分析了夏季大尺度水汽输送演变的气候特征及偏南风水汽输送在中国区域内的推进特征。结果表明:夏季各支大尺度水汽输送汇合成一条行星尺度水汽输送大值带,它从南半球出发,经过亚洲季风区,进入北太平洋;东亚夏季偏南风水汽输送所能到达的北界为东北北部50°N附近;西太平洋副高南侧的东南风水汽输送所能到达的西界为甘肃东南部100°E附近。垂直积分的水汽输送通量强辐合区大多位于行星尺度水汽输送大值带中,与降水大值区之间有很好的对应关系。     

东亚地区秋季水汽输送特征及水汽源地分析

用1980～1997年垂直积分的水汽输送通量资料,分析了秋季东亚地区大尺度水汽输送演变的气候特征以及主要水汽源地,结果表明:秋季各个月东亚大陆的主要水汽来源地并不相同,9月主要来源于孟加拉湾、南海和西太平洋地区;10～11月主要来源于南海、西太平洋地区。从夏季型到冬季型水汽输送的转换特征表现为:来自南半球的越赤道输送的显著减弱、消失直至转向,东亚南支偏西风水汽输送的逐渐建立,赤道太平洋地区的偏东风水汽输送的加强西进。秋季亚洲季风区范围最大的强水汽源地位于南海、西太平洋地区(115～120°E,15～25°N)。     

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...     

1979～2011年间平流层温度及平流层水汽的演变趋势

利用ERA-Interim再分析资料,研究1979~2011年间平流层温度与平流层水汽的时空演变趋势。结果表明,平流层纬向平均温度场和平流层水汽的分布随高度、纬度、季节的变化而变化,且二者密切相关,互相影响。过去33a间在热带地区平流层温度均呈上升趋势,在南北半球,温度在平流层中下层呈下降趋势,而在平流层上层呈增温趋势。平流层水汽在不同层次、不同纬度带均呈增加趋势。平流层纬向温度在南北两半球的下降趋势与平流层水汽含量的增加趋势,进一步验证了全球气候正在变暖的事实。      

青藏高原东部及邻近地区水汽输送的气候特征

利用1980—1997年垂直积分的整层水汽输送通量资料,分析了青藏高原东部及其邻近地区水汽输送的气候特征。结果表明,该区的水汽输送具有明显的季节变化特征:冬、春季的水汽主要来源于中纬度的偏西风水汽输送,夏季(7月)主要来源于孟加拉湾和南海,秋季(10月)主要来源于西太平洋地区。季风携带的南来水汽在高原东侧地区的进退比较缓慢,8月初北扩到40°N附近,10月中旬南退出30°N,其强弱和进退异常能影响极端旱涝事件的发生。来自南海、西太平洋地区的水汽输送对高原东部及其邻近地区的影响值得关注。     

基于拉格朗日方法的中国东部雨季水汽输送垂直特征

利用基于拉格朗日轨迹追踪模式（HYSPLIT）,结合区域源汇归属法,追踪1961～2010年中国东部地区雨带推进过程中各雨季后向轨迹,定量确定各雨季不同垂直层上的水汽输送路径与水汽贡献。结果表明在南海夏季风爆发前的华南前汛期,低层最主要水汽通道为太平洋通道,轨迹占比达到52.3%,中高层最主要的水汽通道为印度洋通道,占比超过37%;水汽主要源自低层的西太平洋和中国东部地区,水汽贡献均在20%以上。南海季风爆发后的华南前汛期,低层到高层最强水汽通道均为印度洋通道,特别是中层,轨迹数量达到了65.6%;印度洋源地的贡献明显增加,中高层水汽主要源自印度洋,低层最主要的水汽源地为中国东部和南海。江淮梅雨时低层最主要通道为太平洋通道,中高层最主要通道为印度洋通道,相比华南前汛期,在中高层印度洋通道减弱,而西风通道增强。华北雨季中,低层最主要水汽通道为太平洋通道,而中高层最主要的水汽通道为欧亚大陆中纬西风通道。江淮梅雨和华北雨季中,最主要的源地为中低层的中国东部地区和西太平洋地区,特别是华北雨季中,来自中国东部局地低层的水汽达到了43.1%,表明低层局地蒸发对华北雨季降水起到至关重要的作用。     

Further evidences of deep convective vertical transport of water vapor through the tropopause

A few years ago, we identified a deep convective transport mechanism, of water vapor through the tropopause, namely, storm top gravity wave breaking, such that tropospheric water substance can be injected into the lower stratosphere via this pathway. The main evidence presented previously was taken from the lower resolution AVHRR images of the storm anvil top cirrus plumes obtained by polar orbiting satellites. Recent observations have provided further supporting evidence for this important cross-tropopause transport mechanism. There are now many higher resolution satellite images, mainly from MODIS instrument, that show more definitely the existence of these plumes, many of which would probably be unseen by lower resolution images.Furthermore, a thunderstorm movie taken in Denver (USA) area during STEPS2000 field campaign and another thunderstorm movie taken by a building top webcam in Zurich also demonstrate that the jumping cirrus phenomenon, first identified by T. Fujita in 1980s, may be quite common in active thunderstorm cells, quite contrary to previous belief that it is rare. We have used a cloud model to demonstrate that the jumping cirrus is exactly the gravity wave breaking phenomenon that transports water vapor through the tropopause.These additional evidences provide increasing support that deep convection contributes substantially to the troposphere-to-stratosphere transport of water substance. This corroborates well with recent studies of the stratospheric HDO/H₂O ratio which is much highly than it would be if the transport is via slow ascent. The only explanation that can be used to interpret this observation at present is that water substance is transported through the tropopause via rapid vertical motion, i.e., deep convection.     

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。     

芜湖市一次引发严重内涝暴雨过程的水汽输送特征

基于自动气象观测站降水数据、中国降水数据集、ERA5再分析资料及NCEP/NCAR再分析数据,使用水汽收支分析、HYSPLIT后向轨迹追踪和水汽输送贡献率等方法对2022年6月5日凌晨芜湖市一次引发严重内涝暴雨过程的水汽输送特征进行了分析。结果表明:此次暴雨过程出现在200 hPa分流区和850 hPa低空急流左前方,500 hPa冷空气在低空急流出口北侧不断激发对流云团,形成强降水。高层辐散和低层辐合增强了水汽的水平辐合和垂直输送,西南低空急流持续加强,将水汽不断输送至暴雨区,为暴雨的出现提供了必要的水汽条件,使芜湖市在强降水发生前水汽充沛,湿层深厚且持续增湿。暴雨出现时大气可降水量、850 hPa比湿、水汽通量和水汽通量散度分别达到71.0 kg·m^-2、16.0 g·kg^-1、15.0 g·hPa^-1·cm^-1·s^-1和-3.0×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。850 hPa水汽通量散度的变化与暴雨的出现和强度变化有较好的对应关系,雨强最强时段可达-8.0×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。水汽收支和追踪分析结果显示:水汽流入主要发生在对流层低层的西边界和南边界,暴雨发生前流入层深厚,有向上的水汽垂直输送。整层水汽流入量约为56.0×10⁷ t·h^-1,主要流入高度为850～700 hPa,单层流入量最大可达9.0×10⁷ t·h^-1,水汽主要源自孟加拉湾和南海,其水汽通道轨迹占比为32.0％,水汽输送贡献率达55.4％。暴雨出现时水汽流入层降低,流入量减少,水汽垂直输送减弱,总水汽净流入集中在850 hPa,净流入量为1.0×10⁷ t·h^-1左右,水汽主要源自南海,其水汽通道轨迹占比为46.0％,水汽输送贡献率达60.3％。     

Characteristics of the Mean Water Vapor Transport over Monsoon Asia

ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＭｅａｎＷａｔｅｒＶａｐｏｒＴｒａｎｓｐｏｒｔｏｖｅｒＭｏｎｓｏｏｎＡｓｉａＹｉＬａｎ（伊兰）（ＩｎｓｈｔｕｔｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉ...     

基于再分析资料的西南区域近50 a空中水资源的气候特征

利用1961—2012 年NCEP/ NCAR 的再分析月平均资料,分析了中国西南区域(四川、重庆、云南、贵州、广西大部分地区、西藏东部)水汽总量和水汽输送的气候特征。结果表明：西南区域水汽总量近50 a 来呈整体减少趋势;水汽含量在850—700 hPa 之间最为丰富;西南区域东湿西干,重庆、贵州、广西、四川东部水汽总量相对丰富;影响西南区域全年水汽量的有四个输送通道,春季水汽主要来源于孟加拉湾和偏西气流,夏季主要受到孟加拉湾和印度洋季风影响,秋季水汽主要来源于西太平洋,冬季则主要来源于偏西风和西太平洋;西南区域全年主要为水汽汇合区（除云南大部分地区以外）,常年有两个水汽辐合中心,一个在西藏与四川交接处（青藏高原东南侧）,一个在贵州及其附近地区;而云南上空主要为水汽辐散,仅夏季部分地区为水汽汇合区。     

Impact of increasing stratospheric water vapor on ozone depletion and temperature change

Using a detailed, fully coupled chemistry climate model (CCM), the effect of increasing stratospheric H_{2O on ozone and temperature is investigated. Different CCM time-slice runs have been performed to investigate the chemical and radiative impacts of an assumed 2 ppmv increase in H2O. The chemical effects of this H2O increase lead to an overall decrease of the total column ozone (TCO) by ～1% in the tropics and by a maximum of 12% at southern high latitudes. At northern high latitudes, the TCO is increased by only up to 5% due to stronger transport in the Arctic. A 2-ppmv H2O increase in the model's radiation scheme causes a cooling of the tropical stratosphere of no more than 2 K, but a cooling of more than 4 K at high latitudes. Consequently, the TCO is increased by about 2%--6%. Increasing stratospheric H2O, therefore, cools the stratosphere both directly and indirectly, except in the polar regions where the temperature responds differently due to feedbacks between ozone and H2O changes. The combined chemical and radiative effects of increasing H2O may give rise to more cooling in the tropics and middle latitudes but less cooling in the polar stratosphere. The combined effects of H2O increases on ozone tend to offset each other, except in the Arctic stratosphere where both the radiative and chemical impacts give rise to increased ozone. The chemical and radiative effects of increasing H2O cause dynamical responses in the stratosphere with an evident hemispheric asymmetry. In terms of ozone recovery, increasing the stratospheric H2O is likely to accelerate the recovery in the northern high latitudes and delay it in the southern high latitudes. The modeled ozone recovery is more significant between 2000--2050 than between 2050--2100, driven mainly by the larger relative change in chlorine in the earlier period.}     

滇中喀斯特地区大气降水水汽来源和输送特征

本文利用2010—2019年滇中石林县的全球再分析资料,通过HYSPLIT模型的后向轨迹对不同季节和不同高度的水汽来源进行追踪和分析。结果表明：石林县四季的水汽源地和水汽运移路径存在差异。春季水汽主要来源于受高空西风影响的欧亚大陆和非洲北部,夏季水汽主要来源于孟加拉湾,南海和西太平洋海域,秋季水汽主要来源于孟加拉湾—南海和西太平洋,冬季主要来源于欧亚大陆和非洲北部的高空西风、孟加拉湾海域。石林县的水汽通道有阿拉伯海和孟加拉湾—南海、西太平洋、欧亚非大陆、局地五条水汽通道,且春夏秋冬四季的不同高度层的水汽输送通道和水汽贡献率存在较大差异。     

2008年雪灾过程高原上游关键区水汽输送机制及其前兆性“强信号”特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、中国气象台站降水量资料、青藏高原及周边地区GPS水汽观测站网大气可降水量资料,采用统计诊断方法,分析了2008年中国南方雨雪冰冻灾害期间4次暴雪过程的动力、热力特征,水汽变化及其输送特征.研究结果表明,灾害发生期间,中国北方中低层大气盛行偏北气流,使较强的偏北冷空气"楔入"中国东南部低层大气,构成低层"冷垫",同时偏南暖湿气流源源不断地将大量水汽输送到中国东南部,冷暖气流交汇及其垂直切变导致强烈的上升运动,构成了"冷垫"上空的"暖盖"及"南槽北脊"反位相环流汇合锋区的垂直环流结构.反位相环流的偏南水汽主要来自南海和印度洋,两者在中南半岛和中国西南地区合并,构成经过云南及周边关键区的强西南水汽流,形成了长江流域特大雪灾发生的关键水汽通道.研究结果亦证实高原及周边地区JICA项目GPS水汽监测网信息可为中国长江中下游地区暴雪的发生提供具有预报实用意义的重要分析工具及数值模式同化初始信息源.云南及周边区域水汽含量的多少对下游地区后期降水的发生具有一定的指示意义,即水汽输送上游关键区大气可降水量的变化可作为此次南方雨雪冰冻灾害期间降水发生的"前兆性"信号,而云南则是西南水汽输送通道中尤为重要的关键区域.     

热带印度洋夏季水汽输送特征及对南亚季风区降水的影响

利用NCEP/NCAR再分析环流资料、CMAP降水量和NOAA海温资料研究了热带印度洋夏季水汽输送的时空变化特征,并考察其对南亚季风区夏季降水的影响.热带印度洋夏季异常水汽输送第一模态表现为异常水汽从南海向西到达孟加拉湾后分成两支,其中一支继续往西到达印度次大陆和阿拉伯海,对应印度半岛南端和中南半岛的西风水汽输送减弱,导致这些区域降水减少;第二模态表现为异常水汽从赤道东印度洋沿赤道西印度洋、阿拉伯海、印度半岛、中南半岛的反气旋输送,印度和孟加拉湾南部为反气旋异常水汽输送,水汽辐散、降水减少,而印度东北部为气旋性水汽输送,水汽辐合、降水增多.就水汽输送与局地海温的关系而言,水汽输送第一模态与热带印度洋海温整体增暖关系密切,而第二模态与同期印度洋偶极子关系密切.