Intercomparison of stratospheric water vapor profiles obtained during the Balloon Intercomparison Campaign

The Balloon Intercomparison Campaign (BIC) was set up to intercompare remote sensing measurements of a number of compounds other than water vapor; however, water vapor has strong absorption features throughout the infrared and mm wave regions of the spectrum. Therefore many of the investigators involved in BIC have absorption or emission features due to water vapor in the data they obtained during the balloon flights made under the campaign. These features have been used by the investigators to determine the stratospheric water vapor profiles which are compared in this paper. The profiles allow comparison of a wide range of remote sensing techniques involving both emission and absorption in the mid-infrared and emission techniques in the far infrared.     

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.}     

Involvement of the Brewer–Dobson circulation in changes of stratospheric temperature and ozone

Wintertime temperature and ozone in the Northern Hemisphere stratosphere vary significantly between years. Largely random, those variations are marked by compensating changes at high and low latitudes, a feature that reflects the residual mean circulation of the stratosphere. Interannual changes of temperature and ozone each track anomalous forcing of the residual circulation. This relationship is shown to be obeyed even over the Arctic, where transport is augmented by heterogeneous chemical processes that destroy ozone. Chlorine activation obeys a similar relationship, reflecting feedback between changes of the residual circulation and anomalous photochemistry.Changes of stratospheric dynamical and chemical structure are found be accompanied by coherent changes in the troposphere. Vertically extensive, they reflect inter-dependent changes in the stratosphere and troposphere, which are coupled by the residual circulation through transfers of mass. The corresponding structure is shown to share major features with empirical modes of interannual variability associated with the AO and its cousin, the NAO.A 3D model of dynamics and photochemistry is used to simulate anomalous temperature and ozone. Driven by anomalous wave activity representative of that observed, the model reproduces the salient structure of observed interannual changes. Anomalous temperature and ozone follow in the integrations from anomalous downwelling, which, under disturbed conditions, renders temperature over the Arctic anomalously warm, and from anomalous poleward transport, which renders Arctic ozone anomalously rich.Accompanying random interannual changes in the observed record was a systematic decline of Northern Hemisphere temperature and ozone during the 1980s and early 1990s. Comprising decadal trends, these systematic changes are shown to have the same essential structure and seasonality as random changes, which, in turn, vary coherently with anomalous forcing of the residual circulation. Implications of the findings to the interpretation of stratospheric trends are discussed in light of anomalous residual motion, photochemistry, and feedback between them.     

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.     

平流层环状模的分类特征及其与对流层的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程的差异及其与对流层的关系.结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层.在S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,最显著的特征是对流层与平流层呈相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动特征.在D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,平流层中低层与高层呈现反位相的距平分布,在对流层中低层,温度和位势高度的距平场呈现无规则的分布.     

邢台市大气水汽及云水变化的降水前兆分析

利用MWP967KV型地基微波辐射计及红外观测仪探测数据,对邢台市2016年发生降水前的水汽含量(IWV)、液态水含量(ILW)和云底高度变化特征进行了分析.结果表明,云底高度的持续明显下降提前约1h于IWV的明显升高,IWV的明显增加提前约1h于ILW的明显升高;IWV呈持续增加时间≥3h且IWV≥4.00cm,IL...     

热带平流层低层的对称运动和反对称运动

文章从对赤道β平面上静止大气中线性方程分解着手,得出控制对称运动和反对称运动方程组,对方程求解,从理论上证实在热带子流层低层中存在两种特殊性质的运动即对称运动和反对称运动,并证实赤道Kelvin波是典型的对称运动,而混合罗斯贝-重力波是反对称运动。文章分析了非绝热加热对对称运动和反对称运动的影响,当非绝热加热为唯一的外源扰动时,对称的非绝热加热是产生Kelvin波的重要条件,而反对称的非绝热加热是产生赤道区域平流层混合罗斯贝-重力波的重要条件。另外,随着非绝热加热增加,对称运动和反对称运动强度也增加。     

Determination of water vapor and liquid water content by an iterative method

Summary A simple method of retrieving water vapor and liquid water content is presented and validated by applying the Special Sensor Microwave/Imager data using ground truth data from Japan. The method is based on an iterative technique which uses model functions of relating two geophysical parameters to brightness temperature. Water vapor is found by a model function of relating water vapor content to brightness temperature at 22.235 GHz. Liquid water content is found by two model functions. One function defines a level of clear sky condition, and the other gives a ratio of liquid water content to brightness temperature increased from clear sky conditions. The retrieved water vaporcontent is compared with upper air observations at Chichijima Island. The rms of errors is estimated at 3.3 Kg m^–2. The retrieved liquid water content is related to monthly precipitation observed at Chichijima Island, and a correlation coefficient of 0.68 is obtained.With 7 Figures     

春季青藏高原西北侧一次平流层臭氧向对流层传输的模拟研究

利用NCEP/NCAR FNL客观分析资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料以及臭氧监测仪(OMI)的臭氧廓线资料,结合区域大气化学模式WRF-Chem对中国春季一次高空冷槽过境引起的对流层顶折卷过程(2012年3月19—21日)进行了分析,并从平流、湍流混合、对流输送等几个方面诊断分析了平流层臭氧向对流层的传输特征和细节。结果表明,发生于青藏高原西北侧的对流层顶折卷事件,其所在位置处于热带对流层顶向中纬度对流层顶的过渡区,由于陡峭的对流层顶南北梯度,在该区域发生的平流层-对流层物质交换(STE)比对流层顶东西方向折卷引起的物质交换要强烈和持久,跨越等熵面的物质交换和湍流混合对平流层-对流层物质交换有很大的贡献。大地形对平流层-对流层物质交换过程有显著的影响,且具有明显的日变化特征。早晚时段,大地形导致的爬坡上升气流显著,抑制了平流层空气与对流层空气的混合交换。午后,大地形热力作用增强,受背风坡局地环流的影响,靠近山顶处湍流混合作用对上对流层臭氧浓度升高的贡献显著增强,且地形越高,这种效应越显著。地形的湍流混合作用在2.5 km高度以上凸显,此高度之上地形平均高度每升高100 m,湍流混合的贡献增加约1%。     

六盘山区夏秋季大气水汽和液态水特征初步分析

六盘山区是中国典型的农牧交错带和生态脆弱带,也是黄土高原重要的水源涵养地、生态保护区及国家级扶贫开发区。利用2017年6-11月隆德气象站地基多通道微波辐射计资料,结合同期平凉探空站及隆德地面降水等观测资料,分析了六盘山区夏秋季大气水汽、液态水变化特征。结果表明：六盘山区夏秋季在降水天气背景下,大气水汽含量和液态水含量均较高,分别为无降水天气背景下的1.4倍和7.0倍;降水天气背景下水汽在5000 m以下有明显的增加,且在此高度范围内的水汽密度随高度的递减率比无降水天气背景下明显偏小;各高度层的液态水相比无降水天气背景下均有明显增大,除6月外,主峰值均出现在0℃层高度层以下。六盘山区夏秋季各月中,6-9月。大气水汽含量高值区均出现在正午到傍晚时段,低值区均出现在日出前后;液态水含量在日出前、午后及傍晚分别出现峰值,最明显的峰值出现在午后。对一次对流性降水天气过程分析后发现,降水发生前40 min大气水汽含量和液态水含量出现两次明显的跃增,水汽向上输送不断加强,2500-7500 m高度的相对湿度明显增大。     

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...     

微波遥感海上大气可降水和云液态含水量

根据历史探空资料,对西太平洋海域中有代表性的热带和亚热带地区的云天大气做了l.35cm和8.5mm波段的辐射传输计算,揭示了海上云天辐射传输的某此特征。在此基础上,对原有的一种反演云天大气可降水(Q)及云的垂直积分液态含水量(L)的方法做了相应的改进。 1985年12月至1986年1月用船载双波长微波辐射计取得的西太平洋热带海域中的实际观测结果。着重给出了该海域中Q及L的日变化,对流云Q和L场的水平结构及弱冷锋过境时Q及L的演变等方面的个例。 此外,模式计算及海上观测都表明,8.5mm波长辐射计也可以单独探测海上晴空大气可降水。在此基础上,提出了有可能用两波长辐射计的独立测值进行相互比较来判断视野中是否有云。     

基于地基GPS遥感的大连地区大气水汽总量变化特征

基于大连地区地基GPS综合观测网遥感反演了大气水汽总量（PWV）,分析了大连地区PWV空间变化、逐月变化和日变化特征以及PWV变化与降水的关系,并利用大连本站2005-2011年的探空资料拟合了大连地区地面温度和大气加权平均温度的关系。结果表明：大连本站的PWV与探空积分的水汽含量相关系数达到0.988,均方根误差为2.5 mm。大连地区PWV南北分布比较均匀;PWV最大的月份为7-8月,最大月平均值约40 mm,PWV最小的月份为1月,最小月平均值小于4 mm;大连地区PWV春季和冬季日变化幅度约0.5 mm,夏季和秋季日变化幅度约1.3 mm。夏季和秋季的PWV日变化呈单峰型,春季和冬季的PWV日变化呈多峰型; 在降水发生前8 h 大气水汽总量有明显增加过程,对降水的发生有指示作用。     

黄河流域水汽的区域分布及演变特征

利用1948-2009年NCEP/NCAR再分析资料,研究了黄河流域年平均、1、4、7、10月整层水汽含量的时空分布特征。结果表明：年平均水汽含量为5～27mm,时间上,冬季（1月）和夏季（7月）分别为最低和最高,空间上,青藏高原和黄河下游上空分别为最低和最高,西风带水汽大小居于两者之间;利用旋转经验正交函数（rotated empirical orthogonal function,REOF）展开方法,将黄河流域年平均水汽含量划分为2个区,1、4、7、10月均划分为4个区;年平均及各月全流域和黄河中下游区水汽含量均趋于减少,其余各分区演变趋势各异。     

2017年盛夏湖南持续性暴雨过程的水汽输送和收支特征分析

基于混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(版本4)(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, HYSPLIT4),利用降水观测数据、ERA5和NCEP GDAS (National Centers for Environmental Prediction, Global Data Assimilation System)再分析数据,分析2014年7月13—16日铜仁持续性暴雨过程的水汽输送、收支和各水汽源地的定量贡献。结果表明：(1)东伸的南亚高压和高低空急流的耦合作用增强了低层辐合、高层辐散的动力机制,利于水汽在目标区域辐合上升、凝结,形成降水。(2)500 hPa稳定控制贵州南部以南地区的副热带高压、短波槽和低纬印度半岛的热带气旋协同作用,建立明显的水汽输送通道,使海上的水汽源源不断地输送到暴雨区。(3)后向追踪120 h发现,暴雨区空气块主要来自阿拉伯海、孟加拉湾和南海,所处高度较低;少量空气块来自铜仁以北至欧亚大陆、大西洋,所处高度较高。(4)影响铜仁暴雨的水汽源地为铜仁以南-南海及附近岛屿和海域、印度半岛东部-孟加拉湾、阿拉伯海-印度半岛西部,水汽贡献率分别为48.29%、32.17%和10.47%,铜仁以北至欧亚大陆、大西洋的贡献率为9.07%。(5)850 hPa和700 hPa为主要的水汽输送层,为暴雨区贡献了近3/4的水汽,其余1/4水汽由500 hPa输送。

     

基于HYSPLIT模式的济南机场一次暴雨过程的水汽输送特征分析

利用NCEP再分析资料,结合HYSPLIT轨迹模式对 2018年6月25日发生在济南遥墙国际机场的一次大暴雨过程的水汽条件及输送过程进行分析。结果表明：此次大暴雨的水汽输送通道主要有3支,一支是源自对流层中层的西北气流输送,另一支是西太平洋上副热带高压边缘东南气流输送,第三支是南海上空向北的气流输送,三支通道中,西太平洋通道和南海通道对暴雨的水汽贡献最大,分别为46%和42%,来自西北通道的水汽输送相对较少,它对暴雨的水汽贡献仅为12%;进一步的分析表明,在850 hPa以下的对流层底部,来自西太平洋通道的水汽输送占据主导地位,而在700 hPa以上的对流层中层,则是来自南海通道的水汽输送占据主导地位。     

华南季风槽暴雨特征分析

利用NCEP再分析资料、地面观测资料和GDAS资料,对2018年8月27日—9月1日广东受季风低压影响发生的超历史极值、持续性特大暴雨天气过程的水汽输送特征进行了详细分析,同时利用Hysplit后向轨迹模式对水汽来源进行了诊断分析。结果表明：持续性特大暴雨过程期间,我国华南沿海为北半球的水汽汇合区,水汽主要来源于印度洋,经印度半岛北上至青藏高原南部向东转进入华南上空;另一部分水汽来源于西北太平洋和南海地区,三支水汽汇聚于华南上空,建立了稳定、持续的水汽输送通道,使得此次特大暴雨过程范围广、持续时间长。降水发生前期水汽辐合中心位于华南东部沿海,29日开始逐渐向西移动,于夜间达到峰值,水汽辐合最为明显,31日夜间其中心进一步西移并趋于减弱;水汽通量势函数高值区的变化与此次过程中降水峰值的逐日变化对应良好。逐日水汽辐合表现出明显的日变化特点,白天水汽辐合减弱,夜间明显加强,此次持续性特大暴雨过程呈现出季风降水特征。华南区域南边界是主要的水汽输入边界,且水汽输入主要集中在低层,尤其是华南中东部南边界的水汽输入量持续较高;29日夜间开始华南区域南边界的水汽输入量明显增大,30日达到最大,与大范围大暴雨和特大暴雨的区域及时段基本吻合。

     

台风环流对远距离暴雨水汽输送影响研究

利用NCEP再分析资料,结合WRF模式对2008年7月17—19日发生在山东省的台风远距离暴雨水汽输送过程进行分析。结果表明：台风环流不仅有利于低纬度西太平洋水汽输送到山东内陆地区,而且迫使来自孟加拉湾的气流强度和方向发生变化,进而对远距离降水强度和持续时间产生重大影响;台风环流对鲁东南地区的水汽贡献远大于鲁西南地区,移除台风环流能间接地增强鲁西南地区的水汽供应;台风环流使远距离降水区水汽辐合范围集中,辐合强度增强,从而增强降水强度。     

利用GPS的倾斜路径观测暴雨过程中的水汽空间分布

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线WetPrf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示：(1) COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2 ℃、1.7 hPa和0 hPa,均方差为1.8 ℃、1.6 hPa和0.4 hPa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2) COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。