青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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)。     

东亚地区一次切断低压引起的平流层、对流层交换数值模拟研究

用中尺度模式(MM5)模拟研究东亚地区(网格中心45°N,120°E)一次强切断低压过程(2000年4月8日～12日)引起的平流层、对流层交换.用Wei公式计算此次过程由平流层到对流层的净交换量为5.0×1014 kg,平均交换通量为-0.72×10-3 kg m-2 s-1.地面锋与高空锋的相互作用,在急流入口处和高空锋区出现对流层顶折叠,并引起平流层、对流层物质交换,其中空气的水平运动起主要作用.利用历史天气图统计东亚地区(20～70°N,80～180°E)切断低压的年平均个数为60,占北半球极区类型切断低压的52%.由此,推断东亚地区的平流层、对流层交换对整个北半球的平流层、对流层交换贡献很大.     

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...     

两次强对流背景下的对流层向平流层输送特征模拟与分析?

为了研究强对流及其背景大尺度天气系统在对流层向平流层输送(TST)过程的作用,分别对发生在低纬度和中纬度的两次强对流天气过程进行了模拟。对于发生在广西及其附近地区的低纬度强对流天气来说,云顶温度较低,强对流所带来的直接TST输送约占总输送数的18%,强对流所在的天气尺度或大尺度的系统造成的输送约占总输送数的82%。对于发生在河北及其附近地区的中纬度强对流来说,云顶温度略高,强对流所带来的直接TST输送约占总输送数的0.17%,强对流所在的天气尺度或大尺度的系统过程造成的输送约占总输送数的99.83%。从输送到平流层以后粒子的移动方向来看,这两次过程强对流引起的直接输送都向西南方向移动,而天气尺度或大尺度系统引起的输送都向偏东方向移动。总的来说,强对流所在的背景天气尺度或大尺度的系统所引起的TST都远大于强对流的直接输送。天气尺度或大尺度的系统引起的输送一般发生在强对流发生的2天后,在强对流发生8~9天后达到最大值。     

气候变化对东亚沙尘气溶胶影响的数值模拟

使用RegCM3-dust区域气候模式,单向嵌套MIROC3．2-hires全球模式输出结果,在IPCCA1B温室气体排放情景下,对中国及东亚地区进行了当代（1991年-2000年）和未来（2091年-2100年）水平分辨率为50km的气候以及沙尘气溶胶数值模拟试验。结果表明,模式对中国地区地面气温、降水和东亚沙尘气溶胶空间分布模拟较好。未来东亚沙尘气溶胶年平均起沙通量增加2％,其中12月-3月由于地表积雪量的减少而增加,4月-11月由于10m风速的减小而减少,不同强度的强起沙事件同样12月-3月增加,4月-11月减少。年平均沙尘气溶胶柱含量增加14％,其中3月-5月和8月略减少,其它月份增加。沙尘气溶胶引起地面（SRF）负辐射强迫和沙尘源区大气顶（TOA）正辐射强迫、下游地区TOA负辐射强迫,受沙尘气溶胶辐射强迫的影响,地面起沙通量和柱含量减少。     

沙尘气溶胶作为冰核影响冷锋降水的数值模拟研究

采用RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式对2003年4月8～10日沙尘天气发生时的降水过程进行了数值模拟,并对冰核数浓度变化对区域降水的影响进行了敏感性试验。结果表明:冰核浓度增大使得位于锋线附近的降水中心降水量减小,锋前的降水量增大,强降水范围减少,整个降水区向冷锋前部移动。     

沙尘辐射效应对天气和沙尘输送影响的数值模拟

现有的沙尘气溶胶数值预报模式大多是单向模式, 即只考虑气象场对沙尘气溶胶的输送作用, 而忽略沙尘气溶胶的辐射效应对气象场的反馈作用。本文利用一个考虑了沙尘气溶胶短波辐射效应的天气－沙尘双向模式, 对南疆盆地一次冷空气东侵而引起的沙尘天气进行数值模拟。通过比较考虑与不考虑辐射效应的两组试验, 分析了在沙尘暴－强浮尘过程中沙尘辐射效应对气象要素和沙尘输送的影响, 结果表明: 沙尘辐射效应的考虑明显改进后期强浮尘天气过程中海平面气压变化、地面气温日变化和气温垂直变化的预报; 前期沙尘暴过程沙尘辐射效应引起中低层主导风增大, 但同时使起沙量降低及沉降量减少; 沙尘辐射效应与地形的共同作用使沙尘的沉降量比起沙量减少的更显著, 从而使盆地内浮尘天气维持。     

气溶胶对青藏高原气候变化影响的数值模拟分析

利用美国大气研究中心(NCAR)提供的2组数值试验结果对比,分析了只考虑温室气体增加(1%CO2试验)和综合考虑大气温室气体与气溶胶持续增加(50yrs试验)条件下,青藏高原地区地表温度、积雪深度及其他气候要素的变化,并在此基础上探讨了大气气溶胶含量变化对高原气候变化的可能影响.分析结果表明:只考虑大气CO2含量每年增加1%的变化时,青藏高原相对邻近地区地表温度显著增加,春、夏、秋及冬季地表温度线性增温率均表现出随着海拔高度升高而增强.例如,在海拔1.5～2 km,3～3.5 km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.29 ℃/10 a,0.36 ℃/10 a和0.50 ℃/10 a.在温室气体引起的高原增暖过程中地表积雪深度普遍降低,且高海拔地区的积雪减少愈加明显.当综合考虑气溶胶和温室气体含量共同增加时,青藏高原地表增暖相对偏弱,春、夏和秋季增温也随海拔高度上升而加强,但冬季地面增温幅度随海拔上升反而下降,海拔1.5～2 km,3～3.5km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.02 ℃/10 a,-0.03 ℃/10 a和-0.13 ℃/10 a.对比分析发现,大气气溶胶增加造成青藏高原冬季增温不明显甚至出现变冷趋势,地面积雪也随之增多,这可能歪曲了青藏高原地区气候变暖对海拔高度的依赖性.     

中国北方沙尘气溶胶对云和降水影响的数值模拟研究

已有的研究表明中国北方千旱半干旱地区是对流层沙尘气溶胶的主要来源之一,对当地乃至全球气候都有重要的意义.利用数值模拟研究方法探讨不同干燥程度的大气背景环境下,沙尘气溶胶数浓度对混合云形成和发展的可能影响,并采用析因试验讨论了主次影响因素.结果表明:沙尘气溶胶的增加导致降水减少、延长了云在空中存在的时间,改变了云的空间结构和微观结构.析因分析表明干旱半干旱气候背景条件下,混合云的累计降水量对沙尘气溶胶数浓度变化的敏感性要高于对大气环境湿度的敏感性;沙尘气溶胶数浓度增加导致云累计降水量的减少;沙尘气溶胶数浓度和大气环境湿度对云的累计降水量的影响是复杂的,研究结果可以用于指导降水预报业务.     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.     

数值模拟青藏高原东北边缘冰雹云形成的中尺度环境——个例研究

运用中尺度数值模式MM5,对2003年7月6~8日甘肃南部发生的一次典型区域性冰雹过程进行了数值模拟,并用模拟资料分析了大中尺度环流背景和局地对流单体群特征的演变。结果表明,模式MM5较好地模拟了这次冰雹天气过程和中尺度系统发生发展的特征;低层偏南暖湿气流和中高层西北气流为本次降雹过程提供了环流背景,地形等局地因素是本次冰雹天气发生的重要条件;对流单体主要在海拔较高的山脊处生成,并向低海拔地区移动传播,传播的速度和方向主要与地形和中高层风速风向有关。     

青海湖热力状况对气候变化响应的数值研究北大核心CSCD

湖泊对气候变化非常敏感,是气候变化的指示器。青藏高原湖泊众多,但由于观测数据的缺乏,目前对全球变暖背景下高原湖泊热力状况的研究依然不足且多为短期研究。利用中国科学院青藏高原研究所(ITPCAS)开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集、MODIS地表温度数据、青海湖浮标观测数据,分析了Freshwater Lake Model(简称Flake模式)在青海湖的适用性,揭示了青海湖热力状况对气候变化的响应。结果表明,Flake模式能够很好的模拟出青海湖的热力状况,但对夏季与秋季的湖表面水温(特别是夜间)模拟偏高,部分是驱动数据误差造成的,修正驱动数据后模拟效果得到改善。对1989 2012年Flake模拟的湖表面温度与ITPCAS数据不同驱动要素之间的年际变化趋势与相关性进行分析,发现青海湖表面温度呈现上升趋势,与气温、向下长波辐射有较好的正相关性,而与风速负相关。内部热力状况的模拟结果显示,青海湖混合层温度基本全年呈上升趋势,其中5、6月及12月增温最显著;湖泊底层温度在5月以及12月的两次季节性翻转时期呈上升趋势,在6 10月湖水分层期呈下降趋势,分层期湖泊上层温度升高会加强湖水层结稳定性,使湖水混合减弱,导致底层温度下降。     

一次高原切变线过程的数值模拟与阶段性结构特征北大核心CSCD

利用非静力中尺度数值模式WRF并结合NCEP-FNL分析资料、常规气象观测资料、FY-2F卫星TBB数据以及CM ORPH降水资料,对2014年6月29日至7月1日的一次高原横切变线过程进行了数值模拟并分析了其演变过程中降水、热力、水汽和动力的结构特征。结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次高原切变线过程的降水量和落区。在高原切变线活动期间,不同阶段结构特征存在明显差异。切变线附近通常对应TBB<-20℃的云区;随着切变线的发展,TBB值降低,在云区内有多个TBB<-60℃的对流活动中心,对应主要降水期;在切变线减弱阶段,TBB值升高,降水趋于结束。高原切变线存在"南暖北冷"的热力结构,在切变线发展维持阶段呈现高层稳定、低层不稳定的垂直分布特征;高原切变线也是水汽的聚集带,水汽通量散度的转变对高原切变线的发展具有一定指示作用。在切变线初生阶段和维持、发展阶段,垂直方向上存在正涡度中心和辐合中心,呈现对流层低层正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构;气旋式切变有利于高原切变线上正涡度的维持;散度场上的低层辐合、高层辐散的结构特征有利于切变线上垂直上升运动的发展;高原切变线上的辐合带先于正涡度带开始减弱、消失是高原切变线减弱的一种特征信号。     

一次甘肃强降水过程的数值模拟与诊断分析北大核心CSCD

利用WRF模式对2012年5月10-11日甘肃岷县的一次强降水过程进行了数值模拟和诊断分析。结果表明:WRF模式较好地再现了此次暴雨天气过程,在暴雨落区和强度量级上接近实况。四川盆地的西南风从孟加拉湾携带暖湿水汽向北输送,最大值达到16 kg·m^(-1)·s^(-1)·hPa^(-1),为该地区降水提供了水汽条件。在暴雨发生前,大气能量有个累积的阶段,在暴雨发生时能量开始释放,到暴雨结束时能量释放完;在暴雨发生时,降水落区上空整层均为上升气流,中心强度达到0.5 m·s^(-1)。这种强上升运动不仅使得暖湿空气辐合抬升,而且在上升过程中释放潜热,加热大气,使得垂直运动增强,形成正反馈。模拟的CAPE和雷达反射率因子等物理量均对此次降水过程有较好的指示意义。