大气对流层平流层交换(STE)研究进展

大气平流层对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)包括平流层向对流层的输送(Stratosphere-Troposphere Transport,STT)和对流层向平流层的输送(Troposphere-to-Stratosphere Transport,TST)2个过程,通常统称为STE交换过程.其对大气的辐射平衡、化学成分具有重要影响.研究STE对于大气化学、气候变化、平流层对流层耦合模式的发展等领域意义重大.对国内外不同尺度STE的观测、模拟与诊断做了评述,讨论了各种尺度STE的机制,比较了不同诊断方法和模式的性能和特点.着重指出目前天气尺度STE的研究虽然比较充分,但在STE过程中,中小尺度混合、湍流混合等物理过程的机制、诊断以及模拟方法的研究还有待提高.中小尺度强对流引起的TST对对流层污染物向平流层的输送作用和影响越来越受到关注.在全球快速城市化的背景下,研究城市群高污染区域强对流天气引起的TST过程及其影响具有重要的科学意义.     

赤道低平流层纬向风垂直切变与ENSO变率的关系

利用NCEP／NCAR 40a再分析资料研究了赤道低平流层纬向风垂直切变与ENSO变率间的关系。结果得出，赤道低平流层纬向风的垂直切变呈现明显的准两年振荡，SOI和Nino3区SSTA的准两年周期成分与赤道低平流层纬向风垂直切变分别呈现反位相和同位相关系。赤道低平流层西（东）风切变位相时，OLR、1000hPa高度，2000hPa高度和温度、850hPa温度等要素的距平分布与其在El Nino(La Nina)时段的分布相似。     

行星波对平流层剩余环流的影响

运用欧洲中心ECMWF／ERA-40的资料,分析剩余环流速度v·和W·的变化,从而获得行星波的调整对气候的长期变化的影响。结果表明：赤道气流在低纬度赤道地区由对流层顶上升至平流层中层乃至顶部,而后在中纬度地区下沉,中心位置随季节变化在赤道附近南北移动;剩余环流呈现出准两年的周期变化,剩余速度v·和W·与行星波的振幅三者表现出较好的相关性。另外,行星波波数从1波调整为2波后,平流层低层50hPa以下剩余环流增强,30hPa之上减弱;行星波波数从2波调整为1波后,平流层中层30hPa以下剩余环流减弱,20hPa以上为增强。     

2008年臭氧洞大于2007年

据WMO的公报,2008年南极臭氧空洞面积将比2007年大。观测到的平流层臭氧变化有可能推迟臭氧层恢复到正常的预期时间。因此,参与平流层观测计划的所有成员国继续支持并加强这些观测是至关重要的。     

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.     

南半球平流层极涡崩溃早晚年环流异常特征

极涡崩溃是平流层大气环流一个重要的变化过程,本文利用31年的再分析资料研究了南半球平流层极涡崩溃早晚年的异常特征.研究结果表明,南半球平流层极涡崩溃偏早年极涡崩溃前后平流层环流场异常表现为整层一致的变化,即都为正温度异常、正位势高度异常和负纬向风异常;而南半球平流层极涡崩溃偏晚年极涡崩溃前后平流层环流场异常的整层一致性的变化不典型,而在符号上与极涡崩溃偏早年的异常相反.与北半球平流层极涡崩溃前后环流异常相反明显不同,南半球平流层极涡崩溃偏早或偏晚年在极涡崩溃前后的环流异常保持相同的性质.进一步分析表明行星波活动在南极极涡的崩溃过程中起到了重要作用,极涡崩溃早年上传行星波比极涡崩溃晚年强,并且持续时间长.通过波流相互作用,行星波的异常使得极涡崩溃早年和晚年10月的平流层高纬地区分别为位势高度正异常和负异常,环流异常持续保持可能最终影响了南半球平流层极涡的崩溃时间.分析显示南半球极涡崩溃偏晚与La Niña事件之间可能存在一定的联系,但在极涡崩溃偏早年与赤道太平洋海表温度异常(SSTA)并无明显关系.     

科尔沁草原高空风场垂直特征及变化分析

利用2008-2014年CFL20G风廓线雷达数据对科尔沁草原高空风场垂直特征及变化进行研究。主要对高空三维风场季节变化的统计学特征、典型高度层上的变化规律及垂直高度上的日变化规律进行分析。分析发现：四季中高空20-40m/s风速出现的频率最大,3000米至18000米科尔沁草原高空以偏西风为主。垂直高度上水平风速呈一波一谷型变化,随着高度的增加,高层水平风速开始增大的时间有所推后。12600米及以下各层平均风速最小的季节为夏季,最大的季节为冬春两季;19000米平均风速最小的月份为12月份,风速最大月份为8月份。垂直速度在5500米以下有明显日变化,1500米和3000米有较为明显的年变化,最大值出现在春夏交接的4-6月份,最小值出现在12月份,5000米以上垂直速度没有明显的年变化。     

利用COSMIC掩星资料研究对流层/下平流层大气比湿对ONI指数的响应

本文利用2006年6月至2014年6月COSMIC掩星观测的水汽廓线, 分析了对流层/下平流层(TLS)比湿信号对ENSO的响应.在数据处理中, 将COSMIC掩星水汽廓线计算得到的全球比湿数据内插为1000~30 hPa区间水平分辨率为5°×5°的三维格网, 在各等压面上求取各格网点去除年/月际信号后的比湿月异常值.然后在对比湿月异常时间序列低通滤波的基础上, 进行经验正交分解(EOF)得到比湿主成分, 并对该主成分信号进行二项式平滑; 接下来将平滑后的主成分信号与反映ENSO活动的ONI指数进行相关处理, 得到各等压面主成分信号相对于ONI指数的相关系数及对应的时间延迟.论文分析了包括Niño-3.4的5个代表性区域的TLS比湿异常主成分信号, 结果表明:在各区域, 采用本文先低通滤波再EOF分解的处理方法获得的TLS比湿异常主成分信号与ONI指数均有很强相关性, 对流层相关系数绝对值达0.8以上, 低平流层高于0.7, 在300~200 hPa的上对流层达到峰值; 各等压面上比湿异常主成分信号相对于ONI指数的时间延迟不尽相同, 在对流层中比湿异常主成分信号普遍滞后于ONI指数1~6个月; 在各区域, 比湿异常主成分与ONI指数相关系数绝对值达到最大的等压面都接近250 hPa, 最大相关系数绝对值均达到0.9以上.进一步对全球250 hPa等压面比湿异常主成分与ONI指数相关性的分析表明:两者强相关的区域主要集中在热带; 在这些强相关区域, 比湿异常主成分相对于ONI主要表现为滞后, 且相关系数越大, 相应的时间延迟越短.

     

2019年4月广州白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA5再分析资料和广州白云机场自动观测系统降水资料,分析2019年4月白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层的信号特征。分析发现,2019年4月中下旬,广州白云机场出现了3次持续时间长、降水量大的持续性暴雨过程,降水较往年同期显著偏多。研究结果表明,3次持续暴雨发生前,对流层顶高度出现了下降,平流层高位涡冷空气入侵,机场上空位涡升高;在环流场中,中低纬地区对流层顶和平流层东风偏强,向北和向下传播,广州白云机场终端区在暴雨发生前西风持续下传;广州白云机场上空暴雨发生前对流层顶至平流层位势高度正异常。暴雨发生前,平流层冷空气高位涡移入、对流层顶下降、西风的下传均有利于持续性暴雨的生成。     

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%。