夏季南亚高压与邻近上对流层下平流层区水汽变化的联系

利用1979—2015年ERA-interim月平均再分析资料,分析了夏季南亚高压(SAH)与邻近上对流层下平流层(UTLS)区水汽空间分布特征,讨论了二者的相关关系和因果联系。结果表明:(1)在对流层上层,水汽大值区位于南亚高压的东南侧,并随高度升高向西北倾斜到100 hPa,水汽大值中心基本位于南亚高压中心附近。(2)南亚高压偏强(弱)时,南亚高压东部UTLS区水汽显著偏多(少),而南亚高压西北部水汽异常不显著。(3)南亚高压偏强(弱)时南亚高压中部UTLS区水汽偏多(少)可能与南亚高压对水汽的抽吸和对水汽输送屏障有关。(4)而南亚高压东南侧UTLS区水汽偏多(少)时南亚高压偏强(弱)可能与深对流输送的水汽潜热释放有关。

对流层-平流层之间过渡层中臭氧含量及其加热率的变化研究

利用1958～2001年共44年的ECMWF资料及参数化方法,计算了对流层顶上、下3km气层间的臭氧含量及其吸收太阳辐射加热率的时空分布.结果表明:(1)臭氧分布的空间梯度从赤道指向两极,而加热率则是分别由高纬和低纬指向副热带,这样的经向梯度可能是驱动对流层顶结构变化的一种重要因素;两者空间分布的季节变化显著,但其对应关系并不完全一致,1月和4月的空间结构与7月和10月的相反,随季节调整具有突变现象;东亚及青藏高原是季节变化相对稳定的区域.(2)在热带对流层顶控制区加热率与臭氧含量呈正相关,而极地对流层顶控制区各季节有所不同,还与太阳赤纬变化相关联;各纬度间加热率季节变化的位相和变率都存在差异,但南半球相对较为一致,最大距平为±2×10-4K.d-1,北半球则较复杂,最大正距平为4×10-4K.d-1;两半球的季节周期位相趋于相反.(3)除赤道外,臭氧距平的季节变化位相超前于加热率距平2～3月,并且发生在季节变化的调整期;最大距平出现在南极的8月大于0.4DU,3～4月则小于-0.2DU,而北极为±0.2DU.(4)臭氧含量和加热率的年际与年代际演变关系对应一致,并具有多尺度的结构特征;但两半球及赤道的时空演变差异明显,30°S～30°N间副热带控制区的加热率变幅剧烈,最大距平为±2.5×10-4K.d-1,高纬和两极的变幅在不同演变期各不相同;臭氧的变幅结构与之相反,北极的最大距平分别大于0.25DU和小于-0.35DU.(5)20世纪70年代以前及70年代中期,两半球的正负距平具有相反的演变结构,而90年代是负距平演变最剧烈的时期.

上对流层-下平流层交换过程研究的进展与展望

上对流层和下平流层（UTLS）区域的高度范围大致为5～20km。UTLS区域大气成分的分布及变化对于认识气候长期变化也极为重要，因为该区域的臭氧是一种有效的温室气体，其中的水汽、卷云和气溶胶对太阳短波辐射和地球长波辐射有很强的调制作用，因而对于天气和气候变化产生不可忽略的辐射强迫作用；UTLS区域中，还有航空业的飞机排放，强对流云云中与云上闪电产生相当量的NOx，这些都对UTLS区域乃至更高及更低层大气的化学成分与分布产生重大影响。该文介绍上对流层和下平流层区域的交换过程研究的意义和手段，同时介绍有关研究的进展，重点回顾近年来国内一些学者开展的工作。另外，还列举一些研究问题和方向，最后重点展望青藏高原上空上对流层-下平流层区域的研究，因为该地区UTLS交换过程不仅具有显著区域特征，而且在全球平流层-对流层交换中可能有重要贡献。

夏季云顶高于对流层顶事件对东亚天气型及上对流层—下平流层大气结构的影响

采用A-Train系列卫星的AURA/MLS水汽、温度资料,CALIPSO/CALIOP云物理资料,结合ECMWF气象再分析资料,分析了东亚地区云顶高于对流层顶事件（Cloud Top Above the Tropopause,CTAT）的区域分布,及其对上对流层—下平流层（Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS）水汽和温度结构的影响。结果表明：亚洲季风区的夏季CTAT发生率是30%~55%,为全球最强区域;东北亚的夏季CTAT发生率是15%~20%,为中纬度最强分布区。以CTAT为指标的合成结果表明：15~30°N的东亚—西太平洋UTLS,水汽呈＂上干下湿＂的异常分布,温度呈＂上冷下暖＂的异常分布,该结构与该区域热带气旋合成的结果一致,说明热带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统;35~50°N的东北亚UTLS,水汽呈＂上干下湿＂的异常分布,温度呈＂上暖下冷＂的异常分布,该结构与该区域温带气旋合成的结果一致,说明温带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统。

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。

上对流层/下平流层大气垂直结构研究进展

大气上对流层与下平流层区域是对流层与平流层之间的过渡区域,热带对流层顶确定了全球整个平流层的化学边界条件,该区域大气的垂直结构及变化对于平流层—对流层交换和上对流层/下平流层大气成分收支有重要影响;该区域也是大气动力、热力和大气成分结构发生巨大转换的区域,辐射过程、多尺度动力学过程、化学过程和微物理学过程等都起着同样重要的作用,对流层顶变化也是人类活动引起气候变化的一个敏感指示因子,因此关于对流层顶的研究(尤其是其精细结构和过程)重新唤起了人们的关注。针对对流层顶的各种定义(包括热力学、动力学和化学成分)以及它们相互之间的关系、对流层顶是一个面还是层以及对流层与平流层之间的转换特征、对流层顶强逆温层的特征及形成原因等基本科学问题,回顾了近年来的一些重要研究进展。

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(Microwave Limb Sounder,MLS)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、北美季风区、暖池区及伊朗高原的上对流层/下平流层水汽、冰水含量及水物质总含量(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 h Pa高度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 h Pa高度水汽对水物质总含量有主要的贡献,而147—83 h Pa高度冰水含量与水汽含量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。水汽含量(水汽混合比)在147 h Pa和100 h Pa高度不同的概率密度分布反映不同高度影响水汽输送的不同因素。北半球冬季暖池区100 h Pa上空温度极低,水汽混合比峰值概率仅为2 ppmv;而在147 h Pa高度,亚洲季风区频繁的深对流使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 h Pa和147 h Pa高度,冰水含量主要集中在小值区,可能是由于冰晶粒子消耗水汽而增长到一定尺度后沉降造成的。

北半球中高纬度对流层顶转换层中O_3/H_2O混合关系的结构形态

利用北半球40°N～50°N纬度带上HALOE实验测量的O_3和H_2O廓线资料,根据示踪成分O_3和H_2O空间分布的化学寿命以及输运特征时间常数等性质,在等熵坐标中构建了对流层顶附近及最低平流层300～390K等熵面间,O_3/H_2O混合关系的结构形态和季节特征.结果表明:(1)在对流层顶转换层的320～380K等熵面间O_3混合比廓线的斜率具有空间转折"突变",而H_2O混合比廓线的斜率则出现空间渐变转折.在对流层顶附近O_3和H_2O的源分别是平流层与对流层,使O_3混合比和H_2O混合比在320～380K等熵面的两侧显现出截然不同的垂直分布梯度.(2)在对流层顶附近O_3/H_2O达到最小二乘意义上的最佳拟合时,两者参考关系的对流层支与平流层支呈现出非规则"L"结构形态的季节与季节内变化,其中对流层支的斜率为负,而平流层支的斜率可随季节出现正负变化.同时,由"L"形态的转角处可确定随季节变化的化学对流层顶(chemopause)特征.(3)由O_3/H_2O混合关系反映出对流层不同区域空气携带的物质成分分别与平流层空气混合而形成混合层,而且可使混合层的混合线不恒定.混合层的表现在2003年、2005年1月和2003年4月的混合程度相当,混合的等熵厚度大约是30K,即在320～350K等熵面间.2005年11月的混合高度有所增高,进入平流层的H_2O混合比要比2003年和2005年1月的小,混合的等熵厚度大约为30K,在330～360K等熵面间.不同季节混合的等熵厚度变化较小,但高度可随季节而变化.O_3/H_2O混合关系的平流层支随季节的变化很明显,1月最低平流层空气脱水是引起平流层支季节变化的重要原因.

平流层爆发性增温中平流层环流及化学成分变化过程研究

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）气象分析场、欧洲空间局ENVISAT／MIPAS卫星观测资料以及平／对流层大气化学输送模式MOZART-3综合分析了2003-2004年冬季北半球爆发性增温事件对于平流层大气环流、物质输送以及对流层顶附近臭氧通量等多方面的影响。结果表明：①本次增温过程持续时间长、强度大，平流层极涡从高层向下逐层分裂，增温效应作用到大气较低层，当纬向东风形成并维持后极涡又自上向下逐层恢复；②SSW过程前后行星波活动频繁，有长时间多次的上传，且以1波作用为主，2波对其进行补充；⑧在θ-PVLAT坐标中分析发现SSW扰动过程中平流层中存在一对向极、向下的传播模态，相应的对流层中有一向赤道的传播模态，不同符号的纬向风、温度异常信号沿这两个模态传播，且上、下层传播模态在时间上存在着一定的联系；④增温过程中行星波活动引起的向极输送以及极区垂直运动的变化，共同影响了平流层的物质输送过程，从而导致北半球平流层N2O、O3、CH4、H2O等微量气体成分的垂直、水平分布发生显著变化；⑤增温过程中活跃的行星波可以造成平流层Brewer-Dobson环流增强，同时导致高纬度地区（60～90°N）穿越对流层顸的臭氧通量（Cross-Tropopause Ozone Flux，CTOF）显著增强，与行星波相联系的等熵物质运动引起“middleworld”区域内向赤道的臭氧通量也有所增强。

亚洲地区夏季风期间氨气的时空分布特征

利用ENVISAT卫星搭载的迈克尔逊干涉仪和Aqua卫星搭载的AIRS探测仪观测到的大气NH3浓度数据以及全球大气化学—气候模式EMAC模拟的NH3浓度结果,分析了2008~2011年6~9月亚洲地区大气NH3的空间分布特征。结果显示,夏季时近地面NH3浓度最高值出现在印度北部,同时紧邻印度北部的孟加拉湾存在深对流,凭借青藏高原的高海拔地势,此深对流可以将寿命较短的NH3输送到上对流层和下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS),所以在青藏高原上空出现了NH3的向上输送柱,即青藏高原是NH3向上输送的主要通道。亚洲夏季风反气旋的位置主导着NH3在UTLS区域的空间分布,反气旋内持续存在NH3高浓度中心,NH3高浓度中心位置与反气旋中心位置对应良好,会出现一个或两个NH3高浓度中心,说明反气旋内环流形式的变化对反气旋内NH3分布特征有重要影响。

青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.

南亚高压的水平和垂直结构及其变化特征

利用1948-2016年NCEP/NCAR月平均再分析资料,对南亚高压的水平与垂直结构、中心强度、位置及多年变化特征进行分析。结果表明:与多年平均相比,在上对流层下平流层区域(70、100、150、200 hPa),不同典型异常年份南亚高压的水平结构表现出双中心、纬向与经向跨度变大的特征,但不同高度其水平范围变化不同。近69 a对南亚高压内部空气束缚的东风急流最大风速整体呈减弱趋势,而西风急流的最大风速则无明显变化趋势。南亚高压的热力和动力垂直结构在不同年份有所不同,即东、西风急流强度和温度异常存在年际差异。1948-2016年南亚高压的厚度有明显的年际变化,大致为6.32~6.42 km。各高度南亚高压中心位势高度值在1975-1980年间均上升了0.1 gpkm左右,且中心位置存在东西振荡和南北位移,但这种变化幅度存在一定差异。

东亚地区氮氧化物排放对北半球UTLS区域臭氧和温度的影响

利用臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)卫星资料和全球大气化学气候模式WACCM3,研究了东亚地区地表氮氧化物(NOx)排放增加对北半球上对流层下平流层(UTLS)区域臭氧和温度的影响。结果表明,东亚地区地表排放的NOx可以在夏、秋季输送到热带和东亚UTLS区域。在夏季,南亚高压可将东亚上空UTLS区域的NOx输送到低纬度地区。随着东亚地区地表NOx排放增加,冬季低纬度UTLS区域光化学反应增强,臭氧浓度显著增多,导致该区域增温;而中纬度UTLS区域NOx与臭氧的催化消耗反应增强,臭氧浓度显著降低,导致该区域降温。冬季UTLS区域低纬度和中高纬度之间的温度经向梯度减弱,副热带急流减弱,极区和中纬度之间的温度经向梯度增强,副极地西风急流增强,导致进入平流层的1波和2波强度明显减弱。

长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略。利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响。结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2。以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K。

青藏高原UT/LS夏季CO的季节内变化特征及可能影响因子分析

基于2005、2006年夏季大气微波临边探测仪(MLS)探测的青藏高原上对流层-下平流层(UT/LS)一氧化碳(CO)和臭氧浓度数据,分析了其浓度的季节内变化特征并对可能机制进行了初步探讨。结果表明,青藏高原及其周边区域UT/LS是大气痕量成分的异常区,具有对流层特性的一氧化碳和具有平流层特性的臭氧在时间变化呈现出反位相变化特征;UT/LS大气成分的变化存在两个主要季节内振荡(ISO)周期,即10～20天和30～60天,但不同的高度上具有不同的表现特征,UT主要表现为10～20天的季节内振荡,而LS主要表现为30～60天的季节内振荡;这两个振荡周期分别和夏季对流活动以及南亚高压的季节内变化具有同位相特征,说明上述两个因子可能是影响该区域不同高度的大气痕量成分季节内振荡的两个主要动力过程。

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。

MOPITT与MLS观测的CO浓度在200 hPa的差异及其原因分析

具有较优垂直分辨率和反演精度的MLS(Microwave Limb Sounder)数据与MOPITT(Measurements of Pollution in the Troposphere)数据在上对流层—下平流层(UT-LS)区域有一个交集,因而将MOPITT与MLS测量的200 hPa高度上CO数据进行对比分析。比较结果显示,两者在中低纬度分布较为接近,在非洲中西部、南美中北部和东南亚地区均有大范围高值中心区存在;MOPITT CO在浓度值上明显高于MLS CO,并且MOPITT CO浓度在低纬度存在约35 ppb(10^-6)的全球性系统性偏差。通过CALIOP云层数据对MOPITT和MLS CO差异原因进行分析,表明CO高值区的形成与旺盛的对流有关。

青藏高原UT/LS的大气成分分布对比分析

为更好地了解高原上空大气成分的分布,利用NCEP/NCAR再分析资料、美国NOAA提供的外逸长波辐射资料和美国Aura卫星携带的MLS微波临边探测仪测得的最新资料对青藏高原上空及其周边区域上对流层至下平流层的水汽及一氧化碳和臭氧的分布特征进行对比分析。结果表明,高原上空水汽的含量在上对流层-下平流层明显大于其东西两侧,水汽的极大值出现在7、8月。水汽分布总体呈现南多北少,但不同季节有一些差别。一氧化碳分布的大值中心随高度的升高而西移,南亚高压动力作用随之增强,深对流作用减弱。在高原西南侧低层低浓度的臭氧向上输送,东北侧高层高浓度的臭氧向下输送,使臭氧呈现东北侧高,西南侧低的分布特征。三者在不同高度上存在不同的相关性,且均通过显著性检验。