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。

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧(原暖湿区)的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5km(约500hPa)处,锋下向上的深对流注入可达10km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.

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。

东亚地区平流层、对流层交换对臭氧分布影响的模拟研究

首先将区域酸沉降模式 (RADM)进行改造 ,加入平流层化学模块以替代对流层模块。然后用MM5单向耦合改造后的化学模式M RADM ,对东亚地区一次切断低压( 2 0 0 0年 4月 8～ 1 2日 )引起的对流层顶折叠对上对流层、下平流层臭氧分布形式的影响进行模拟。结果显示 :( 1 )随着高空槽的发展与切断 ,高空槽的底部及切断低压四周臭氧有显著增加。对流层顶折叠使高空臭氧向下输送 ,这种向下的输送可以到达对流层中部 ,对上对流层的臭氧影响最大。 ( 2 )模式可以成功地模拟出在北京地区探测到的臭氧垂直廓线的双峰结构。 2 5 0hPa处的臭氧分压比背景值增加近 5倍。模拟表明改造后的区域化学模式M RADM可以用于研究天气过程引起的对流层顶附近臭氧的演变情况。 ( 3)上对流层臭氧分布形势的变化主要是由动力过程中的水平平流作用引起的 ,但是对流层顶附近臭氧的化学过程是不可忽略的。

2000年北半球平流层、对流层质量交换的季节变化

用 2 0 0 0年NCEP资料 ,P坐标下Wei公式诊断北半球平流层、对流层交换的季节变化。主要结论 :( 1 )热带西太平洋是物质由对流层向平流层输送的主要通道 ,并有明显的季节性东西移动。由于 2 0 0 0年赤道辐合带偏弱 ,因此秋季通量最大。 ( 2 )中高纬度地区同时存在向上、向下的通量 ,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送。一年中冬春季向下的输送强 ,夏秋季较弱 ,其季节变化与大尺度环流的季节性变化一致。 ( 3)东亚地区存在很强的平流层向下输送 ,且中心位置移动不大。只占北半球 5 6%面积的东亚其年净交换量竟占北半球的 2 9% ,这说明东亚地区的平流层与对流层之间的质量交换对北半球平流层。

夏季亚洲季风区对流层-平流层不可逆质量交换特征分析

基于2005年NCEP/GFS分析资料和拉格朗日粒子扩散模式的"Domain Filling"技术,以气块穿越对流层顶后的滞留时间为标准,诊断分析了夏季亚洲季风区对流层-平流层质量交换,重点讨论了对平流层大气成分收支具有实际意义的不可逆双向质量交换过程,并利用前向(后向)轨迹追踪方法,分析了其4天的"源(汇)"特征.研究结果表明:(1)对流层-平流层质量交换(Troposphere-Stratosphere mass Exchange,STE)的计算对滞留时间阈值的选择具有较强敏感性,大多数的气块在1～2天内可频繁地往返对流层顶.这些瞬时交换事件的考虑与否对穿越对流层顶的质量交换计算的准确性具有重要影响,尤其在中纬度的风暴轴区域.(2)从亚洲季风区对流层-平流层质量净交换纬向平均上看,45°N以南的区域为对流层向平流层的质量输送(Troposphere to Stratosphere massTransport,TST),副热带地区为最强的上升支,而在45°N～55°N的中纬度地区是平流层向对流层质量输送(Stratosphere to Troposphere mass Transport,STT).地理分布上,STT主要分布在青藏高原以北的东亚地区,与亚洲季风区夏季大尺度的槽区相对应.夏季整个亚洲季风区都是TST发生的区域,最大值位于青藏高原东南侧及其附近区域,该区域占亚洲季风区不可逆TST夏季平均总量的46%.(3)对流层-平流层质量交换的"源汇"特征分析表明,STT主要源于100°E以西、50°N以北的高纬地区,向下可以输送到中国东北部及朝鲜半岛北部等中纬度区域.而TST主要来源于中纬度和副热带地区的大气输送,向上穿越对流层顶高度以后,可分别向高纬的极地和热带地区输送,这意味着亚洲季风区夏季的TST水汽输送可能进入"热带管"中,进而可能对全球平流层水汽平衡产生重要影响.

平流层—对流层交换研究进展

平流层与对流层之间的物质输送和混合 (STE)是控制自然和人为排放的化学痕量物质对大气成分影响的一个重要过程。STE可以影响温室气体在上对流层和下平流层中的垂直分布 ,进而影响气候。要预报全球气候变化就必须了解平流层与对流层之间动力、化学及辐射的耦合。从STE研究的尺度问题 ,热带和中纬度地区STE研究以及我国STE研究现状进行了评述。STE具有多种尺度和形式 ,热带外平流层由波强迫驱动的全球尺度环流 ,可以诊断长时间尺度的STE ,它不能充分描述短时间尺度过程。热带外低平流层环流不能简单地描述为纬向平均 ,要正确描述痕量气体的分布必须包含纬向非对称的天气尺度过程。热带地区的滴漏管理论提供了一个新的诊断STE框架。

全球平流层、对流层质量交换的季节变化特征

用1958年到2001年44 a ECMWF资料,P坐标系下Wei公式诊断了全球对流层、平流层交换的季节变化.结果表明:印尼、孟加拉湾以及南美中西海岸附近是物质由对流层向平流层输送的主要通道.中高纬度地区同时存在向上、向下的通量,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送.一年中,秋、冬季向下的输送强,春、夏季较弱.东亚地区存在很强的平流层向下的输送,且中心位置移动不大;只占北半球5.6%面积的东亚,其多年平均质量净交换量却占到北半球的15.83%,这说明东亚地区对流层与平流层之间的质量交换对北半球乃至全球对流层、平流层交换研究的重要性.从1958年到2001年,穿越对流层顶的空气都是更多地从平流层进入对流层,这与同化数据本身存在系统性偏差以及对流层顶高度44a来始终升高有关.南、北半球质量交换量以及质量交换通量对所占纬度带的贡献都是从赤道向两极逐渐增大,且北半球的贡献比南半球要大得多.高纬度地区单位面积上的质量交换量以及质量交换通量比低纬度要大,说明高纬度地区质量交换的效率要比低纬度更高.

亚洲夏季平流层-对流层水汽交换年际变化与亚洲夏季风的联系

亚洲地区是物质由对流层向平流层输送的主要通道,在平流层-对流层交换中扮演着积极的角色.本文主要利用卫星资料和欧洲中心ERA40再分析资料,借助Wei诊断模式研究亚洲地区夏季上对流层-下平流层(UTLS)水汽分布和平流层-对流层水汽交换特征,重点着眼于水汽交换的年际变化,并探讨其与亚洲夏季风的联系.结果表明,季风区UTLS水汽较赤道地区偏多,且通过磁带记录信号的传播,可穿越对流层顶影响下平流层水汽的多寡.夏季平流层-对流层水汽交换表现出明显的年际特征,其年际变化与亚洲季风强弱变化有密切联系,尤其与南亚夏季风的关系更为显著.在亚洲夏季风影响下,亚洲地区出现异常的大气环流和垂直运动,从而影响平流层-对流层之间水汽的交换.这些结果对认识其它大气成分的输送过程也具有重要的指示意义.

夏季青藏高原对流层-平流层交换过程及其气候效应的若干问题

亚洲是目前世界上经济发展最快的地区,其所带来的区域气候环境问题以及对全球气候环境的可能影响成为当前科学界关注的一个重要课题。一些研究表明,夏季亚洲季风区是边界层大气成分(包括污染物)进入全球平流层的一个重要通道,其中青藏高原由于高大地形的作用而具有重要的地位。从以下几个方面介绍了研究进展及存在的问题:夏季亚洲季风区上对流层/下平流层(UTLS)大气成分及对流层顶气溶胶层的分布特征、卷云及深对流活动特征、夏季南亚高压反气旋环流特征及其对大气成分分布的作用。指出南亚高压反气旋控制区不仅是对流层示踪物的高值区和平流层示踪物的低值区,同时也是气溶胶和卷云覆盖率的大值区,因而是全球比较特殊的地区,从而可以进一步通过大气辐射、微物理、异相化学等过程对区域甚至全球气候环境产生重要影响。比较了亚洲季风区与北美季风区大气成分在UTLS区域分布的异同,讨论了深对流快速输送和大尺度缓慢输送这两种不同尺度过程在大气成分分布的可能作用,尤其对于不同大气成分输送作用的差异,并讨论了南亚高压两种不同模态对UTLS区域大气成分分布的重要作用。最后提出了未来青藏高原对流层—平流层相互作用及其气候效应研究中需要关注的一些关键科学问题。

江淮梅雨期平流层—对流层物质交换过程的个例分析

利用MERRA再分析资料,选取2007年江淮梅雨作为研究个例,通过对上对流层、下平流层(UTLS)区域3种化学示踪物(臭氧、一氧化碳和水汽)及位涡的水平与垂直分布变化的分析,探讨梅雨发生前后梅雨区上空的平流层—对流层物质交换(STE)特征。研究表明,梅雨期存在由对流层顶折卷造成的跨越对流层顶向下的物质传输和对流活动引起的物质向上传输。入梅前,主要是由对流层顶折卷造成的物质向下传输(至少能达到300 h Pa),这一过程导致对流层中上层存在高浓度臭氧及一个干层;随后,伴随梅雨的发生,对流活动频繁出现,对流层顶开始抬升,在入梅第二天已经恢复到对流层顶折卷过程发生之前的高度,对流层内的高浓度臭氧和干层也随对流层顶折卷的东移而移出梅雨区。还通过分析梅雨区臭氧和整个亚洲夏季风区臭氧的相对变化量发现,整个梅雨期的STE为物质的向下传输,在UTLS区,梅雨区对亚洲夏季风区的STE贡献为跨越对流层顶向下传输。

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（MicrowaveLimbSounder）、高光谱分辨率大气红外探测仪AIRS（AtmosphereInfraredSounder）、ECMWF的ERA-Interim资料，以及NCEP／NCAR再分析数据和NOAAHYSPLIT（Hybrid；Single-ParticleLagrangianIntegratedTrajec-toryModel）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100hPa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215hPa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，100hPa三个不同区域的水汽在3月达到最低。

全球平流层-对流层之间臭氧通量的时空演变研究

利用1958-2001年的臭氧混合比和ECMWF（Europema Centre for Medium-range Weather Forecast）资料，采用Wei诊断模型定量计算了穿越全球对流层顶的臭氧质量通量．结果表明：（1）臭氧通量场存在纬向型和经向型的空间波列结构，这些空间波列均未能跨越对流层顶断裂带到达热带对流层顶控制区，其中南北两极的极区、地中海-伊朗高原-青藏高原-日本南部-北太平洋和南半球对流层顶断裂带中沿纬圈完整的空间波列最为显著．海洋上空臭氧通量的性质较为均匀一致，大陆上空的空间结构多变．北半球向下与向上的局地平均最大臭氧通量分别是-4μg·m^-2·s^-1和2．5μg·m^-2·s^-1，南半球的对应值为-2．5μg·m^-2·s^-1和1．5μg·m^-2·s^-1．（2）纬向平均的臭氧净通量依赖于纬度变化，北半球与南半球具有显著的非对称特性，总效应是平流层臭氧向对流层输运注入．臭氧通量有着显著的季节变化，可随不同季节在地理分布上发生空间转移现象，而且其控制机制不仅受对流层顶的季节运动影响，也随大气环境的季节调整而发生改变．（3）南北半球臭氧净通量的变化趋势相反，南半球为双峰结构。表现为非对称振幅的季节波动结构．全球臭氧通量振幅的年际变化表现出明显的QBO（Quasi-Biennial Oscillation）特性，年代际演变的结构形态（向下的臭氧净通量）可划分为4个阶段：1960年代是平稳变化期，1970年代为增强期，1980年代是又一个相对平稳期，1990年代为剧烈变化期．向下的臭氧净通量主极大值出现在1977、1990年和1998年，极小值在1993年和1996年．

平流层-对流层相互作用的多尺度过程特征及其与天气气候关系——研究进展

在过去5年中,在国家自然科学基金委员会和中国科学院的项目支持下,针对以大气上下层相互作用中的多时空尺度过程特征及其与天气气候的关系为主要关注内容,开展了几个方面的研究。本文介绍其中的一些主要进展与结果,包括:(1)平流层臭氧的探测与分析研究;(2)平流层-对流层质量交换(STME)与对流层顶特征研究;(3)中层大气多尺度波动特征研究;(4)大气辐射传输和中层大气卫星临边遥感新方法研究。

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。

北京地区对流层顶变化及其对上对流层/下平流层区域臭氧变化的影响

根据2001～2003年期间获得的大气臭氧探空资料，揭示了北京地区上空对流层顶高度的某些变化特征及其对上对流层（UT）和下平流层（LS）区域内大气臭氧含量变化的影响。结果显示：北京地区上空对流层顶高度的平均值约11．1km，其变化范围为7．7～14．4km，臭氧层顶始终处在对流层顶下方约0．9km高度处。对流层顶高度变化与臭氧总量变化之间的关系相对较弱。通常情况下，LS中的臭氧积分量明显高于UT中的相应值，并且二者呈相反的季节变化特征。北京地区上空仲夏和初秋季节第一对流层顶出现的频数明显减少，在第一对流层顶消失的情况下，LS中的臭氧积分量明显减少，而UT中的臭氧积分量明显增加，臭氧量减少最多发生在200～100hPa层次中，而臭氧量增幅最大的层次是400～250hPa。

平流层与对流层相互作用的研究进展

平流层和对流层大气是地球气候系统中的重要组成部分,众多研究表明两者的动力耦合非常密切,平流层并非仅仅被动地接受对流层扰动的影响,强的平流层异常也会对主要发生在对流层的天气、气候现象产生影响。主要介绍了平流层和对流层大气相互作用方面的一些研究工作,从引起平流层环流变化的扰动因子出发,总结了对流层大气波动、赤道纬向风准两年振荡、ENSO海温异常和太阳11年周期活动对平流层大气的影响。平流层环流发生改变后,会有环流异常信号从平流层向下传播至对流层,有关北极涛动(AO)的研究很好地证明了这点:平流层中AO异常的信号总是领先于对流层中的AO异常。伴随着平流层和对流层大气之间的动力耦合过程,上、下层大气之间有显著的物质交换(STE)进行,在不同的纬度存在着不同空间尺度、不同作用形式的STE过程,而STE是控制人为和自然排放的痕量化学物质影响大气成分分布的重要过程。还介绍了中层大气模式的发展和应用情况,改进模式中的辐射传输和重力波参数化方案,实现大气化学过程、动力过程和微物理过程的充分耦合是发展中层大气模式的主要工作。在气候变化的背景下加强平流层-对流层大气耦合系统及其相互作用的研究具有重要的科学和现实意义。

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(Mesoscale 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-Stratosphere transport,TST)的特征与机制。结果表明:1)MCC内对流层顶附近的粒子有两个源区,短期内(6 h内)来源于西南区低层的空气占比很大,随着时间增加(累积到12 h以上),来自北区中高层的空气逐渐增加;前者与MCC及爆发前的西南低空急流有关,后者由北方高空槽后气流引导。2)MCC下方边界层粒子向平流层输送时,分别受周边的两个大尺度系统共同作用。最终24.2%的边界层粒子能进入平流层,其中大部分被MCC强对流垂直迅速向上输送到对流层顶,随后受南亚高压南侧外围环流影响,转而向西移动进入平流层,而少部分是脱离MCC后的粒子,随西南气流向东北输送,遇到中纬度锋面系统,经缓慢的锋面爬升和快速的西风急流共同作用,向东输送到日本上空后进入平流层。

2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

利用国产GPSO3臭氧探空系统观测的大气臭氧探空资料和NCEP再分析资料,结合对天气形势、大气环流背景、高空位涡变化及对流层顶高度扰动的分析,深入研究了2008年冬季北京地区10~14 km高度范围内持续出现的臭氧次峰值及大气臭氧含量异常现象。结果表明：在2008年我国南方雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布持续出现次峰值现象及臭氧含量异常的主要原因是平流层空气强烈下沉运动及其与对流层的交换作用,而引起这种下沉运动及平流层—对流层交换则是由于该阶段特殊的天气背景,乌拉尔阻塞高压长时间维持,贝加尔湖到巴尔喀什湖一带横槽稳定存在,里海以东切断低压长期维持,造成冷空气长时间、稳定地南下影响北京上空臭氧的垂直分布。加之副热带急流的出现,北京正处于其入口区左侧,其上空有强烈的辐合下沉运动,有利于平流层空气向下输送。此次臭氧次峰值及臭氧含量异常的现象很好地说明,在冷空气天气过程的影响下,北京地区上空的平流层空气运动及其与对流层的交换十分活跃。

青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶质量通量的时空演变特征

利用1958~2001年ECMWF资料,根据Wei公式估算了青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶的质量通量(CTF),分析了CTF的时空分布特征。分析结果表明:(1)CTF分布呈现纬向型,在副热带西风急流北侧即对流层顶断裂带中存在东西向的TST(对流层向平流层输送)-STT(平流层向对流层输送)-TST的波列结构(水平输送项决定),而南侧分布决定于垂直输送项。(2)在80°E^105°E范围内,冬春季节,青藏高原南部及其以南区域为TST,北部为STT;夏秋季节,整个区域几乎由TST所控制。西风急流南侧的CTF主要决定于垂直项,而北侧主要决定于水平项,再往北,垂直项与水平项贡献相当。(3)青藏高原与孟加拉湾区域平均CTF在所有季节均为TST,即有从对流层到平流层净的向上输送,2月强度最大,7月为另一个极大值;两个极大值有不同的产生机制,后者决定于垂直项,而前者由水平项决定。(4)青藏高原(及孟加拉湾)区域年平均CTF在1958~2001年之间的变化趋势在1982年左右出现一个转折:1982年之前,CTF为递减过程;而之后CTF为相对较强的增长。上述结果表明:尽管冬季高原上空为下沉气流,但高原上空的水平输送项有很强的向上贡献,这与丛春华等(2003)得出的STT不一致。但需要指出的是,根据Wei公式计算的CTF,尤其在急流附近,对资料中存在的误差十分敏感(Gettleman等,2000),因此青藏高原主体上空在冬季是STT还是TST,有待于进一步的分析研究。