国家重点基础研究发展计划973计划课题总结报告项目

国家重点基础研究发展计划（973计划）2010年度课题总结报告项目名称：平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用课题名称：上对流层／下平流层大气过程及其对大气成分分布的影响课题编号：2010CB428602起止年月：2010年1月-2014年8月课题组长：卞建春邮件地址：北京市9804信箱中科院大气物理研究所100029联系电话：[phone]电子邮件：[e-mail]承担单位：中国科学院大气物理研究所/南京信息工程大学2010年12月15日2一、年度计划执行情况1、计划完成情况1.1课题前两年研究任务上对流层-下平流层（UTLS）也称为对流层顶区域，是两个具有明显不同特性层区之间的过渡层，具有很强的热力、动力和化学要素垂直梯度，水平分布结构复杂而且多变。UTLS区域是大气动力、辐射、微物理和化学等过程相互作用非常显著的区域，其中动力过程既包括混合、对流和重力波等中小尺度过程，也包括暖输送带、平流层下侵、副热带西风急流调整等大尺度过程，还包括Brewer-Dobson环流这样的全球尺度过程。东亚地区由于特殊的地理位置，受到太平洋、印度洋和亚欧大陆等多方面的共同作用，特别是青藏高原高大地形的影响，因而东亚UTLS区域具有明显的区域特征。围绕上述关键科学问题，前两年课题任务计划主要集中在以下三个方面：（1）东亚上对流层/下平流层（UTLS）大气结构及形成机理。利用卫星、高分辨率探空和加强期观测资料，分析华北、西北、青藏高原等典型地区UTLS大气动力、热力和化学结构特征，并分析其形成机理。（2）东亚平流层-对流层交换过程及其在大气成分收支中的作用。基于卫星和再分析资料，分析东亚地区典型天气过程中UTLS大气动力和成分的变化特征，分析平流层-对流层之间大气成分的输送过程；分析东亚地区平流层-对流层物质交换通量以及在全球大气成分收支中的作用。（3）东亚强对流过程中大气成分向UTLS输送的机理。根据卫星资料分析东亚地区对流活动统计特征，以及与UTLS大气成分分布的关系；利用对流云模式模拟东亚地区强对流活动对于对流层-平流层物质输送的影响。1.22010年开展的主要研究工作2010年作为项目启动年，研究的主要工作集中在：（1）数据收集、准备和整理收集探空资料、卫星资料收集再分析资料3（2）亚洲UTLS大气结构及形成机理夏季亚洲季风区UTLS大气成分分布及其与南亚高压的关系亚洲对流层顶附近精细结构的分析（3）亚洲平流层-对流层交换过程及其在大气成分收支中的作用夏季青藏高原臭氧低谷的成因分析亚洲季风低层污染物向UTLS区域输送过程的模拟研究青藏高原周边地区平流层下侵过程和上侵过程的分析（4）亚洲强对流过程中大气成分向UTLS输送的机理夏季亚洲地区对流活动的分布夏季亚洲强对流活动的模拟研究2、2010年研究工作的主要进展2.1数据收集、准备和整理获取了我国部分探空站垂直高分辨率，收集COSMIC温度廓线资料，可用于对流层顶附近大气静力稳定度的分析；收集了欧洲中心最新版本再分析资料ERA-Interim，为区域模拟提供了高分辨率资料；收集了MLS大气成分资料，用于UTLS区域大气成分分布的研究；收集了CloudSat和Calipso卫星的云廓线资料，用于分析强对流活动特征。2.2夏季亚洲季风区UTLS大气成分分布及其与南亚高压的关系利用2005-2009年的MLS观测资料分析了夏季亚洲季风区UTLS区域O3、CO和水汽分布，结果表明：夏季南亚高压控制区是全球臭氧（平流层示踪物）浓度的低值中心，也是对流层示踪物CO和水汽浓度的高值中心。分析结果还表明，这种分布随南亚高压东西振荡活动而存在两个模态：当南亚高压处于青藏高原模态时，这些示踪物中心向东偏移，中心位置位于青藏高原上空；当南亚高压处于伊朗高原模态时，中心向西偏移，位于伊朗高原上空；伊朗高原模态高压中心偏强，示踪物中心极值也偏强，尤其对于水汽比较明显。42.3夏季青藏高原臭氧低谷的成因自从1994年周秀骥等发现夏季青藏高原臭氧低谷现象以来，科学家们一直尝试寻求其形成原因或机理，但至今尚未有大家普遍认可的说法。我们依据观测资料指出：夏季青藏高原臭氧低谷的形成有两个方面的原因，一是亚洲夏季风（ASM）的输送，二是青藏高原高大地形引起空气柱的短缺。夏季青藏高原上空臭氧总量比同纬度其他地区偏低33DU。臭氧廓线卫星观测表明，ASM上空上对流层/下平流层（UTLS）臭氧浓度比同纬度非ASM区域偏低，导致臭氧总量偏低20DU。ASM上空UTLS臭氧浓度偏低与该区域很强的对流活动有关，频繁发生的对流活动不断把低层低臭氧浓度空气输送到UTLS区域，而在上层受到南亚高压反气旋的约束，造成该处空气特性具有对流层性质。此外，沿着同一纬度，在亚洲季风区臭氧总量随着地形的起伏而变化，与地形高度有很好的一致性。分析表明由于青藏高原高大地形引起臭氧总量减少20DU，与UTLS区域臭氧浓度偏低引起的量相当。2.4亚洲季风低层污染物向UTLS区域输送过程的模拟研究开发全球三维化学输送模式GOES-Chem在UTLS区域的模拟能力，初步利用模式模拟CO、HCN在UTLS的分布特征和输送规律。利用卫星资料对GEOS-Chem在UTLS区域大气成分分布模拟结果进行验证，初步分析表明模拟结果能够较好地再现CO、HCN的全球分布。2.5亚洲季风区平流层-对流层交换过程的个例分析根据HIRDLS卫星提供的臭氧分布，初步分析了青藏高原附近平流层-对流层交换的两次过程，一次是春季低纬度对流层空气侵入中纬度平流层过程，另一次是夏季高原北侧平流层空气下侵到对流层低层的交换过程。根据2009年夏季昆明臭氧水汽联合探空试验结果，利用后向轨迹法分析空气来源。观测结果显示，水汽和臭氧在UTLS区域的垂直分布有明显的分层现象，且所有11个例有着不同的表现。我们选择三个典型案例，利用三维运动轨迹模式（Traj3DModel）计算样本空气的后向轨迹，模拟样本空气的来源和传输路径，5研究其对UTLS层中水汽和臭氧的垂直分布的影响。分析结果表明，（1）台风及青藏高原上空的垂直气流对亚洲季风反气旋内部大气化学成分分布有重要影响。8月10日的案例显示，台风Moraket将海面空气输送到反气旋内部110hPa左右的高度，导致这一高度上的空气水汽含量偏高、臭氧含量偏低。而青藏高原上空的垂直气流输送的地面空气使160hPa上出现水汽低值和臭氧高值。（2）反气旋内部及外部的空气都对昆明观测结果有影响。8月8日的案例显示，昆明上空200hPa-100hPa层的样本空气主要来自位于反气旋东部的西太平洋海面及随环流运动的反气旋内部空气。（3）反气旋北侧的平流层侵扰作用也是造成对流层中部臭氧高值、水汽低值的一个原因。因此，可利用此模式结合卫星观测和其他探空资料，进一步研究亚洲季风反气旋的三维结构及解释其内部大气成分的分布情况。2.6夏季亚洲季风区对流特征的卫星资料分析为了了解亚洲季风区夏季旺盛对流对化合物的输送作用，本文利用卫星资料初步分析了亚洲季风区夏季对流活动特征。结果表明，全球云量水平分布有三个极大值区，分别为亚洲东部、中非以及南美的北部，其中亚洲东部的值最大。云量垂直分布存在7.5km和15km两个极大值。全球对流发生率的水平分布与云量分布极为相似，亚洲东部、中非及南美洲北部值较大。垂直分布上，对流发生率极大值出现在10-13km左右，13km以上对流发生率迅速减小，到15km高度，亚洲季风区对流发生率减少为6%，其他地区6%，全球只有亚洲季风区在18km有对流发生。由此可见，亚洲季风区是全球对流最旺盛的地方，且该地区的对流垂直发展高度最高，在15km以上仍有对流发生，虽然极少，但对化合物垂直输送可能起着很重要的作用。2.7夏季亚洲季风区强对流个例垂直输送过程的模拟研究采用WRF（WeatherResearchForecast）模式模拟了青藏高原那曲地区的一次强对流过程，进行了强对流区域对水汽的垂直输送量及作用的模拟结果对模式云微物理方案的敏感性试验。通过与实测资料的比较，发现此次模拟在对流发生时间、地点、降水时间等方面均与实际接近，能再现出对流单体的外形特征及6对水汽的垂直输送特征。本个例模拟结果表明，WRF关于强对流系统对水汽垂直输送量和作用的模拟结果，由于云微物理方案的不确定性导致了很大的不确定性。2.8深对流云向平流层的水汽输送作用对大气气溶胶变化的响应以往在研究大气气溶胶的间接气候效应时，主要关注的影响途径是：通过对云和降水的改变而影响气候。Sherwood（2002）提出了大气气溶胶产生间接气候效应的一种新的可能途径。他认为，对流层低层气溶胶粒子的增加将通过影响深对流云而使更多的水汽进入平流层。即大气气溶胶可以通过影响深对流云顶的冰相粒子尺度等云微物理特征以及升速等动力特征，影响其向下平流层的水分输送量，进而影响其对下平流层水汽含量的调节作用。但对此还缺乏定量研究。我们还不清楚：（1）人为增加大气气溶胶能改变深对流向平流层的水分输送量及作用的程度如何，以及这种影响在不同地区的差异如何？（2）水分输送量和作用对大气气溶胶变化的响应规律及机理。为此，我们对大气所的三维强风暴模式中云滴核化过程方案进行了细化处理，然后对热带穿透性深对流云个例进行了数值模拟。模式很好地再现了热带穿透性深对流云的结构，对流层顶也清晰再现。云微物理过程分析表明，LS内的冰晶不是局地产生的，而是其下部对流层垂直输送进来的。对比了清洁（CCN浓度约100cm–3）和污染（CCN浓度约1300cm–3）气溶胶情景。结果表明，污染情景下雷暴云内冰相水物质的含量更多，尤其是冰晶和霰粒子的含量，导致更多的冰晶被垂直输送到TTL和LS。这些冰晶随后蒸发，最终导致LS内的水汽含量增加更多。以上分析所考虑的时空尺度都很有限，主要是受云模式在模拟时空尺度方面的能力所限。但优点是有助于对云微物理过程和机理的分析。3、2010年度文章列表（已发表论文）1.Li,S.,2010:AcomparisonofpolarvortexresponsetoPacificandIndianOceanwarming.Adv.Atmos.Sci.,27(3),469-482,doi:10.1007/s00376-009-9116-1.（第一标注）SCI72.Li,S.,J.Perlwitz,M.P.Hoerling,andX.Chen,2010:OppositeAnnularResponsesoftheNorthernandSouthernHemispherestoIndianOceanWarming.J.Climate,23,3720–3738..（第二标注）SCI3.Liu,R.Q.,C.Jacobi,P.Hoffmann,G.Stober,andE.G.Merzlyakov,2010:Apiecewiselinearmodelfordetectingclimatictrendsandtheirstructuralchangeswithapplicationtomesosphere/lowerthermospherewindsoverCollm,Germany.J.Geophys.Res.,115,D22105,doi:10.1029/2010JD014080.（第二标注）SCI4.陈斌,徐祥德,卞建春等,2010:夏季亚洲季风区对流层平流层不可逆质量交换特征分析.地球物理学报,53(5),1050-1059,DOI:10.3969/j.issn.00015733.2010.05.005（第六标注）SCIE5.刘超,王咏青,卞建春,2010:NCEP/NCAR再分析温度、位势高度和风速场资料在上对流层/下平流层的适用性评估.安徽农业科学,38(23),12710-12715.（第一标注）6.Liu,R.,2010:Classicaltheoryofatmospherictidesanddevelopmentofsomerelatedm