一次强对流引起的上对流层-下平流层结构变化和对流层-平流层交换

摘要

本文采用“A-Train”编队、FY-2C、COSMIC等多种卫星观测资料，以及ERA-Interim再分析资料对2009年6月8日前后横跨贵州、广西两省的一次超强中尺度对流复合体(MCC)进行分析，并采用WRF模式对其进行高分辨率数值模拟，研究了本次超强MCC对上对流层-下平流层(UTLS)大气成分和热力结构的影响。此外，使用WRF输出的高精度气象场驱动HYSPLIT轨迹模式，进一步研究了此次过程中平流层-对流层物质交换输送(STE)特征，包括输送的路径、时间尺度、相对量以及源汇区。分析研究表明:
　　(1)本次MCC发生于南、北支双槽作用的天气背景。贵州与广西交界地带处于强辐合带，形成强的对流不稳定层结，辐合上升激发了MCC。并且充足的水汽和明显的垂直风切变都有利于强MCC的发生发展。
　　(2) MCC内部的温度廓线与环境温度廓线差异很大，在原16.7km单一冷点对流层顶(CPT)附近分别出现上下两个CPT对流顶，以及其间的逆温层。这种异常的温度扰动结构，依次与MCC上部的对流绝热冷却区，云砧向上的辐射冷却，以及云砧向下的辐射加热有关。通过有无海绵层方案的WRF模拟，也证明了该温度异常结构与重力波有关。
　　(3) MCC通过强烈的上升运动，将低层低臭氧高冰水含量(IWC)的空气输送至高层，使得MCC内UTLS区域的臭氧值明显低于MCC外，IWC高于MCC外。在MCC顶部高IWC区，水汽浓度主要经微物理过程由温度控制，从17km开始，与温度分布类似，水汽分布从下往上也出现水汽的低值区，高值区和低值区。
　　(4)后向轨迹的逆向倒推表明，MCC过程中的STE有两个源区。位于MCC对流层顶的示踪粒子，一部分来自西南印度洋面的低层，被孟加拉湾南支槽前的西南气流引导，在低层向东北方向输送至低层辐合带，在4小时之内，被迅猛输送到对流层顶上方，该过程输送量占示踪总粒子的36.6％。而另一部分来自高原北部，特别是北部低层的示踪粒子，输送很缓慢，逆推10小时，示踪粒子才在该区域出现，直到逆推24小时，有10.9％的示踪粒子出现在了该区域。这部分粒子被北支槽后气流引导，向东南方向输送。相同时刻北支源区（高原北部）气团的垂直位置比南支源区（海面上空）气团位置高的多。
　　(5)前向轨迹分析表明，STE有两条输送路径。位于MCC边界层的示踪粒子，6小时后，有10.2％的示踪粒子被MCC强对流垂直迅速向上输送，很快到达对流层顶上方，随后粒子受高空南亚高压南侧外围环流影响，粒子转向西移动。而另一部分示踪粒子经缓慢的锋面爬升和快速的西风急流相互作用，会被缓慢向上输送，并向东延伸到很远的位置。18小时后，沿锋面东移的粒子才开始到达高层，直到36小时后，大尺度锋面输送到达对流层顶部的粒子占示踪总粒子的7.3％。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 研究意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 UTLS大气结构

1．2．2 STE输送及其定量研究

1．3 问题的提出及研究内容

1．3．1 问题的提出

1．3．2 研究内容

第二章 资料与方法

2．1 再分析资料

2．2 NASA“A-Train”卫星编队

2．2．1 MLS卫星资料

2．2．2 AIRS／OLR卫星资料

2．2．3 CALIPSO／CALIOP卫星资料

2．2．4 CloudSat／CPR卫星资料

2．3 FY-2C卫星资料

2．4 COSMIC／GPS掩星资料

2．5 国家气象信息中心(NMIC)融合降水资料

2．6 研究方法

2．6．1 中尺度数值模式(WRF)

2．6．2 拉格朗日轨迹模式(HYSPLIT)

第三章 MCC过程UTLS区域的大气精细结构

3．1 引言

3．2 强对流过程简介

3．2．1 天气概况

3．2．2 环流背景

3．2．3 低层流场

3．2．4 水汽条件

3．2．5 不稳定能量

3．2．6 层结条件

3．3 实况分析

3．3．1 MCC演变特征

3．3．2 MCC内的UTLS大气结构

3．4 数值模拟

3．4．1 模拟方案

3．4．2 MCC内的UTLS大气结构

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 Hysplit试验方案

4．2．1 后向(backward)模拟设置

4．2．2 前向(forward)模拟设置

4．3 拉格朗日观点下研究结果分析

4．3．1 后向(backward)模拟下的STE输送特征

4．3．2 前向(forward)模拟下的STE输送特征

4．4 粒子STE输送特征的原因分析

4．4．1 后向模拟

4．4．2 前向模拟

4．5 本章小结

第五章 结论与讨论

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 讨论与展望

参考文献

附录

致谢

作者简介