平流层中水汽作为一种极为重要的温室气体，其含量变化产生的辐射强迫将改变整个地-气系统的能量平衡，进而对全球气候变化产生影响^[1]，过去由于观测资料匮乏，并没有得到很多关注.最近有研究指出^[2-5]，平流层中水汽含量有增加的趋势，而其变化原因目前还不清楚.由于平流层水汽大多源于对流层的输送，所以，对流层水汽进入平流层的过程及相关机制研究，是目前全球变化研究中一个新兴的热点问题^[6-9].

亚洲季风区，尤其以青藏高原为代表的区域是对流层向平流层物质输送的重要窗口，在全球对流层-平流层相互作用过程中扮演着重要的角色^[10-15]，甚至该区域向平流层输送的大气污染总量都强于整个热带地区^[16].发生在该区域对流层顶附近的水汽输送过程研究亦获得了较为广泛的关注^[17-19].基于最新卫星资料分析，Fu 等^[20]进一步强调了青藏高原区域对流活动的重要性，认为青藏高原是亚洲季风区水汽进入平流层的重要通道，其水汽输送对全球平流层水汽平衡具有影响.诊断分析研究亦表明，青藏高原及其周边区域是亚洲季风区夏季平流层水汽的一个重要源区^[21].因此，夏季青藏高原地区的对流层水汽如何进入平流层相关问题的研究，对评估平流层水汽变化对亚洲乃至全球气候影响具有科学价值和现实意义.

目前来看，控制对流层水汽进入下平流层的机制还存在较大争议.一方面，快速的中小尺度对流抬升､加湿作用在水汽向平流层输送过程的重要性已获得了学者们的广泛认同^[6-9].另外一方面，亦有学者认为，在亚洲季风区夏季上对流层-下平流层中，水汽异常的大值中心和对流活动在时空变化上并不一致，这意味着除了深对流的影响外，大尺度水平和垂直输送过程的影响亦不可以忽略^[18].James等^[19]认为在100hPa高度上，大尺度平流的输送影响过程要强于对流输送.

过去研究主要侧重于上对流层向平流层的水汽输送过程，针对近地层水汽源区输送过程的研究还较少.源于高原大气行星边界层高度以下的近地层水汽进入平流层的可能机理是什么?大尺度的输送过程与中小尺度的对流系统的相对重要性如何?这些问题的研究无疑将有助于正确认识亚洲季风区水汽输送过程在全球对流层-平流层水汽平衡中地位的新认识.

鉴于上述研究的重要性和目前研究不足，本文将采用中尺度气象模式和拉格朗日轨迹模式相结合的数值模拟方法，根据气块三维轨迹追踪分析方法，对高原地区近地层水汽进入上对流层以及平流层过程进行整体分析，以期为深入理解该区域近地层的水汽进入平流层的机理提供有意义的参考.

AIRS探测资料和NCEP/GFS资料都显示(图略)，在2006年8月21日至8月26日南亚反气旋内100hPa高度上，在青藏高原及其周边区域上空存在一个水汽分布的异常大值区域.所以本文利用WRF模式对2006年8月20日00时~27日00时的天气过程进行模拟.

这里WRF模式的边界条件和初始条件为水平分辨率1°×1°､时间分辨率6h的NCEP全球预报系统分析资料所提供，模式积分区域中心为(90°E，25°N)，格点数为291×181，水平格距为27km，垂直方向分为31个不等距σ层.模式积分时间为2006年8月20月00时至8月26日00时，时间积分步长30s，模式每1个小时输出一次.WRF 模式采用全可压､非静力方程和Arakawa-C 格点.选用质量坐标(Eulerian mass coordinate)，Runge-Kutta的三阶时间积分方案，微物理过程运用Ferrier方案和Kain-Fritsch积云对流参数化方案;同时采用MRF边界层方案､Dudhia短波辐射和RRTM 长波辐射方案.

Lagrangian 粒子轨迹-扩散模式FLEXPART通过计算气块(群)的运动轨迹，进而实现对大气物质的输送和扩散过程的描述.目前已被广泛应用于中尺度输送过程研究､大气水份循环､对流层-平流层交换以及全球污染物的输送等多方面研究.此模式的优点是具有多个可插拔的数据接口，采用的对流参数化方案对中小尺度的对流过程加以考虑，亦使得垂直方向上输送过程的模拟优于过去简单的轨迹模式计算.由于篇幅所限，这里关于该模式及采用技术的详细介绍可参见文献^[22].

FLEXPART 模式的输入资料由WRF 模式输出的逐时模拟结果提供.模拟之初，根据大气密度的空间分布，将经纬度范围为55°E ~145°E､5°N ~45°N，垂直方向上高度范围为0.1~20km 的整个三维区域均匀划分为相对均匀的150 万个气块(粒子).模拟积分过程中，粒子总数大致保持不变，在模拟的边界区域上，根据边界上物质通量的大小，粒子在流入边界上产生或消亡.模式积分时间步长为30s，模拟结果每1h输出一次.模拟结果可以输出每个空气“气块"的空间三维位置，并根据气块的位置，通过再分析资料的空间插值获取每个气块运动过程中的其他物理信息，如位涡､比湿､温度､边界层高度以及对流层顶高度等.

针对这次天气尺度输送过程，为说明问题方便，首先，我们挑选出在模拟时段内从大气行星边界层输送到70°E~120°E，15°N~45°N(和南亚高压的大体位置相当)平流层中的气块为分析对象，然后，将气块在不同高度上的空间位置定义为相应高度的输送源区.这里输送源区的确定方法和对流层顶高度定义分别可参见文献^[15]和^[24].

通过气块三维轨迹分析，进一步挑选出初始时刻位于8km 高度和对流层顶高度之间，且在模拟时段内向上穿越对流层顶的气块.图 1 给出了模拟初始时刻位于8km 和对流层顶高度之间(图 1a)和位于边界层高度之上和8km 之间(图 1b)，且最终进入平流层的气块在模拟初始时刻的空间分布.可以看到在整个模拟时段内，8km 高度以上进入平流层的质量源区主要和南亚高压控制下的反气旋环流系统相一致，其主要包括青藏高原､孟加拉湾北部､中国东部等大范围区域.而从8km 高度以下且边界层高度以上的大气进入平流层的质量“源区"主要位于孟加拉湾北部､印度半岛东北部地区，其他两个次要的输送源区主要位于青藏高原和中国的南海地区，此分布特征应该和上对流层向下平流层的质量输送分布大体相当，如与文献^[25]和^[26]给出的研究结果相似.

图 1

Fig. 1

图 1 模拟初始时刻位于上对流层(8 km)和对流层顶高度之间(a)和位于边界层高度之上和上对流层(8 km)之间(b)，且最终进人平流层的气块在模拟初始时刻的空间分布.其中虚线表示3 km地形高度. Fig. 1 The spatial distribution of air parcels entered the stratosphere at the end of simulation，but locatedin the layer between altitude of 8 kmand tropopause at the beginning(a) and between the boundary layerand altitude of 8 km (b). The dash line indicates the elevation higher than 3 km.

但是，上述源区的确定没有考虑气块输送过程中水汽含量的变化，由于气块穿越冷的对流层顶高度时，气块要经历一个冻干脱水的过程^[27].若考虑进入平流层的水汽的对流源区，则需要剔除掉那些虽然进入了对平流层，但却对水汽贡献不大的气块.所以，这里进一步挑选源于大气行星边界层高度以下，且进入平流层后比湿大于2×10^-4kg/kg的气块.需要说明的是，这里气块的选取标准可能并不代表所有对平流层的贡献，但这里选取典型的气块的主要目的是分析其输送过程和机制.

图 2给出了气块在模拟初始时刻的分布，可以看到，和图 1中根据不同的挑选标准给出的分布有较大差别，源于青藏高原边界层高度以下且进入平流层的近地层的气块数目大大减少，主要分布于青藏高原的西部，当然也有一些分布在高原东侧等地区.由于本文研究目标是确定源于近地层的水汽进入平流层的输送特征和机理，正是这些从近地层进入到平流层的气块，可以代表整个垂直方向上的水汽进入平流层的输送过程.因此，下文将继续以这些气块为目标气块，进一步分析其进入平流层的输送机理.

图 2

Fig. 2

图 2 模拟初始时刻源于行星边界层高度以下，且最终 进人平流层的气块后比湿大于2X10-4kg/kg气块在模 拟初始时刻的空间分布.其中虚线表示3 km地形高度. Fig. 2 Spatial distribution of air parcels entered thestratosphere with a specific humidity larger 2X 10-4 kg/kg after crossing the tropopause，but below the atmosphere boundary layer at the beginning of simulation. The dash line indicates the elevation higher than 3 km.

图 3给出了目标气块在模拟时段内的三维输送轨迹，其中气块轨迹采样每10个画一次，图 3a中颜色表示时间变化，图中3b颜色表示高度.分析图 3a可见，青藏高原地区源于近地层的气块在24h内就可以抬升到9~12km 的高度.过去研究已经表明，南亚高压控制下的亚洲季风区对流层顶附近CO､臭氧等异常大值区的变化和夏季低层的深对流活动有关^{[18， 20， 28-29]}.因此，这里气块在短时间内抬升如此高的高度，亦说明对流抬升的作用影响较大.

图 3

Fig. 3

图 3 模拟初始时刻源于行星边界层高度以下，而在模拟结束时刻进人平流层高度且比湿大于2X10-4kg/kg 气块在模拟时段内的运动轨迹(其中图(a)中颜色表示时间变化，(b)图中颜色表示高度变化). Fig. 3 The trajectories of air parcels described in Fig 2. The colors indicate the change of parcels release (a) time and (b) height.

综合图 3a和图 3b可以看出，青藏高原地区源于近地层的气块在对流作用下抬升，并向西北方向运动.在4km 左右南亚高压闭合环流的作用开始显著，气块呈现螺旋式上升.此后，除了在反气旋的东北侧小部分气块在高空西风带的作用下，向东向的高纬地区输送外，绝大部分气块在反气旋的东南侧脱水进入16km 高度以上的低纬热带平流层中.需要指出的是，高原区域的水汽向上输送可以进入“热带管"^[30]中，参与全球对流层-平流层水汽循环中，因此对全球平流层水汽多寡的影响是不言而喻的，但是对全球平流层水汽总量平衡的影响程度如何，将是将来需要深入研究的一个内容.

综上所述，近地层水汽首先在对流作用下抬升，然后在南亚反气旋大尺度水平及其垂直方向的输送作用下，在反气旋的东侧进入低纬平流层.一方面表明，青藏高原地区是进入平流层水汽输送的重要对流源区，同样也可以看出，高原地区的水汽要受到南亚高压的影响.但就目前研究情况而言，亚洲季风区进入大气进入平流层的输送过程及机理还存在一定争议，如Dessler和Sherwood^[29]强调了深对流活动的重要作用，但是深对流能够到达对流层顶高度的机会很少，还不足使得持续的异常得以维持^[31].Folkins等^[32]则指出，深对流的上方大尺度的垂直输送作用影响作用重大.那么，这里决定水汽进入平流层的关键因子是对流活动抬升作用还是大尺度环流的影响?这将在下文中进一步讨论.

为分析大尺度抬升和中小尺度对流在输送过程中的作用，继续以模拟时段初始时刻源于行星边界层高度以下，而在模拟结束时刻进入70°E~120°E，15°N~45°N范围平流层内且比湿大于2×10^-4kg/kg气块为分析对象.这里采用的气块筛选标准可能使得气块数目相对较少，但鉴于本文目的是考察水汽的输送过程和机制，这对对文中研究的结论不存在大的影响.

决定进入水汽进入平流层多寡的因素除了总的质量输送以外，还和气块历经的拉格朗日最小温度有关^[29].以目标气块为分析对象，通过气块轨迹等信息，进一步比较气块在对流抬升作用下达到的位置和气块具有拉格朗日最小温度时所处的位置(气块最后脱水的位置).云顶高度可以近似表征对流抬升所能影响的高度，因此，可用气块轨迹和云顶高度相交的位置表征对流抬升发生作用的高度.为了估算气块在对流抬升作用下所到达的位置，这里我们以大气红外探测器(AIRS)探测逐日云顶气压和NCEP/GFS再分析资料，通过插值方法确定云顶气压所在的近似高度.图 4给出了AIRS卫星观测反演的2005年8月20—26日平均云顶高度分布，从中可以看到，孟加拉湾､印度洋､热带西太平洋以及青藏高原的中南部对流相对旺盛，相应地，云顶高度也较高.这也和过去的观测结果相吻合.

图 4

Fig. 4

图 4 AIRS卫星观测的2005年8月20～26日平均云顶高 度(单位:km).图中阴影区表示云顶高度大于9 km区域. Fig. 4 The average height of cloud top derived forAIRS satellite observation from 20 August to 26 August 2006 (unit in km). The shading areas indicates the regions where cloud top higher than 9 km.

图 5给出了气块轨迹和云顶高度相交位置以及气块拉格朗日温度最小值的空间概率密度空间分布.比较图 5a和图 5b可以看出，高原地区的近地层水汽主要在高原中西部到达对流抬升，其分布相对分散.结合气块穿越对流层顶的位置(图 6)可见，气块和云顶高度相交的位置还是停留在对流层中.而气块拉格朗日温度最小值的分布，即进入平流层后脱水的位置主要位于青藏高原南侧和孟加拉湾交界区的上空(图 5b).此两个分布在空间上相差较大，这说明进入青藏高原区域的水汽虽然初始时刻是在对流活动的影响下抬升，而进入平流层脱水的位置主要是受到大尺度环流输送影响.

图 5

Fig. 5

图 5 气块轨迹和云顶高度相交位置(a)以及气块拉格朗日温度最小值(b)的 空间概率密度空间分布.其中虚线表示3 km地形高度. Fig. 5 Distributions of intersections of trajectories with cloud tops (a) and the temperature minima experienc^ed deduced fromthe trajectories tracking analysis. The dash line indicates the elevation higher than 3 km.

图 6

Fig. 6

图 6 同图 3(a)，但其中轨迹蓝色代表位于对流层顶高度以下，红色代表位于对流层高度以上. Fig. 6 The same as Fig. 3(a)，but only blue and red color indicates where trajectories above and below the tropopause respectively

进一步分析云顶高度和气块脱水高度上的气块位温概率密度分布(图 7)可以看到，气块在云顶高度的位温范围约300~340 K，而气块脱水位置为340~380K，其位温平均值分别约为325K 和360K.在整体分布上位温重合区很少，这意味着气块在对流的抬升作用下，达到位温350K左右高度，然后是南亚高压反气旋内部大尺度输送过程，将气块输送到对流层顶的脱水高度，进入平流层中.当然，这里所谓的南亚高压反气旋内部大尺度输送，也不是整个南亚高压内部，而是接近平流层的反气旋东南侧上升运动.Park 等^[18]通过诊断分析和大气环流模式模拟也给出了类似的垂直输送特征，并指出这种大尺度的上升运动可能源于冷的对流层顶之上的大气辐射加热所致.虽然NCEP/GFS 资料并不能详细的描述中小尺度的对流运动，但从图 8整个2006年夏季100hPa高度上的垂直速度和水平风场分布上也可看到，在南亚反气旋的东侧和南侧存在较强的上升运动.南亚高压内部平流层水汽的异常大值中心维持及其输送主要是通过南亚高压控制下的大尺度的上升运动作用，而深对流加湿的影响较小.根据文献^[19]的推断标准，这种温度偏差大小可以使得气块水汽质量混合比相差至少5×10-6.因此，可以进一步证实高原区域的水汽首先在夏季对流作用下抬升，然后在南亚高压反气旋等大尺度环流的垂直输送作用下，脱水进入平流层中，而后者的输送过程是影响水汽进入平流层多寡的决定因素.

图 7

Fig. 7

图 7 气块到达云顶高度和脱水高度的位温概率密度分布 Fig. 7 Probability densities function of temperature where air parcels cross cloud top and where they are dehydrated

图 8

Fig. 8

图 8 NCEP/GFS分析资料中2006年夏季6～8月100hPa高度上风速矢量和垂直速度分布(阴影区) Fig. 8 Wind vector，potential temperature and vertical speed (color shaded) on 100 hPa derived from NCEP/GFS analysis for the period from June to August o f 2006

夏季青藏高原地区水汽进入平流层的机制对认识和预测东亚气候变化具有指导意义.本文结合中尺度气象模式和拉格朗日输送模式，以一次天气尺度的水汽输送过程为例，对该问题进行了初步分析.

总结全文，可以初步描绘出高原近地层水汽进入平流层的过程，即对流抬升携带的湿空气垂直方向上输送到位温为320~340K 的高度，然后在南亚反气旋大尺度平流作用下，在反气旋的西侧向北输送;而在反气旋的东部及南侧经过对流层附近的“冷点"脱水，进入到平流层中.由于气块到达对流层顶位置和最后脱水位置的空间分布和温度相差很大，因此，比较而言，高原区域进入下平流层水汽的多少主要和南亚高压内部上升运动等大尺度环流相关，而深对流加湿等因素的影响较小.

需要指出的是，本研究是基于一次输送过程的模拟个例研究，本身的代表性并不充分，所以文中给出的结果还需要更多的模拟试验和观测资料来检验和验证.尤其是WRF 模式虽然可以描述中尺度的对流，但是还不完善，因此，下一步的工作中借助于对对流活动具有更好描述的云分辨模式，通过更多对亚洲季风区夏季对流的多数值模拟，进一步探讨输送机制对于我们深入认识UT/LS水汽输送过程是必要的.同样，本文中使用的AIRS卫星探测资料反演的云顶高度存在一定的误差，在将来可以获得其他资料支持下，可进一步分析比较.另外，亚洲季风环流具有明显的年际及年代际变化，因此，对ENSO及其他因素影响下的强弱季风年中，近地层水汽向平流层输送的不同特征进行进一步的研究，也是以后需要加强的一个重要方面.