2. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
2. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
平流层-对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)可以改变温室气体在上对流层/下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)的浓度和分布情况,因此对化学、气候及辐射平衡产生重要影响.尽管大、中尺度STE过程(如平流层入侵和对流层顶折叠过程等)已经得到广泛关注(Xie et al., 2008;陈洪滨等, 2006;Li and Bian, 2015;Song et al., 2016;Xie et al., 2016),但当前对小、微尺度STE过程(如穿透性对流输送)研究有限,当前气候模式对此问题理解也有限度.深对流引起的物质输送目前并没有得到很好解决方案,尤其发生在东亚中、高纬度地区的冷涡对流过程.夏季东北地区,冷涡是重要的天气系统之一,常伴随强对流的发生.齐彦斌等(2007)对发生在东北地区的冷涡对流云开展一次飞机穿云观测试验,结果表明,冷涡云系具有水平带状回波,云系垂直尺度小.
对流过程可以在短时间内将边界层水汽及其他示踪气体输送到UTLS区域.已有大量观测事实证明热带外对流对STE有直接或者间接影响(Fischer et al., 2003; Anderson et al., 2012; Homeyer et al., 2014; Sargent et al., 2014).大部分研究集中在对流对水汽及示踪物输送到下平流层的研究,并指出对流输送及混合过程的垂直分布范围较小.平流层-对流层交换过程的观测工具主要有卫星、雷达及常规定点探空.但这些观测工具很难有效地观测到小尺度的输送及混合过程.近年来高精度的数值模式已用于模拟强对流,以及由对流过程引起的输送过程(Gray, 2003; Wang, 2003; Mullendore et al., 2005; Le and Gallus, 2012).数值模式结果指出,与穿透性对流相关的重力波破碎引起物质不可逆输送(Gray, 2003).穿透性对流也可引起对流层物质与下平流层物质直接混合(Wang, 2003).然而,关于穿透性对流穿出高度的垂直范围,不可逆过程以及下平流层高静力稳定度对对流输送过程的影响等相关研究工作开展较少.
结合实际观测情况以及卫星和雷达资料获取情况,选取发生在2006年7月20日(20060720)和2011年8月21日(20110821)的两次冷涡对流过程进行模拟分析.其中,个例20060720发生在冷涡前部锋面云系内,个例20110821是发生在冷涡后部的孤立对流.为了研究两类冷涡对流对物质的输送作用,本文使用WRF模式并开启示踪物模块.模拟不同天气背景场下的两次冷涡对流过程,研究并分析对流对物质输送的影响.
1 个例及天气过程概述 1.1 对流20060720天气背景对流20060720发生在2006年7月20日06时(世界时,下同).300 hPa等压面上,贝加尔湖东北部有一深厚东亚大槽发展.东亚大槽向南延伸,在(120°E,45°N)附近形成一个闭合低压(即东北冷涡),低压中心位于内蒙古与东北交界地带(图 1a).同时刻,在日本岛北部至堪察加半岛有一深厚涡旋系统.深厚涡旋系统阻挡东北地区云系的向东移动.从7月20日04时50分的MODIS云光学厚度资料可以看到,整个云系呈涡旋状,螺旋云带清晰可辨.主要的降水云团位于内蒙古东北部,黑龙江和吉林西部地区呈“人”字形分布,对流最强中心出现在黑龙江和吉林交界处,云的最大光学厚度达到60(图 1b).OMI观测到东北上空的低压中心内臭氧柱总量分布也呈类似螺旋状结构(图 1c).臭氧柱总量大值区对应位势涡度场高值区.330 K等熵面上位势涡度在东北上空呈现“斧形”结构,对应MODIS云光学厚度图上是一个暗区,表明整层水汽含量较低.7月20日04时53分CloudSat轨迹扫过低压中心前部锋面对流云区(图 1c),可以观测到对流云的垂直结构.此次对流云发生的天气背景与施春华等(2014)研究个例相似,但冷涡位置偏北10个纬距.
温度递减率剖面图显示靠近冷涡低纬一侧,对流层顶发生变形折叠,折叠发生在40°N—45°N附近(图 2a),偏西风急流斜下方.对流层顶折叠下来的位势涡度舌状部分伸展到对流层中层,并跨越350 K等熵面,折叠最深处达到了500 hPa高度.45°N以北地区,贴近对流层顶的下平流层区域有强逆温层存在.20日04时53分CloudSat测得的反射率剖面图显示(图 2b),对流云结构表现为一个强大的对流云带,并在云带中有最强回波中心区,位于47°N—48°N附近,而此类结构的对流系统往往能造成短时强降水.观测资料分析表明,在该区域附近阿尔山站3 h降水达49 mm.强对流发展深厚,反射率大于10 dBZ的高度达10 km,云体为强的、深厚的回波亮带;少数云粒子回波穿透对流层顶向下平流层区域伸展,但穿出高度较低.
由此可见,此次强对流过程发生在冷涡前部暖锋云系中,中尺度云团中有发展旺盛的对流云,将其标记为“06MCS”,便于后面相关小节的讨论.
1.2 对流20110821天气背景对流20110821发生在2011年8月21日11时.此时刻附近的21日12时的ERA-Interim再分析资料的300 hPa环流形势表明欧亚地区有一个强大的高压脊分布在贝加尔湖上空.东北地区为一个低槽型流场所控制,冷涡中心位于黑龙江东北部.在冷涡后部,偏北气流引导空气南下影响辽宁地区(图 3a),触发孤立强对流(标记为“11IC”).从风场形势可以看到在冷涡东部日本海上空存在强副热带西风急流,对冷涡移动起到阻挡作用.根据天气实况资料,此次强对流发生在21日10时至11时,在辽宁地区造成强降水,最大降水落区出现在沈阳市区,降水量为73.9 mm(方纯纯和关春玲,2014).
辽宁省雷达站观测到此次强对流过程,对流持续时间短,影响范围小,对流垂直发展旺盛.由温度递减率剖面图可知(图 3b),21日12时沈阳上空对流层顶发生折叠,折叠走向为东北—西南.折叠发生在150 hPa至300 hPa高度处,位势涡度舌状结构沿着350 K等熵面由42°N向36°N方向伸展.沈阳位于热力学对流层顶断裂带下方,断裂带内下平流层温度递减率变化在-2 K·km-1到2 K·km-1之间,为对流层向平流层转换区.
06MCS个例中,在低涡的东侧,下平流层空气入侵到对流层,对流层顶折叠发生,在热力学对流层顶之上存在一层高静力稳定度层结.ERA-Interim的静力稳定度N2从典型的对流层值(~1)迅速地转换到平流层值(~4)(图 4).
11IC个例中,冷涡触发的对流位于冷涡后部,孤立对流的下平流层静力稳定度小于中尺度对流复合体的下平流层稳定度(图 4).11IC个例中,在对流层顶附近,温度及稳定度由对流层过渡到平流层是一个缓慢过程,转换层厚度较厚位于350 hPa和100 hPa,厚度约有5 km.
对比以上两个个例可知,11IC孤立对流,持续时间短,影响范围小,对流发展旺盛.而06MCS个例中,冷涡中尺度对流云系统,云团覆盖范围广,持续时间长,中尺度云团中,存在个别发展旺盛的对流云,产生局地强降水.因此,我们针对冷涡引起的不同形态对流云系特征,展开研究,模拟两种不同类型冷涡对流过程及其对应下平流层高静力稳定度对物质输送影响.
2 模拟方法介绍为进一步分析冷涡对流对示踪物输送过程,我们使用时间、空间分辨率可调的中尺度模式WRF-V3.4.1模拟此次过程.模式采用Lambert地图投影方式,格点及区域设置见表 1.
两个个例模拟水平区域设置及模式垂直分辨率设置分别如图 5a和图 5b.这里垂直分辨率采用不等间距,在近地层及在UTLS区域采用加密设置,垂直分辨率为200 m,为更精确地模拟对流入流、出流过程.模式主要采用的物理方案包括:KF积云对流参数化方案、YSU行星边界层方法、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Noah陆面参数化方案,云微物理过程选用Lin方案等.
WRF模拟的06MCS个例20日05时雷达反射率因子分布(图 6),显示强回波区主要有三个:第一个是121°E附近的南北走向云系;第二个是(123°E,46°N)附近的云团;最后一个是位于最东侧的西北—东南走向的云带.因此时刻没有获取到有效的地基雷达资料,因此我们将模拟的云型和图 1b中卫星观测的同时刻云图做简单对比分析(20日05时).在MODIS云光学厚度显示图中,涡旋前部云系,云光学厚度大值区有三块.模拟结果与观测主要云带位置较相近.
11IC个例中,沈阳站S波段雷达恰好观测到此次强对流个例,图 7给出了强对流发生时刻的21日11时以及13时附近的雷达回波图及对应时刻模拟的雷达反射率因子.但由于对流发生位置距雷达测站较近,因此在距离高度显示上,云顶高度数据缺失.所以这里只对雷达平面图像进行比较.由图 7a可以看到,在测站西南方向20 km处有一强对流回波,最强回波达到58 dBZ.在最强回波西侧,有一长条强回波带.而模拟的雷达回波模拟出了最强回波中心,在回波范围上和观测略有差异(图 7c).12时58分强对流回波移动到测站东南方向,长条回波带回波减弱并呈弓形分布(图 7b).模拟的回波也出现弓形回波特点(图 7d).由此可见,WRF模拟的回波基本上可以重现对流过程.
为了研究不同冷涡对流对示踪物输送的过程,给出了WRF模拟06MCS个例在20日06时过图 1a中直线的位温递减率及边界层示踪物垂直剖面图(图 8).位温递减率在对流层顶附近由对流层的典型值(<10 K·km-1)快速增加至平流层典型值(>10 K·km-1).对流发生区的下平流层温度低于-50 ℃,静力稳定度高,位温递减率高达20 K·km-1,分布在150 hPa至225 hPa区间内,厚度大约2 km(图 8a).边界层示踪物在06MCS对流输送作用下,已达对流层顶.垂直混合过程已通过模式中的边界层方案解决.在对流层顶处,由于下平流层高静力稳定度,对流云顶发展受到限制,导致示踪物被限制在热力学对流层顶处,而不能穿透对流层顶继续向下平流层输送(图 8b).06MCS个例中强对流是在暖锋云系中,所以边界层示踪物在对流层内混合程度很高,在整个对流层内均匀分布.
模拟结果表明,低压前部暖锋云系中的强对流过程引起示踪物在对流层顶区域分布发生变化.MLS扫过对流云区,因此,可以通过观测资料验证06MCS个例中对流对大气化学成分输送.在上对流层/下平流层区域,臭氧体积浓度剖面图显示平流层高臭氧浓度空气在对流层顶附近也出现折叠结构(图 9a),高位势涡度舌状结构侵入中纬度对流层.MLS在强对流顶部(49°N)观测到臭氧“弧形”低值区,尽管在250 hPa以下高度没有有效观测数据,但还是在对流层顶部观测到臭氧低值.相反,一氧化碳体积浓度在对流层顶上部是一个高值中心(图 9b).此观测结果再次证实WRF模拟结果.即对流在短时间内将近地面层低臭氧浓度空气和高一氧化碳浓度空气输送到对流层顶附近.由于MLS观测的地理位置比CloudSat观测位置偏西,观测位置不完全对应导致结果可能略有差异(轨道差异见图 1b).
8月21日11时30分,过图 3a中直线的位温递减率剖面图显示,11IC强对流发生位置的对流层顶及下平流层的静力稳定度出现低值区(125 hPa到250 hPa之间,41°N到42°N之间)(图 10a),与06MCS个例中的下平流层的高静力稳定度不同.模拟结果显示,近地面示踪物在对流发展旺盛时期,由于云中强上升气流的抬升作用,使示踪物快速上升,并在短时间内输送到对流层顶附近,并有一部分已经穿透了对流层顶,进入下平流层,从而引起对流层顶有大量边界层示踪物(图 10b).强上升气流在输送过程中的作用是重要的.在其中心区,存在着一个较为连续的输送带直达对流层顶.可见示踪物在输送带中上升时,较少向周围输送.对流中心强上升气流最终在对流层顶被抑制,只有一少部分边界层示踪物则在云顶处穿透对流层顶.在对流层顶附近,示踪物浓度的梯度很大,体现了对流层顶附近的高的静力稳定度对输送的抑制作用,同时也表示边界层示踪物向平流层的输送量对于对流层顶高度的选取比较敏感.强对流类似一个移动的“烟囱”,在其运动过程中,不断地将边界层内空气抽吸入对流层上层乃至下平流层,引起对流层低层物质(温室气体,气溶胶等)向下平流层的输送,从而对区域大气环境和大气辐射收支造成影响,而且这种输送的效率很高,只需数个小时即可完成,与Yan和Bian(2015)研究结果较一致.
通常情况下,平流层大气的比湿很低.水汽、云水、云冰等各种水物质被强对流输送至平流层后,能够对平流层起到显著的增湿作用.因此水物质向平流层的输送也受到人们的关注.另外,对流层内很多可溶性气体污染物(如硫化物、氮氧化物等)可以溶解在云水中,若水物质能够进入平流层,其中溶解的可溶性污染物就可以在平流层进行湿相化学反应.
在模拟初始时刻,在UTLS区域边界层示踪物是0(图略).随着模拟时间延长,可以在UTLS区域观测到示踪物.两类对流对示踪物输送垂直范围有所不同.06MCS个例中,对流影响区域平均散度廓线大值分布在200~300 hPa(图 11a),致使边界层示踪物输送到对流层顶附近后向外辐散,相应地,示踪物在200~300 hPa也出现高值中心(图 11b),在此范围内,边界层示踪物比例达到40%.另外,自由对流层内示踪物浓度均匀分布在30%左右.而11IC个例中,对流影响区域平均散度峰值也出现在200~300 hPa高度(图 11c),高达13×10-5 s-1,比06MCS个例中散度峰值高很多.孤立对流输送的示踪物主要分布在对流层顶附近,强对流出流高度在200~300 hPa范围内,此处,边界层示踪物浓度高达50%.相反地,自由对流层内示踪物浓度较低(图 11d).11IC个例中,示踪物直接从边界层输送到对流层顶附近,而与自由对流层内物质几乎无交换,与06MCS个例即冷涡前暖锋云系中对流输送显著不同.冷涡前部暖锋云系中强对流输送在整个对流层都有明显的作用.
本文应用MLS和OMI等卫星观测资料,及地基S波段雷达观测资料,并结合WRF模式模拟了东北冷涡影响下的两次强对流引起的平流层-对流层输送过程:一是2006年7月20日06时发生在内蒙古与黑龙江交界处的冷涡前部的暖锋云系中强对流过程(06MCS);二是2011年8月21日发生在辽宁省沈阳市强对流过程(11IC),对流发生在冷涡天气系统后部.开启WRF模式中示踪物模块,通过示踪物分布特征研究对流对物质的输送过程.
模拟的两次对流过程都在高空冷涡影响下发生,不同的是,06MCS发生在冷涡前部暖锋云系中的对流过程,11IC发生在冷涡后部的孤立强对流过程.06MCS对流云呈经向带状分布.此类对流云发生在冷涡天气系统整个阶段,持续时间长,造成对流水平尺度较大,但对流垂直尺度较小,下平流层静力稳定度高.11IC也在冷涡天气影响下发生,冷涡输送高纬干冷空气到沈阳地区,造成此次强对流过程.对流发生在冷涡后部,这种对流突发性强,持续时间短,造成强对流水平尺度较小,垂直发展旺盛,且在对流层顶附近,静力稳定度变化小,转换层厚度较厚.
模拟的边界层示踪物浓度时空分布特征表明冷涡对流可将示踪物输送到对流层顶附近.同时可将对流层大气化学成分(一氧化碳等)输送到对流层顶,使对流层顶附近大气化学成分重新分布.冷涡云系前部暖区中强对流,可将边界层物质输送到对流层顶区域,但在自由对流层整层均有一定比例的示踪物分布.而冷涡后部的孤立对流对物质输送可直达对流层顶区域,而不与自由对流层空气混合,输送时间尺度较小.
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