夏季云頂高于對流層頂事件對東亞天氣型及上對流層—下平流層大氣結構的影響

施春華,常舒捷,沈新勇,2,3,郭棟,劉仁強

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

3.中國科學院 大氣物理研究所 云降水物理與強風暴重點實驗室,北京 100029)

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夏季云頂高于對流層頂事件對東亞天氣型及上對流層—下平流層大氣結構的影響

施春華1,常舒捷1,沈新勇1,2,3,郭棟1,劉仁強1

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

3.中國科學院 大氣物理研究所 云降水物理與強風暴重點實驗室,北京 100029)

摘要：采用A-Train系列衛星的AURA/MLS水汽、溫度資料,CALIPSO/CALIOP云物理資料,結合ECMWF氣象再分析資料,分析了東亞地區云頂高于對流層頂事件(Cloud Top Above the Tropopause,CTAT)的區域分布,及其對上對流層—下平流層(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)水汽和溫度結構的影響。結果表明:亞洲季風區的夏季CTAT發生率是30%～55%,為全球最強區域;東北亞的夏季CTAT發生率是15%～20%,為中緯度最強分布區。以CTAT為指標的合成結果表明:15～30°N的東亞—西太平洋UTLS,水汽呈“上干下濕”的異常分布,溫度呈“上冷下暖”的異常分布,該結構與該區域熱帶氣旋合成的結果一致,說明熱帶氣旋是該區域CTAT形成的主要天氣系統;35～50°N的東北亞UTLS,水汽呈“上干下濕”的異常分布,溫度呈“上暖下冷”的異常分布,該結構與該區域溫帶氣旋合成的結果一致,說明溫帶氣旋是該區域CTAT形成的主要天氣系統。

關鍵詞：云頂高于對流層頂事件;上對流層—下平流層;天氣型;水汽;溫度

The effects of cloud top above tropopause events on the

0引言

上對流層—下平流層(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS,通常高度為5～20 km)是上下層大氣動力、化學和輻射等耦合的關鍵區。由于UTLS區域的空氣屬性具有獨特性(Haynes et al.,2001),引起了研究者的普遍關注。平流層—對流層交換(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)活動是UTLS區大氣成分變化的重要原因。云頂高于對流層頂事件(Cloud Top above the Tropopause,CTAT),往往是強烈STE的表現,如低緯度的深對流活動(Wang and Dessler,2012),中緯度鋒面輸送帶的水汽傳輸等(Holton et al.,1995;Stohl et al.,2003;Pan et al.,2010)。所以,以CTAT作為STE指標,可以研究STE期間,UTLS水汽和溫度結構的異常。

對于UTLS水汽和溫度結構的認識,早期Brewer(1949)解釋了平流層的極干現象。Kley et al.(1979)發現平流層水汽在熱帶對流頂或其緊鄰上方有最小值,并稱為濕層頂。Holton et al.(1995)的研究表明平流層的水汽分布主要受熱帶冷點對流層頂溫度決定,空氣向上傳輸受對流頂冷點的冷凝飽和制約。對UTLS水汽變率和影響的研究,Forster and Shine(1999)指出UTLS水汽的增加會導致平流層冷卻,對流層變暖。1981年以來平流層水汽呈增加趨勢(Oltmans et al.,2000),而2000—2005年平流層水汽濃度又減少了約10%(Randel et al.,2006),2006—2010年平流層水汽濃度再次出現了增加趨勢(Hurst et al.,2011)。引起變異的可能原因有:熱帶對流層頂溫度變化,Brewer-Dobson(BD)環流強度變化以及甲烷氧化速度變化(Smith et al.,2000;Randel and Wu,2004;Fueglistaler et al.,2005)。UTLS的水汽主要源于對流層輸送(Rosenlof,2003):一是深對流抬升直接將水汽快速輸送到下平流層,此過程在穿透性對流活動的觀測和模擬中得到了驗證(Sherwood and Dessler,2000;Dessler,2002)。另一是大尺度緩慢上升運動的輸送(Fueglistaler et al.,2005)。Fueglistaler et al.(2009)發現臺風和熱帶云團回波高度通常可以發展到12～14 km或更高,這種高度的臺風,往往都與CTAT事件有關。但對其統計研究較為少見。中緯度鋒面氣旋對UTLS水汽影響的研究相對更少,施春華等(2014)通過對一次切斷低壓與副熱帶鋒相互作用的個例,研究了超強副熱帶鋒區的平流層入侵與深對流注入的共同作用能夠產生STE。還有研究(楊雙艷等,2012)發現,UTLS區域的上升運動,能影響對流頂高度。

綜上所述,目前與STE相關的UTLS水汽和溫度結構變化的研究較少,由于觀測資料的不足,在東亞地區更缺乏認識。CTAT作為表征STE的一個可靠指標,可以用來討論東亞STE活動時UTLS水汽和溫度的變異。

1資料和方法

地球觀測系統(EOS)系列衛星(A-Train)組成隊列,在共同軌道分別搭載不同儀器,實現對大氣多要素的同步觀測。Aura衛星搭載的微波臨邊探測儀MLS可以探測溫度,水汽和多種大氣成分的垂直廓線(Waters et al.,2006),本文所用MLS數據為2008—2012年北半球夏季(6、7、8月)Level2的V3.3版本的數據集,水平分辨率約165 km。另一顆衛星CALIPSO搭載的雙偏振云和氣溶膠激光雷達CALIOP,可以探測全球的云頂信息。本文使用了CALIOP Level2的夜間云層產品V3.01版本數據集,水平分辨率333 m。

本文選用的對流層頂高度是CALIP基于GEOS-5數據提供的同步熱力對流層頂高度。參考Dessler(2009)、Biondi et al.(2012)的工作,把最上層累積的消弱后向散射系數Integrated_Attenuated_Backscatter_532達到0.01 sr-1·km-1,識別為該層云頂高度,并且該高度大于實時熱力對流頂高500 m以上,識別為CTAT。由于軌道儀器連續掃描在同一個經緯網格內會有多條數據廓線,分別統計2008—2012年夏季CALIOP在每一個經緯網格內發生CTAT的廓線數和總探測廓線數,兩者之比定義為CTAT發生率。

CALIPSO/CALIOP和AURA/MLS的探測軌跡是相同,但兩套衛星數據的分辨率不同,需要匹配。本文處理如下,在一次衛星掃描過程中,由于CALIOP每一次連續軌道掃描在一個4°×2°經緯度網格內會有多條探測廓線,只要有一條廓線符合CTAT定義就將該網格統計為CTAT網格,同一時間MLS軌道掃描通過該網格,有1～2條探測廓線,取其平均值作為CTAT時的溫度和水汽值廓線。反之,統計為無CTAT(NCTAT)對應的水汽和溫度廓線。

本文還使用了歐洲中期天氣預報中心的ERA-Interim逐日再分析資料,取2008—2012年每日00時,水平分辨率為1°×1°,相關變量有相對濕度、位勢高度、溫度等。本文用ERA-Interim資料對氣旋系統合成時,參考了李英等(2004)和Gray(1979)使用的動態合成分析方法,獲得不同樣本氣旋移動過程中一系列合成圖像,減少了樣本物理量平均時的相互抵消作用,能保持移動氣旋及周圍環境系統的相對完整結構。同時,還利用t檢驗對合成結果進行顯著性檢驗。

2東亞夏季CTAT特征

圖1給出了2008—2012年北半球夏季CTAT的頻率分布。CTAT在低緯度發生率較大,最強區域分布在亞洲季風區,覆蓋了印度,孟加拉灣,中南半島和菲律賓周邊等地,最大發生率保持在30%～55%。副熱帶地區CTAT發生率很小。中緯度CTAT發生頻率比較均勻,與溫帶鋒區對應,其中東北亞區域(85～130°E,40～60°N)的CTAT發生率15%～20%,相對較高。CTAT作為STE的指標之一,其形態將直接影響UTLS水汽和溫度結構。

圖1　2008—2012年北半球夏季CTAT的頻率分布(單位:%)Fig.1　Frequency distribution of CTAT in the Northern Hemisphere in summer(JJA) of 2008—2012(units:%)

3CTAT對UTLS水汽和溫度結構的影響

考慮到低緯和中緯度的對流頂高度差異,同時上對流層(UT)和下平流層(LS)具有明顯物理性質差異(Pan et al.,2010)。為了便于理解,這里選取383 hPa作為UT參考面,100 hPa作為LS參考面。由383 hPa CTAT與NCTAT合成水汽差值分布(圖2a)可見,東亞—西太平洋區域為大范圍連續顯著正異常區,值大約為2×104ppmv(1 ppmv=1×10-6)。相同位置的383 hPa溫度合成差值分布(圖2c)上,對應著溫度的大范圍連續顯著正異常,值約為2 K。溫度與水汽在該區良好的匹配關系,說明發生CTAT時,383 hPa有對流加濕作用及其潛熱釋放的加熱作用。

發生CTAT時,水汽從383 hPa的正異常轉變為100 hPa的負異常(圖2b),值為-10 ppmv,且大部分通過0.1信度的顯著性檢驗。同時,該區域的溫度異常也發生反轉,由383 hPa的溫度正異常轉變為100 hPa(圖2d)的溫度負異常,值為-3 K左右,通過了90%的顯著檢驗。這種結構變化,反映了云區從383 hPa的潛熱釋放過程轉變為100 hPa的云頂的輻射冷卻。因此,100 hPa的降溫通過凍結機制減少了水汽進入低平流層,水汽減少。

在我國東北等地區,發生CTAT時383 hPa對應水汽的正異常和溫度的負異常(圖2a、c),通過檢驗的溫度負異常值在-5 K左右,即發生CTAT時溫度較低而水汽較多,這可能與該區活躍的溫帶鋒面氣旋(切斷低壓)的內部冷性結構有關。但在更高的100 hPa,我國東北等地通過信度檢驗的區域,溫度從負異常轉為正異常(圖2d),偏高5 K左右;而水汽略偏多,但基本不通過檢驗。這反映了溫帶氣旋對流頂下凹,上部平流層暖空氣入侵的結果,而下平流層水汽隨高度的增加很小,故水汽變化不顯著。

圖2　CTAT與NCTAT的北半球夏季MLS水汽(單位:ppmv)和溫度(單位:K)的合成差值(黑點區域表示通過0.1信度的顯著性檢驗)　　a.383 hPa水汽;b.100 hPa水汽;c.383 hPa溫度;d.100 hPa溫度Fig.2　Composite differences of water vapor(units:ppmv) and temperature(units:K) derived from MLS between CTAT and NCTAT in the Northern Hemisphere in summer(JJA)(Stippled regions passed the significance test at 90% confidence level)　　a.water vapor at 383 hPa;b.water vapor at 100 hPa;c.temperature at 383 hPa;d.temperature at 100 hPa

從UTLS水汽和溫度隨高度的變化差異可見,東亞南、北兩個區域,CTAT對水汽和溫度的調控是不同的。108～148°E的CTAT與NCTAT的經向—垂直差值合成上,18～30°N區域,水汽在146 hPa以下為正異常,正異常值從2×104ppmv向上逐漸降低(圖3a)。該區對應的溫度合成圖(圖3b),以150 hPa為界,低層正異常,高層負異常,這種配置與熱帶氣旋“上冷下暖”的結構相近,18°N以南表現為另一種不一致的結構。分界位置,符合夏季臺風主要沿西太副高向西北活動的路徑,主要在18～30°N區域。已有相關研究表明強大的臺風活動期間發生了STE(Baray et al.,1999;Joiner et al.,2006),與這里統計合成的結果較一致。而18°N以南區域,在250～300 hPa表現為溫度負異常和水汽負異常,可能與更小尺度的深對流活動有關,該位置也與相對濕度過飽和區的氣候態位置一致(蔡淼,2013)。

圖3　CTAT與NCTAT的108～148°E區域夏季MLS水汽(單位:ppmv)和溫度(單位:K)的合成差值的高度—緯度剖面(實線為正,虛線為負;黑點區域表示通過0.01信度的顯著性驗)　　a.水汽;b.溫度Fig.3　Height-latitude sections of composite differences of water vapor(units:ppmv) and temperature(units:K) derived from MLS between CTAT and NCTAT in 108—148°E in summer(JJA)(Solid and dashed lines indicate the positive and negative values,respectively.Stippled regions passed the significance test at 90% confidence level)　　a.water vapor;b.temperature

在35～50°N的中緯度地區,以150 hPa為界,溫度低層為負距平,高層為正距平,這種結構與中緯度地區鋒面氣旋“下冷上暖”的結構一致。這說明,以CTAT作為代理的STE,在該位置可能與溫帶氣旋活動有關。施春華等(2014)曾發現了東北亞切斷低壓活動時的強烈STE活動。因此,這兩類天氣系統與UTLS結構變化及CTAT的關系,值得討論。

4兩類天氣系統與UTLS結構及CTAT的聯系

以東亞夏季兩類天氣系統為指標的合成,討論其對應的UTLS水汽和溫度結構變化,進而認識兩者(典型天氣系統和CTAT)間的聯系。

4.1西北太平洋臺風與UTSL結構及CTAT的關系

采用美國國家海洋和大氣局(NOAA)提供的熱帶氣旋強度、路徑等信息,統計2008—2012年夏季發生在副熱帶西北太平洋區(108～148°E,15～35°N)達到臺風強度的熱帶氣旋,共有25個,平均每個臺風在該區持續3 d,平均中心經緯度為126.2°E、22.1°N。利用跟隨臺風中心的移動坐標對這25個臺風動態合成,利用ERA-Interim提供的每天00時的再分析資料,臺風發生時取東西方向各3個經度平均,而其他4 a該日108～148°E平均作為未發生臺風的參考,分析臺風發生時UTLS的相對濕度和溫度異常。

臺風活動時,相對濕度在臺風中心附近均為正異常,且大部分地區通過檢驗,正異常值在500 hPa為30%,向上逐漸降低(圖4a),到150 hPa趨于0。該結構與溫度暖異常區對應較好(圖4b),暖心結構主要在150～500 hPa,最暖可以達到3 K。150 hPa以上,轉為溫度負異常,到100 hPa附近,最冷可達-3 K,該位置對應于(圖4a)相對濕度正異常次大值中心。這表明,臺風發生期間,中上對流層強烈的水汽輸送和潛熱釋放,對應了高溫高濕關系;而在對流層頂和平流層底,臺風云頂的輻射冷卻降溫,以致水汽凍結飽和,相對濕度上升。

圖4a、b結果與圖3對應位置的結果類似,將其數據分析到圖3中15～35°N范圍的相應格點上,分別求兩者的空間相關。水汽相關系數為0.29,溫度相關系數為0.56,兩者都通過了99%的信度檢驗。這表明,以CTAT為指標的合成,與以臺風為指標的合成,對UTLS水汽和溫度結構的描述在副熱帶西北太平洋(108～148°E,15～35°N)區是一致的,反映了CTAT事件與臺風的聯系。

圖4　2008—2012年夏季西太平洋(108～148°E,15～35°N)臺風活動時(a,b)和東北亞(108～48°E,35～50°N)溫帶氣旋活動時(c,d)Interim相對濕度異常(a,c;單位:%)和溫度異常(b,d;單位:K)的高度—緯度剖面(橫坐標為緯度,0°為氣旋中心;黑點表示通過0.01信度的顯著性檢驗)Fig.4　Height-latitude cross sections of Interim (a,c)relative humidity anomaly(units:%) and (b,d)temperature anomaly(units:K) when (a,b)the typhoons happened in West Pacific(15—35°N,108—148°E) and (c,d)the extratropical cyclones occured in Northeast Asia(35—50°N,108—148°E) in summer(JJA) of 2008—2012

4.2東北亞溫帶氣旋與UTSL結構及CTAT的關系

東北亞是北半球溫帶氣旋發生頻率最高的地方之一,而前文的分析顯示該區的CTAT可能與溫帶氣旋活動有關。本文東北亞溫帶氣旋的選擇標準為:在108～148°E、35～50°N范圍內,700 hPa上位勢高度低值閉合等值線條數不少于3條(等值線間距20 gpm),同時對應于溫度的冷結構。據統計,2008—2012年夏季符合標準的溫帶氣旋有50個,平均每個持續3 d,平均中心位置為125.8°E、46.0°N。同樣利用動態合成的方法,溫帶氣旋發生時東西方向各取5個經度平均,而其他4 a該日108～148°E平均作為未發生時的參考。

溫帶氣旋發生時,對流層中部溫帶氣旋中心南側為相對濕度的正異常,500 hPa處可達20%,隨高度逐漸減小(圖4c)。氣旋中心北側相對濕度負異常,相對濕度異常的零線隨高度逐漸向南偏,225 hPa最大負異常為-30%。溫帶氣旋發生時的溫度異常顯示(圖4d),氣旋中心偏北的冷結構,能發展到300 hPa附近,在350 hPa附近的負異常達到-2 K。可見,對流層內,氣旋的溫度、濕度結構是對應的,由于東北亞溫帶氣旋的鋒面非對稱結構,中心北側多為干、冷空氣控制,而暖、濕空氣多位于冷鋒前和暖鋒后的中心南側扇形區,且沿暖鋒的輸送帶向氣旋中心高層輸送。在氣旋中心的250 hPa以上高度,以暖性結構為主(圖4d),暖中心在200 hPa附近,最大值可達5 K,該溫度結構反映了對流頂在此處下凹,平流層干、暖空氣的入侵,與相對濕度(圖4c)在200 hPa的負值中心對應。

圖4c、d的結構特征與圖3中35～50°N地區溫度“下冷上暖”結構有著很好的對應關系。需要指出的是,盡管兩圖中二者的形態一致,都表現為“下冷上暖”,但其冷暖的轉折高度存在差異,MLS資料更高,這可能是不同資料的差異,也可能是衛星遙感對于云區探測存在一定誤差。圖4c相應位置的相對濕度與圖3a的35～50°N范圍內的水汽,空間相關系數為0.19,通過了0.05信度的顯著性檢驗。這表明,以CTAT為指標的合成,和以溫帶氣旋為指標的合成,對UTLS水汽和溫度結構的描述在東北亞地區是一致的,反映了CTAT事件與溫帶氣旋的聯系。

5結論

1)夏季CTAT發生率的分布,亞洲季風區是全球最強的,可達30%～55%,而東北亞則是中緯度的最強發生率分布區,可達15%～20%。

2)以CTAT為STE指標的合成發現,15～30°N的東亞—西太平洋UTLS,水汽“上干下濕”,溫度“上冷下暖”,結構與該區域熱帶氣旋合成的結果一致,反映了熱帶氣旋與CTAT的聯系,說明熱帶氣旋是該區CTAT形成的主要天氣系統。

3)在35～50°N的東北亞UTLS,以CTAT合成的水汽“上干下濕”,溫度“上暖下冷”,該結構與該區域溫帶氣旋合成的結果一致,反映了溫帶氣旋與CTAT的聯系,說明溫帶氣旋是該區CTAT形成的主要天氣系統。

致謝:感謝NASA、ECMWF提供了AURA/MLS、CALIPSO/CALIOP、Interim資料的在線下載服務。

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(責任編輯：張福穎)

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SHI Chun-hua1,CHANG Shu-jie1,SHEN Xin-yong1,2,3,GUO Dong1,LIU Ren-qiang1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Sever Storms,Institute of Atmospheric Physics,

Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)

Abstract:Based on the satellite data of moisture and temperature from AURA/MLS,the cloud physical information from CALIPSO/CALIOP,and the reanalysis dataset of ECMWF/Interim,this paper studies the distribution of cloud top above the tropopause(CTAT) events and its effect on water vapor and temperature structures in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) over East Asia.Results are as follows:1)The maximum frequency of CTAT(reaching 30%—55%) in boreal summer is located in Asian monsoon region.Meanwhile,the maximum frequency of CTAT in the mid-latitudes is located in Northeast Asia,exceeding 15%—20%.2)Based on the CTAT,the composite analysis suggests that there is an anomalous structure of “dry above-moist below” and “cold above-warm below” in UTLS along 15—35°N over East Asia-West Pacific,which is consistent with the composite analysis result based on the tropical cyclones.It means that the tropical cyclones are the main weather systems forming CTAT in this area.3)The composite analysis shows that there is an anomalous structure of “dry above-moist below” and “warm above-cold below” in UTLS along 35—50°N over Northeast Asia,which is consistent with the composite analysis result based on the extratropical cyclones,meaning that the extratropical cyclones dominate the formation of CTAT there.

Key words:cloud top above tropopause event;upper troposphere and lower stratosphere;synoptic pattern;water vapor;temperature

通信作者：辛渝,研究員,研究方向為應用氣象,learnerxy@163.com.

基金項目:中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所開放課題(SQJ2011008);天諾基業科創基金資助項目(2014TNJY011)

收稿日期：2014-11-25；改回日期：2015-04-13

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150123002

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)06-0804-07P425.8

文獻標志碼：A