青藏高原及其周边区域夏季上对流层水汽变化和输送特征研究

论文摘要

上对流层-下平流层（UT/LS）水汽分布和变化过程对全球地气系统的辐射能量平衡有重要的影响。发生在UT/LS区域的水汽输送过程是影响该区域水汽组成的重要物理过程,对未来的全球气候变化具有很好的指示意义。亚洲季风区作为夏季北半球对流层向下平流层水汽输送和交换的"窗口",虽然引起了研究者的强烈兴趣,但至今为止其研究仍然薄弱。为此,本文以卫星反演产品综合分析为基础,结合相关观测资料、NCEP再分析数据等,借助基于拉格朗日方法求解方案的大气模式（FLEXPART）,采用诊断分析和数值模拟相结合的途径,对亚洲季风区夏季UT/LS水汽分布、输送过程及其相关机理进行了研究。主要结论如下:（1）多年的再分析资料表明,北半球夏季青藏高原及其周边区域上空为强大的南亚高压所控制,该区域具有全球最高的对流层顶高度,夏季往往小于100hPa。UT/LS区域大气温度波动垂直方向呈现出“正-负-正”的变化,UT区域的加热可以通过温度波动的向上传播到下平流层中。南亚高压主体的东南侧为强的上升运动区,此大气流场的气候态特征为对流层向平流层水汽输送提供了有利的环流背景条件。（2）利用最新的卫星资料,对亚洲季风区夏季UT/LS大气水汽及其他大气痕量成分季节内变化特征进行分析,发现上对流层主要存在两个振荡周期,即10-20天和30-60天,而下平流层主要表现为30-60天的季节内周期振荡,这两个周期振荡分别和青藏高原及其南部区域的夏季对流加热以及南亚高压的位置变化具有同位相特征,说明青藏高原及其周边区域的夏季对流抬升和南亚高压闭合环流的共同作用是影响该区域水汽及其大气痕量成分分布、变化的主要动力过程。（3）通过对流层-平流层交换诊断分析发现,发现夏季向上穿越对流层顶的对流层向平流层质量和水汽输送（TST）主要发生在青藏高原东南侧及其临近的UT/LS区域的上空。穿越对流层顶气块4天前后的轨迹分析表明,向上穿越对流层顶以后,可以向热带地区继续输送,表明青藏高原上空以南亚高压为主要环流特征的UT/LS区域水汽输送对全球平流层水汽平衡具有重要的影响。（4）初步探讨了南亚高压在亚洲季风区夏季UT/LS输送过程及水汽等异常分布形成中的动力作用。理想的集合数值模拟实验研究表明,南亚高压水平方向上的动力屏障作用主要表现在14～16km高度。一般而言,而水平方向上,近地层大气在南亚高压闭合环流内滞留时间甚至可超过一个月,这也是亚洲季风区上空夏季水汽等异常和维持形成的原因之一。（5）通过高分辨的拉格朗日输送模式,诊断了进入亚洲季风区夏季平流层水汽的主要对流源区。研究表明,亚洲季风区夏季对流层向对流层向平流层质量输送的主要源区主要分布在热带西太平洋的中国南海、孟加拉湾、印度半岛东及其青藏高原区域。而对流层向平流层水汽输送的近地层对流源区主要为青藏高原及其周边区域,该区域贡献了整个亚洲季风区的进入平流层水汽的三分之一多。青藏高原及其周边区域的对流加热和较高的对流层顶温度是青藏高原地区成为夏季UT/LS水汽输送主要对流源区的可能原因。（6）结合中尺度气象模式和拉格朗日输送模式对南亚高压内水汽进入平流层的一次天气尺度输送过程和机理进行了分析。对流抬升作用下,湿空气可向上输送到位温320-340K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的冷点,进入到平流层中。南亚高压系统内辐射加热引起的大尺度的输送过程是亚洲季风区反气旋内部水汽进入平流层且水汽异常中心得以维持的主要原因,而对流加湿的作用较小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究意义
• 1.2 国内外研究进展回顾
• 1.2.1 全球UT/LS 水汽输送机制研究
• 1.2.2 亚洲季风区夏季对流层－平流层质量和水汽交换研究
• 1.2.3 亚洲季风区夏季UT/LS 水汽分布及其季节内变化特征研究
• 1.2.4 亚洲季风区UT/LS 水汽输送特征及机理研究
• 1.3 研究问题、内容和方法
• 1.3.1 问题的提出
• 1.3.2 论文主要内容
• 1.3.3 研究方法和技术路线
• 1.4 本文特色及创新点
• 第二章 资料、方法及模式简介
• 2.1 文中所用资料
• 2.2 方法说明
• 2.2.1 EOF 分解
• 2.2.2 小波分析
• 2.2.3 Butterworth 带通滤波
• 2.2.4 对流层顶的定义
• 2.4.5 由格点资料计算对流层顶气压场的方法
• 2.3 模式简介
• 2.3.1 FLEXPART 模式
• 2.3.2 FLEXPART 模式的区域填塞（Domain filling）技术
• 2.3.3 WRF 模式简介
• 第三章 青藏高原及其周边区域夏季UT/LS 大气动力、热力结构特征
• 3.1 引言
• 3.2 亚洲季风区夏季热力场和环流场特征
• 3.3 亚洲季风区对流层顶气压场特征
• 3.4 亚洲季风区UT 和LS 温度场特征及其之间关系
• 3.5 小结
• 第四章 青藏高原及其周边区域夏季 UT/LS 水汽分布、季节内变化特征
• 4.1 引言
• 4.2 MLS 卫星观测资料的可信度检验
• 4.3 亚洲季风区夏季UT/LS 大气MLS 卫星观测的水汽分布特征
• 4.3.1 MLS 卫星观测的水汽分布
• 4.3.2 AIRS 卫星观测的水汽分布
• 4.3.3 MLS 卫星观测的其他大气痕量气体分布
• 4.4 亚洲季风区UT/LS 中水汽和其他微量成分变化的相关
• 4.5 亚洲季风区UT/LS 水汽的季节内变化特征
• 4.5.1 亚洲季风区UT/LS 中水汽时空分布特征
• 4.5.2 青藏高原及其周边区域夏季UT/LS 大气的季节内振荡特征
• 4.5.3 影响亚洲季风区UT/LS 中水汽季节内变化的可能机理
• 4.6 小结
• 第五章 青藏高原及其周边区域夏季对流层-平流层质量和水汽交换特征
• 5.1 引言
• 5.2 方法与计算方案设置
• 5.2.1 模拟方案设置
• 5.2.2 诊断方法
• 5.3 亚洲季风区夏季STME 空间分布特征
• 5.4 亚洲 UT/LS 区域不可逆对流层-平流层质量交换的“源”和“汇”特征
• 5.4.1 亚洲UT/LS 区域不可逆质量交换的“汇”
• 5.4.2 亚洲UT/LS 区域不可逆质量交换的源
• 5.5 UT/LS 区域上对流层-下平流层水汽交换特征
• 5.6 对流层向平流层输送通道－卫星资料观测
• 5.7 小结和讨论
• 5.7.1 讨论
• 5.7.2 小结
• 第六章 亚洲季风区夏季平流层水汽的对流源区
• 6.1 引言
• 6.2 模式设置
• 6.3 确定近地层水汽对流源区方法
• 6.4 对流层向平流层水汽输送的对流源区
• 6.4.1 对流层向平流层质量输送的对流源区
• 6.4.2 对流层向平流层水汽输送的对流源区
• 6.4.3 水汽输送源区和质量输送源区的比较
• 6.5 青藏高原为关键对流源区的可能机制
• 6.6 结论
• 第七章 南亚高压在UT/LS 输送过程中动力效应的数值研究
• 7.1 引言
• 7.2 计算方法和模拟方案
• 7.2.1 计算方法
• 7.2.2 试验方案设置
• 7.3 结果分析
• 7.4 结论
• 第八章 南亚高压影响下的对流层向平流层水汽输送模拟实验
• 8.1 引言
• 8.2 模式方案设置
• 8.2.1 WRF 模式设置
• 8.2.2 拉格朗日输送模式设置
• 8.3 南亚高压内100HPA 水汽分布特征（2006 年8 月20～26 日）
• 8.4 输送过程分析
• 8.4.1 不同高度的输送源区
• 8.4.2 水汽输送过程
• 8.4.3 大尺度抬升和中小尺度对流在输送过程中的作用
• 8.5 小结
• 第九章 总结和讨论
• 9.1 主要结论
• 9.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 英文符号缩写说明
• 个人简介