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青藏高原对流层顶折叠及其对上下对流层水汽影响的研究

期刊:Climate DynamicsDOI:10.1007/s00382-023-06978-2

学术报告

一、研究的主要作者与发表信息

本文题为《Tropopause folds over the Tibetan Plateau and their impact on water vapor in the upper troposphere-lower stratosphere》,主要作者为Yongpeng Zhang、Qian Huang、Kun Guo、Mengyuan Wang、Huiren Liao、Yan Chou 和 Xin He,分别隶属于Lanzhou University College of Atmospheric Sciences和Chinese Flight Test Establishment。该研究发表在期刊《Climate Dynamics》2024年第62卷第1423–1437页,在线发布时间为2023年10月14日。


二、研究的学术背景

本研究聚焦大气科学领域,尤其是对流层和平流层的交互作用(Stratosphere-Troposphere Exchange, STE)。上层对流层-下层平流层(UTLS)区域的水汽(water vapor)作为重要的温室气体,对地球气候系统产生显著影响。然而,目前对青藏高原地区的对流层顶折叠(Tropopause folds)及其对区域UTLS水汽变化的影响的研究相对匮乏。

对流层顶是对流层和平流层的重要物理边界,其动力学和化学特性有所不同。青藏高原作为全球海拔最高的地形,对天气与气候变化以及大气物质的输运具有重要影响。由于亚热带西风急流的作用,青藏高原区域对流层顶折叠现象频繁发生,这对跨层间的水汽输运具有重要意义。本研究意在通过改进的三维标记算法(3D labeling algorithm)量化青藏高原区域对流层顶折叠的时空分布规律,探讨其对UTLS水汽变化的定量影响,从而更深入理解STE的物理过程。

研究目标主要包括: 1. 研究青藏高原区域对流层顶折叠的时空分布特征; 2. 量化不同深度折叠对UTLS水汽变化的影响; 3. 阐明对流层顶折叠通过动力过程与亚格尺度扰动对水汽垂直输运的贡献机制。


三、研究的具体流程

1. 数据与方法

本研究的数据来源包括: - ERA5再分析数据集:空间分辨率0.25°x0.25°,1979–2019年全球范围的大气再分析数据,包括位涡(Potential Vorticity, PV)、比湿、温度、水平风速、垂直风速和气压等。 - 高分辨率ERA5-HRES数据:用于验证对折叠深度的检测,水平分辨率T639(约31 km),垂直压力分层137层。 - AIRS卫星数据:由NASA Aqua卫星搭载的Atmospheric Infrared Sounder获取,用于比湿数据的验证和长期趋势分析。

算法采用改进后的三维标记算法: - 基于Škerlak et al.(2015)的算法,将2 PVU(潜在涡度单位)的等值面作为动力学对流层顶的定义。此外,采用拉格朗日滤波器(Lagrangian filter)排除由平流或摩擦过程生成的PV异常。 - 折叠深度(Fold depth, δP)进一步细分为浅层折叠(shallow folds, 50 – 200 hPa)、中度折叠(medium folds, 200 – 350 hPa)和深层折叠(deep folds, ≥350 hPa)的分类。

在数据处理流程中,每个对流层顶折叠事件首先由改进算法检测,其后通过拉格朗日轨迹分析及高度差计算,确认事件的深度和位置。研究还利用经验正交函数分解(EOF)分析跨年度的空间和时间变化模式。

2. 折叠事件验证

以2008年2月25日在青藏高原日喀则站(Gerze)观测到的一次已报道折叠事件为研究案例: - 数据包括高分辨率无线电探空观测、大气再分析的位涡值等。 - 对比原始与改进算法,验证改进后算法对折叠深度的连续性和连接性的检测效果。

3. 水汽输运的分析

利用ERA5再分析数据与AIRS比湿数据,分析不同类型折叠事件对UTLS水汽输运的影响: - 比较无折叠和浅、中、深折叠情境下,UTLS水汽的水平和垂直输运通量。 - 进一步通过区域划分(北部、中部、南部区域)研究折叠位置对水汽输运的空间差异。

4. 亚格尺度湍流对水汽输运的贡献

利用湍流扰动项((w’q’)),评估亚格尺度湍流混合对UTLS水汽输运的影响。


四、主要研究结果

  1. 对流层顶折叠的时空分布特征

    • 总体趋势:折叠事件的频率在过去41年内呈上升趋势,以浅层和中度折叠事件尤为显著。
    • 季节分布:折叠事件的分布与亚热带西风急流季节性移动一致。冬春季,折叠集中在青藏高原南缘区域;夏季折叠移至高原西北部,以帕米尔高原区域频率最高;秋季频率最低且分布较为均匀。
    • 高度特征:折叠高度随纬度升高而降低,尤其是在青藏高原北部超过36°N处下降更显著。
  2. 折叠对UTLS水汽的影响

    • 水平输运:浅层和中度折叠增强了UTLS区域的水平水汽辐散,增加了北部边界的水汽外流,并减少了南部边界的水汽流入。
    • 垂直输运:三种类型折叠均显著增加了UTLS区域的水汽垂直通量,其中浅层和中度折叠的水汽增加份额更大。
    • 区域分布:北部区域的折叠对UTLS水汽的影响最显著,可能与夏季西北部强对流天气条件有关。
  3. 折叠过程中次级环流与亚格尺度混合的作用

    • 次级环流形成的垂直气流异常促进了水汽从对流层向UTLS的上升输运,以及干燥平流层空气的向下混合。
    • 湍流混合对水汽垂直输运有显著影响,特别在中度折叠事件中表现更为突出。

五、研究结论与意义

本研究首次定量揭示了青藏高原区域对流层顶折叠的分布规律及其对UTLS水汽输运的影响。结论如下: 1. 改进的三维标记算法提高了折叠深度检测的连续性和准确性; 2. 折叠对高原地区UTLS区域水汽的垂直和水平输运起到双重作用,显著增加了区域水汽含量; 3. 次级环流异常和湍流混合作为关键机制,进一步解释了折叠事件对水汽输运的动力学影响。

本研究在青藏高原大气动力学与水汽输运方面具有重要的科学意义,完善了对流层-平流层物质交换的理论理解,也为区域气候变化研究和天气预报提供了新的科学依据。


六、研究亮点

  1. 首次量化了青藏高原区域对流层顶折叠的时空分布特性;
  2. 提出了折叠对UTLS水汽双重输运机制的理论解释;
  3. 改进的三维标记算法在检测复杂折叠事件中的应用,为后续研究提供了可靠的技术支持;
  4. 通过高原地形与对流特性的结合,揭示了折叠影响区域差异与气候季节性的关联。
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