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Atmos. Chem. Phys., 11, 5113–5122, 2011

www.atmos-chem-phys.net/11/5113/2011/Atmosphericdoi:10.5194/acp-11-5113-2011 copy; Author(s) 2011. CC Attribution 3.0 License. Chemistry

and Physics

关于青藏高原上空对流层顶折叠现象的讨论

X. L. Che, Y. M. M, H. Keld, Z. S, and K. Yan

（1 中国科学院青藏高原研究所西藏环境变化与地表过程重点实验室，北京，中国，2 特文特大学地球信息科学与地球观测学院，恩斯赫德，荷兰3 荷兰艾恩德霍芬艾恩，德霍芬大学物理系）

收到时间: 2010年1月27日-发表于Atmos. Chem. Phys. Discuss.: 2010年10月6日

修订日期: 2011年4月20日-接受: 2011年4月29日-发表于: 2011年5月31日

摘 要：由于其恶劣的自然条件, 在2008年进行中日联合合作项目实施区域探空观测网络之前，并没有对青藏高原 (TP) 进行过密集的探空观察。本文基于这些观测资料分析了对流层上层和下平流层 (UTLS) 结构, 并提供了青藏高原上空平流层和对流层之间的交换。

由于高分辨率探空数据的稀疏, 许多先前的研究都假定在TP上只有一个热对流层. 实际上, 在TP上冬季的探空温度剖面通常表现为复对流层顶层 (MT)。MT现象常发生在高原地区的冬季。这段时间的 MT事件与副热带西风急流附近的对流层顶折叠有关。MT 的变化与急流的移动一致。随着季风的发展, MT逐渐演变为一个单一的对流层顶层。本文对 MT 特性进行了详细的分析。

对全球 MT 事件的早期分析 (基于数据的GPS无线电掩星、ERA-40 数据和集成的全球探空档案数据库) 的结果是在冬季的高原上MT发生的频率不超过40%。基于密集探空观测的高分辨率数据, 在某些特定的冬天，我们估计高原上的MT发生率可以高达80%。这提醒我们要更多地关注高原上空的MT事件。文中还讨论了粗垂直分辨率和其它对MT发生频率估计有影响的因素。

平流层侵入通常与高原上空副热带急流的存在有关。无线电探空仪观测到的热 MT 事件反映了高原上动态对流层顶折叠的复杂结构。平流层的空气质量侵入可能会导致高原上空冬季上层对流层的臭氧浓度高于夏季。

^[1] 简介

青藏高原 (TP) 的平均高度为4000m 以上, 面积为 2.5millionkm² , 对亚洲季风和全球天气和气候产生了深刻的热力和动态影响。由于空气密度低, 太阳辐射强度大, 使得TP从表面产生更多的能量, 直接加热对流层中层。这种热会影响对流层上部和加热对流层 (Fu 等.,2006)。在青藏高原发现了上部对流层和下平流层 (UTLS) 之间的交换 (Cong 等., 2002; Fu 等., 2006; Steinwagner 等., 2007; Sprenger 等., 2003; Zhan and Li, 2008)。作为一个巨大的高加热源, 一个严格意义上来说的深对流区 (Yang等， 2004), 一个动力抽吸装置(Duan等., 2005), 以及在其上方存在西风急流, TP 产生一个活跃的平流层和对流层交换 (STE) 区域, 形成一个STE短的循环和途径(Fu 等., 2006)。提高对STE的理解取决于我们量化UTLS的结构及其变异的能力 (Stohl 等., 2003)。由于缺乏高分辨率观测资料, 青藏高原以上 UTLS 结构仍未充分了解 (Gettelman 等, 2010; Hegglin 等, 2010; SPARC Report, 2010)。

多对流层顶 (MT) 的发生在对流层的结构和特征中起着重要作用, 在青藏高原上空对流层和平流层之间的交换中起着关键作用 (Anel 等, 2008).Anel 等 (2008) (采用集成的全球 Ra-tilde; diosonde 归档数据库) 和 Randel 等 (2007) (基于 GPS 无线电卫星测量和 ERA-40) 都已获得 MT的全球统计。本文首次提出了基于高分辨率数据下的青藏高原上空MT事件的统计。因此, 它将有助于 Anel 等 (2008) 和 Randel 等 (2007) 的 MT 统计, 帮助我们了解青藏高原上空平流层和对流层之间的交换。

对流层顶折叠是亚热带跨对流层顶交换的关键特征和有利结构;（Sprenger et al., 2003; Shapiro, 1980）; 最高频率的对流层顶折叠, 与当时的副热带上层急流有关 (Reed, 1955; Schmidt 等., 2005; Randel 等, 2007)。青藏高原位于 28^◦ N–38^◦N,副热带急流从冬至夏季向北移动时，这一区域受到严重影响。Sprenger (2003) 分析了对流层顶折叠的频率和全球分布。他们的研究结果表明, 在冬季, 高原上空浅层折叠的全球频率最高 (见图3在 Sprenger 等, 2003).

同时, 对臭氧的卫星观测显示了 '臭氧小孔' 事件和高原上空的臭氧谷现象(Zhou et al., 2005; Tobo et al., 2008; Bian, 2009)。讨论了臭氧总量偏低的机制。以往的研究表明,对流层上空低臭氧浓度的平流层空气的向对流层的输送, 会影响夏季低层大气中低臭氧浓度 (Zhou等., 1995; Zou, 1996)。Tian等 (2008) 发现, TP 中总臭氧量的变异性与等熵表面的抬升和下降密切相关。Tobo等 (2008) 观察到对流层顶 (150–70hPa) 附近的臭氧异常对臭氧总量偏低的贡献很大。高臭氧浓度的平流层空气侵入对流层中与对流顶的折叠关系密切 (Reed, 1955; Sprenger 等., 2003; Beekmann et al., 1997)。由对流层顶层折叠高频率出现 (Sprenger 等, 2003)可推知, 平流层入侵应该经常发生在高原。丰富的臭氧空气的向下运输强烈影响垂直臭氧分布尤其

图 1. 探空在青藏高原上的分布 (海拔高于海平面).

在高原 UTLS 地区。但是, 平流层入侵的变化及其对垂直臭氧分布的影响需要进一步分析。

为了了解青藏高原上空季风不同阶段大气供暖和水汽变化情况, 中日联合合作项目在2008年进行了收集密集探空观测 (xu 等2008)。如图1所示, 我们的研究包括了九探空观测点。四个观测点(盖尔泽、拉萨、那曲地区和黎塘) 位于高原上。其他测站的高度低于2000m。这些地点将作为低空观测进行讨论。

高原上空对流层顶的高分辨率信息缺乏。本研究将利用该地区最先进的探空数据研究MT事件的特点。第2节描述了观测数据资料和对流层的定义。第3节介绍了 MT 特征。4节讨论了中日联合合作项目中的热 MT 事件与对流层顶折叠的动态特性。5节总结了研究结论和讨论。

2观测数据和对流层顶层定义

三个地点, 盖尔泽, 黎塘和大理, 配备了Vaisala DigiCORA III GPS radiosonding system系统。无线电探空仪使用的维萨拉 RS92 在释放之前用当地气象测量校准。测深数据包含温度、压力、相对湿度、水平风速和方向的剖面图。利用差分 GPS 理论, 接收机可以自动计算传感器的高度和风速。探空每2s 向接收器传输数据。使用平均 5ms^minus;1 递增速度, 获得的数据的垂直分辨率约为10m。其他六个站点使用了中国气象探空系统 (探空的详细信息, 可在以下网站上找到:http://www.cwqx.com/)。这些系统可以观察温度, 压力, 湿度, 风速和方向的垂直分辨率为100m。利用样条法将所有观测数据插到20m 垂直等间距水平, 便于详细分析和比较.

进行了三个密集观察期 (IPO)。有关观察日期的详细资料见表1。第一个观察期 (IOP1) 是针对冬季时间。第二个观察期 (IOP2) 是在季风爆发时间期间进行的。第三个观察期 (IOP3) 几乎处于季风成熟阶段。每天在01:00、07:00、13:00 和19:00local 标准时间 (无线电探空仪) 中释放四人。

在计算对流层顶层高度时, 我们采用了气象组织的垂直递减率对流层顶 (LRT) 定义 (世界气象组织, 1957):

(a) 第一个对流层顶高度被定义为温度垂直递减率等于或小于2°C·的最低高度，而且在此 高度以上2km气层内温度平均递减率不超过2°C·，这就是对流层顶的热力学定义

(b) 如果位于第一个对流层之上, 则在1km 以内的任何级别和所有更高级别之间的平均温度垂直递减率超过 3Kkm ^minus;1 , 则第二个对流顶层由与 (a) 相同的条件定义.

第一顶对流层是由 LRT1 表示的, 如果在 LRT1 上方有进一步的对流层, 则命名为 LRT2, 然后 LRT3。双对流层顶 (DT) 由 LRT1 和 LRT2 的检测来表示。三重对流层顶 (TT) 被识别为 LRT1, LRT2 和 LRT3 检测到的剖面。

3多对流层顶的探空观测

在以前的研究中, 人们很少注意高原上的 MT 事件。在密集观测期间,在西部高原上的盖尔泽站 (32.09^◦ N, 84.25^◦ E) 的上方显示大约 10km存在一个频繁的强热反演层。MT 是用气象组织 (1957) 的 MT 定义计算的, 证明 MT 经常发生在 IOP1 期间。盖尔泽站的 DT 温度剖面的例子如图2a 所示。连续探空数据 从2008年2月25日, 01:00LT 到 2008年2月26日, 13:00LT 期间。剖面图显示了大约300hPa 的对流层顶, 在100hPa 附近发现了第二个对流层。图2b 显示了从 2008年2月29日, 01:00 到 2008年3月1日, 13:00LT 只有一个顶层对流层100hPa 以上的配置文件。我们将解释是什么导致了这两个时期的 UTLS 结构的差异在4节.

利用气象组织的LRT定义, 我们计算了三 IOPs 的 MT 频率, 并把他们列出在了

图2。(a) 2008年2月25日、01:00 至2008年2月26日的温度剖面, 盖尔泽站点13:00LT。(b)温度剖面从 2008年2月29日, 01:00 到 2008年3月1日, 13:00LT 在盖尔泽站点.

表2。MT 事件的频率作为 LRT1 事件数量的百分比给出。IOP1 三高原站 (盖尔泽、那曲地区和黎塘) 的 MT 发生的次数高达72.5% 至84%。分析表明, 冬季 MT 事件的频率和季节变化很大。从 GPS 卫星数据和 DJF

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