【摘要】：熱帶對流層頂是對流層空氣進入平流層的主要源區(qū),因此成為全球平流層對流層物質(zhì)交換過程的關(guān)鍵區(qū)域。研究熱帶對流層頂?shù)奈锢磉^程對于我們深入了解平流層對流層交換具有重要科學(xué)意義。本論文結(jié)合英國氣象局大渦模式LEM和美國大氣環(huán)境研究中心的WRF模式,以及多種探空資料、再分析資料和衛(wèi)星資料,模擬研究了熱帶深對流活動在對流層頂區(qū)域觸發(fā)的物理過程以及深對流影響低平流層水汽的物理機制,定量化分析了大氣環(huán)境因子影響深對流對低平流層水汽貢獻的程度,分析了熱帶對流層頂垂直風(fēng)切變對低平流層水汽的影響,探討了對流層頂冰面過飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。主要得到以下結(jié)論:1、高分辨率的大渦模式能較好地模擬熱帶穿透性深對流在熱帶對流層頂區(qū)域觸發(fā)的小尺度物理過程,深對流首先將對流層低層的冰晶粒子輸送至對流層頂附近,一部分冰晶粒子可以跨越390 K等熵面被直接輸送進入至低平流層,還有一部分冰晶粒子可以通過對流層頂?shù)耐牧骰旌献饔眠M入到低平流層,在對流層頂附近由對流重力波造成的空氣塊的下沉增溫作用使得這些冰晶升華轉(zhuǎn)化為水汽,當(dāng)重力波破碎后,等熵面開始恢復(fù),這部分水汽隨著等熵面的恢復(fù)完全進入到低平流層中從而對低平流層起到增濕的作用。整個模擬時間段內(nèi)低平流層區(qū)域水汽混合比表現(xiàn)為持續(xù)增加的特征,此次個例中由深對流造成低平流層水汽增加約0.13 ppmv,增加的水汽分為兩部分:前一部分的水汽是由深對流直接輸送進入到低平流層的冰晶升華轉(zhuǎn)化的水汽;后一部分的水汽增加是由湍流混合作用造成小尺度的冰晶粒子進入低平流層升華產(chǎn)生的。2、所有改變對流強度的敏感性試驗中冰云頂高度呈現(xiàn)兩個峰值結(jié)構(gòu):第一個峰值是由深對流上沖云頂?shù)谝淮蔚竭_對流層頂附近時形成的;第二個峰值是重力波破碎過程造成冰晶和水汽進入到低平流層中形成的羽卷云向上傳輸造成的。對流強度越大,由深對流輸送至低平流層的冰晶越多,深對流造成的低平流層水汽增加的也越多。改變對流層頂垂直風(fēng)切變對水汽和冰晶的向上輸送作用有明顯影響,較大的對流層頂垂直風(fēng)切變試驗中,低平流層增加的冰晶和水汽較少,對流層頂垂直風(fēng)切變較小的試驗中,低平流層增加的冰晶和水汽較多。改變對流層頂溫度對水汽和冰晶的向上輸送作用也有顯著影響,對流云將大量冰晶粒子輸送至對流層頂附近時,對流層頂溫度造成冰晶粒子的升華作用加強,使得進入低平流層的水汽增多,并且這其中由溫度變化造成的湍流活動的變化影響較小。3、1979-2016年熱帶地區(qū)(30°S—30°N)剔除了季節(jié)變化以及線性趨勢的100 hPa水汽異常和對流層頂風(fēng)切變異常呈現(xiàn)較好的反相關(guān)。對流層頂垂直風(fēng)切變異常和低平流層水汽異常年平均時間序列的線性相關(guān)系數(shù)達到-0.72,月平均時間序列的線性相關(guān)系數(shù)為-0.61,且在統(tǒng)計上是顯著的。在不同對流條件下,根據(jù)強弱對流層頂垂直風(fēng)切變分別合成100 hPa水汽異常、100 hPa溫度異常、150 hPa垂直速度異常得到以下結(jié)論:弱對流條件下,弱垂直風(fēng)切變合成的對流層頂溫度異常與水汽異常表現(xiàn)為一致的特征,而強垂直風(fēng)切變合成的對流層頂溫度異常與水汽異常并非完全一致,強垂直風(fēng)切變合成的150 hPa垂直速度小于弱垂直風(fēng)切變合成結(jié)果,說明強對流層頂垂直風(fēng)切變下,150 hPa左右的垂直輸送作用較弱,對流層頂垂直風(fēng)切變可以通過影響對流層頂附近的垂直輸送作用影響低平流層水汽的變化;強對流條件下,強弱垂直風(fēng)切變合成的100 hPa溫度異常與低平流層水汽異常保持一致變化,強垂直風(fēng)切變相比于弱垂直風(fēng)切變合成的150 hPa垂直速度明顯偏小,垂直風(fēng)切變對對流層頂附近的垂直速度有顯著影響。對比強弱對流兩種條件,發(fā)現(xiàn)對流層頂垂直風(fēng)切變對150 hPa垂直速度的影響在強對流條件下要比弱對流條件下大。4、通過三重嵌套的中尺度天氣模式WRF模式對氣球探空觀測資料中昆明地區(qū)對流層頂附近出現(xiàn)的冰面過飽和現(xiàn)象進行數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),四種不同的微物理參數(shù)化方案對出現(xiàn)的冰面過飽和現(xiàn)象都能較好地模擬,其中Thompson aerosol-aware方案模擬的冰面相對濕度與實際觀測結(jié)果最為接近。對比同一高度發(fā)生冰面過飽和區(qū)域的溫度和未發(fā)生冰面過飽和區(qū)域的溫度,二者并未表現(xiàn)出明顯差異,排除溫度是這一區(qū)域形成冰面過飽和現(xiàn)象的原因。分析冰面過飽和區(qū)的氣溶膠濃度,發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度低至5.8×10~7 kg~(-1)就可以出現(xiàn)冰面過飽和現(xiàn)象,而當(dāng)氣溶膠濃度超過這個臨界值時,在這個高度(110 hPa)就不易出現(xiàn)冰面相對濕度超過100%的情況。模式結(jié)果顯示可以作為云凝結(jié)核的吸濕性氣溶膠是此次個例中對流層頂附近最主要的氣溶膠類型,氣溶膠濃度偏低造成云凝結(jié)核個數(shù)偏少是此次個例中對流層頂冰面過飽和現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因。
【圖文】：

圖 1.1 全球 STE 過程示意圖（Mohanakumar, 2008）1.2 國內(nèi)外研究進展1.2.1 熱帶深對流活動對低平流層水汽的影響熱帶深對流活動是影響熱帶地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，在熱帶大氣環(huán)流和熱帶各擾動物理量的收支中扮演著重要角色，主要表現(xiàn)在質(zhì)量、熱量、水汽、動量和渦度的垂直輸送上。由于平流層水汽在平流層化學(xué)過程和調(diào)節(jié)大氣能量與輻射平衡方面有重要作用（Shindell，2001；Forster and Shine，2002；Tian and Chipperfield，2006；Solomon et al.，2010），而平流層水汽其中一個重要的來源就是從熱帶對流層頂進入到平流層中的對流層空氣帶入的一部分水汽（World MeteorologicalOrganization，2014），因此，深對流活動對水汽較強的垂直輸送作用對低平流層水汽有重要影響。目前已經(jīng)有不少研究證實深對流活動可以將對流層低層的水物質(zhì)輸送到低平流層，，使平流層水汽增加。一些強度較強的深對流活動甚至可以直接將邊界層

圖 1.2 深對流影響低平流層水汽的示意圖（Fueglistaler et al.，2009）1.2.2 對流層頂冰面過飽和現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的云微物理學(xué)觀點認為在云的形成過程中，當(dāng)冰晶、水滴和水汽三者共存時，同溫度下如果水汽接近于水面飽和狀態(tài)，對冰面則是過飽和的。當(dāng)冰面飽和度大于 100%時，冰晶就不斷吸收水汽，促使冰晶增長，從而使空氣中的水汽混合比減少并低于飽和水汽混合比，而冰晶不斷增大（貝吉龍假說）。然而，在近些年的觀測和數(shù)值模擬中越來越多的研究發(fā)現(xiàn)在上對流層出現(xiàn)了冰面過飽和現(xiàn)象（Heymsfield et al.，1995；Heymsfield et al.，1998；Vomel et al., 2002；Spichtinger et al., 2003；Gao et al.，2004；Jensen et al.，2005a and 2005b；Gettelmanet al., 2006; Kahn et al., 2009; Kramer et al., 2009; Lamquin et al., 2012）。冰面飽和度控制著上對流層卷云的生成，云的形成過程中當(dāng)冰面相對濕度達到凍結(jié)成核的閾值時就開始形成冰核（Koop et al.，2000；Murphy and Koop，2005），因此，冰面相對濕度通過調(diào)節(jié)卷云中的微物理過程和卷云的輻射強迫進而影響全球氣候（Liou，1992； Khvorostyanov et al.，2006；Gettelman and Kinnison，2007；
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P426

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 秦亞蘭;周順武;張人禾;楊雙艷;閆梓宇;;青藏高原兩類對流層頂頻率的季節(jié)分布特征及其與同緯度地區(qū)的差異[J];氣候與環(huán)境研究;2017年04期

2 壽亦萱;陸風(fēng);壽紹文;覃丹宇;;對流層頂折疊檢測新方法及其在中緯度災(zāi)害性天氣預(yù)報中的應(yīng)用[J];大氣科學(xué);2014年06期

3 成佳麗;史燕;;全球?qū)α鲗禹敻叨鹊目臻g演變規(guī)律研究[J];貴州氣象;2013年S1期

4 劉慧;韋志剛;魏紅;李振朝;王超;;近51年我國對流層頂高度的變化特征[J];高原氣象;2012年02期

5 崔世鋒;葉仁玉;徐紅玲;;2004-2011年安慶地區(qū)對流層頂?shù)奶卣鞣治鯷J];安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版);2012年03期

6 付志嘉;董保舉;張成穩(wěn);;我國氣候變暖特征及其與對流層頂?shù)年P(guān)系[J];干旱氣象;2011年02期

7 楊雙艷;周順武;陳鶴;;甘肅省對流層頂高度的季節(jié)變化特征分析[J];氣象;2010年04期

8 周順武;楊雙艷;張人禾;馬振鋒;;青藏高原兩類對流層頂高度的季節(jié)變化特征[J];大氣科學(xué)學(xué)報;2010年03期

9 Santer B D;Wehner M F;Wigley T M L;Sausen R;Meehl G A;Taylor K E;Ammann C;Arblaster J;Washington W M;Boyle J S;Bru"ggemann W;楊雙艷;;人為強迫和自然強迫對近年來對流層頂高度變化的貢獻[J];沙漠與綠洲氣象;2009年05期

10 趙瑞;孫克敏;;如何正確分析對流層頂[J];吉林氣象;2007年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 秦亞蘭;周順武;閆梓宇;楊雙艷;;青藏高原兩類對流層頂頻率的季節(jié)變化特征[A];第33屆中國氣象學(xué)會年會 S3 青藏高原與復(fù)雜山地天氣氣候[C];2016年

2 冼桃;傅云飛;;全球?qū)α鲗禹攲娱L期變化趨勢[A];第33屆中國氣象學(xué)會年會 S12 大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境[C];2016年

3 趙慧;馬鵬程;;近64a中國地區(qū)對流層頂溫度的時空變化特征[A];第32屆中國氣象學(xué)會年會S2 副熱帶氣象及環(huán)境影響[C];2015年

4 徐釗遠;王緒文;黃紅梅;戴麗瓊;;對流層頂?shù)臍夂蛱卣鞣治黾皯?yīng)用[A];第26屆中國氣象學(xué)會年會第三屆氣象綜合探測技術(shù)研討會分會場論文集[C];2009年

5 周順武;楊雙艷;張人禾;馬振鋒;;青藏高原兩類對流層頂高度的季節(jié)變化特征分析[A];第26屆中國氣象學(xué)會年會冰凍圈與極地氣象分會場論文集[C];2009年

6 楊雙艷;周順武;武炳義;;青藏高原對流層頂高度季節(jié)變化的成因分析[A];第28屆中國氣象學(xué)會年會——S17第三屆研究生年會[C];2011年

7 謝貴仲;蘇德斌;張小兵;許仕清;姜濤;趙瓊;張春波;;北京上空對流層頂?shù)奶卣鞣治鯷A];第28屆中國氣象學(xué)會年會——S9大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境[C];2011年

8 吳宜;陳皓;康健;;南京地區(qū)對流層頂高度特征分析[A];第九屆長三角氣象科技論壇論文集[C];2012年

9 王衛(wèi)國;;對流層頂高度變化同臭氧層的關(guān)系[A];1992年中國地球物理學(xué)會第八屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];1992年

10 陳洪濱;孫二林;呂達仁;;對流層頂季節(jié)變化特征的初步分析[A];第九屆全國日地空間物理學(xué)術(shù)討論會論文摘要集[C];2000年

相關(guān)重要報紙文章 前3條

1 陳克軍;對流層頂—— 高空飛行的重要指標[N];中國民航報;2012年

2 陳丹;銀河系數(shù)十億行星或擁有對流層頂[N];科技日報;2013年

3 記者 毛磊;人類活動影響氣候添新證[N];新華每日電訊;2003年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前8條

1 桑文軍;熱帶對流層頂區(qū)域影響低平流層水汽的主要物理過程研究[D];蘭州大學(xué);2019年

2 青海銀;MST雷達應(yīng)用技術(shù)研究[D];武漢大學(xué);2016年

3 張敏;青藏高原上空平流層對流層中尺度交換過程的研究[D];蘭州大學(xué);2012年

4 陳斌;青藏高原及其周邊區(qū)域夏季上對流層水汽變化和輸送特征研究[D];中國氣象科學(xué)研究院;2009年

5 馮沙;副熱帶高壓中心云和降水及熱帶和副熱帶穿透性對流活動分布特征[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

6 冼桃;穿透性對流活動特征及其對上對流層/下平流層臭氧分布的影響[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

7 雒佳麗;亞洲夏季風(fēng)期上對流層下平流層區(qū)域化學(xué)物質(zhì)的時空變化特征和平流層對流層物質(zhì)交換[D];蘭州大學(xué);2015年

8 田紅瑛;青藏高原及其鄰近地區(qū)上空平流層—對流層物質(zhì)交換的研究[D];蘭州大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 符強;拉曼激光雷達對流層頂大氣結(jié)構(gòu)特性的初步分析[D];西安理工大學(xué);2018年

2 秦亞蘭;青藏高原對流層頂分布特征及其與同緯度地區(qū)的差異[D];南京信息工程大學(xué);2017年

3 辛玉姣;熱帶對流層頂層結(jié)構(gòu)及其變化特征[D];蘭州大學(xué);2011年

4 楊國彬;東亞對流層頂逆溫層各要素的時空分布特征[D];云南大學(xué);2016年

5 許平平;青藏高原上空對流層頂折卷的變化及其對高原上空臭氧變化的影響研究[D];蘭州大學(xué);2015年

6 常舒捷;云頂高于對流層頂事件對上對流層—下平流層水汽結(jié)構(gòu)的影響[D];南京信息工程大學(xué);2015年

7 朱保林;北半球夏季對流層頂變動的現(xiàn)象及機制研究[D];南京信息工程大學(xué);2005年

8 叢春華;青藏高原及其鄰近地區(qū)上空平流層和對流層之間質(zhì)量交換的分析研究[D];中國氣象科學(xué)研究院;2001年

9 林忠;南極臭氧和大氣垂直結(jié)構(gòu)探測研究[D];中國氣象科學(xué)研究院;2010年

10 張?zhí)旌?中國華東高海拔地區(qū)春夏季臭氧濃度變化特征及來源分析[D];南京信息工程大學(xué);2012年

本文編號：2649184