东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟

东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟

李丹;卞建春

【摘要】平流层-对流层物质交换是影响全球大气成分收支的重要过程.过去的研究认为大尺度的交换过程在平流层-对流层物质交换中最为重要,但是近些年的研究表明,中小尺度过程对平流层-对流层物质交换也有重要贡献.本文利用OMI和MLS 数据、ERA-Interim再分析资料,结合中尺度WRF模式综合分析了东北地区发生在冷涡前部和冷涡后部的两次强对流天气过程.结果表明:发生在冷涡前部暖锋云系中的强对流持续时间长,对流垂直尺度小,下平流层静力稳定度高;发生在冷涡后部的孤立强对流持续时间短,水平尺度较小,且在对流层顶附近,静力稳定度小,对流可穿出热力学对流层顶.从示踪物分布情况来看,两次强对流都可将示踪物输送到对流层顶附近,但是冷涡前部对流可将示踪物从边界层输送到整个对流层,而孤立对流是把示踪物输送到对流层顶,而不与自由对流层空气发生混合.

【期刊名称】《地球物理学报》

【年(卷),期】2018(061)009

【总页数】10页(P3607-3616)

【关键词】平流层-对流层物质交换;东北冷涡;对流输送;WRF模式

【作者】李丹;卞建春

【作者单位】中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京 100029;中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京100029;中国科学院大学地球科学学院,北京 100049

【正文语种】中文

【中图分类】P434

0 引言

平流层-对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange，STE)可以改变温室

气体在上对流层/下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere，UTLS)的浓度和分布情况，因此对化学、气候及辐射平衡产生重要影响.尽管大、中尺度STE过程(如平流层入侵和对流层顶折叠过程等)已经得到广泛关注(Xie et al.,2008；陈洪滨等, 2006；Li and Bian, 2015；Song et al., 2016；Xie et al., 2016)，但当前对小、微尺度STE过程(如穿透性对流输送)研究有限，当前气候模式对此问题理解也有限度.深对流引起的物质输送目前并没有得到很好解决方案，

尤其发生在东亚中、高纬度地区的冷涡对流过程.夏季东北地区，冷涡是重要的天

气系统之一，常伴随强对流的发生.齐彦斌等(2007)对发生在东北地区的冷涡对流

云开展一次飞机穿云观测试验，结果表明，冷涡云系具有水平带状回波，云系垂直尺度小.

对流过程可以在短时间内将边界层水汽及其他示踪气体输送到UTLS区域.已有大

量观测事实证明热带外对流对STE有直接或者间接影响(Fischer et al., 2003; Anderson et al., 2012; Homeyer et al., 2014; Sargent et al., 2014).大部分研究集中在对流对水汽及示踪物输送到下平流层的研究，并指出对流输送及混合过程的垂直分布范围较小.平流层-对流层交换过程的观测工具主要有卫星、雷达及常规定点探空.但这些观测工具很难有效地观测到小尺度的输送及混合过程.近年来高精度

的数值模式已用于模拟强对流，以及由对流过程引起的输送过程(Gray, 2003; Wang, 2003; Mullendore et al., 2005; Le and Gallus, 2012).数值模式结果指出，

与穿透性对流相关的重力波破碎引起物质不可逆输送(Gray, 2003).穿透性对流也可引起对流层物质与下平流层物质直接混合(Wang, 2003).然而，关于穿透性对流穿出高度的垂直范围，不可逆过程以及下平流层高静力稳定度对对流输送过程的影响等相关研究工作开展较少.

结合实际观测情况以及卫星和雷达资料获取情况，选取发生在2006年7月20日(20060720)和2011年8月21日(20110821)的两次冷涡对流过程进行模拟分析.其中，个例20060720发生在冷涡前部锋面云系内，个例20110821是发生在冷

涡后部的孤立对流.为了研究两类冷涡对流对物质的输送作用，本文使用WRF模式并开启示踪物模块.模拟不同天气背景场下的两次冷涡对流过程，研究并分析对流

对物质输送的影响.

1 个例及天气过程概述

1.1 对流20060720天气背景

对流20060720发生在2006年7月20日06时(世界时，下同).300 hPa等压面上，贝加尔湖东北部有一深厚东亚大槽发展.东亚大槽向南延伸，在(120°E，45°N)附近形成一个闭合低压(即东北冷涡)，低压中心位于内蒙古与东北交界地带(图1a).同时刻，在日本岛北部至堪察加半岛有一深厚涡旋系统.深厚涡旋系统阻挡东北地

区云系的向东移动.从7月20日04时50分的MODIS云光学厚度资料可以看到，整个云系呈涡旋状，螺旋云带清晰可辨.主要的降水云团位于内蒙古东北部，黑龙

江和吉林西部地区呈“人”字形分布，对流最强中心出现在黑龙江和吉林交界处，云的最大光学厚度达到60(图1b).OMI观测到东北上空的低压中心内臭氧柱总量

分布也呈类似螺旋状结构(图1c).臭氧柱总量大值区对应位势涡度场高值区.330 K

等熵面上位势涡度在东北上空呈现“斧形”结构，对应MODIS云光学厚度图上是一个暗区，表明整层水汽含量较低.7月20日04时53分CloudSat轨迹扫过低压中心前部锋面对流云区(图1c)，可以观测到对流云的垂直结构.此次对流云发生的

天气背景与施春华等(2014)研究个例相似，但冷涡位置偏北10个纬距.

温度递减率剖面图显示靠近冷涡低纬一侧，对流层顶发生变形折叠，折叠发生在40°N—45°N附近(图2a)，偏西风急流斜下方.对流层顶折叠下来的位势涡度舌状

部分伸展到对流层中层，并跨越350 K等熵面，折叠最深处达到了500 hPa高度.45°N以北地区，贴近对流层顶的下平流层区域有强逆温层存在.20日04时53分CloudSat测得的反射率剖面图显示(图2b)，对流云结构表现为一个强大的对流云带，并在云带中有最强回波中心区，位于47°N—48°N附近，而此类结构的对

流系统往往能造成短时强降水.观测资料分析表明，在该区域附近阿尔山站3 h降

水达49 mm.强对流发展深厚，反射率大于10 dBZ的高度达10 km，云体为强的、深厚的回波亮带；少数云粒子回波穿透对流层顶向下平流层区域伸展，但穿出高度较低.

图1 2006年7月20日06时，(a)300 hPa位势高度场(实线，单位：gpkm)和风速(阴影，单位：m·s-1)，(b)MODIS云光学厚度图(4时50分)， (c)OMI观测的

O3柱总量(阴影，单位：DU)， 330 K等熵面上位势涡度(1、2、4、8 PVU)，紫

色实线为CloudSat扫过轨迹，黑色点线为MLS轨迹.Fig.1 (a) 300 hPa geopotential height (gpkm,contour) with wind field (m·s-1, shade), (b) The cloud optical thickness from MODIS, and (c) Total column ozone from OMI with potential vorticity (1, 2, 4, and 8 PVU) on the 330 K isentropic surface

at 06∶00 on 20 July 2006. Purple line marks the CloudSat track, the black dots mark the MLS tracks.

图2 7月20日，(a)06时过图1a中直线的温度递减率剖面图，(b)04时53分的CloudSat雷达反射率剖面图.热力学第一、第二对流层顶高度(黑点，单位：hPa)，纬向风速(黑色实线，单位：m·s-1，等值线间隔为10 m·s-1)，310 K、330 K、350 K和380 K等熵线(蓝色虚线，单位：K)，PV(红色实线，单位：1、2、4、6、