兩次強對流背景下的對流層向平流層輸送特征模擬與分析

曹治強 呂達仁

1 中國科學院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測重點實驗室（LAGEO），北京100029 2中國科學院大學，北京100049

3 國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081

1 引言

對流層向平流層輸送（troposphere-tostratosphere transport，TST）是平流層—對流層交換的一部分。強對流可以把對流層低層物質(zhì)迅速輸送到高層，當出現(xiàn)穿透性對流時，則可以直接輸送到平流層低層，這在平流層的化學成分構成和氣候變化起著重要的作用。Dickerson et al.（1987）通過科研飛機對一次風暴及其周邊的一氧化碳（CO）、臭氧（O3）和活性氮氧化物等大氣成分的觀測發(fā)現(xiàn)，在大約11 km高度風暴的出流區(qū)域上述物質(zhì)的濃度較大，并指出風暴可能把局地的污染問題變成區(qū)域或全球大氣化學問題。Thompson et al.（1997）等用NASA Goddard Cumulus Ensemble（GCE）模式模擬了一次熱帶深對流過程引起的氮氧化物向上對流層的輸送，并說明了其對增大風暴下風向的臭氧產(chǎn)生率的作用。Poulida et al.（1996）通過對一次中尺度對流復合體（MCC）發(fā)生前后的O3、CO等成分的觀測，描述了發(fā)生在這個 MCC內(nèi)部及其周邊的對流層平流層交換（STE）特征。Stenchikov et al.（1996）利用GCE模式模擬了這個MCC的發(fā)生過程，評估了這個MCC引發(fā)的平流層向?qū)α鲗拥腛3輸送、對流層向平流層的痕量氣體輸送的作用。Fischer et al.（2003）通過對一個大的積雨云形成的云砧上面的對流層示蹤氣體（CO、苯、甲醇等）的觀測資料分析，發(fā)現(xiàn)其濃度明顯高于其周圍環(huán)境的濃度。Ray et al.（2004）也通過觀測資料證實深對流引發(fā)的對流層物質(zhì)向平流層輸送這一現(xiàn)象。限于觀測資料的缺乏，國內(nèi)對這方面的研究相對較少。Kong and Qin（1993，1994）以及Kong（1994）通過一個對流云輸送模式詳細研究了對流云對氣體污染物的輸送作用。李冰等（1999）利用一個冰雹云模式與云化學輸送模塊耦合而成的三維對流云化學/輸送模式，研究了對流云對重要的大氣污染物臭氧、氮氧化物的輸送作用。

以上研究從觀測和模擬方面給出了強對流引起的污染物輸送及其在對流層向平流層輸送（TST）過程中的作用，但只是針對強對流本身。強對流作為中小尺度系統(tǒng)一般是發(fā)生在大尺度天氣背景下的，但這兩種尺度相結合的研究相對較少。為了研究在大尺度天氣背景下強對流所引發(fā)的TST特征，本文通過一個拉格朗日擴散模式（FLEXPART），分別對發(fā)生在低緯度和中緯度的兩次強對流天氣過程進行了模擬，分析了這兩次強對流天氣及其背景大尺度天氣系統(tǒng)的TST特征。

2 使用的模式和資料介紹

過去對STE的診斷方法大多采用基于歐拉框架下的 WEI 方法（Wei，1987）。由于WEI 方法往往側(cè)重于凈交換的研究，而在估算TST時精度不高。FLEXPART是一個拉格朗日擴散模式，由挪威和奧地利聯(lián)合開發(fā)，并提供公開下載。它在模擬的過程中考慮了中小尺度的對流和湍流擴散過程，目前已被廣泛應用大氣污染輸送、森林火災污染物的中尺度輸送以及全球?qū)α鲗悠搅鲗咏粨Q方面的研究（Stohl and Thomson，1999；Stohl et al.，2003；James et al.，2003a）。陳斌等（2010）等利用FLEXPART模擬研究了夏季亞洲季風區(qū)對流層向平流層輸送的源區(qū)、路徑及其時間尺度，得到的兩個源區(qū)與夏季強對流的分布相一致。在FLEXPART粒子軌跡計算中采用了“零加速度方案”（Thomson，1987），為了模擬對流輸送過程，F(xiàn)LEXPART采用了的是Emanueland ?ivkovi?-Rothman（1999）對流參數(shù)化方案。Forster et al.（2007）對該對流參數(shù)化方案的敏感性試驗研究表明，該對流參數(shù)化方案模擬的運用使得無論是熱帶地區(qū)還是熱帶外地區(qū)模擬的對流性降水分布都和實際觀測更吻合。模式使用 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）分辨率 1°×1°的再分析場數(shù)據(jù)作為輸入，輸出數(shù)據(jù)包含示蹤物粒子的位置信息及其所在位置的對流層頂高度等物理量，模擬結果設定為每3小時輸出一次。

3 2010年6月19日強對流天氣過程

3.1 2010年6月19日強對流天氣過程介紹

2010年6月19日至20日，江南和華南等地出現(xiàn)大范圍的暴雨天氣，其中上述部分地區(qū)還出現(xiàn)了大暴雨，甚至特大暴雨。這次強對流天氣發(fā)生的大氣環(huán)流背景是500 hPa上我國大陸上的氣壓場西高東低，影響江南、華南地區(qū)的天氣系統(tǒng)是一個低壓淺槽（圖1a），它從19日00時（協(xié)調(diào)世界時，下同）自西南地區(qū)東部逐漸向江南華南地區(qū)移動。在850 hPa位勢高度場和風矢量疊合圖（圖1b）上可以看到，19日12時在西南地區(qū)東部和江南西部有一個閉合的低渦環(huán)流，低渦南部和東南部有較強西南風急流，最大風度達到 12 m s-1。低渦東北側(cè)為偏東風，在江南地區(qū)中東部形成了明顯的風切變。從19日00時至20日00時，低渦向東緩慢移動，造成了西南地區(qū)東部、江南和華南的強降雨天氣。20日00時以后，低渦逐漸減弱，這次強降雨過程趨于結束。

從FY-2E（風云二號衛(wèi)星）紅外亮溫上看，造成這些強降雨的云團為一些中尺度對流系統(tǒng)（MCS），它們不斷的生消發(fā)展。從19日12時，在廣西北部、貴州南部、湖南中部有一個大的MCS發(fā)展，隨后其發(fā)展成了近橢圓形的 MCC，覆蓋了貴州南部、湖南南部以及廣西的大部分地區(qū)。在18時的紅外亮溫圖像上，廣西中北部的亮溫達到了181 K以下（圖2b最內(nèi)圈等值線為181 K），在這一區(qū)域NCEP再分析資料里面給出的對流層高度溫度在 190～195 K之間，對流層頂高度在 16680 dagpm左右，依此來看，這一區(qū)域云的發(fā)展高度大概率穿透了對流層頂。接下來用 FLEXPART模擬時，示蹤物粒子的釋放就選在了這個 MCS的發(fā)展階段，釋放位置選在 MCS中心偏南側(cè)的低層流入氣流區(qū)。

圖1 2010年6月19日12時（協(xié)調(diào)世界時，下同）位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和風矢量疊加：（a）500 hPa；（b）850 hPaFig. 1 Geopotential height fields (contours, units: dagpm) and wind vectors at 1200 UTC 19 June 2010: (a) 500 hPa, (b) 850 hPa

圖2 2010年6月19日（a）12時和（b）18時FY-2E衛(wèi)星紅外亮溫小于221 K的區(qū)域。陰影為小于221 K的區(qū)域，等值線最大值221 K，間隔為10 K，黑色方框為模擬時粒子釋放位置Fig. 2 Brightness temperature images from FY-2E satellite on 19 June 2010: (a) 1200 UTC, (b) 1800 UTC. The shaded areas represent brightness temperature less than 221 K. The maximum contour line is 221 K and the contour interval is 10 K.The black box is the domain where the particles are released during the simulation

3.2 FLEXPART模擬方案的設計

這次模擬選擇前向模擬，模擬時間開始于2010年6月18日12時，結束于2010年6月30日12時，示蹤物粒子的釋放時間段是19日12時至18時，釋放的位置為（22°～25°N，108°～111°E），即圖2黑色方框所示的位置，釋放的高度為100～500 m，釋放的粒子總數(shù)為60000個。這些粒子認為是空間中的點，不具有質(zhì)量，不具有體積，不參加化學反應，只起到示蹤的作用。

3.3 粒子的三維分布及TST輸送特征

在粒子開始釋放之后的12個小時里（19日12時至20日00時），有一小部分粒子垂直向上輸送十分迅速，很快就到達對流層頂以上，隨后這部分粒子向西偏南方向擴散移動，這部分粒子應該是直接來源于強對流的垂直輸送。輸送至平流層后沿南亞高壓東南側(cè)的偏東風向偏西方向移動。這部分粒子的數(shù)目不多，過程累計共計輸送約800個，占過程最大總輸送數(shù)的18%。21日09時開始，在日本九州島和本州島西部開始有大量的粒子到達對流層頂以上，隨后逐漸增多，這個位置開始的輸送是這次模擬過程向?qū)α鲗禹敻叨纫陨系闹饕斔停^程最大輸送數(shù)約為 3700個，出現(xiàn)在強對流發(fā)生 7天后，占總輸送數(shù)的82%。它主要是由強對流所在的背景天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)引起的。圖3分別給出了粒子在連續(xù)時次的空間三維分布，可以看到在這次模擬過程中，粒子從對流層向平流層的輸送路徑主要有2條，第一條路徑是先在原地快速向上輸送，然后轉(zhuǎn)向西偏南方向移動。第二條路徑是先向東北方向移動，在移動的過程中逐漸上升，然后在移動到離釋放源很遠的地方才到達平流層。

3.4 粒子TST輸送特征的原因分析

圖4是2010年6月19日18時200 hPa高度場和風矢量的疊合圖，200 hPa大概可以認為是對流層頂高度所在的位置?？梢钥吹皆?0°～40°N之間等值線密集區(qū)是副熱帶高空急流。1256 dagpm等值線位于青藏高原至江南和華南西部，對應的氣流為高空反氣旋環(huán)流，是南亞高壓控制區(qū)。粒子的釋放位置位于南亞高壓的東南側(cè)，其上空為東北風，其南側(cè)為東風急流。這也是這個位置直接對流向上輸送的粒子到達平流層后向西偏南方向移動的原因。

21日09時開始，在日本九州島和本州島西部開始有大量的粒子到達對流層頂以上，隨后逐漸增多。圖5a給出了2010年6月21日12時500 hPa位勢高度場和到達平流層高度的粒子位置（“＋”代表粒子位置）。21日12時，東北地區(qū)受東北冷渦的控制，我國東部沿海受低壓槽控制，這部分粒子所在的位置位于500 hPa高空槽前，是天氣尺度的系統(tǒng)抬升區(qū)，這些粒子主要是受槽前的抬升作用而到達平流層的。從溫度和水平風速剖面圖（圖5b）上也可以看到，副熱帶西風高空急流主要位于30°～45°N之間，這些粒子所處的位置已經(jīng)進入副熱帶高空西風急流的南側(cè)，并將隨副熱帶急流向下游輸送。

圖3 2010年6月19日12時至21日12時多時次粒子三維空間位置分布（色標表示時間）Fig. 3 The three-dimensional distribution of particles from 1200 UTC 19 June to 1200 UTC 21 June 2010. Color bar: time

圖4 2010年6月19日18時200 hPa位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和風矢量疊加（黑色方框為示蹤物粒子的釋放位置）Fig. 4 200-hPa geopotential height field (contours, units: dagpm) and wind vectors at 1800 UTC 19 June 2010. The black box is the domain where the particles are released during the simulation

4 2012年7月26日強對流天氣過程

4.1 2012年7月26日強對流天氣過程介紹

2012年7月26日下午至夜間，山西中部、河北南部和山東北部出現(xiàn)了一次強對流天氣，給上述地區(qū)帶來了雷暴和大范圍的暴雨或大暴雨。圖6給出了這次強對流天氣發(fā)生時的天氣背景和環(huán)流形勢。26日06時500 hPa高度場上東北地區(qū)有一個閉合的低壓環(huán)流中心，內(nèi)蒙古中部至華北北部有一個高空槽，副熱帶高壓的主體位于海上，其向西伸出一個角位于黃淮和江淮地區(qū)，將要發(fā)生強對流的區(qū)域位于500 hPa高空槽的槽底和副熱帶高壓的西北側(cè)相交匯的地區(qū)。在850 hPa位勢高度場和風矢量疊合圖（圖6b）上可以看到，在山西北部、河北西北部存在一條切變線。切變線南側(cè)為偏南氣流，切變線北側(cè)為偏北氣流。至26日18時，位于內(nèi)蒙古中部的高空槽東移至東北地區(qū)，850 hPa上的切變線減弱東移，上述地區(qū)的強對流天氣結束。

從FY-2E紅外亮溫上看，造成這次強降雨的云團也是中尺度對流系統(tǒng)。26日06時從山西中部有線狀對流系統(tǒng)向東南方向移動，至 10時逐漸在河北南部發(fā)展成為一個橢圓形的中尺度對流系統(tǒng)。圖7給出了FY-2E紅外亮溫小于221 K的區(qū)域，并以221 K為最大值，每10 K畫一條等值線。整個過程中云頂?shù)牧翜貨]有出現(xiàn)第3條等值線，最低溫度沒有出現(xiàn)低于200 K以下的亮溫。22日12時以后，云頂溫度低于221 K的區(qū)域開始減小，中尺度對流系統(tǒng)逐漸減弱。接下來用FLEXPART模擬時示蹤物粒子的釋放就選在了這個 MCS的發(fā)展階段，釋放位置選在了 MCS中心偏南一點低空暖濕氣流流入?yún)^(qū)。

圖5 （a）2010年6月21日12時500 hPa位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和到達平流層高度的粒子位置（“+”代表粒子位置，黑色虛線為133°E剖線位置）；（b）沿133°E緯向水平風速和溫度垂直剖面Fig. 5 (a) 500-hPa geopotential height field (contours, units: dagpm) and the positions where the particles enter stratosphere at 1200 UTC 21 June 2010. The“＋” signs represent the particles position. The black dashed line is the section position alone 133°E. (b) The vertical section of horizontal wind and temperature alone 133°E

4.2 FLEXPART模擬方案的設計

這次模擬同樣選擇前向模擬，模擬時間開始于2012年7月25日06時，結束于2012年8月6日18時，示蹤物粒子的釋放時間段是26日06時至12 時，釋放的位置為（36°～39°N，114.5°～117.5°E），即圖7黑色方框所示的位置，釋放的高度為100～500 m，釋放的粒子總數(shù)為60000個。同樣這些粒子認為是空間中的點，不具有質(zhì)量，不具有體積，不參加化學反應，只起到示蹤的作用。

4.3 粒子的三維分布及TST輸送特征

在粒子開始釋放之后的12個小時內(nèi)（26日06時至18時），有一小部分粒子垂直向上輸送十分迅速，很快就到達對流層頂以上，隨后這部分粒子向西南方向擴散移動，這部分粒子應該是直接來源于強對流的垂直輸送，具有中尺度的性質(zhì)。這部分粒子的數(shù)目較少，至27日12時為34個，可以認為這是這次強對流過程的對流直接輸送總量，占過程最大輸送數(shù)的0.17%。28日18時開始，在蒙古國東部和我國內(nèi)蒙古東部交界的地方開始有大量的粒子到達對流層頂以上，隨后逐漸增多，并逐漸向偏東方向移動。7月29日21時以后，在155°E以東的區(qū)域，也出現(xiàn)了向平流層輸送的較大源區(qū)，位于另一個高空槽前。這兩個位置開始的輸送是這次模擬過程中向平流層的主要輸送，模擬的過程最大輸送數(shù)約為19800個，出現(xiàn)在8月3日21時，占總輸送數(shù)的99.83%，它主要是由天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)引起的。

圖6 2012年7月26日06時位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和風矢量疊加圖：（a）500 hPa；（b）850 hPaFig. 6 Geopotential height fields (contours, units: dagpm) and wind vectors at 0600 UTC 26 July 2012: (a) 500 hPa, (b) 850 hPa

圖7 FY-2E衛(wèi)星紅外亮溫小于221 K的區(qū)域圖：（a）06時；（b）12時。陰影為小于221 K的區(qū)域，等值線最大值221 K，間隔為10 K，黑色方框為模擬時粒子釋放位置Fig. 7 Brightness temperature images from FY-2E satellite on 26 July 2012: (a) 0600 UTC, (b) 1200 UTC. The shaded areas represent brightness temperature less than 221 K. The maximum contour line is 221 K and thecontour interval level is 10 K. The black box is the domain where the particles are released during the simulation

圖8 多時次粒子三維空間位置分布圖：2012年7月（a）26日09時至28日09時；（b）28日12時至30日12時。色標表示時間Fig. 8 The three-dimensional distribution of particles: (a) From 0900 UTC 26 July to 09 UTC 28 July 2012, (b) from 1200 UTC 28 July to 1200 UTC 30 July 2012. Color bar: time

圖8給出了粒子在連續(xù)時次的空間三維分布，可以看到在26日09時至28日09時，有稀疏的一些粒子向東南方向移動，這部分粒子來源于對流的直接輸送，其移動方向主要受南亞高壓反氣旋環(huán)流的影響。大部分粒子則逐漸向偏北方向移動，在移動的過程中逐漸上升。在6月28日12時至30日12時，這些向偏北移動的粒子一部分轉(zhuǎn)向略微向偏西方向移動，一部分轉(zhuǎn)向偏東方向移動，略微偏西方向移動的粒子就是28日12時以后在蒙古國東部和我國內(nèi)蒙古東部到達平流層的那些粒子，這個位置開始的輸送是這次輸送的主要部分。轉(zhuǎn)向偏東方向移動的那部分粒子，在29日21時以后，開始到達對流層頂，出現(xiàn)的位置離釋放源很遠，位于155°E以東。

4.4 粒子TST輸送特征的原因分析

圖9 2012年7月26日18時200 hPa位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和風矢量疊加圖（黑色方框為示蹤物粒子的釋放位置）Fig. 9 200-hPa geopotential height field (contours, units: dagpm) and wind vectors at 1800 UTC 26 July 2012. The black box is the domain where the particles are released during the simulation

圖9 是2012年7月26日18時200 hPa高度場和風矢量的疊合圖?？梢钥吹皆?8°～50°N之間風速較大而且等值線密集，這是副熱帶高空急流區(qū)。1256 dagpm等值線位于青藏高原至西南地區(qū)東部，對應的氣流為高空反氣旋環(huán)流，是南亞高壓控制區(qū)。在我國東部海區(qū)有一環(huán)高度為1256 dagpm的反氣旋環(huán)流區(qū)，是副熱帶高壓控制區(qū)。在江南西部有一閉合的氣旋性渦旋，是一個高空冷渦。這樣東西分別有一環(huán)高壓，南北分別有一個低壓系統(tǒng)，形成了一個高空鞍形場。粒子的釋放位置位于副熱帶高空急流南側(cè)的下方，低層釋放的粒子隨強對流到達平流層后位于高空鞍形場中，隨弱的東北風向西南方向移動。這一點與2010年6月19日強對流天氣過程的直接輸送是類似的。

7月28日18時（圖10）開始，在蒙古國西部和我國內(nèi)蒙古東部交界的地方開始有大量的粒子到達對流層頂以上，這些粒子位于東北冷渦的西北側(cè)，大概45°～50°N的位置。按經(jīng)典的氣旋三條輸送帶模型，這個位置處于暖輸送帶的頂端，正好是上升氣流的最高的位置，因而具有較強的向上輸送動力。從對應時次的剖面圖（圖10b）上可以看到，45°～50°N的位置位于副熱帶高空急流的北側(cè)，那里的溫度在水平方向上出現(xiàn)了起伏，可能出現(xiàn)了對流層頂?shù)恼郫B，這些粒子可能是從對流層頂折疊處輸送到平流層的。

5 小結

在這兩個個例的模擬分析中，都出現(xiàn)了深對流的直接輸送和背景天氣尺度系統(tǒng)或大尺度系統(tǒng)的輸送，這一點與陳斌等（2010）對亞洲季風區(qū)研究得到的兩個主要TST過程類似。本文的背景系統(tǒng)主要是西風帶中的槽。

圖10 （a）2012年7月28日18時500 hPa位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和到達平流層高度的粒子位置（“＋”代表粒子位置，黑色虛線為117°E剖線位置）；（b）沿117°E緯向水平風速和溫度垂直剖面Fig. 10 (a) 500-hPa geopotential height field (contours, units: dagpm) and the positions where the particles enter stratosphere at 1800 UTC 28 July 2012. The“＋” signs represent the particles position. The black dashed line is the section position alone 117°E. (b) The vertical section of horizontal wind and temperature alone 117°E

對于2010年6月19日強對流天氣過程，出現(xiàn)在廣西的 MCS云頂發(fā)展高度非常高，穿透了對流層頂。在這次模擬過程中，強對流的直接輸送到平流層的粒子數(shù)最大時約800個，占過程最大總輸送數(shù)的18%，發(fā)生時間主要處于強對流的發(fā)生期間。天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)過程最大輸送數(shù)約為3700個，占過程最大總輸送數(shù)的82%。發(fā)生時間主要出現(xiàn)在強對流發(fā)生2天后，在強對流發(fā)生9天后達到總輸送數(shù)的最大值。

對于2012年7月26日強對流天氣過程，強對流云主要出現(xiàn)在河北南部和山東北部，云頂最低亮溫在200 K以上，云頂發(fā)展雖然較高，但仍然低于2010年6月19日強對流天氣的云頂高度。在這次模擬過程中，強對流的直接輸送到平流層的粒子數(shù)最大時約34個，占總輸送數(shù)的0.17%，發(fā)生時間主要處于強對流的發(fā)生期間。天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)過程的最大輸送數(shù)約19800個，出現(xiàn)在8月3日21時，占總輸送數(shù)的99.83%。

總的來說，天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)所引起的TST都遠大于強對流的直接輸送。天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)引起的輸送一般發(fā)生在強對流發(fā)生的2天后，在強對流發(fā)生 8～9天后達到最大值。這意味著如果近地面層如果有污染物的話，假設不存在化學反應，其輸送到平流層的時間尺度大概與此相當。從強對流的直接輸送來看，前次個例的輸送值和占比都遠遠大于后次個例?？赡苁怯捎谇按蝹€例的強對流云發(fā)展更高和持續(xù)時間更長的緣故，表明低維度的強對流云比中緯度的強對流云的直接輸送能力要強很多。從天氣尺度或大尺度的系統(tǒng)輸送來看，后次個例的輸送值遠遠大于前次個例?？赡苁怯捎谇按蝹€例的強對流云發(fā)生的位置維度較低，離副熱帶高空西風急流的位置較遠，受西風帶系統(tǒng)的影響較弱。后次個例的強對流云發(fā)生在中緯度，位于副熱帶西風急流的南側(cè)邊緣，在槽前抬升后，隨暖輸送帶到達副熱帶西風急流以北的位置，然后副熱帶西風急流的北側(cè)邊緣進入到平流層，而那里可能是對流層頂?shù)恼郫B區(qū)域，輸送效率較高。從輸送到平流層以后，粒子的移動方向來看，這2次強對流天氣過程引起的直接輸送都向西偏南方向移動，主要受南亞高壓東側(cè)偏東風的影響，而天氣尺度或大尺度系統(tǒng)引起的輸送都向偏東方向移動，主要受中緯度西風槽系統(tǒng)的影響。

由于不同的深對流天氣發(fā)生在不同的背景天氣尺度系統(tǒng)或大尺度系統(tǒng)下，其所引起的TST特征也不盡相同，為了研究在大尺度天氣背景下強對流所引發(fā)的TST特征，未來有必要對此進行更多更詳細的研究。

（References）

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