夏季云頂高于對(duì)流層頂事件對(duì)東亞天氣型及上對(duì)流層—下平流層大氣結(jié)構(gòu)的影響

施春華,常舒捷,沈新勇,2,3,郭棟,劉仁強(qiáng)

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

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夏季云頂高于對(duì)流層頂事件對(duì)東亞天氣型及上對(duì)流層—下平流層大氣結(jié)構(gòu)的影響

施春華1,常舒捷1,沈新勇1,2,3,郭棟1,劉仁強(qiáng)1

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

摘要：采用A-Train系列衛(wèi)星的AURA/MLS水汽、溫度資料,CALIPSO/CALIOP云物理資料,結(jié)合ECMWF氣象再分析資料,分析了東亞地區(qū)云頂高于對(duì)流層頂事件(Cloud Top Above the Tropopause,CTAT)的區(qū)域分布,及其對(duì)上對(duì)流層—下平流層(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)水汽和溫度結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:亞洲季風(fēng)區(qū)的夏季CTAT發(fā)生率是30%～55%,為全球最強(qiáng)區(qū)域;東北亞的夏季CTAT發(fā)生率是15%～20%,為中緯度最強(qiáng)分布區(qū)。以CTAT為指標(biāo)的合成結(jié)果表明:15～30°N的東亞—西太平洋UTLS,水汽呈“上干下濕”的異常分布,溫度呈“上冷下暖”的異常分布,該結(jié)構(gòu)與該區(qū)域熱帶氣旋合成的結(jié)果一致,說(shuō)明熱帶氣旋是該區(qū)域CTAT形成的主要天氣系統(tǒng);35～50°N的東北亞UTLS,水汽呈“上干下濕”的異常分布,溫度呈“上暖下冷”的異常分布,該結(jié)構(gòu)與該區(qū)域溫帶氣旋合成的結(jié)果一致,說(shuō)明溫帶氣旋是該區(qū)域CTAT形成的主要天氣系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：云頂高于對(duì)流層頂事件;上對(duì)流層—下平流層;天氣型;水汽;溫度

The effects of cloud top above tropopause events on the

0引言

上對(duì)流層—下平流層(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS,通常高度為5～20 km)是上下層大氣動(dòng)力、化學(xué)和輻射等耦合的關(guān)鍵區(qū)。由于UTLS區(qū)域的空氣屬性具有獨(dú)特性(Haynes et al.,2001),引起了研究者的普遍關(guān)注。平流層—對(duì)流層交換(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)活動(dòng)是UTLS區(qū)大氣成分變化的重要原因。云頂高于對(duì)流層頂事件(Cloud Top above the Tropopause,CTAT),往往是強(qiáng)烈STE的表現(xiàn),如低緯度的深對(duì)流活動(dòng)(Wang and Dessler,2012),中緯度鋒面輸送帶的水汽傳輸?shù)?Holton et al.,1995;Stohl et al.,2003;Pan et al.,2010)。所以,以CTAT作為STE指標(biāo),可以研究STE期間,UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)的異常。

對(duì)于UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),早期Brewer(1949)解釋了平流層的極干現(xiàn)象。Kley et al.(1979)發(fā)現(xiàn)平流層水汽在熱帶對(duì)流頂或其緊鄰上方有最小值,并稱為濕層頂。Holton et al.(1995)的研究表明平流層的水汽分布主要受熱帶冷點(diǎn)對(duì)流層頂溫度決定,空氣向上傳輸受對(duì)流頂冷點(diǎn)的冷凝飽和制約。對(duì)UTLS水汽變率和影響的研究,Forster and Shine(1999)指出UTLS水汽的增加會(huì)導(dǎo)致平流層冷卻,對(duì)流層變暖。1981年以來(lái)平流層水汽呈增加趨勢(shì)(Oltmans et al.,2000),而2000—2005年平流層水汽濃度又減少了約10%(Randel et al.,2006),2006—2010年平流層水汽濃度再次出現(xiàn)了增加趨勢(shì)(Hurst et al.,2011)。引起變異的可能原因有:熱帶對(duì)流層頂溫度變化,Brewer-Dobson(BD)環(huán)流強(qiáng)度變化以及甲烷氧化速度變化(Smith et al.,2000;Randel and Wu,2004;Fueglistaler et al.,2005)。UTLS的水汽主要源于對(duì)流層輸送(Rosenlof,2003):一是深對(duì)流抬升直接將水汽快速輸送到下平流層,此過(guò)程在穿透性對(duì)流活動(dòng)的觀測(cè)和模擬中得到了驗(yàn)證(Sherwood and Dessler,2000;Dessler,2002)。另一是大尺度緩慢上升運(yùn)動(dòng)的輸送(Fueglistaler et al.,2005)。Fueglistaler et al.(2009)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)和熱帶云團(tuán)回波高度通?？梢园l(fā)展到12～14 km或更高,這種高度的臺(tái)風(fēng),往往都與CTAT事件有關(guān)。但對(duì)其統(tǒng)計(jì)研究較為少見(jiàn)。中緯度鋒面氣旋對(duì)UTLS水汽影響的研究相對(duì)更少,施春華等(2014)通過(guò)對(duì)一次切斷低壓與副熱帶鋒相互作用的個(gè)例,研究了超強(qiáng)副熱帶鋒區(qū)的平流層入侵與深對(duì)流注入的共同作用能夠產(chǎn)生STE。還有研究(楊雙艷等,2012)發(fā)現(xiàn),UTLS區(qū)域的上升運(yùn)動(dòng),能影響對(duì)流頂高度。

綜上所述,目前與STE相關(guān)的UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)變化的研究較少,由于觀測(cè)資料的不足,在東亞地區(qū)更缺乏認(rèn)識(shí)。CTAT作為表征STE的一個(gè)可靠指標(biāo),可以用來(lái)討論東亞STE活動(dòng)時(shí)UTLS水汽和溫度的變異。

1資料和方法

地球觀測(cè)系統(tǒng)(EOS)系列衛(wèi)星(A-Train)組成隊(duì)列,在共同軌道分別搭載不同儀器,實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣多要素的同步觀測(cè)。Aura衛(wèi)星搭載的微波臨邊探測(cè)儀MLS可以探測(cè)溫度,水汽和多種大氣成分的垂直廓線(Waters et al.,2006),本文所用MLS數(shù)據(jù)為2008—2012年北半球夏季(6、7、8月)Level2的V3.3版本的數(shù)據(jù)集,水平分辨率約165 km。另一顆衛(wèi)星CALIPSO搭載的雙偏振云和氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP,可以探測(cè)全球的云頂信息。本文使用了CALIOP Level2的夜間云層產(chǎn)品V3.01版本數(shù)據(jù)集,水平分辨率333 m。

本文選用的對(duì)流層頂高度是CALIP基于GEOS-5數(shù)據(jù)提供的同步熱力對(duì)流層頂高度。參考Dessler(2009)、Biondi et al.(2012)的工作,把最上層累積的消弱后向散射系數(shù)Integrated_Attenuated_Backscatter_532達(dá)到0.01 sr-1·km-1,識(shí)別為該層云頂高度,并且該高度大于實(shí)時(shí)熱力對(duì)流頂高500 m以上,識(shí)別為CTAT。由于軌道儀器連續(xù)掃描在同一個(gè)經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)會(huì)有多條數(shù)據(jù)廓線,分別統(tǒng)計(jì)2008—2012年夏季CALIOP在每一個(gè)經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)發(fā)生CTAT的廓線數(shù)和總探測(cè)廓線數(shù),兩者之比定義為CTAT發(fā)生率。

CALIPSO/CALIOP和AURA/MLS的探測(cè)軌跡是相同,但兩套衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率不同,需要匹配。本文處理如下,在一次衛(wèi)星掃描過(guò)程中,由于CALIOP每一次連續(xù)軌道掃描在一個(gè)4°×2°經(jīng)緯度網(wǎng)格內(nèi)會(huì)有多條探測(cè)廓線,只要有一條廓線符合CTAT定義就將該網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)為CTAT網(wǎng)格,同一時(shí)間MLS軌道掃描通過(guò)該網(wǎng)格,有1～2條探測(cè)廓線,取其平均值作為CTAT時(shí)的溫度和水汽值廓線。反之,統(tǒng)計(jì)為無(wú)CTAT(NCTAT)對(duì)應(yīng)的水汽和溫度廓線。

本文還使用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA-Interim逐日再分析資料,取2008—2012年每日00時(shí),水平分辨率為1°×1°,相關(guān)變量有相對(duì)濕度、位勢(shì)高度、溫度等。本文用ERA-Interim資料對(duì)氣旋系統(tǒng)合成時(shí),參考了李英等(2004)和Gray(1979)使用的動(dòng)態(tài)合成分析方法,獲得不同樣本氣旋移動(dòng)過(guò)程中一系列合成圖像,減少了樣本物理量平均時(shí)的相互抵消作用,能保持移動(dòng)氣旋及周圍環(huán)境系統(tǒng)的相對(duì)完整結(jié)構(gòu)。同時(shí),還利用t檢驗(yàn)對(duì)合成結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2東亞夏季CTAT特征

圖1給出了2008—2012年北半球夏季CTAT的頻率分布。CTAT在低緯度發(fā)生率較大,最強(qiáng)區(qū)域分布在亞洲季風(fēng)區(qū),覆蓋了印度,孟加拉灣,中南半島和菲律賓周邊等地,最大發(fā)生率保持在30%～55%。副熱帶地區(qū)CTAT發(fā)生率很小。中緯度CTAT發(fā)生頻率比較均勻,與溫帶鋒區(qū)對(duì)應(yīng),其中東北亞區(qū)域(85～130°E,40～60°N)的CTAT發(fā)生率15%～20%,相對(duì)較高。CTAT作為STE的指標(biāo)之一,其形態(tài)將直接影響UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)。

圖1　2008—2012年北半球夏季CTAT的頻率分布(單位:%)Fig.1　Frequency distribution of CTAT in the Northern Hemisphere in summer(JJA) of 2008—2012(units:%)

3CTAT對(duì)UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)的影響

考慮到低緯和中緯度的對(duì)流頂高度差異,同時(shí)上對(duì)流層(UT)和下平流層(LS)具有明顯物理性質(zhì)差異(Pan et al.,2010)。為了便于理解,這里選取383 hPa作為UT參考面,100 hPa作為L(zhǎng)S參考面。由383 hPa CTAT與NCTAT合成水汽差值分布(圖2a)可見(jiàn),東亞—西太平洋區(qū)域?yàn)榇蠓秶B續(xù)顯著正異常區(qū),值大約為2×104ppmv(1 ppmv=1×10-6)。相同位置的383 hPa溫度合成差值分布(圖2c)上,對(duì)應(yīng)著溫度的大范圍連續(xù)顯著正異常,值約為2 K。溫度與水汽在該區(qū)良好的匹配關(guān)系,說(shuō)明發(fā)生CTAT時(shí),383 hPa有對(duì)流加濕作用及其潛熱釋放的加熱作用。

發(fā)生CTAT時(shí),水汽從383 hPa的正異常轉(zhuǎn)變?yōu)?00 hPa的負(fù)異常(圖2b),值為-10 ppmv,且大部分通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn)。同時(shí),該區(qū)域的溫度異常也發(fā)生反轉(zhuǎn),由383 hPa的溫度正異常轉(zhuǎn)變?yōu)?00 hPa(圖2d)的溫度負(fù)異常,值為-3 K左右,通過(guò)了90%的顯著檢驗(yàn)。這種結(jié)構(gòu)變化,反映了云區(qū)從383 hPa的潛熱釋放過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)?00 hPa的云頂?shù)妮椛淅鋮s。因此,100 hPa的降溫通過(guò)凍結(jié)機(jī)制減少了水汽進(jìn)入低平流層,水汽減少。

在我國(guó)東北等地區(qū),發(fā)生CTAT時(shí)383 hPa對(duì)應(yīng)水汽的正異常和溫度的負(fù)異常(圖2a、c),通過(guò)檢驗(yàn)的溫度負(fù)異常值在-5 K左右,即發(fā)生CTAT時(shí)溫度較低而水汽較多,這可能與該區(qū)活躍的溫帶鋒面氣旋(切斷低壓)的內(nèi)部冷性結(jié)構(gòu)有關(guān)。但在更高的100 hPa,我國(guó)東北等地通過(guò)信度檢驗(yàn)的區(qū)域,溫度從負(fù)異常轉(zhuǎn)為正異常(圖2d),偏高5 K左右;而水汽略偏多,但基本不通過(guò)檢驗(yàn)。這反映了溫帶氣旋對(duì)流頂下凹,上部平流層暖空氣入侵的結(jié)果,而下平流層水汽隨高度的增加很小,故水汽變化不顯著。

圖2　CTAT與NCTAT的北半球夏季MLS水汽(單位:ppmv)和溫度(單位:K)的合成差值(黑點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn))　　a.383 hPa水汽;b.100 hPa水汽;c.383 hPa溫度;d.100 hPa溫度Fig.2　Composite differences of water vapor(units:ppmv) and temperature(units:K) derived from MLS between CTAT and NCTAT in the Northern Hemisphere in summer(JJA)(Stippled regions passed the significance test at 90% confidence level)　　a.water vapor at 383 hPa;b.water vapor at 100 hPa;c.temperature at 383 hPa;d.temperature at 100 hPa

從UTLS水汽和溫度隨高度的變化差異可見(jiàn),東亞南、北兩個(gè)區(qū)域,CTAT對(duì)水汽和溫度的調(diào)控是不同的。108～148°E的CTAT與NCTAT的經(jīng)向—垂直差值合成上,18～30°N區(qū)域,水汽在146 hPa以下為正異常,正異常值從2×104ppmv向上逐漸降低(圖3a)。該區(qū)對(duì)應(yīng)的溫度合成圖(圖3b),以150 hPa為界,低層正異常,高層負(fù)異常,這種配置與熱帶氣旋“上冷下暖”的結(jié)構(gòu)相近,18°N以南表現(xiàn)為另一種不一致的結(jié)構(gòu)。分界位置,符合夏季臺(tái)風(fēng)主要沿西太副高向西北活動(dòng)的路徑,主要在18～30°N區(qū)域。已有相關(guān)研究表明強(qiáng)大的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)期間發(fā)生了STE(Baray et al.,1999;Joiner et al.,2006),與這里統(tǒng)計(jì)合成的結(jié)果較一致。而18°N以南區(qū)域,在250～300 hPa表現(xiàn)為溫度負(fù)異常和水汽負(fù)異常,可能與更小尺度的深對(duì)流活動(dòng)有關(guān),該位置也與相對(duì)濕度過(guò)飽和區(qū)的氣候態(tài)位置一致(蔡淼,2013)。

圖3　CTAT與NCTAT的108～148°E區(qū)域夏季MLS水汽(單位:ppmv)和溫度(單位:K)的合成差值的高度—緯度剖面(實(shí)線為正,虛線為負(fù);黑點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)0.01信度的顯著性驗(yàn))　　a.水汽;b.溫度Fig.3　Height-latitude sections of composite differences of water vapor(units:ppmv) and temperature(units:K) derived from MLS between CTAT and NCTAT in 108—148°E in summer(JJA)(Solid and dashed lines indicate the positive and negative values,respectively.Stippled regions passed the significance test at 90% confidence level)　　a.water vapor;b.temperature

在35～50°N的中緯度地區(qū),以150 hPa為界,溫度低層為負(fù)距平,高層為正距平,這種結(jié)構(gòu)與中緯度地區(qū)鋒面氣旋“下冷上暖”的結(jié)構(gòu)一致。這說(shuō)明,以CTAT作為代理的STE,在該位置可能與溫帶氣旋活動(dòng)有關(guān)。施春華等(2014)曾發(fā)現(xiàn)了東北亞切斷低壓活動(dòng)時(shí)的強(qiáng)烈STE活動(dòng)。因此,這兩類天氣系統(tǒng)與UTLS結(jié)構(gòu)變化及CTAT的關(guān)系,值得討論。

4兩類天氣系統(tǒng)與UTLS結(jié)構(gòu)及CTAT的聯(lián)系

以東亞夏季兩類天氣系統(tǒng)為指標(biāo)的合成,討論其對(duì)應(yīng)的UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)變化,進(jìn)而認(rèn)識(shí)兩者(典型天氣系統(tǒng)和CTAT)間的聯(lián)系。

4.1西北太平洋臺(tái)風(fēng)與UTSL結(jié)構(gòu)及CTAT的關(guān)系

采用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)提供的熱帶氣旋強(qiáng)度、路徑等信息,統(tǒng)計(jì)2008—2012年夏季發(fā)生在副熱帶西北太平洋區(qū)(108～148°E,15～35°N)達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的熱帶氣旋,共有25個(gè),平均每個(gè)臺(tái)風(fēng)在該區(qū)持續(xù)3 d,平均中心經(jīng)緯度為126.2°E、22.1°N。利用跟隨臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)坐標(biāo)對(duì)這25個(gè)臺(tái)風(fēng)動(dòng)態(tài)合成,利用ERA-Interim提供的每天00時(shí)的再分析資料,臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)取東西方向各3個(gè)經(jīng)度平均,而其他4 a該日108～148°E平均作為未發(fā)生臺(tái)風(fēng)的參考,分析臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)UTLS的相對(duì)濕度和溫度異常。

臺(tái)風(fēng)活動(dòng)時(shí),相對(duì)濕度在臺(tái)風(fēng)中心附近均為正異常,且大部分地區(qū)通過(guò)檢驗(yàn),正異常值在500 hPa為30%,向上逐漸降低(圖4a),到150 hPa趨于0。該結(jié)構(gòu)與溫度暖異常區(qū)對(duì)應(yīng)較好(圖4b),暖心結(jié)構(gòu)主要在150～500 hPa,最暖可以達(dá)到3 K。150 hPa以上,轉(zhuǎn)為溫度負(fù)異常,到100 hPa附近,最冷可達(dá)-3 K,該位置對(duì)應(yīng)于(圖4a)相對(duì)濕度正異常次大值中心。這表明,臺(tái)風(fēng)發(fā)生期間,中上對(duì)流層強(qiáng)烈的水汽輸送和潛熱釋放,對(duì)應(yīng)了高溫高濕關(guān)系;而在對(duì)流層頂和平流層底,臺(tái)風(fēng)云頂?shù)妮椛淅鋮s降溫,以致水汽凍結(jié)飽和,相對(duì)濕度上升。

圖4a、b結(jié)果與圖3對(duì)應(yīng)位置的結(jié)果類似,將其數(shù)據(jù)分析到圖3中15～35°N范圍的相應(yīng)格點(diǎn)上,分別求兩者的空間相關(guān)。水汽相關(guān)系數(shù)為0.29,溫度相關(guān)系數(shù)為0.56,兩者都通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。這表明,以CTAT為指標(biāo)的合成,與以臺(tái)風(fēng)為指標(biāo)的合成,對(duì)UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)的描述在副熱帶西北太平洋(108～148°E,15～35°N)區(qū)是一致的,反映了CTAT事件與臺(tái)風(fēng)的聯(lián)系。

圖4　2008—2012年夏季西太平洋(108～148°E,15～35°N)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)時(shí)(a,b)和東北亞(108～48°E,35～50°N)溫帶氣旋活動(dòng)時(shí)(c,d)Interim相對(duì)濕度異常(a,c;單位:%)和溫度異常(b,d;單位:K)的高度—緯度剖面(橫坐標(biāo)為緯度,0°為氣旋中心;黑點(diǎn)表示通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.4　Height-latitude cross sections of Interim (a,c)relative humidity anomaly(units:%) and (b,d)temperature anomaly(units:K) when (a,b)the typhoons happened in West Pacific(15—35°N,108—148°E) and (c,d)the extratropical cyclones occured in Northeast Asia(35—50°N,108—148°E) in summer(JJA) of 2008—2012

4.2東北亞溫帶氣旋與UTSL結(jié)構(gòu)及CTAT的關(guān)系

東北亞是北半球溫帶氣旋發(fā)生頻率最高的地方之一,而前文的分析顯示該區(qū)的CTAT可能與溫帶氣旋活動(dòng)有關(guān)。本文東北亞溫帶氣旋的選擇標(biāo)準(zhǔn)為:在108～148°E、35～50°N范圍內(nèi),700 hPa上位勢(shì)高度低值閉合等值線條數(shù)不少于3條(等值線間距20 gpm),同時(shí)對(duì)應(yīng)于溫度的冷結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2008—2012年夏季符合標(biāo)準(zhǔn)的溫帶氣旋有50個(gè),平均每個(gè)持續(xù)3 d,平均中心位置為125.8°E、46.0°N。同樣利用動(dòng)態(tài)合成的方法,溫帶氣旋發(fā)生時(shí)東西方向各取5個(gè)經(jīng)度平均,而其他4 a該日108～148°E平均作為未發(fā)生時(shí)的參考。

溫帶氣旋發(fā)生時(shí),對(duì)流層中部溫帶氣旋中心南側(cè)為相對(duì)濕度的正異常,500 hPa處可達(dá)20%,隨高度逐漸減小(圖4c)。氣旋中心北側(cè)相對(duì)濕度負(fù)異常,相對(duì)濕度異常的零線隨高度逐漸向南偏,225 hPa最大負(fù)異常為-30%。溫帶氣旋發(fā)生時(shí)的溫度異常顯示(圖4d),氣旋中心偏北的冷結(jié)構(gòu),能發(fā)展到300 hPa附近,在350 hPa附近的負(fù)異常達(dá)到-2 K?？梢?jiàn),對(duì)流層內(nèi),氣旋的溫度、濕度結(jié)構(gòu)是對(duì)應(yīng)的,由于東北亞溫帶氣旋的鋒面非對(duì)稱結(jié)構(gòu),中心北側(cè)多為干、冷空氣控制,而暖、濕空氣多位于冷鋒前和暖鋒后的中心南側(cè)扇形區(qū),且沿暖鋒的輸送帶向氣旋中心高層輸送。在氣旋中心的250 hPa以上高度,以暖性結(jié)構(gòu)為主(圖4d),暖中心在200 hPa附近,最大值可達(dá)5 K,該溫度結(jié)構(gòu)反映了對(duì)流頂在此處下凹,平流層干、暖空氣的入侵,與相對(duì)濕度(圖4c)在200 hPa的負(fù)值中心對(duì)應(yīng)。

圖4c、d的結(jié)構(gòu)特征與圖3中35～50°N地區(qū)溫度“下冷上暖”結(jié)構(gòu)有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。需要指出的是,盡管兩圖中二者的形態(tài)一致,都表現(xiàn)為“下冷上暖”,但其冷暖的轉(zhuǎn)折高度存在差異,MLS資料更高,這可能是不同資料的差異,也可能是衛(wèi)星遙感對(duì)于云區(qū)探測(cè)存在一定誤差。圖4c相應(yīng)位置的相對(duì)濕度與圖3a的35～50°N范圍內(nèi)的水汽,空間相關(guān)系數(shù)為0.19,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。這表明,以CTAT為指標(biāo)的合成,和以溫帶氣旋為指標(biāo)的合成,對(duì)UTLS水汽和溫度結(jié)構(gòu)的描述在東北亞地區(qū)是一致的,反映了CTAT事件與溫帶氣旋的聯(lián)系。

5結(jié)論

1)夏季CTAT發(fā)生率的分布,亞洲季風(fēng)區(qū)是全球最強(qiáng)的,可達(dá)30%～55%,而東北亞則是中緯度的最強(qiáng)發(fā)生率分布區(qū),可達(dá)15%～20%。

2)以CTAT為STE指標(biāo)的合成發(fā)現(xiàn),15～30°N的東亞—西太平洋UTLS,水汽“上干下濕”,溫度“上冷下暖”,結(jié)構(gòu)與該區(qū)域熱帶氣旋合成的結(jié)果一致,反映了熱帶氣旋與CTAT的聯(lián)系,說(shuō)明熱帶氣旋是該區(qū)CTAT形成的主要天氣系統(tǒng)。

3)在35～50°N的東北亞UTLS,以CTAT合成的水汽“上干下濕”,溫度“上暖下冷”,該結(jié)構(gòu)與該區(qū)域溫帶氣旋合成的結(jié)果一致,反映了溫帶氣旋與CTAT的聯(lián)系,說(shuō)明溫帶氣旋是該區(qū)CTAT形成的主要天氣系統(tǒng)。

致謝:感謝NASA、ECMWF提供了AURA/MLS、CALIPSO/CALIOP、Interim資料的在線下載服務(wù)。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

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structures of the upper troposphere and lower stratosphere in

summer over East Asia

SHI Chun-hua1,CHANG Shu-jie1,SHEN Xin-yong1,2,3,GUO Dong1,LIU Ren-qiang1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Sever Storms,Institute of Atmospheric Physics,

Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)

Abstract:Based on the satellite data of moisture and temperature from AURA/MLS,the cloud physical information from CALIPSO/CALIOP,and the reanalysis dataset of ECMWF/Interim,this paper studies the distribution of cloud top above the tropopause(CTAT) events and its effect on water vapor and temperature structures in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) over East Asia.Results are as follows:1)The maximum frequency of CTAT(reaching 30%—55%) in boreal summer is located in Asian monsoon region.Meanwhile,the maximum frequency of CTAT in the mid-latitudes is located in Northeast Asia,exceeding 15%—20%.2)Based on the CTAT,the composite analysis suggests that there is an anomalous structure of “dry above-moist below” and “cold above-warm below” in UTLS along 15—35°N over East Asia-West Pacific,which is consistent with the composite analysis result based on the tropical cyclones.It means that the tropical cyclones are the main weather systems forming CTAT in this area.3)The composite analysis shows that there is an anomalous structure of “dry above-moist below” and “warm above-cold below” in UTLS along 35—50°N over Northeast Asia,which is consistent with the composite analysis result based on the extratropical cyclones,meaning that the extratropical cyclones dominate the formation of CTAT there.

Key words:cloud top above tropopause event;upper troposphere and lower stratosphere;synoptic pattern;water vapor;temperature

通信作者：辛渝,研究員,研究方向?yàn)閼?yīng)用氣象,learnerxy@163.com.

基金項(xiàng)目:中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所開(kāi)放課題(SQJ2011008);天諾基業(yè)科創(chuàng)基金資助項(xiàng)目(2014TNJY011)

收稿日期：2014-11-25；改回日期：2015-04-13

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150123002

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)06-0804-07P425.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A