強(qiáng)對流天氣對O3和CO的垂直輸送作用

李東宸 林慈哲 銀 燕

(南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院， 南京 210044)

引 言

云對于對流層內(nèi)大氣質(zhì)量、各類化學(xué)氣體組分的再分布以及氣候變化有較大影響。一般來說，大氣污染物的環(huán)境和氣候效應(yīng)不僅取決于其濃度的多少，很大程度上還取決于其在大氣中的垂直分布。深對流云作為大氣質(zhì)量垂直輸送的主要載體，可在極短時(shí)間內(nèi)將邊界層內(nèi)空氣抬升至對流層頂部，使各種化學(xué)氣體組分在相對較短的時(shí)間內(nèi)由低層輸送到對流層上層甚至平流層底部[1-3]，增加了其在大氣中的滯留時(shí)間。Waddicor等[4]比較全面地介紹了ACTIVE試驗(yàn),并使用其試驗(yàn)資料分析指出:對流層頂層相較于行星邊界層有更高的氣溶膠濃度,表明在對流層頂層氣溶膠成核現(xiàn)象是對流發(fā)生所產(chǎn)生的直接結(jié)果。Hamilton等[5]同樣使用ACTIVE試驗(yàn)資料分析表明：由于位于西太平洋的熱帶暖池的對流過程產(chǎn)生上升氣流，使對流層頂層的CO和其他污染物濃度明顯上升。Allen等[6]利用ACTIVE資料分析表明：在非季風(fēng)時(shí)段氣溶膠的微觀組成主要是由有機(jī)物質(zhì)和大量黑碳混合而成，而在季風(fēng)期，海上氣溶膠組成則會在干期與濕期之間有較大差異。Cotton等[7]指出，由對流造成的邊界層大氣垂直輸送每年大約有90次，其中很大一部分能夠到達(dá)對流層上層。在低緯度熱帶地區(qū)，對流以大約每日8%的速率向?qū)α鲗由蠈虞斔?，這與由光化學(xué)過程控制的HOx和NOx的產(chǎn)生率相當(dāng)，深對流云甚至可將邊界層大氣直接輸送到對流層頂或平流層低層[8],通常情況下，這些被垂直輸送到高層的化學(xué)氣體具有比在大氣低層更長的滯留時(shí)間。因此，研究大氣中的化學(xué)氣體成分在深對流云中的傳輸過程對于理解熱帶深對流云對全球能量平衡、大氣成分的垂直再分布、與云和輻射的相互作用具有重要意義。

國外對于深對流云化學(xué)傳輸試驗(yàn)研究項(xiàng)目有大西洋赤道大氣化學(xué)傳輸試驗(yàn)(Transport and Atmo-spheric Chemistry Near the Equator-Atlantic,TRACE-A，1992)、生物質(zhì)燃燒和閃電試驗(yàn)(Biomass Burning and Lightning Experiment Phase, BIBLE-A, 1998; BIBLE-B, 1999)、太平洋大氣化學(xué)傳輸試驗(yàn)(Transport and Chemical Evolution Over the Pacific, TRACE-P, 2001), 以及在非洲進(jìn)行的沙塵和生物質(zhì)氣溶膠試驗(yàn)(Dust and Biomass-burning Aerosol Experiment, DABEX)等。Browell等[9]通過分析1993年的TRACE-A試驗(yàn)和美國航天局全球傳輸試驗(yàn)(NASA Global Tropospheric Experiment, GTE)資料得出相對于強(qiáng)對流影響較小時(shí)期，巴西地區(qū)產(chǎn)生的大范圍煙流可以突破6 km的局限高度，被對流風(fēng)暴輸送到對流層頂，在光化學(xué)反應(yīng)作用下生成O3并通過平流輸送到達(dá)南大西洋上空。李冰等[10]利用冰雹云模式和云化學(xué)輸送模塊耦合而成的三維對流云化學(xué)輸送模式試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)云內(nèi)強(qiáng)烈的垂直輸送能在30 min內(nèi)將邊界層低層低體積分?jǐn)?shù)的O3快速有效地向上輸送到對流層上部，且云頂附近由于對流穿透了對流層頂部，其夾卷作用使高層高體積分?jǐn)?shù)的O3的下侵促使平流層與對流層進(jìn)行物質(zhì)交換，從而造成了化學(xué)氣體物質(zhì)在對流層內(nèi)的重新分布。不僅如此，李冰等[11]在該試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的化學(xué)箱模式試驗(yàn)證明，深對流云輸送作用不僅能改變污染物的垂直分布，而且由于輸送過程造成的化學(xué)組分變化會打破原有的大氣化學(xué)系統(tǒng)的平衡，在新平衡建立過程中，化學(xué)組分體積分?jǐn)?shù)的改變體現(xiàn)了云輸送對污染物分布的間接作用。銀燕等[12]利用ACTIVE試驗(yàn)資料結(jié)合HYSPLIT后向軌跡模式分析發(fā)現(xiàn)，在孤立對流云卷云砧中，深對流云的垂直動力輸送作用使云內(nèi)的CO，NO，O3以及NOx均高于云外，但對于NO，NOx和O3來說，對流云內(nèi)其他物理機(jī)制(如閃電)可能會產(chǎn)生其前始?xì)怏w，隨著風(fēng)暴內(nèi)部強(qiáng)烈的上升氣流輸送進(jìn)入云砧，造成其濃度的進(jìn)一步增加。劉寧微等[13]分析2010—2012年對流層O3及其多種前體物的衛(wèi)星遙感資料，指出O3與CO的相關(guān)性在輕污染情況下最大，在重污染和背景情況下較小，重污染氣團(tuán)向下風(fēng)方向的輸送更有利于O3的光化學(xué)生成。洪盛茂等[14]還指出O3濃度有明顯的季節(jié)變化，夏季高、冬季低，并受溫度、相對濕度、日照等因素影響；黃健等[15]也指出珠江三角洲大氣輸送和擴(kuò)散有明顯的季節(jié)變化特征。李瑩等[16]利用衛(wèi)星資料計(jì)算得到的對流層O3柱總量資料分析了近20年來全球?qū)α鲗覱3柱總量的全球分布特征，指出對流層O3高濃度值的分布及變化與人類活動密切相關(guān)。

目前，由于觀測資料所限，國內(nèi)對于深對流云垂直輸送的研究還相對較少。本文將利用ACTIVE外場試驗(yàn)資料，并結(jié)合同期衛(wèi)星資料和歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心ERA Interim再分析資料，對2006年1月20日澳大利亞北部達(dá)爾文地區(qū)一次颮線強(qiáng)對流天氣過程和2006年1月27日無對流發(fā)生的天氣過程進(jìn)行對比分析,揭示強(qiáng)對流對O3和CO在對流層內(nèi)的濃度垂直分布以及濃度變化特征的不同影響,認(rèn)識強(qiáng)對流對大氣中的化學(xué)氣體成分傳輸過程以及大氣成分垂直再分布的影響。

1 ACTIVE試驗(yàn)及資料

ACTIVE試驗(yàn)是英國、加拿大、澳大利亞等多國資助的國際合作項(xiàng)目，目的在于研究大氣痕量氣體和氣溶膠在熱帶對流云中的輸送。該試驗(yàn)在澳大利亞北部城市達(dá)爾文(12.41°S，131.9°E)及其以北的Tiwi島附近地區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2005年11月—2006年2月。由于達(dá)爾文地區(qū)受季風(fēng)環(huán)流影響明顯，全年分為干季和濕季，其中濕季包含11月—次年4月的季風(fēng)盛行期。本文選取2006年1月20日和27日飛機(jī)探測資料進(jìn)行分析。

ACTIVE試驗(yàn)使用了高空及低空兩架飛機(jī)進(jìn)行飛行探測，其中Egrett高空飛機(jī)主要用于探測對流層中高層以及卷云。在本文所涉及的試驗(yàn)中，Egrett裝載相關(guān)設(shè)備從達(dá)爾文機(jī)場起飛，在達(dá)爾文地區(qū)以及Tiwi島上空進(jìn)行探測。該飛機(jī)飛行高度可達(dá)15 km，飛行速度約為80～100 m·s-1，一般在10 km以上的高空平飛以對卷云進(jìn)行穿云探測。對云粒子的取樣間隔為5 s和10 s，氣體的取樣間隔為1 s，相對較慢的飛行速度輔以較短的取樣時(shí)間間隔提高了探測資料的時(shí)空精度。圖1為2006年1月20日進(jìn)行的AE17飛行軌跡路線，圖中A,B兩個(gè)區(qū)域表示O3濃度產(chǎn)生峰值時(shí)，即15:20和17:20(地方時(shí)，下同)所對應(yīng)的飛行區(qū)域。可以看出，飛機(jī)出發(fā)后，15:20(即位置A處)飛行高度約為3 km左右，向西北方向到達(dá)約(11°40′S，129°30′E)附近后轉(zhuǎn)向東南方向飛行，后沿正東方向始終保持相同高度飛行，并沿原路徑返回，17:20(即位置B處)飛機(jī)飛行方向由南向北且高度同樣約為8 km以上；隨后保持一定飛行高度，且逐步升高至12 km高度后再次下降；18:36飛機(jī)降落，觀測任務(wù)結(jié)束。2006年1月27日的AE21飛機(jī)探測區(qū)域、飛行路徑、飛行高度大體和AE17航次相似(圖略)。表1為兩次飛行任務(wù)、飛行時(shí)長、起降時(shí)間及各時(shí)段對應(yīng)飛行高度等，由表1可以看到, AE17和AE21航次起飛、降落和持續(xù)觀測時(shí)間相似，15：00開始持續(xù)觀測時(shí)間大約為3.5～4 h。選取AE17飛機(jī)經(jīng)過圖1中A,B時(shí)間段(15:00—18:00)，同時(shí)選取AE21飛機(jī)表1中第3時(shí)段(18:20—19:00)飛機(jī)探測資料作為有無強(qiáng)對流的對比。

表1 Egrett飛機(jī)起降時(shí)間、飛行高度及飛行任務(wù)Table 1 Departure and landing time, flight height and flight mission of Egrett aircraft

圖1 2006年1月20日AE17 Egrett飛機(jī)飛行軌跡Fig.1 AE17 flight path of Egrett aircraft on 20 Jan 2006

飛機(jī)上搭載了云粒子成像儀CPI(cloud particle imager)、O3無線電探測儀、Vaisala RS92-KE無線電探空儀等儀器探測試驗(yàn)所需的O3濃度、氣壓、氣溫、相對濕度和水平風(fēng)速等氣象要素。

Egrett飛機(jī)上搭載的云中粒子成像儀CPI是利用納秒激光脈沖拍攝粒子群的數(shù)字式全息圖像技術(shù)，由所得圖像推斷粒子的尺度譜和形狀，可以提供三維粒子圖像資料。Whiteway等[17]和Gallagher等[18]均分析及驗(yàn)證了其觀測結(jié)果的可靠性。CPI探頭包括3個(gè)激光粒子探測系統(tǒng)，每個(gè)探測子系統(tǒng)利用2束連續(xù)激光形成一個(gè)約2.4×0.5 mm2的帶狀橫截面，這些激光束各自帶有單獨(dú)的探測器，激光束共面排列覆蓋了整個(gè)探頭的取樣面積，當(dāng)粒子被探測到時(shí)，各個(gè)探測器同時(shí)接收到脈沖并觸發(fā)成像系統(tǒng)。該儀器的粒子收集率理論上可以超過每秒1000個(gè)，無論是人工方法還是計(jì)算機(jī)圖像自動識別技術(shù)，都易對所產(chǎn)生的圖像進(jìn)行識別，推斷出粒子尺度譜和形狀，CPI尤其適合用于冰晶云或混合相云的探測, 測量粒徑范圍為5～2500 μm，各通道間距均為10 μm。

本研究對對流層內(nèi)的O3探空資料進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)氣壓訂正等，同時(shí)也與另一試驗(yàn)的高空飛機(jī)Geophysica所探測相應(yīng)日期的O3資料進(jìn)行對比，數(shù)值差異小于5×10-9。本文使用FY-2靜止氣象衛(wèi)星觀測2006年1月20日和27日黑體輻射亮溫(TBB)的資料，時(shí)間間隔為1 h，用于判斷高空對流云的發(fā)展和卷云砧的位置和發(fā)展演變情況。

同時(shí)，本文使用了歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心ERA Interim再分析資料，水平分辨率為0.75°×0.75°,包括850 hPa風(fēng)場、渦度場和500 hPa垂直速度場等資料。

2 強(qiáng)對流發(fā)生區(qū)域O3 和CO濃度變化規(guī)律

2006年1月20日AE17航次對澳大利亞北部達(dá)爾文地區(qū)颮線強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行了飛行探測，觀測飛行路徑中云粒子濃度、CO濃度以及O3濃度的分布特征。

圖2給出了AE17航次的飛行探測中CPI探測到的云粒子濃度、O3濃度以及CO濃度的變化曲線。由圖2可以看到， O3濃度分別探測到兩個(gè)明顯峰值，分別在15:20以及17:20。而CO濃度在15:20附近時(shí)間段內(nèi)同樣產(chǎn)生了濃度的峰值，17:20濃度顯著增加?？傮w上看，CPI探測到的云粒子濃度、O3濃度以及CO濃度具有大體一致的變化特征，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入對流云中時(shí)，云粒子濃度升高，同時(shí)O3濃度和CO濃度也升高出現(xiàn)峰值；當(dāng)飛機(jī)飛出對流云時(shí)，云粒子濃度降低，同時(shí)O3濃度和CO濃度也降低。

圖1中A,B區(qū)域表示O3濃度產(chǎn)生峰值時(shí)(即15:20和17:20)所對應(yīng)的飛行區(qū)域。可以看到，飛機(jī)出發(fā)后，15:20位于A處時(shí)，飛行高度約為3 km，處于邊界層以上的對流層低層。此時(shí)O3濃度出現(xiàn)峰值，最大濃度達(dá)到3.832×10-8；同時(shí)，CO濃度也達(dá)到峰值，最大濃度達(dá)到9.177×10-8。由于此時(shí)云粒子濃度為零，意味著飛機(jī)尚未進(jìn)入云體，即所測的O3與CO的濃度均為云外資料，故峰值的出現(xiàn)可排除強(qiáng)對流垂直輸送的影響，推測此時(shí)O3濃度的劇增可能與近地面人類活動等污染源的影響有較大關(guān)系。飛機(jī)于15:25首次進(jìn)入對流云，探測到的云粒子濃度具有較高濃度，同時(shí)O3與CO的濃度均有所升高；隨后飛機(jī)于15:45間歇性短暫地出云后又在15:51進(jìn)入云體，探測到較高濃度的云粒子濃度，隨后向西北方向到達(dá)11°40′S，129°30′E 附近后轉(zhuǎn)向東南方向飛行，后沿正東方向始終保持相同高度飛行，并沿原路徑返回，當(dāng)飛行時(shí)間于17:20(即位置B處)時(shí)，飛機(jī)飛行方向由南向北且高度同樣約為8 km以上，位于對流層中上層。此時(shí)，云粒子濃度出現(xiàn)峰值，約為2.5 cm3，故該時(shí)刻對流云有較強(qiáng)發(fā)展，即對應(yīng)強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的發(fā)生，相應(yīng)此時(shí)O3濃度出現(xiàn)一個(gè)更大的峰值，最大濃度達(dá)到4.732×10-8。與此同時(shí)，CO濃度有明顯增高，雖未出現(xiàn)峰值，但在此時(shí)間段內(nèi)CO濃度增加至8.547×10-8，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均場濃度。深對流云內(nèi)O3，CO濃度遠(yuǎn)大于云外，但垂直輸送作用對于CO的影響比O3稍弱。這與CO本身的濃度以及化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。由于觀測期屬于澳大利亞達(dá)爾文地區(qū)的季風(fēng)盛行期，對流層低層盛行來自海面的西風(fēng)，使得近地面CO本身濃度較低，加之CO作為O3重要的前體物，本身具有較強(qiáng)還原性，在光照下容易被氧化為O3，故當(dāng)其本身濃度較低時(shí)難以被輸送到高層大氣。

隨后飛機(jī)保持一定飛行高度，在對流云附近穿行，逐步升高到達(dá)12 km 后高度再次下降，17:40后再次進(jìn)出入云中，云粒子濃度變率較大(圖2)。由此可見，當(dāng)飛機(jī)在同一高度平飛多次進(jìn)出深對流云區(qū)時(shí)，云粒子濃度變化明顯，O3，CO濃度也隨之變化，同時(shí)其他氣象要素也有顯著變化。

圖2 2006年1月20日AE17航次飛行探測對流個(gè)例云粒子、CO以及O3濃度分布Fig.2 The concentration of cloud particles, ozone and carbon monoxide of a convective case detected by AE17 aircraft on 20 Jan 2006

為了比較有無對流云對CO及O3濃度垂直輸送的影響，選取同為季風(fēng)盛行期的2006年1月27日AE21航次的探測個(gè)例(圖3)，作為無對流天氣發(fā)生的卷云消散階段進(jìn)行對比分析。選取飛機(jī)在一定高度上平穩(wěn)飛行時(shí)的數(shù)據(jù)，剔除起飛、降落階段的探測資料，因?yàn)樵谶@兩個(gè)階段飛行高度較低，所獲取的數(shù)據(jù)受地表影響強(qiáng)烈，代表性有限。由于飛機(jī)探測中期階段出現(xiàn)故障缺測的探測資料，故選取AE21航次17:10—18:20在大約11～13 km高度平穩(wěn)飛行路徑探測資料進(jìn)行分析。

圖3 2006年1月27日AE21航次飛行探測非對流個(gè)例云粒子濃度、CO濃度以及O3濃度的分布Fig.3 The concentration of cloud particles,ozone and carbon monoxide of a non-convective case detected by AE21 aircraft on 27 Jan 2006

在無強(qiáng)對流發(fā)生的天氣條件下，AE21航次飛機(jī)探測云粒子濃度、CO與O3濃度變化如圖3所示，與有對流發(fā)生時(shí)的情況(圖2)相比，CPI探測云粒子總濃度始終較低，即在1月27日探測階段達(dá)爾文地區(qū)上空云量較少，處于卷云后期的消散階段。通過觀察，當(dāng)無強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)，不僅云粒子濃度很低，而且CO與O3濃度始終保持相對穩(wěn)定的較低濃度，其中,CO濃度平均值為5.34×10-8左右，而強(qiáng)對流天氣發(fā)生時(shí)(AE17架次)CO平均濃度為7.282×10-8，最高濃度可超過9.0×10-8，可見在無對流條件下的CO濃度整體低于有對流條件下的CO濃度；O3濃度平均值為2.0×10-8，而強(qiáng)對流天氣發(fā)生時(shí)(AE17架次)最大濃度可達(dá)3.8×10-8以上，即O3在無對流背景場下濃度相對較低。在無對流發(fā)生的條件下O3濃度變化不大，變率始終保持平穩(wěn)，無峰值產(chǎn)生，而在有強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)，O3濃度變率大，當(dāng)在對流云中有峰值產(chǎn)生，在對流云外則出現(xiàn)谷值。故通過對比可知，在無強(qiáng)對流天氣發(fā)生時(shí)，CO與O3的濃度相對較低，從而可以證明在強(qiáng)對流天氣條件下，深對流云對CO,O3有明顯的垂直輸送作用。

3 強(qiáng)對流天氣過程對CO與O3垂直輸送作用

颮線是一種帶(線)狀的中尺度深厚對流系統(tǒng)，是非鋒面的或狹窄的活躍雷暴帶，其水平尺度通常為幾百千米，典型生命史約為6～12 h，常帶來災(zāi)害性的雷雨大風(fēng)或局地強(qiáng)降水，有時(shí)伴有冰雹和龍卷風(fēng)等強(qiáng)對流天氣[19]。姚建群等[20]在分析一次強(qiáng)颮線成因時(shí)指出，強(qiáng)颮線過程伴隨的強(qiáng)對流天氣發(fā)生與地面鋒生作用和低層輻合、高層輻散造成的強(qiáng)抬升作用是主要的觸發(fā)機(jī)制。陳淑琴等[21]分別探討3條颮線發(fā)展演變情況和對應(yīng)的各種環(huán)境場條件，側(cè)重對比下墊面溫度、濕度、水平輻合等條件與對流發(fā)展演變的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在天氣背景相似的小范圍區(qū)域內(nèi)，氣溫高、濕度大之處、鋒面、輻合線、海岸線附近易新生單體和加強(qiáng)對流。王彥等[22]認(rèn)為兩條以上邊界層輻合線之間碰撞，一般在碰撞交叉處能夠形成強(qiáng)對流天氣。若已存在強(qiáng)對流天氣，則強(qiáng)對流天氣將加強(qiáng)。2006年1月20日15：00后在澳大利亞北部達(dá)爾文地區(qū)發(fā)生了一次颮線強(qiáng)對流天氣過程，氣壓和風(fēng)發(fā)生突變的強(qiáng)對流天氣帶，產(chǎn)生了中尺度強(qiáng)對流復(fù)合體(MCC)，伴隨出現(xiàn)了雷暴、大風(fēng)、閃電和龍卷等強(qiáng)對流天氣。圖4a為2006年1月20日15:00的850 hPa流場，可以看到飛機(jī)目標(biāo)觀測區(qū)(紫色框區(qū))達(dá)爾文地區(qū)正處于典型的鞍型流場的輻合區(qū)，明顯的輻合上升運(yùn)動產(chǎn)生，達(dá)爾文地區(qū)500 hPa 垂直速度場為負(fù)值區(qū)(圖4b)，有顯著的上升運(yùn)動，在觀測目標(biāo)區(qū)有利于強(qiáng)對流天氣過程的形成，并有利于將對流層低層CO與O3垂直輸送到高層。2006年1月27日澳大利亞達(dá)爾文地區(qū)只有消散的一些卷云，沒有對流云出現(xiàn)。圖4c為2006年1月27日15:00 850 hPa流場，可以看到達(dá)爾文地區(qū)正處于平直西風(fēng)控制下的車散區(qū)，具有明顯的輻散下沉運(yùn)動的產(chǎn)生，大氣呈穩(wěn)定層結(jié)，達(dá)爾文地區(qū)500 hPa 垂直速度場為正值區(qū)或接近于0(圖4d)，有下沉運(yùn)動或無垂直運(yùn)動的產(chǎn)生，不利于在該區(qū)域深對流云的形成，也不利于將對流層低層CO與O3垂直輸送到高層。

圖4 2006年1月20日15:00 850 hPa風(fēng)場(a)、500 hPa垂直速度場(b)與2006年1月27日15:00 850 hPa風(fēng)場(c)和500 hPa垂直速度場(d)Fig.4 Wind field at 850 hPa(a)，the vertical velocity field at 500 hPa(b) at 1500 LT 20 Jan 2006 and wind field at 850 hPa(c),the vertical velocity field at 500 hPa(d) at 1500 LT 27 Jan 2006

圖5a為FY-2靜止氣象衛(wèi)星觀測Tiwi島附近對流發(fā)生時(shí)段云頂亮溫(TBB)。參照Maddox[23]給出的紅外衛(wèi)星云圖上判別中尺度對流復(fù)合體(MCC)的兩個(gè)TBB閾值分別為-32℃和-52℃，作為判別該地區(qū)有無對流以及對流發(fā)展強(qiáng)度的閾值。Maddox認(rèn)為，當(dāng)TBB大于-32℃時(shí)，為非對流云或者很弱的對流，當(dāng)TBB達(dá)到-32℃時(shí)，積云降水開始產(chǎn)生，故可將-32℃視為對流發(fā)生的閾值。當(dāng)TBB達(dá)到-52℃時(shí)，云頂高度一般將到達(dá)10～14 km，故將-52℃視為強(qiáng)對流存在及發(fā)展的閾值。由圖5a 可見，2006年1月20日16:30達(dá)爾文島附近大部分地區(qū)TBB都小于-40℃，特別是在Tiwi島及其北部附近核心區(qū)TBB都小于-52℃，說明此時(shí)該地區(qū)具有大范圍對流云產(chǎn)生，在核心區(qū)有強(qiáng)對流發(fā)展。圖5b中當(dāng)日17:30達(dá)爾文地區(qū)以及飛機(jī)所處位置TBB值已達(dá)到-60℃以下，部分地區(qū)甚至達(dá)到了-80℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于強(qiáng)對流發(fā)生的TBB閾值，完全滿足強(qiáng)對流的發(fā)生條件，說明2006年1月20日16:30—17:30時(shí)間段內(nèi)對流層中上層云系內(nèi)有強(qiáng)的深對流天氣過程發(fā)生。由圖2可以看到，大約在17:20 前后時(shí)段內(nèi)飛機(jī)觀測到云粒子濃度、O3和CO濃度都有峰值出現(xiàn)，表明O3和CO濃度迅速增加是與強(qiáng)對流系統(tǒng)有直接關(guān)系，由于強(qiáng)對流系統(tǒng)的垂直輸送作用使O3和CO在8 km附近發(fā)生堆積，并使其濃度迅速增加出現(xiàn)峰值。

圖5 FY-2靜止氣象衛(wèi)星觀測的澳大利亞Tiwi島云頂亮溫分布(紫色框?yàn)門iwi島飛機(jī)探測目標(biāo)區(qū))(a)2006年1月20日16:30，(b)2006年1月20日17:30Fig.5 Black body temperature observed by FY-2 satellite over Tiwi Island,Australia(inside the purple frame)(a)1630 LT 20 Jan 2006,(b)1730 LT 20 Jan 2006

圖6為2006年1月27日12：00該區(qū)域TBB分布，大部分地區(qū)TBB大于-32℃，有些地區(qū)TBB甚至約為-10℃，遠(yuǎn)高于對流發(fā)展的閾值，無對流云形成，而只是有消散的卷云。因此，在圖3飛機(jī)的探測過程中，由于沒有深對流云形成，云粒子濃度很小，同時(shí)，也沒有明顯的上升氣流向上垂直輸送O3和CO，所以O(shè)3和CO濃度較低且變化相對較小，沒有峰值出現(xiàn)。

由2006年1月20日澳大利亞北部Tiwi島發(fā)生的深對流云發(fā)展與2006年1月27日在同一地區(qū)沒有對流云形成和發(fā)展的對比分析可見，深對流云上升氣流的垂直輸送作用與對流層中上層CO和O3濃度的分布有密切關(guān)系，當(dāng)強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生時(shí)，低層氣流輻合，高層輻散，顯著的上升氣流將CO和O3垂直輸送到對流層高層，在強(qiáng)對流天氣影響下，高層云粒子濃度、CO和O3濃度變化更為顯著，并產(chǎn)生明顯的峰值。而沒有強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生時(shí)，低層氣流輻散，高層輻合，伴隨著下沉氣流不利于CO和O3垂直輸送到對流層高層，整層云粒子濃度、CO和O3濃度較小，變率也較小，無明顯的峰值出現(xiàn)。

圖6 2006年1月27日17:30澳大利亞北部Tiwi島云頂亮溫分布(紫色框?yàn)門iwi島飛機(jī)探測范圍)Fig.6 Black body temperature observed by FY-2 satellite on Tiwi Island(inside the purple frame),Australia at 1730 LT 27 Jan 2006

4 結(jié)論與討論

本文通過對2006年1月澳大利亞北部達(dá)爾文地區(qū)有無強(qiáng)對流天氣對O3和CO濃度分布影響對比分析得到以下主要結(jié)論：

1) 有無強(qiáng)對流天氣過程其環(huán)流場和垂直運(yùn)動差別顯著。強(qiáng)對流發(fā)生在850 hPa典型的鞍型流場輻合區(qū)，有明顯的輻合上升運(yùn)動，500 hPa垂直速度場為負(fù)值區(qū)，有顯著的上升運(yùn)動，有利于強(qiáng)對流天氣過程的形成，云頂亮溫異常偏小。而在850 hPa平直西風(fēng)控制下的輻散區(qū)，具有明顯的輻散下沉運(yùn)動的產(chǎn)生， 500 hPa垂直速度場為正值區(qū)，有下沉運(yùn)動產(chǎn)生，則不利于對流云的形成，云頂亮溫異常偏大。

2) 對流層高層O3和CO濃度峰值的出現(xiàn)與該區(qū)域強(qiáng)對流天氣垂直輸送有密切關(guān)系。有強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)，CPI探測到的云粒子濃度、O3及CO濃度具有大體一致的變化特征，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入對流云中時(shí)，云粒子濃度升高，O3濃度和CO濃度也升高；當(dāng)飛機(jī)飛出對流云時(shí)，云粒子濃度降低，O3和CO濃度也相對較低。無對流發(fā)生的條件下O3濃度變化不大，始終保持平穩(wěn)，無峰值產(chǎn)生；有強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)，O3和CO濃度變率大，在對流云中出現(xiàn)峰值，而在對流云外大氣環(huán)境中則出現(xiàn)谷值。因此，深對流云對CO和O3有明顯的垂直輸送作用。

3) O3和CO濃度的分布與觀測區(qū)域氣象要素垂直和水平分布有直接關(guān)系。對流層低層輻合上升運(yùn)動形成深對流云，一方面改變氣象要素的垂直分布，另一方面也改變了O3和CO濃度的垂直分布。當(dāng)飛機(jī)在同一高度水平飛行多次進(jìn)出深對流云區(qū)時(shí)，不僅云粒子濃度變化明顯，O3和CO濃度也會隨之變化。O3和CO濃度分布不僅與強(qiáng)對流的垂直輸送有密切關(guān)系，與氣象要素垂直和水平分布以及天氣動力輸送過程也存在對應(yīng)關(guān)系。

4) 有對流發(fā)生時(shí)，CO濃度平均約為7.5×10-8且會產(chǎn)生一定起伏，無對流發(fā)生條件下，CO濃度保持較平穩(wěn)，約為5.5×10-8。有對流發(fā)生時(shí)O3濃度會產(chǎn)生較大峰值，最大濃度達(dá)4.732×10-8，而無對流發(fā)生時(shí)，O3濃度始終保持約為2.0×10-8，無峰值產(chǎn)生。

致謝：本文完成過程中得到南京信息工程大學(xué)李棟梁教授和姚慧茹博士、國家氣候中心劉景鵬博士的熱情幫助和指導(dǎo)，在此表示感謝。