夏季云顶高于对流层顶事件对东亚天气型及上对流层—下平流层大气结构的影响

施春华,常舒捷,沈新勇,2,3,郭栋,刘仁强

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

3.中国科学院 大气物理研究所 云降水物理与强风暴重点实验室,北京 100029)



夏季云顶高于对流层顶事件对东亚天气型及上对流层—下平流层大气结构的影响

施春华1,常舒捷1,沈新勇1,2,3,郭栋1,刘仁强1

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

3.中国科学院 大气物理研究所 云降水物理与强风暴重点实验室,北京 100029)

摘要：采用A-Train系列卫星的AURA/MLS水汽、温度资料,CALIPSO/CALIOP云物理资料,结合ECMWF气象再分析资料,分析了东亚地区云顶高于对流层顶事件(Cloud Top Above the Tropopause,CTAT)的区域分布,及其对上对流层—下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)水汽和温度结构的影响。结果表明:亚洲季风区的夏季CTAT发生率是30%～55%,为全球最强区域;东北亚的夏季CTAT发生率是15%～20%,为中纬度最强分布区。以CTAT为指标的合成结果表明:15～30°N的东亚—西太平洋UTLS,水汽呈“上干下湿”的异常分布,温度呈“上冷下暖”的异常分布,该结构与该区域热带气旋合成的结果一致,说明热带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统;35～50°N的东北亚UTLS,水汽呈“上干下湿”的异常分布,温度呈“上暖下冷”的异常分布,该结构与该区域温带气旋合成的结果一致,说明温带气旋是该区域CTAT形成的主要天气系统。

关键词：云顶高于对流层顶事件;上对流层—下平流层;天气型;水汽;温度

The effects of cloud top above tropopause events on the

0引言

上对流层—下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS,通常高度为5～20 km)是上下层大气动力、化学和辐射等耦合的关键区。由于UTLS区域的空气属性具有独特性(Haynes et al.,2001),引起了研究者的普遍关注。平流层—对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange,STE)活动是UTLS区大气成分变化的重要原因。云顶高于对流层顶事件(Cloud Top above the Tropopause,CTAT),往往是强烈STE的表现,如低纬度的深对流活动(Wang and Dessler,2012),中纬度锋面输送带的水汽传输等(Holton et al.,1995;Stohl et al.,2003;Pan et al.,2010)。所以,以CTAT作为STE指标,可以研究STE期间,UTLS水汽和温度结构的异常。

对于UTLS水汽和温度结构的认识,早期Brewer(1949)解释了平流层的极干现象。Kley et al.(1979)发现平流层水汽在热带对流顶或其紧邻上方有最小值,并称为湿层顶。Holton et al.(1995)的研究表明平流层的水汽分布主要受热带冷点对流层顶温度决定,空气向上传输受对流顶冷点的冷凝饱和制约。对UTLS水汽变率和影响的研究,Forster and Shine(1999)指出UTLS水汽的增加会导致平流层冷却,对流层变暖。1981年以来平流层水汽呈增加趋势(Oltmans et al.,2000),而2000—2005年平流层水汽浓度又减少了约10%(Randel et al.,2006),2006—2010年平流层水汽浓度再次出现了增加趋势(Hurst et al.,2011)。引起变异的可能原因有:热带对流层顶温度变化,Brewer-Dobson(BD)环流强度变化以及甲烷氧化速度变化(Smith et al.,2000;Randel and Wu,2004;Fueglistaler et al.,2005)。UTLS的水汽主要源于对流层输送(Rosenlof,2003):一是深对流抬升直接将水汽快速输送到下平流层,此过程在穿透性对流活动的观测和模拟中得到了验证(Sherwood and Dessler,2000;Dessler,2002)。另一是大尺度缓慢上升运动的输送(Fueglistaler et al.,2005)。Fueglistaler et al.(2009)发现台风和热带云团回波高度通常可以发展到12～14 km或更高,这种高度的台风,往往都与CTAT事件有关。但对其统计研究较为少见。中纬度锋面气旋对UTLS水汽影响的研究相对更少,施春华等(2014)通过对一次切断低压与副热带锋相互作用的个例,研究了超强副热带锋区的平流层入侵与深对流注入的共同作用能够产生STE。还有研究(杨双艳等,2012)发现,UTLS区域的上升运动,能影响对流顶高度。

综上所述,目前与STE相关的UTLS水汽和温度结构变化的研究较少,由于观测资料的不足,在东亚地区更缺乏认识。CTAT作为表征STE的一个可靠指标,可以用来讨论东亚STE活动时UTLS水汽和温度的变异。

1资料和方法

地球观测系统(EOS)系列卫星(A-Train)组成队列,在共同轨道分别搭载不同仪器,实现对大气多要素的同步观测。Aura卫星搭载的微波临边探测仪MLS可以探测温度,水汽和多种大气成分的垂直廓线(Waters et al.,2006),本文所用MLS数据为2008—2012年北半球夏季(6、7、8月)Level2的V3.3版本的数据集,水平分辨率约165 km。另一颗卫星CALIPSO搭载的双偏振云和气溶胶激光雷达CALIOP,可以探测全球的云顶信息。本文使用了CALIOP Level2的夜间云层产品V3.01版本数据集,水平分辨率333 m。

本文选用的对流层顶高度是CALIP基于GEOS-5数据提供的同步热力对流层顶高度。参考Dessler(2009)、Biondi et al.(2012)的工作,把最上层累积的消弱后向散射系数Integrated_Attenuated_Backscatter_532达到0.01 sr-1·km-1,识别为该层云顶高度,并且该高度大于实时热力对流顶高500 m以上,识别为CTAT。由于轨道仪器连续扫描在同一个经纬网格内会有多条数据廓线,分别统计2008—2012年夏季CALIOP在每一个经纬网格内发生CTAT的廓线数和总探测廓线数,两者之比定义为CTAT发生率。

CALIPSO/CALIOP和AURA/MLS的探测轨迹是相同,但两套卫星数据的分辨率不同,需要匹配。本文处理如下,在一次卫星扫描过程中,由于CALIOP每一次连续轨道扫描在一个4°×2°经纬度网格内会有多条探测廓线,只要有一条廓线符合CTAT定义就将该网格统计为CTAT网格,同一时间MLS轨道扫描通过该网格,有1～2条探测廓线,取其平均值作为CTAT时的温度和水汽值廓线。反之,统计为无CTAT(NCTAT)对应的水汽和温度廓线。

本文还使用了欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim逐日再分析资料,取2008—2012年每日00时,水平分辨率为1°×1°,相关变量有相对湿度、位势高度、温度等。本文用ERA-Interim资料对气旋系统合成时,参考了李英等(2004)和Gray(1979)使用的动态合成分析方法,获得不同样本气旋移动过程中一系列合成图像,减少了样本物理量平均时的相互抵消作用,能保持移动气旋及周围环境系统的相对完整结构。同时,还利用t检验对合成结果进行显著性检验。

2东亚夏季CTAT特征

图1给出了2008—2012年北半球夏季CTAT的频率分布。CTAT在低纬度发生率较大,最强区域分布在亚洲季风区,覆盖了印度,孟加拉湾,中南半岛和菲律宾周边等地,最大发生率保持在30%～55%。副热带地区CTAT发生率很小。中纬度CTAT发生频率比较均匀,与温带锋区对应,其中东北亚区域(85～130°E,40～60°N)的CTAT发生率15%～20%,相对较高。CTAT作为STE的指标之一,其形态将直接影响UTLS水汽和温度结构。

图1　2008—2012年北半球夏季CTAT的频率分布(单位:%)Fig.1　Frequency distribution of CTAT in the Northern Hemisphere in summer(JJA) of 2008—2012(units:%)

3CTAT对UTLS水汽和温度结构的影响

考虑到低纬和中纬度的对流顶高度差异,同时上对流层(UT)和下平流层(LS)具有明显物理性质差异(Pan et al.,2010)。为了便于理解,这里选取383 hPa作为UT参考面,100 hPa作为LS参考面。由383 hPa CTAT与NCTAT合成水汽差值分布(图2a)可见,东亚—西太平洋区域为大范围连续显著正异常区,值大约为2×104ppmv(1 ppmv=1×10-6)。相同位置的383 hPa温度合成差值分布(图2c)上,对应着温度的大范围连续显著正异常,值约为2 K。温度与水汽在该区良好的匹配关系,说明发生CTAT时,383 hPa有对流加湿作用及其潜热释放的加热作用。

发生CTAT时,水汽从383 hPa的正异常转变为100 hPa的负异常(图2b),值为-10 ppmv,且大部分通过0.1信度的显著性检验。同时,该区域的温度异常也发生反转,由383 hPa的温度正异常转变为100 hPa(图2d)的温度负异常,值为-3 K左右,通过了90%的显著检验。这种结构变化,反映了云区从383 hPa的潜热释放过程转变为100 hPa的云顶的辐射冷却。因此,100 hPa的降温通过冻结机制减少了水汽进入低平流层,水汽减少。

在我国东北等地区,发生CTAT时383 hPa对应水汽的正异常和温度的负异常(图2a、c),通过检验的温度负异常值在-5 K左右,即发生CTAT时温度较低而水汽较多,这可能与该区活跃的温带锋面气旋(切断低压)的内部冷性结构有关。但在更高的100 hPa,我国东北等地通过信度检验的区域,温度从负异常转为正异常(图2d),偏高5 K左右;而水汽略偏多,但基本不通过检验。这反映了温带气旋对流顶下凹,上部平流层暖空气入侵的结果,而下平流层水汽随高度的增加很小,故水汽变化不显著。

图2　CTAT与NCTAT的北半球夏季MLS水汽(单位:ppmv)和温度(单位:K)的合成差值(黑点区域表示通过0.1信度的显著性检验)　　a.383 hPa水汽;b.100 hPa水汽;c.383 hPa温度;d.100 hPa温度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

从UTLS水汽和温度随高度的变化差异可见,东亚南、北两个区域,CTAT对水汽和温度的调控是不同的。108～148°E的CTAT与NCTAT的经向—垂直差值合成上,18～30°N区域,水汽在146 hPa以下为正异常,正异常值从2×104ppmv向上逐渐降低(图3a)。该区对应的温度合成图(图3b),以150 hPa为界,低层正异常,高层负异常,这种配置与热带气旋“上冷下暖”的结构相近,18°N以南表现为另一种不一致的结构。分界位置,符合夏季台风主要沿西太副高向西北活动的路径,主要在18～30°N区域。已有相关研究表明强大的台风活动期间发生了STE(Baray et al.,1999;Joiner et al.,2006),与这里统计合成的结果较一致。而18°N以南区域,在250～300 hPa表现为温度负异常和水汽负异常,可能与更小尺度的深对流活动有关,该位置也与相对湿度过饱和区的气候态位置一致(蔡淼,2013)。

图3　CTAT与NCTAT的108～148°E区域夏季MLS水汽(单位:ppmv)和温度(单位:K)的合成差值的高度—纬度剖面(实线为正,虚线为负;黑点区域表示通过0.01信度的显著性验)　　a.水汽;b.温度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的中纬度地区,以150 hPa为界,温度低层为负距平,高层为正距平,这种结构与中纬度地区锋面气旋“下冷上暖”的结构一致。这说明,以CTAT作为代理的STE,在该位置可能与温带气旋活动有关。施春华等(2014)曾发现了东北亚切断低压活动时的强烈STE活动。因此,这两类天气系统与UTLS结构变化及CTAT的关系,值得讨论。

4两类天气系统与UTLS结构及CTAT的联系

以东亚夏季两类天气系统为指标的合成,讨论其对应的UTLS水汽和温度结构变化,进而认识两者(典型天气系统和CTAT)间的联系。

4.1西北太平洋台风与UTSL结构及CTAT的关系

采用美国国家海洋和大气局(NOAA)提供的热带气旋强度、路径等信息,统计2008—2012年夏季发生在副热带西北太平洋区(108～148°E,15～35°N)达到台风强度的热带气旋,共有25个,平均每个台风在该区持续3 d,平均中心经纬度为126.2°E、22.1°N。利用跟随台风中心的移动坐标对这25个台风动态合成,利用ERA-Interim提供的每天00时的再分析资料,台风发生时取东西方向各3个经度平均,而其他4 a该日108～148°E平均作为未发生台风的参考,分析台风发生时UTLS的相对湿度和温度异常。

台风活动时,相对湿度在台风中心附近均为正异常,且大部分地区通过检验,正异常值在500 hPa为30%,向上逐渐降低(图4a),到150 hPa趋于0。该结构与温度暖异常区对应较好(图4b),暖心结构主要在150～500 hPa,最暖可以达到3 K。150 hPa以上,转为温度负异常,到100 hPa附近,最冷可达-3 K,该位置对应于(图4a)相对湿度正异常次大值中心。这表明,台风发生期间,中上对流层强烈的水汽输送和潜热释放,对应了高温高湿关系;而在对流层顶和平流层底,台风云顶的辐射冷却降温,以致水汽冻结饱和,相对湿度上升。

图4a、b结果与图3对应位置的结果类似,将其数据分析到图3中15～35°N范围的相应格点上,分别求两者的空间相关。水汽相关系数为0.29,温度相关系数为0.56,两者都通过了99%的信度检验。这表明,以CTAT为指标的合成,与以台风为指标的合成,对UTLS水汽和温度结构的描述在副热带西北太平洋(108～148°E,15～35°N)区是一致的,反映了CTAT事件与台风的联系。

图4　2008—2012年夏季西太平洋(108～148°E,15～35°N)台风活动时(a,b)和东北亚(108～48°E,35～50°N)温带气旋活动时(c,d)Interim相对湿度异常(a,c;单位:%)和温度异常(b,d;单位:K)的高度—纬度剖面(横坐标为纬度,0°为气旋中心;黑点表示通过0.01信度的显著性检验)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东北亚温带气旋与UTSL结构及CTAT的关系

东北亚是北半球温带气旋发生频率最高的地方之一,而前文的分析显示该区的CTAT可能与温带气旋活动有关。本文东北亚温带气旋的选择标准为:在108～148°E、35～50°N范围内,700 hPa上位势高度低值闭合等值线条数不少于3条(等值线间距20 gpm),同时对应于温度的冷结构。据统计,2008—2012年夏季符合标准的温带气旋有50个,平均每个持续3 d,平均中心位置为125.8°E、46.0°N。同样利用动态合成的方法,温带气旋发生时东西方向各取5个经度平均,而其他4 a该日108～148°E平均作为未发生时的参考。

温带气旋发生时,对流层中部温带气旋中心南侧为相对湿度的正异常,500 hPa处可达20%,随高度逐渐减小(图4c)。气旋中心北侧相对湿度负异常,相对湿度异常的零线随高度逐渐向南偏,225 hPa最大负异常为-30%。温带气旋发生时的温度异常显示(图4d),气旋中心偏北的冷结构,能发展到300 hPa附近,在350 hPa附近的负异常达到-2 K。可见,对流层内,气旋的温度、湿度结构是对应的,由于东北亚温带气旋的锋面非对称结构,中心北侧多为干、冷空气控制,而暖、湿空气多位于冷锋前和暖锋后的中心南侧扇形区,且沿暖锋的输送带向气旋中心高层输送。在气旋中心的250 hPa以上高度,以暖性结构为主(图4d),暖中心在200 hPa附近,最大值可达5 K,该温度结构反映了对流顶在此处下凹,平流层干、暖空气的入侵,与相对湿度(图4c)在200 hPa的负值中心对应。

图4c、d的结构特征与图3中35～50°N地区温度“下冷上暖”结构有着很好的对应关系。需要指出的是,尽管两图中二者的形态一致,都表现为“下冷上暖”,但其冷暖的转折高度存在差异,MLS资料更高,这可能是不同资料的差异,也可能是卫星遥感对于云区探测存在一定误差。图4c相应位置的相对湿度与图3a的35～50°N范围内的水汽,空间相关系数为0.19,通过了0.05信度的显著性检验。这表明,以CTAT为指标的合成,和以温带气旋为指标的合成,对UTLS水汽和温度结构的描述在东北亚地区是一致的,反映了CTAT事件与温带气旋的联系。

5结论

1)夏季CTAT发生率的分布,亚洲季风区是全球最强的,可达30%～55%,而东北亚则是中纬度的最强发生率分布区,可达15%～20%。

2)以CTAT为STE指标的合成发现,15～30°N的东亚—西太平洋UTLS,水汽“上干下湿”,温度“上冷下暖”,结构与该区域热带气旋合成的结果一致,反映了热带气旋与CTAT的联系,说明热带气旋是该区CTAT形成的主要天气系统。

3)在35～50°N的东北亚UTLS,以CTAT合成的水汽“上干下湿”,温度“上暖下冷”,该结构与该区域温带气旋合成的结果一致,反映了温带气旋与CTAT的联系,说明温带气旋是该区CTAT形成的主要天气系统。

致谢:感谢NASA、ECMWF提供了AURA/MLS、CALIPSO/CALIOP、Interim资料的在线下载服务。

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(责任编辑：张福颖)

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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,研究员,研究方向为应用气象,learnerxy@163.com.

基金项目:中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所开放课题(SQJ2011008);天诺基业科创基金资助项目(2014TNJY011)

收稿日期：2014-11-25；改回日期：2015-04-13

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150123002

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)06-0804-07P425.8

文献标志码：A