一次对流层顶折叠与高原深对流引起的平流层-对流层交换过程分析研究

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本论文利用ERA5全球再分析资料、CMORPH降水数据、Cloud Sat卫星产品和Aura卫星MLS探测数据以及FY-2G卫星黑体亮温数据等,使用天气学诊断分析、中尺度数值模拟、对流层顶3D-标签检验算法、位涡诊断方程等方法,对青藏高原上空对流层顶折叠(简称折叠)背景下的一次深对流发生发展过程进行研究,分析两者的成因以及折叠对深对流的影响机理,并验证高原深对流活动对上对流层-下平流层(简称UTLS)区域内臭氧、水汽等大气成分分布的影响。分析结果表明:(1)此次高原东部深对流与上游折叠过程有关。高原北部500 hPa天气形势为两槽一脊型,蒙古冷涡与副高相持,高空急流加强后断裂,低层槽前正涡度平流使小槽增强形成闭合低涡,南北气流交汇形成辐合切变线,引导偏南气流输送的水汽大量辐合,造成上干下湿的层结特征。低层切变线抬升叠加高层辐散抽吸使垂直运动强烈发展。不稳定层结、强上升运动与充足的水汽输送为深对流触发提供了有利条件。(2)对流层顶折叠发生在高空南北风急流中心交界处,随风场结构倾斜下伸并随高空气流向东移动。冷涡南压和副高稳定维持,在高空南北风急流中心的挤压作用下,垂直风场变为倾斜结构,等熵面斜率增加,位温水平梯度增大,大气斜压性增强。南北风高空急流产生的二级环流使对流层顶从150 hPa-120 hPa附近沿南北急流交界的等熵面下伸至400 hPa,这是形成折叠的主要天气条件。(3)对流层顶折叠为此次深对流的发生发展提供了有利的不稳定层结环境和动热力条件,深对流的潜热释放又加强了中高层的局地位涡。折叠的倾斜下伸使层结条件不稳定建立并加强,不稳定能量积累。折叠将高层正位涡异常向低层输送,在斜压不稳定环境中产生暖位温平流和扰动,使气流气旋性旋转加强,低压涡旋形成,激发对流上升。中高层位涡异常沿倾斜等熵面上升的抽吸效应,使对流的上升运动加强发展进而穿透对流层顶。位涡局地变化诊断显示对流降水过程的非绝热加热有利于中高层局地位涡增加。(4)深对流的发生发展在UTLS层引起明显的交换过程,并影响该区域的大气成分分布。深对流穿透对流层顶的输送作用稀释了局地平流层的臭氧浓度,增大了水汽、云冰含量,并引起对流层顶湍流扰动。(5)Wei方法对穿越对流层顶产生的的质量交换量的诊断表明,对流层顶变化引起的质量输送在总交换量中起决定性作用,而沿对流层顶的水平输送为次要作用。
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