夏季亚洲季风区深对流活动对UTLS大气成分分布的影响

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近几年国内外的一系列研究表明,亚洲夏季风是边界层水汽和污染物进入平流层的一个重要通道。亚洲夏季风输送主要包括深对流快速输送和南亚高压大尺度反气旋的缓慢垂直输送及快速水平混合。一方面,对流快速输送能短时间内将近地面污染物输送到上对流层,甚至直接进入下平流层。东南亚地区人为排放高,夏季季风深对流活动频繁,对流输送具有更重要的意义。另一方面,南亚高压反气旋作为北半球夏季上对流层/下平流层(UTLS)最强大的环流系统,对UTLS大气成分分布同样具有非常重要的影响。本研究基于卫星资料和数值模拟,分析了南亚高压反气旋环流及季风深对流活动对夏季亚洲季风区大气成分分布的影响。主要结论有如下几个方面:  (1)南亚高压双模态对UTLS大气成分分布的影响  南亚高压的东西振荡按其中心位置分布的不同,可分为两个主要模态:即高压中心位于伊朗高原上空时为伊朗模态,高压中心位于青藏高原上空时为青藏模态。南亚高压双模态对高压控制区大气成分的分布具有显著的影响,结合MLS卫星资料分析表明:伊朗模态时,伊朗高原上空水汽、CO等对流层示踪物浓度高于气候平均值,平流层示踪物(臭氧)浓度则低于气候平均值,而青藏高原上空水汽和CO浓度低于气候平均值,臭氧浓度高于气候平均值;青藏模态时,伊朗高原上空和青藏高原上空水汽、CO及臭氧的距平与伊朗模态相反。  (2)夏季亚洲季风区深对流活动特征  利用TRMM降水系统中(PR2A25近地面降水率大于0mm/hr的连续回波区)垂直方向上PR20 dBZ回波像素减少到总像素0.1%时的高度表征深对流的有效垂直输送高度,该高度实际上包含深对流发生率和深对流垂直发展高度这两个因子。夏季,亚洲季风区深对流活动主要出现在陆地上空,日变化特征非常明显,最大深对流发生率出现在午后至傍晚。印度北部地区及喜马拉雅山西侧深对流活动最强,其中印度北部地区以中尺度对流系统居多,对流发展的高度低于喜马拉雅山西侧地区,但强回波面积大,对流垂直输送的有效高度最高;喜马拉雅山西侧地区多为小尺度对流系统,雷达回波强且顶高,但强回波所占面积小,对流垂直输送的有效高度低于印度北部地区。青藏高原上空较强的对流系统主要集中在高原南部地区,对流发展的高度低,但对流活动日变化最为显著。而以往观点认为的深对流最强的喜马拉雅山南坡,实际上,在1500m以上的南坡深对流活动出现频率很小,深对流活动主要发生在地形低于300m地区,且主要发生在夜间。  CloudSat CPR Radar_Reflectivity=10 dBZ代表粒径比较大的云粒子,同样我们利用10 dBZ回波像素减少到总样本数0.1%时的高度表征深对流垂直影响范围,结果与TRMM相同,印度北部地区深对流有效输送高度比其他地区高;青藏高原虽然地形高,但对流发展的高度比印度北部平原地区低。  (3)夏季亚洲季风区深对流输送对UTLS大气成分分布的影响  基于前文对夏季亚洲季风区深对流输送垂直影响高度特征的分析,利用MLS卫星资料及MOZART4模式模拟结果分析深对流活动日变化对UTLS大气成分分布的影响。215 hPa-146 hPa陆地上空白天(13∶30 LT) MLS CO浓度低于夜间(01∶30 LT);洋面CO浓度昼夜变化小,白天CO值略高。100hPa高度CO昼夜分布相差减小,且没有明显的海陆区域特征。将2007-2012年6~8月70°E-120°E、15°N-30°N范围内MOZART4模式每天4次输出CO结果按月平均,其结果显示215 hPa-146 hPa CO分布有一个明显的日变化过程,峰值出现在LT00时左右,滞后于TRMM深对流最大发生率(LT15-LT21),CO极小值出现在LT12左右。  215 hPa-146 hPa CO日变化主要与深对流活动日变化有关,陆地午后至傍晚发展成熟的深对流将近地面高浓度CO输送到上对流层,使陆地上空215 hPa-146hPa夜间CO值高于白天。但随着高度增加,深对流频数急剧减少,其输送作用也显著减小,100hPa高度CO分布更多受到大尺度反气旋环流的影响。  (4)夏季亚洲季风区UTLS反气旋内CO的来源  印度地区和中国东部地区为全球污染排放比较高的两个地区,夏季亚洲季风区UTLS反气旋内为CO等污染物的聚集地,利用WRF-Chem模拟这两个源区CO排放对反气旋内CO的贡献,结果表明:夏季亚洲季风区UTLS反气旋内CO主要来自印度排放,中国东部排放主要向朝鲜、日本和太平洋地区扩散,向上输送至反气旋内的很少。
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