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平流层和对流层之间的物质交换和混合(Stratosphere Troposphere Exchange,STE)是平流层过程及其对气候的作用项目(Stratospheric Processes and their Role in Climate,SPARC)中的重要研究内容,已经成为世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)的重点研究计划(吕达仁等,2008)。它控制了自然事件和人为活动带来的化学痕量物质对大气成分影响的主要过程,不仅会带来重要的化学效应,还有可能影响到上对流层-下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere,UTLS)的辐射通量平衡(陈洪滨等,2006)。
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STE过程是发生在不同纬度的,具有多种尺度,表现为不同的物理过程,影响地球气候系统(Holton et al.,1995;Stohl,2003;陈丹等,2014;施春华等,2015;曹治强和吕达仁,2016)。近年来强对流本身以及与其他天气系统相互作用引起的STE过程、机理和影响方面的研究越来越受到重视(Li et al.,2017)。事实上,强对流可以把对流层低层物质迅速输送到高层,当出现穿透性对流时,甚至可以将低层物质直接输送到平流层低层。Dickerson et al.(1987)最先提出雷暴对污染物输送的作用。随后Kong(1994)用二维云模式研究了强对流对可溶性化学物质的输送和再分布效应。易明建等(2012)也指出夏季强对流活动可以使对流层的痕量气体输送至UTLS区域的中部。Fu et al.(2013)则发现深对流活动还会引起对流层顶附近其他微量气体(O3、CO)分布的变化。
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强对流作为中小尺度系统一般是发生在大尺度天气背景下的,强对流在STE中的作用,往往与大尺度背景相结合。陈斌等(2010)利用再分析资料驱动FLEXPART模式模拟研究夏季亚洲季风区对流层向平流层输送(Troposphere to Stratosphere Transport,TST)的源区、路径及其时间尺度。曹治强和吕达仁(2015)分别对发生在低纬度和中纬度的两次强对流天气过程用FLEXPART模拟,发现强对流所在的背景天气尺度或大尺度的系统所引起的对流层向平流层的输送都远大于强对流的直接输送。金莲姬等(2017)研究了一次尺度更小的对流系统——超级单体中对流层向平流层物质输送的特征。尽管多种形式的对流尺度物质输送已有开展,但是,中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex,MCC)作为一种强度和尺度都更大的对流集合体,其在对流层向平流层输送中的作用是否会加强值得探讨。并且,发生在我国南方地区的中尺度系统的物质输送,还可能同时与其西侧的高空南亚高压及东北侧的锋面天气系统相互作用,具有更独特和复杂的特征。
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因此本文利用中尺度WRF模式,对2009年6月8日西南地区的一次超强MCC过程(蔡雯昳,2017;Shi et al.,2017)进行数值模拟。并用模式输出的高分辨率气象资料驱动HYSPLIT轨迹模式,分析此次强对流天气及其背景大尺度系统共同作用下的对流层向平流层输送特征。
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1 资料和方法
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1.1 FY2C资料
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云顶黑体温度(Black Body Temperature,TBB)能很好地反映各种尺度的对流活动,方宗义和覃丹宇(2006)介绍了TBB在暴雨云团中的使用。本文所使用的是由国家卫星气象中心提供的FY2C逐时产品,FY2C_TBB_IR1_OTG.AWX,分辨率0.1°×0.1°。Keyvan et al.(2004)也采用亮温TBB小于245K定义中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)和TBB小于220K定义MCC。
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1.2 中尺度数值模式(WRF)
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WRF(Weather Research and Forecasting)模式是新一代的中尺度非静力平衡预报以及同化模式。本文采用了3.5.1版本的WRF_ARW,利用0.5°×0.5°的美国全球预报系统资料(Global Forecasting System,GFS)生成模式的初始场和间隔6h的边界条件,模拟时段为2009年6月6日00—6月12日00时,以60s的时间步长积分进行为期6d的模拟,并且设置第一层嵌套模拟结果每6h输出一次,第二层嵌套模拟结果每1h输出一次。表1给出了WRF模拟试验区域和物理方案设计,垂直分层70层至模式顶20hPa。为了减小上边界对惯性重力波反射的影响,在模式的上边界添加了5km厚度的“海绵层”。
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1.3 HYSPLIT轨迹模式
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HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)是一种欧拉-拉格朗日混合计算模式,根据风场预报,可以研究气流的轨迹,可以用来追踪气体漂移方向或气流所携带粒子(赵恒等,2009;梁卓然等,2011)。因此,拉格朗日轨迹分析不但可以研究STE的路径,还可以通过气块在平(对)流层停留的临界时间,来识别不同时间尺度的STE。田红瑛(2013)利用HYSPLIT轨迹模式,分析了青藏高原地UTLS区域的水汽分布特征和水汽来源。庆涛(2014)采用FLEXPART模式研究了对流系统中水凝物的输送特征。Li and Bian(2015)利用TRAJ3D轨迹模式来判断对流顶折叠区高臭氧气团的源区。对于中尺度天气事件,先由WRF模式输出高分辨率气象场,再驱动拉格朗日轨迹模式积分处理,也是常用的方法。本文所用的拉格朗日轨迹模式是HYSPLIT4.9。
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后向(backward)轨迹模拟,可以追踪被输送到平流层的气团的来源、路径和不同时刻所处的具体位置。图1给出了后向模拟的选择区域,位于MCC区域(106°~108.5°E,25.5°~27.5°N),垂直方向上分别取15 100、15 400、15 700m三层作为模拟初始高度,该高度的质点通常已经位于晴空辐射平衡层以上,被认为能自由进入平流层。每层上均匀放置2 000个示踪物粒子,总数6 000个,这些粒子认为是空间中的点,不具有质量、不具有体积,不参加化学反应,只起到示踪的作用。后向模拟时间开始于2009年6月8日16时,逆向追踪8日16时前36h的粒子运动轨迹,输出间隔为1h,同时输出相应位置上气块的多种物理属性(高度、气压等)。
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图1 WRF模拟的2009年6月8日15时12.5km雷达回波(阴影区,单位:dBZ;黑色矩形框为示踪粒子初始位置)
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Fig.1 Radar echo of 12.5km simulated by WRF at 1500UTC 8June2009 (shaded areas,units:dBZ.Black rectangular box is the initial position of tracer particles)
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前向(forward)模拟可以分析近地面边界层的空气,如何被MCC以及它的大尺度环境场向上输送。图1中黑框内分别取地面上300、500、800m三个高度层次作为模拟初始高度,类似地共释放6 000个粒子。前向模拟时间开始于2009年6月8日14时,结束于11日14时,追踪模拟8日14时之后的72h的粒子运动轨迹。
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2 研究结果
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2.1 MCC的天气概况
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2009年6月华南雨季开始后,在我国西南地区出现了数个强度较大的MCC,卫星云图上云顶亮温TBB小于等于-32℃云团为MCS,满足-32℃以下云罩面积在1×105 km2,且-53℃以下云罩面积在5×104 km2以上,维持6h以上的暴雨云团为MCC(Fritsch and Maddox,1981;Maddox,1983)。从FY2C的TBB逐小时资料看,6月8日12时开始,贵州南部生成带状中尺度对流云团。至8日18时(图2),TBB小于等于-32℃的冷云盖面积大于2×105 km2,TBB小于等于-53℃的冷云区面积大于11×104 km2,发展成了近乎椭圆形的强MCC。从8日19时开始(图略),MCC减弱东移。
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WRF较好地模拟了本次MCC过程(图1),从模拟结果看,8日12时,华北、华中地区有一个深厚的低压槽,中心出现552dagpm切断低压,异常深厚的大槽有利于引导冷空气南下入侵我国南方地区(图3a),同时在南部孟加拉湾南支槽发展,云贵地区位于572dagpm等高线槽前,能够得到西南暖湿水汽的持续补充。8日18时(图3b),广西东部至湖南生成一支西南急流,贵州中部地带处在南北气流的强辐合带中。表明,500hPa南、北支双槽和850hPa切变线是此次强对流天气的主要影响系统。
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图2 2009年6月8日18时FY2C的TBB资料(绿、蓝、红、黑等值线分别为-20、-32、-50、-65℃)
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Fig.2 TBB data of FY2C at 1800UTC 8June2009 (Green,blue,red and black contours are-20,-32,-50and-65℃,respectively)
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2.2 MCC顶部空气质点的两个源区
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后向(backward)模拟显示,MCC顶部,初始时刻(8日16时)位于辐射平衡层以上的粒子,一部分来自西南印度洋面上的低空大气,这部分粒子被孟加拉湾南支槽前的西南气流引导(图3a),在低层向东北方向输送至低层辐合带,在4h之内(8日12—16时)被快速垂直输送至MCC顶(图4a中的三维及其垂直投影图)。另一部分粒子来自高原北部上空,相同时刻气团的垂直位置比南支路径(海面上空)气团位置高得多,这部分粒子被高空槽后气流引导(图3b),向东南方向输送至MCC顶。图4b中粒子位置变化的水平投影图,更清楚地呈现了两条不同的输送路径。
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为了明确区分两个源区对粒子输送至平流层所做的贡献,参照图4b将区域划分为南区(88°~113°E,15.5°~28.5°N)和北区(88°~113°E,28.5°~38°N)。由于边界层中大气运动较为复杂,粒子轨迹可能多变,后向轨迹从高空往下跟踪粒子时,以地面上3km为界,区分粒子来源于低层或中高层。后向追踪发现(图5),MCC顶的初始粒子,倒推2h,就开始出现在南区的低层。而倒推6h,总粒子的91.0%属于南区,并且总粒子的46.0%(南区内部的50.5%)来自于南区的低层,这说明,短期内,西南低空急流和强对流的直接垂直输送作用很强,西南方的低层空气被快速输送到了高层。追踪更长的时间,倒推12h,来自北区的空气粒子达到了39.0%,北区内部的84.1%来自对流层中高层。倒推24h,来源于南区的空气粒子占总量的54.9%,而来自南区低层的空气占总量的36.7%;来源于北区的空气占了总量的45.1%,但是来自低层的空气仅占总粒子的10.9%。可见,在后向分析中,短期内(6h内),来源于西南区低层的空气占比很大;随着时间增加(累积到12h以上),而来自北区中高层的空气逐步增加。
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图3 2009年6月8日12时500hPa(a)和200hPa(b)位势高度场(等值线;单位:dagpm)及水平风场,以及2009年6月8日18时850hPa水平风场(c)
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Fig.3 (a)Geopotential height fields (contours;units:dagpm) and horizontal wind fields at (a) 500hPa and (b) 200hPa at 1200UTC 8June2009,and (c)horizontal wind field at 850hPa at 1800UTC 8June2009
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2.3 MCC边界层内空气质点的两种垂直输送途径
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前向(forward)模拟显示,MCC边界层示踪粒子开始释放之后的12h里(8日14时—9日02时),一部分粒子被垂直向上快速输送,很快就到达对流层顶上部,随后粒子转向西偏南方向扩散。这部分粒子直接来源于强对流的垂直输送,输送至对流层顶以上之后粒子沿南亚高压东南侧的偏东风向偏西方向移动(图6a中的三维及其垂直投影图)。另一部分粒子先向东北方向输送,在输送过程中逐渐上升,在11日00时后距离释放源很远的开始上空才到达对流层顶以上,这部分粒子主要是由强对流所在的背景天气尺度或大尺度的系统引起的。图6b给出了粒子位置的水平投影图,可以清晰地看到在这两条路径。
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图4 2009年6月8日16时—7日04时的后向轨迹:(a)示踪粒子空间位置的三维分布及其在两个垂直剖面的投影(色标表示时间);(b)图a的水平投影
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Fig.4 Backward trajectories from 1600UTC 8to 0400UTC 7June2009:(a)three-dimensional distribution of spatial position of tracer particles and its projections on two vertical sections (Color code indicates time);(b)horizontal projection of Fig.4a.The rectangles and arrows indicating two main pathways
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为了研究两条路径向平流层输送的差异,参照图6b两条路径所处区域,将区域范围划分为西区(85°~115°E,12°~38°N)和东北区(115°~160°E,12°~38°N),统计两个区域在14km以上(晴空辐射平衡层上方)逐时粒子的分布,发现MCC下方边界层内的示踪粒子随对流上升时,大部分粒子提前脱离MCC,仅总粒子的24.2%最终达到辐射平衡高度以上的对流层顶部。从前向轨迹统计发现,初始低层边界层内的粒子,2h内,就已出现在西区的高层。6h后,10.2%的示踪粒子已经到达西区高层,而东北区直到12h后,才开始出现示踪粒子。到18h,16.0%的示踪粒子已经到达西区顶部,同时,示踪粒子也开始出现在东北区的高层。36h后,65.5%的示踪粒子位于西区,更有16.9%的示踪粒子到达西区顶部。此时,34.5%的示踪粒子位于东北区,且7.3%的示踪粒子到达了东北区的顶部。
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MCC把边界层空气输送到平流层的两条路径差异很大,是中尺度系统和大尺度背景的共同作用造成的。8日18时,200hPa为南亚高压控制区,高空对应反气旋环流,粒子的释放位置位于南亚高压内的东北侧下方(图8a)。最终能进入平流层的边界层示踪粒子,大部分被MCC强对流垂直迅速向上输送到对流层顶部,受高空南亚高压外围环流影响,示踪粒子上空为西北风,其南侧为东风急流,造成了图6中西部路径的粒子在垂直输送至平流层后转向东南再偏西移动。
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图5 2009年6月8日16时起后向逆推36h至6月7日04时的粒子空间位置的统计分布(红实线、红虚线、蓝实线、蓝虚线、黑实线分别表示南区总粒子数、南区3km以下粒子数、北区总粒子数、北区3km以下粒子数、3km以下总粒子数)
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Fig.5 Statistical distribution of spatial position of tracer particles from 1600UTC 8to 0400UTC 7June2009 (Red solid,red dashed,blue solid,blue dashed and black solid lines denote total number of tracer particles in the south district,number of tracer particles below 3km in the south district,total number of tracer particles in the north district,number of tracer particles below 3km in the north district,and total number of tracer particles below 3km,respectively)
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图6 同图4,但为2009年6月8日14时—11日14时的前向轨迹
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Fig.6 Same as Fig.4,but for forward trajectories from 1400UTC 8to 1400UTC 11June2009
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另一部分边界层粒子脱离MCC后,随低空西南气流向东北输送(图3c)。在前向模拟的图6中,11日00时左右,在华东及东海一带开始有大量的粒子到达对流层顶以上。图8b给出了2009年6月11日00时500hPa位势高度场和到达平流层的粒子位置,此时我国东部沿海受低压槽控制,槽前对应天气尺度的系统抬升,到达此处的粒子,受槽前抬升作用继续向上输送。图8d中等位温线密集区(位涡下凹区)有副热带高空锋面建立,锋前暖空气一侧存在大面积的上升运动(约-0.3Pa/s),使得粒子沿着锋面缓慢向上爬升,并且粒子无法跨锋面快速北上直至前向模拟18h后,才有气团到达对流层上部(图6、图7)。图8c的温度结构和水平风速亦显示,副热带西风急流也位于28°~35°N附近,缓慢的锋面爬升和快速的西风急流相互作用,会使得缓慢向上输送的粒子,会向东延伸到日本上空才能进入平流层,这解释了图6中东部路径粒子的轨迹特性。
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3 讨论和结论
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中尺度对流复合体(MCC)作为一种强盛的对流系统,其导致的直接或间接的对流层向平流层输送(TST),尤其与周边的大尺度系统-南亚高压以及锋面过程相互作用后,输送路径和过程就更加复杂。本文利用WRF开展了数值模拟,结合HYSPLIT拉格朗日轨迹分析,研究了此次强对流天气背景下的TST特征与机制。结果表明:
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1)MCC内对流层顶的示踪粒子有两个源区。短期内(6h内),总粒子的91.0%属于南区,并且南区内部的50.5%来自对流层低层,与MCC及爆发前的西南低空急流有关;随着时间增加,而来自北区中高层的空气逐步增加,累积到12h,来自北区的空气粒子达到了39.0%,其中的84.1%属于北区的中高层空气粒子,被北方高空槽后气流引导。
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2)MCC下方边界层内的示踪粒子随对流上升时,大部分粒子提前脱离MCC,仅总粒子的24.2%最终达到辐射平衡高度以上的对流层顶部(能自由进入平流层)。在向平流层输送粒子时,MCC分别和周边的两个大尺度系统相互作用。最终能进入平流层的粒子,大部分被MCC强对流垂直迅速向上输送到对流层顶部,随后受南亚高压南侧外围环流影响,转而向西移动进入平流层,6h后,10.2%的示踪粒子已经到达西区顶部,18h后,16.0%的示踪粒子已经到达西区顶部。脱离MCC后的一部分粒子,随西南气流向东北输送,遇到中纬度锋面系统,经缓慢的锋面爬升和快速的西风急流相互作用,向东输送到日本上空后也能进入平流层,18h后,示踪粒子也开始出现在东北区的顶部,36h后,亦有7.3%的示踪粒子在此区域到达了对流层顶部。
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致谢:国家卫星气象中心、NASA、NCAR提供了本文所用数据及工具。南京信息工程大学高性计算中心提供了计算支持和帮助。谨致谢忱!
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图7 2009年6月8日14时起前向追踪72h至6月11日14时的粒子空间位置的统计分布(红实线、红虚线、蓝实线、蓝虚线、黑实线分别表示西区总粒子数、西区14km以上粒子数、东北区总粒子数、东北区14km以上粒子数、14km以上总粒子数)
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Fig.7 Statistical distribution of spatial position of tracer particles from 1400UTC 8to 1400UTC 11June2009 (Red solid,red dashed,blue solid,blue dashed and black solid lines denote total number of tracer particles in the west district,number of tracer particles above14km in the west district,total number of tracer particles in the northeast district,number of tracer particles above14km in the northeast district,and total number of tracer particles above14km,respectively)
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图8 2009年6月8日18时200hPa位势高度场(等值线;单位:dagpm)和水平风场(黑色方块为示踪粒子初始位置)(a),6月11日00时500hPa位势高度场(等值线;单位:dagpm)和14km以上粒子的位置(用“+”标记)(b),131°~135°E平均的纬向风速(阴影区;单位:m/s)和温度(等值线;单位:K)的垂直剖面(c),以及131°~135°E平均的位温(蓝色等值线;单位:K)、位涡(红色等值线;单位:PVU)、水平风速(黑色等值线;单位:m/s)和垂直速度(阴影区;单位:Pa/s)的垂直剖面(d).蓝色框及示意箭头表示对流层向平流层输送的路径一,粉色框和示意箭头则表示输送路径二
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Fig.8 (a)Geopotential height field (contours;units:dagpm) and horizontal wind field at 200hPa at 1800UTC 8June2009 (Black square is the initial position of tracer particle),(b)geopotential height field (contours;units:dagpm) at 500hPa and location (mark with “+”) of particles above14km at 0000UTC 11June2009,(c)vertical profile of zonal wind speed (shaded areas;units:m/s) and temperature (contours;units:K) averaged between 131°E and 135°E,and (d)vertical profile of potential temperature (blue contours;units:K),potential vorticity(red contours;unit:PVU),horizontal wind speed(black contours;units:m/s) and vertical velocity(shaded areas;units:Pa/s) averaged between 131°E to 135°E.The blue rectangle and arrow indicating one main pathway of the TST,and the pink rectangle and arrows indicating another pathway
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参考文献
摘要
利用WRF模式对2009年6月发生在西南地区的一次中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex,MCC)天气过程进行了数值模拟,结合HYSPLIT拉格朗日轨迹分析,研究了此次强对流天气调控下的对流层向平流层输送(Troposphere-to-Stratosphere transport,TST)的特征与机制。结果表明:1)MCC内对流层顶附近的粒子有两个源区,短期内(6 h内)来源于西南区低层的空气占比很大,随着时间增加(累积到12 h以上),来自北区中高层的空气逐渐增加;前者与MCC及爆发前的西南低空急流有关,后者由北方高空槽后气流引导。2)MCC下方边界层粒子向平流层输送时,分别受周边的两个大尺度系统共同作用。最终24.2%的边界层粒子能进入平流层,其中大部分被MCC强对流垂直迅速向上输送到对流层顶,随后受南亚高压南侧外围环流影响,转而向西移动进入平流层,而少部分是脱离MCC后的粒子,随西南气流向东北输送,遇到中纬度锋面系统,经缓慢的锋面爬升和快速的西风急流共同作用,向东输送到日本上空后进入平流层。
Abstract
The WRF model was used to simulate a mesoscale convective complex (MCC) weather process in Southwest China in June 2009.Combined with HYSPLIT Lagrangian trajectory analysis,the characteristics and mechanism of troposphere-to-stratosphere transport (TST) dominated by the MCC were discussed.The conclusions are as follows:(1) There are two source regions for particles near the tropopause in the MCC.In a short time (within 6 h),most of them come from the lower troposphere over the southwest region,guided by the low-level southwesterly.With the increase of time (accumulated to more than 12 h),the particles from the middle and upper troposphere over the north region gradually increase,which are guided by the airflow behind the northern upper trough.(2) The 24.2% of particles in the boundary layer below the MCC are transported to the stratosphere,which are also controlled by other two large-scale weather systems around them respectively.Most of the particles that finally enter the stratosphere are transported vertically and quickly into the tropopause by the MCC,and then move westward into the stratosphere under the influence of the peripheral circulation on the south side of the South Asian High.A small parts of the particles that finally enter the stratosphere firstly escape from the MCC,and then are transported to the northeast with the southwest airflow,encounter the mid-latitude frontal system,transport eastward over Japan and also enter the stratosphere through the joint action of slow frontal climb and fast westerly jet.
