青藏高原对流层顶部垂直结构及湍流特性的研究

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青藏高原上对流层—下平流层(Upper Troposphere-Lower Stratosphere,UTLS)中的大气湍流是地—气系统中非常重要的物理过程,对东亚季风环流的形成和全球大气环流的变化有着重要影响。本文主要利用2012年~2016年高垂直分辨率探空数据研究了青藏高原对流层顶及UTLS间大气湍流的结构特征、影响因素及机制分析,主要结果如下:(1)通过改进最冷点对流层顶(Cold Point Tropopause,CPT)定义,对温度廓线进行双高斯函数拟合,提出了一种可靠地识别对流层顶结构的新方法。新方法与CPT、最小位温变化率对流层顶的识别方法相比,最大的优势在于其不仅能识别对流层顶高度(Tropopause Height,TH),还能反映对流层顶的双层结构及过渡层信息;与温度递减率对流层顶相比,在降低漏检率的同时,还能不受阈值的限制,快速、准确地识别双对流层顶结构。(2)基于双高斯函数识别对流层顶结构的新方法,利用高分辨率历史探空数据获取了中国区域对流层顶部结构的时空分布。结果显示,相对于同纬度平原地区,高原核心地区第一对流层高度(TH1)被抬高约1 km;高原对流层顶结构表现出显著的季节性差异,即TH“夏高冬低”,双对流层顶结构发生频率及厚度“夏低冬高”。(3)利用Thorpe方法参数化了夏季高原地区UTLS间Cn2时空分布,整体上呈现出与热源相关的“南强北弱”的分布特征,尤其是海拔高度17~20 km范围内高原南部的Cn2比高原北部平均高了约1个量级;高原南部核心区域的强湍流与TH1的高值区和厚度的低值区相对应,这是因为耸入的热源增强了对流层中上部区域的湍流混合,进而抬升了对流层顶高度。(4)通过对比分析拉萨和大柴旦两典型地区大气湍流垂直结构特征证实了高原热源效应对UTLS湍流活动的影响。受高原热力强迫的影响,拉萨站点大气折射率结构常数Cn2在垂直高度上总体表现为先增大后减小的趋势,在对流层顶区域达到最大值;而大柴旦地区Cn2虽然在对流层顶附近也有增大的趋势,但是强湍流带(Strong Turbulent Band,STB)位置低于最小位温对流层顶高度。两站点Cn2垂直分布尤其是STB的分布与大气稳定度Ri具有非常好的关联性,且大热力混合尺度区(LT)与STB的位置表现出很好的一致性。这三者显著的关联性,一方面说明因热力混合引起的温度强起伏变化是致使理查森数Ri小于0.25的主导因素,另一方面说明热源向上输送被抑制的强度是两站点大气湍流垂直结构及STB位置差异的主要原因。拉萨站点STB中,湍流耗散率ε和湍涡扩散系数K急剧增大,表明该区域的湍流大气具有很强的扩散性,并以小尺度为主的湍流携带物质能量向上输送。(5)除了高原热源效应的影响,夏季高原上空的大气湍流活动还受高层南亚高压的影响。利用2018年夏季在拉萨观测的湍流探空数据,初步讨论了高原上空低层(500 hPa)与高层(100 hPa)的高压活动对UTLS间温度结构常数CT2的影响。反气旋活动的短短数日内,对流层上部CT2起伏变化了约1个量级;高压控制区CT2增大的程度取决于高层和低层之间是否表现出显著的“上高下低”的压力场结构;且对流层顶附近的高压活动会加快低平流层中湍流强度衰弱的速率。
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