平流层重力波活动与平流层-对流层物质交换的关系研究

The dynamic, physical-chemical process and its effect in the region of UTLS plays an important role in the weather and climate change. The fine depiction of the substances exchange in the UTLS is one of the important development fields in the areas of stratosphere processes. Therefore, the systematic study of dynamic and substances exchange process is carried out on the UTLS of the East Asia region can provide scientific and theoretical basis for the development of stratosphere-troposphere coupling model. The project focus on the cut-off-lows over East Asia, employ a combined study of gravity waves and stratosphere-troposphere exchange, use the mesoscale WRF model, the trajectory transport model and multi-site radiosonde data to provide the system understanding of the stratosphere gravity wave activity associated with cut-off-lows, and to estimate the dynamic effect of wave dissipation. With some emphasis, the project would describe the different spatial and temporal scales of substance exchange process, and to explore the relationship between the dynamic effect of wave dissipation and the stratosphere-troposphere exchange.

上对流层-下平流层（UTLS）区域的动力、物理化学过程及其效应对天气、气候变化起着重要的作用，关于该区域物质交换的精细刻画是目前平流层大气过程研究领域的重要发展方向之一。因此，开展东亚地区UTLS区域动力过程及物质交换过程的系统性研究，能为我国平流层-对流层耦合模式的发展提供一定的科学依据与理论基础。本项目聚焦东亚中纬度地区发生的切断低压天气过程，将重力波活动与平流层-对流层物质交换研究相结合，计划使用多站点探空资料，结合中尺度模式及轨迹输送模式，系统揭示伴随切断低压的平流层重力波活动过程，并估计重力波产生的动力效应，重点阐明伴随切断低压的不同时空尺度的平流层-对流层物质交换过程，并探讨波动的动力效应与平流层-对流层物质交换的关系。

项目针对东亚中纬度地区切断低压（东北冷涡）天气系统，结合再分析资料、卫星资料、数值模拟手段，揭示伴随切断低压系统的重力波活动过程、结构、动力效应，获得重力波的水平形态、垂直特征、传播特性、时空谱结构以及动量通量特征和耗散系数廓线。分析切断低压引起的不同时空域的平流层-对流层质量交换过程，结果显示质量交换总效应表现为平流层向对流层的净输送；考察切断低压在上对流层-下平流层（UTLS）区域不同时空域的物质交换情况显示对流层上部的臭氧增加与急流的动力过程、对流层顶的下降有关，而对流层中部的臭氧分布与系统的水平环流分布形势有关；臭氧在300 hPa、500 hPa的残留量（18小时）最大分别为~0.08 ppmv和~0.006 ppmv。重力波的耗散与平流层臭氧的向下输送残留定性上表明了两者之间存在潜在联系。项目研究成果提供了对不同波动源区的平流层重力波特征的认识，加深了中纬度与天气尺度相关的平-对交换机制问题的理解，为我国平流层-对流层耦合模式的发展提供一定的科学依据与理论基础。