双对流层顶结构对Ex-UTLS区域物质交换与痕量气体分布的影响

Mid-latitude double tropopauses (DTs), with highest frequency of occurrence in winter and early spring, are manifestations of instability in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) area. They are considered as structures favoring irreversible stratosphere-troposphere exchange (STE). In this project, the Lagrangian trajectory model is used to simulate the transport and mixing processes in the extratropical UTLS (Ex-UTLS) region, and the model results are compared with ozone and CO data from satellite and radiosonde measurements for validation. Based on the simulations, the main characteristics of the transport process in vicinity of DTs regions, e.g. the exchanged mass fluxes, the source and sink of air parcels, pathways, and timescale, are examined, and also the mixing process and the subsequent redistribution of ozone and carbon monoxide. The goal of the simulation is to estimate the role and significance of the impact of DTs on the STE in Ex-UTLS region.

中纬度双对流层顶结构（DTs）多发生在冬春季，是上对流层/下平流层的不稳定区域，常被认为是不可逆平流层-对流层物质交换（STE）的多发地，但是目前仍缺乏关于其在STE中如何起作用的详尽研究。本申请拟采用拉格朗日传输模式，对热带外上对流层/下平流层区域（Ex-UTLS）的交换、混合进行数值模拟，并将模拟结果与卫星数据以及探空数据提供的O3和CO资料进行对比验证，尝试从拉格朗日角度研究DTs区的物质传输特征（空气交换质量通量、气团源汇、传输路径，交换的时间尺度）、混合过程以及其中化学成分(O3，CO)再分布，定量评估DTs对STE的贡献以及对Ex-UTLS区域O3和CO分布的影响。

本研究项目旨在从拉格朗日角度，讨论中高纬度双对流层顶现象在平流层/对流层物质交换中的作用。利用再分析资料与多源卫星资料，结合拉格朗日轨迹模式，统计了双对流层顶的发生时间、空间分布、热力结构和痕量气体分布的气候性特征，并进一步探究了Ex-UTLS区域空气的对流层来源与输送途径。研究表明双对流层顶现象主要伴随罗斯贝波破碎现象出现，是Ex-UTLS区域平流层-对流层物质交换活跃的区域。在中纬度，双对流层顶一年四季均有发生，并且在冬季发生频率大于夏季。在北半球，双对流层顶基本上出现在副热带急流的北侧，双对流层顶频发区域为北半球双对流层顶结构中有约一半空气来自对流层，其源地主要在热带对流旺盛的区域以及大地形区域。在夏季，西太平洋暖池与亚马逊平原是主要源地，在冬季，源地北移至在赤道与北回归线之间，主要位于亚洲季风区。中纬度切断低压的出现也会造成双对流层顶，甚至对流层顶折叠现象出现，本团队利用数值模式模拟了切断低压引起的平流层/对流层交换过程，发现切断低压附近发生平流层向对流层质量通量（STT）与对流层向平流层质量通量（TST）量级相当，但是分布范围不同，STT出现在低压中心西南部，最大通量位置出现在低压 中心东南，TST最大值出现在槽前，并且从低压中心向外STT与TST交替分布。切断低压产生的STT质量通量量级比全球平均STE质量通量大1–2个量级。.亚洲夏季风反气旋北侧，副热带急流引起的不稳定也会产生双对流层顶结构，以火山喷发造成的硫酸盐气溶胶为示踪物，本项目进一步探究了，亚洲夏季风区在大气成分从对流层传输到平流层过程中的作用。火山喷发产生的硫酸盐气溶胶通过亚洲夏季风的反气旋环流从中纬度输送到了热带对流层顶区域，向热带平流层贡献了大量硫酸盐气溶胶。随后，进入到热带平流层的气溶胶可伴随Brewer-Dobson环流的热带上升支缓慢进入热带平流层，开始在全球范围内的传输和扩散。通常认为，中高纬度的火山喷发的气候影响是局地的，短期的，然而我们的研究表明，在亚洲夏季风反气旋环流的影响下，高纬度的火山喷发物也可以参与到全球平流层的大气循环。与冬季环流背景下的气溶胶传输情境对比可以发现，高纬度火山喷发影响全球气溶胶水平的这种情况只有在罗斯贝波破碎频繁的夏季半球才能出现。