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《中国气象科学研究院》 2011年
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北京一次强对流引起TST过程的数值模拟和诊断

胡宁  
【摘要】:平流层对流层交换(STE,stratosphere-troposphere exchange)对大气辐射性质和化学性质有重要影响,是研究大气化学、气候变化,发展平流层对流层耦合模式所必须考虑的过程,是当前国际热点研究领域之一。对流层向平流层的输送( TST ,troposphere-to-stratosphere transport)则是其重要组成部分。随着城市化步伐的加快,城市群近地面高污染区域逐渐形成,强对流天气引起的TST有可能将大气污染物向平流层输送,因而受到研究人员的关注。本文在较成功的模拟北京2008年6月23日午后发生的强对流过程的基础上,将WRF-CHEM中的示踪物模块与WRF模式耦合,模拟了边界层示踪物浓度的时空演变,并分析了CO和水汽等观测资料,尝试从模式模拟和观测角度分别证明北京地区的强对流确实能够引起TST,并可将在北京地区积累的高浓度污染物输送到平流层。研究得到的主要结论为: 1.本次强对流过程是在高空冷涡的影响下发生的,西来对流单体在移动过程中不断发展并在城区合并加强后向东南方向移动,相继在门头沟、城区、房山、大兴等地造成30 mm/h以上强降水,3小时累积降水中心主要位于城区和北京南部地区。切断低压后部中高层干冷空气入侵与近地面偏东风暖湿气流共同造成了此次强对流过程,并引起了对流层顶高度的降低。 2.利用北京快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC)同化多种常规和非常规资料,较为成功的模拟出此次强对流过程中的大尺度天气系统和雷达回波的演变。但是,模拟的雷达回波演变比实况超前1-2 h,模拟的回波顶高也比实况略低。模拟的3小时降水量的落区和分布型与实况较为一致,强度比实况略偏小。 3.边界层示踪物浓度时空变化的模拟和对流层内气块的运动轨迹诊断分析表明,北京地区此次强对流过程引起了TST,北京地区上空积累的CO等污染物能被此次强对流输送到平流层,并在平流层内向下风向长距离输送。对流云中的强上升气流在输送过程中的作用是重要的。潜热释放能够加热气块,产生浮力,有利于强上升气流的产生和维持。 4.强对流引起的快速输送是引起近地面观测的CO浓度在午后急剧下降的原因,模式模拟的浓度下降幅度与相应观测一致。南郊观象台的微波辐射计观测到了强对流引起的下平流层相对湿度和水汽密度的增加,给出了强对流引起TST并将污染物输送到平流层的间接证据。模式和观测均表明强对流引起的向平流层的输送是北京地区污染物进入平流层的主要动力机制之一。
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