论文摘要
上对流层下平流层区域（Upper troposphere lower stratosphere,UTLS）是位于大气压力约200-50 hPa的大气层,近年来的研究已经表明UTLS区域中存在的水蒸气、臭氧以及各种化学组分都对于地球系统的能量平衡以及人类健康具有重要影响。最近,Vernier等人利用NASA卫星观测资料发现了亚洲对流层顶气溶胶层（AsianTropopause AerosolLayer,ATAL）的存在,发现其覆盖区域从中东地区延伸至东亚地区,距离地面高度13 km至18km。这一存在于高空的气溶胶层的发现引起了大气科学界广泛关注,关于其化学组分、形成机理以及其与亚洲季风系统的联系正逐渐成为研究热点。本文基于最新的MERRA2再分析资料,辅以MLS临边探测、CALIPSO星载激光雷达等观测资料,在亚洲夏季风的相关研究基础上,对于一氧化碳,以及含碳气溶胶（黑碳气溶胶、有机碳气溶胶）和沙尘气溶胶在UTLS区域内的传输机理进行了研究,针对亚洲夏季风不同时间尺度的振荡（年际振荡,季节振荡和季节内振荡）等不同变化规律,从水平、经向、纬向对于气溶胶的时空分布进行三维分析,深入探讨了 ATAL的形成机理。此外,本文利用最新的NASA GEOS5全球模式以2008年为例进行个案分析,模拟了亚洲季风区的总气溶胶的辐射强迫对于亚洲夏季风气候和ATAL形成过程的影响。本研究为充分认识ATAL的形成机理及其与亚洲夏季风之间的关系提供了理论基础,并进一步深化了亚洲夏季风系统与气溶胶相互作用的研究。主要研究结果如下:（1）利用MERRA2逐日高分辨率再分析资料,以2008年夏季风爆发期（5月至8月）作为研究时段,对于ATAL形成机理和变化过程与南亚高压季节性变化的关系进行了研究。由于存在大量的生物质燃烧和工业排放,从5月至6月季风爆发初期开始,大量一氧化碳、含碳气溶胶在印度地区和中国地区的对流层中层和上层开始积聚。同时,随着季风爆发逐渐形成的西风开始将沙尘气溶胶从中东等沙漠地区输送至印度半岛。当7月至8月季风爆发达到强盛后,更多沙尘气溶胶被西风输送至印度并在印度西北部以及喜马拉雅山麓等地区积聚。尽管季风爆发带来的强降水存在一定的冲刷作用,显著降低了近地面污染物的含量,但是伴随强降水形成的深对流在地形作用的辅助下,通过两条主要的传输通道（分别为“喜马拉雅-恒河平原通道（HGP通道）”和“四川盆地通道（SB通道））将大气中存在的一氧化碳、含碳气溶胶以及沙尘气溶胶等物质输送至海拔12 km至16 km的高空中。由于对流层顶相对稳定,当近地面的污染物被输送至高空后开始在UTLS区域内积聚,同时在南亚高压反气旋的作用下开始在亚洲季风区范围内水平传输和扩散,并逐渐形成ATAL。除了季节变化以外,ATAL的形成机理也受到亚洲夏季风季节内振荡（包括20-30天周期振荡及其他高频振荡）的影响,其中以20-30天周期振荡为主。整个亚洲夏季风系统和水平、垂直等传输过程都会在季风爆发期内经历4-5次振荡。（2）利用MERRA2逐日高分辨率再分析资料,以2001年至2015年（共计15年）的夏季风爆发期（7月至8月）作为研究时段,对于亚洲季风区内一氧化碳、含碳气溶胶和沙尘气溶胶的时空分布的长时间变化进行分析,发现亚洲季风区内的垂直传输过程和ATAL的形成机理与南亚夏季风的年际振荡和长期变化趋势联系紧密。从季风年际振荡角度出发,以南亚季风区内的降水强度为参照区分强、弱季风年,选取2007、2010,2011和2013年作为强季风年,选取2002、2014和2015年作为弱季风年。相比于弱季风年,强季风年的南亚高压覆盖面更广而且强度更大,季风降水强度也更大。尽管更强的降水对于生物质燃烧等排放过程存在一定的抑制作用,同时降水的湿清除作用也使得近地面至对流层中层区域内的含碳气溶胶和沙尘气溶胶浓度显著降低,但是在UTLS区域南部,一氧化碳、含碳气溶胶和沙尘气溶胶这三种物质的含量都有所上升。由于季风强年降水增多,“喜马拉雅-恒河平原通道”和“四川盆地通道”内的强对流都显著增强,使得两个通道内的垂直传输能力也显著提升。以降水强度为标准,2001年至2015年南亚夏季风整体呈现增强趋势,这一趋势对于季风区内的化学物质以及气溶胶的分布产生重要影响。由于季风降水的增强,使得15年来近地面至对流层中层区域的含碳气溶胶和沙尘气溶胶含量呈现下降趋势。然而随着深对流的增强,近期年份（2010年至2015年）在传输通道内传输的强度高于早期年份（2001年至2006年）。UTLS区域内的一氧化碳和含碳气溶胶含量都随着南亚季风的增强呈现递增趋势,而沙尘气溶胶则受到这种长期变化的影响较小。此外,近期年份的季风爆发时间要早于早期年份,使得在两个主要传输通道内,近期年份的垂直传输过程开始时间早于近期年份。（3）使用NASA最新的GEOS5全球大气环流模式,通过控制组（打开气溶胶辐射强迫）和对照组（关闭气溶胶辐射强迫）两次模拟研究了亚洲季风区内气象场、气溶胶分布场以及对流传输过程对于区域内总气溶胶辐射效应的响应。研究发现,北半球夏季季风区域内的气候条件受到气溶胶辐射效应影响显著,相关实验结果证实了“热泵”理论。季风爆发初期,由干对流而被输送至大气中的沙尘气溶胶和含碳气溶胶等吸收性气溶胶的存在加热了西非地区和中东地区的大气层,减少了近地面对于短波辐射的吸收,继而形成逆温层。被加热的大气上升影响了季风区域内的大气环流,西风带将印度洋的水蒸气输送至印度半岛,为印度中部和北部带来了更多降水,同时减少了东南亚和中国东部的降水,最终导致南亚季风提前爆发。气溶胶的影响使得强盛期内的南亚高压增强并且覆盖区域更广。由于降水的增强,两个传输通道（喜马拉雅-恒河平原通道和四川盆地通道）内的深对流均有所加强,使得气溶胶的垂直传输效率提升。在气溶胶的反馈作用影响下,对流层中层和上层的含碳气溶胶含量均有所上升,而近地面浓度则由于强降水的湿清除作用而下降。沙尘气溶胶在两个主要传输通道内的浓度均有所下降,一方面是由于其受到降水的雨除作用影响更大,另一方面是由于季风爆发强盛期的提前使得西风减弱,导致水平传输量减少。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 袁成
导师: 李占清,王体健
关键词: 亚洲对流层顶气溶胶层,南亚高压,垂直对流传输,季风动力学,气溶胶与季风相互作用
来源: 南京大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 气象学,环境科学与资源利用
单位: 南京大学
分类号: X513;P425.42
总页数: 164
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标签：亚洲对流层顶气溶胶层论文; 南亚高压论文; 垂直对流传输论文; 季风动力学论文; 气溶胶与季风相互作用论文;