基于COSMIC无线电掩星的亚洲夏季风上空对流层顶过渡层气候学

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》:A climatology of the tropopause transition layer over the Asian summer monsoon derived from COSMIC radio occultation

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月28日 来源:Atmospheric and Oceanic Science Letters 3.4

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  亚洲夏季风(ASM)系统是对流层低层水汽和污染物进入全球平流层的重要通道,然而ASM区域上方的对流层顶过渡层(以下简称ASM区域对流层顶过渡层,ATTL)的结构仍未得到充分量化。研究人员利用COSMIC-1/2的20年(2006–2025年)高垂直分辨率全球导

  
亚洲夏季风(ASM)系统是对流层低层水汽和污染物进入全球平流层的重要通道,然而ASM区域上方的对流层顶过渡层(以下简称ASM区域对流层顶过渡层,ATTL)的结构仍未得到充分量化。研究人员利用COSMIC-1/2的20年(2006–2025年)高垂直分辨率全球导航卫星系统(GNSS)无线电掩星观测,推导出ATTL的气候学,其在热力学上定义为最小静力稳定度层(LMS)与冷点对流层顶(CPT)之间的层次。与早期主要绘制温度递减率对流层顶(LRT)或仅CPT的对流层顶气候学不同,这一框架识别了可在何处定义具有物理意义的过渡层。结果表明,ASM区域具有最高的季节性平均对流层顶高度,超过16.5 km,LMS达到近13 km,与近期探空气球估计(约12.5 km)一致。在30°N以南的对流活跃季风区域内,具有物理意义的ATTL通常厚3–5 km。这些发现提供了受物理约束的、基于观测的ATTL特征描述,并阐明其在ASM区域平流层-对流层交换中的意义。
对流层顶过渡层(tropopause transition layer, TTL)是对流层与平流层之间的界面区域,虽然仅有数千米厚,却对水汽、臭氧及其他痕量成分从对流层向平流层的输送起重要控制作用。冷点对流层顶(cold point tropopause, CPT)附近的温度控制上升空气的脱水过程,进而影响平流层水汽与辐射强迫。具有物理意义的TTL需要下边界和上边界都有明确物理含义:通常以最小静力稳定度层(level of minimum stability, LMS)为下边界,以CPT为上边界。LMS-CPT厚度代表从受对流影响的上对流层空气向受辐射控制的低平流层过渡的深度。在亚洲夏季风(Asian summer monsoon, ASM)区域,尤其30°N以南的对流活跃季风区,深对流、高空反气旋和抬高的对流层顶使该过渡层与深对流流出和季风热力强迫密切相关。已有研究基于探空、再分析和GPS无线电掩星资料在部分地区刻画了TTL结构,但空间或时间覆盖有限,再分析产品在上对流层-下平流层(upper troposphere and lower stratosphere, UTLS)区域的小尺度热力结构存在差异,且缺乏以LMS-CPT定义的长期高分辨率ATTL气候学。因此,研究人员利用20年COSMIC-1/2掩星资料开展本研究。该论文发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》。

研究数据与方法方面,研究人员使用COSMIC-1及其后续任务COSMIC-2的level-2湿廓线产品(wetPrf),选取2006–2025年每年7–8月(代表ASM成熟阶段)的温度廓线,并计算位温。质量控制采用基于中位数和中位数绝对偏差的双权(biweight)稳健统计:在每个2°×2°经纬度网格内构建参考廓线与双权标准差,剔除温度偏差超过3倍双权标准差的异常廓线。CPT取温度廓线最低温度层;LRT按世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)标准诊断,即递减率降至2 K km?1以下且其上2 km平均递减率亦低于该值的最低高度;LMS在7–20 km高度范围内寻找位温梯度(dθ/dz)的最小值。各参数逐廓线识别后按2°×2°网格求月平均,再合成2006–2025年7–8月气候态。

### 3.1 ATTL的空间结构

通过将逐廓线诊断结果按2°×2°网格合成,研究发现ASM区域拥有研究域内最高的季节平均对流层顶,超过16.5 km;最高值出现在青藏高原南缘,CPT约18 km,比LRT高约1 km。LMS高度在热带西太平洋、ASMA区域和阿拉伯半岛较高,一般超过12 km,季风核心区接近13 km,伊朗高原可达14 km,与近年探空估计约12.5 km一致。在30°N以南,LMS处温度递减率约9 K km?1,接近干绝热递减率,表明深对流流出可达到很高高度;30°N以北递减率迅速减小,对流影响减弱。物理上有意义的ATTL厚度在30°N以南为3–5 km,热带季风区最薄约3 km。

### 3.2 ATTL的精细热力结构

通过六个经度带(覆盖亚洲夏季风反气旋(Asian summer monsoon anticyclone, ASMA)西缘、核心和东缘)的纬度-高度温度剖面和位温结构分析,研究人员发现ASMA经度带内CPT和LRT从低纬向30°N逐渐抬升,最高约17.5 km;LMS在25°E–125°E等经度带内从赤道
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