南亚季风区近地层向平流层大气输送"烟囱"的三维结构及其形成和维持机制

The South Asian monsoon (SAM) region acts as a 'chimney' to transport air mass from the atmospheric planetary boundary layer (PBL) into the stratosphere.It plays an important role in examining the global stratosphere-troposphere atmospheric mass exchange and its impacts on global climate change. However, systematic research has rarely been reported on this chimney's 3-D structure and associated formation mechanisms. The project proposes to conducts the high resolution Lagrangian simulation, coupling with mesoscale meteorological regional modeling, to represent the details of these air mass transport processes from PBL to the stratosphere. With the aid of backward/forward trajectories tracking combined with the multiple-source observations, the common characteristics of chimney's 3-D structure, multi-scale spatial and temporal structure and its changes, the characters on the PBL sources, pathways, and timescale associated with the transport process will be investigated thoroughly. Taking the typical transport events as the examples, the details on the physical properties changes in the air parcels transport processes will be studied to reveal the chimney transport and formation mechanisms. Subsequently, a conceptual model will be derived from the above analyses. The present research has a high potential to deepen the understanding of stratosphere-troposphere interactions over the SAM region, and provide further evidence for the improvement of atmospheric chemistry and climate model description.

南亚季风区是夏季全球近地层污染物向平流层输送的关键区，其输送通道形成的"烟囱"效应在全球平流层－对流层物质交换过程中具有重要地位。然而，目前对该"烟囱"结构及形成机制等方面认识不足，严重制约了其对全球变化影响的认知水平。本项目将实施中尺度模式与拉格朗日模式耦合的多年高分辨数值模拟，借助海量气块轨迹追踪技术,并结合多源卫星资料的检验分析，构建对流活动影响下南亚季风区大气质量输送"烟囱"的三维结构，并确定"烟囱"气候学意义上的近地层源区、输送路径和时间尺度等输送特征；以典型输送事件为例，解析气块输送过程中物理属性的精细变化，评估深对流和大尺度抬升过程对"烟囱"输送的相对贡献，揭示"烟囱"的形成和维持机制。项目有望最终建立南亚季风区"烟囱"的概念模型，为认识该区域平流层－对流层相互作用及其全球影响提供基础，也为改进模式对平流层－对流层物质交换过程的描述能力和提升区域气候预测水平提供科学依据。

本项目研究以南亚高压控制下的垂直输送通道形成的“烟囱”效应为聚焦点，围绕其结构及形成机制这一主题，实施多年的拉格朗日模式耦合的多年高分辨模拟，借助海量气块轨迹追踪分析技术,拟实现如下研究目标：(1)构建对流活动影响下南亚季风区大气质量输送“烟囱”的三维结构;(2)确定“烟囱”气候学意义上的近地层源区、输送路径和时间尺度等输送特征；(3)以典型输送事件为例，评估深对流和大尺度抬升过程对“烟囱”输送的相对贡献，揭示“烟囱”的形成和维持机制。按照项目研究计划，已完成各项研究任务，并实现了上述既定研究目标。主要进展和成果归纳如下：.(1)进一步基于三维高分辨的拉格朗日数值模拟，发展了基于气块轨迹的平流层-对流层输送与“深”交换通量计算方案；(2)识别了夏季南亚高压及其周边区域对流层－平流层大气质量输送“输送通道”的对流源区，并初步探讨了其季节内变化特征和可能机制；(3)探讨了亚洲季风区夏季大气近地层向对流层顶区域大气输送的气候学特征，定量估算了不同区域的相对贡献；(4)为发现南亚高压模式影响的机制，实施了基于FLEXPART的拉格朗日模型集合模拟。使用拉格朗日后向集合追踪法，从大气通风的角度，探讨南亚高压的双模态对UTLS区域化学成分浓度变化影响的途径，揭示了南亚高压内部大气痕量成分分布及其变化特征；(5)研发了基于高分辨拉格朗日模拟的TME-based降水诊断技术，首次定量分析了南亚高压影响下的低纬区域水汽的输送过程及其对中国降水的影响；（6）基于拉格朗日数值模拟和水汽源区识别技术，确定了并比较了青藏高原东侧极端降水事件水汽源的时空结构特征。结果显示，大气环流流型的建立是极端降水事件发生的前提条件，同时，极端降水区域周边的水汽条件也是强降水预报要考虑的一个因素，这在以后工作中需要进一步的分析研究。.项目有望最终建立南亚季风区“烟囱”的概念模型，为认识该区域平流层－对流层相互作用及其全球影响提供基础，也为改进模式对平流层－对流层物质交换过程的描述能力和提升区域气候预测水平提供科学依据。在本研究项目资助下，共发表相关研究学术论文6篇，其中SCI论文5篇（第一标注2篇，第二标注2篇），核心期刊论文1篇（第一标注1篇）。培养研究生多名，部分成果获得了推广应用。