西北太平洋热带气旋对平流层水汽的影响及其动力和微物理机制研究

Stratospheric water vapor plays a crucial role in regulating Earth’s climate since it is the most powerful greenhouse gas in the atmosphere, and its concentrations were observed to change substantially over the past several decades. Investigating what influnences water vapor levels in the stratosphere is very important for better understanding the greenhouse effect and global climate change. The water vapor content of the stratosphere is largely controlled by vertical transport of overshooting deep convection (ODC). ODC in the tropics and subtropics partially occurs in tropical cyclones (TCs), especially for the Northwest Pacific (NWP) basin. The primary goal of this proposal is to investigate the possible impact and mechanisms of TCs in the NWP basin on the water vapor content in the lower stratosphere. We will employ the satellite (TRMM, CloudSat) data and the Weather Research and Forecasting (WRF) model to address the following problems: (1) What are the macrophysical and microphysical properties, microphysical processes and their evolution of ODC in TCs? (2) What is the influence of overshooting TCs on the distribution and content of water vapor in the stratosphere, and what is the dynamical and microphysical mechanisms responsible for? (3) What is the response of the effect of overshooting TCs on stratospheric water vapor to changes in atmospheric aerosols? The expected objectives are to determine the role of TCs in the NWP basin under different aerosol conditions in modulating stratospheric water vapor content. The outcome of this research is expected to improve our understanding of water vapor changes in the stratosphere.

平流层水汽作为一种极为重要的温室气体，对全球气候具有十分重要的调节作用，研究其变化机制对加深理解全球气候变化具有重要的科学意义。穿透性对流的垂直输送是平流层水汽的一个重要来源。考虑到热带和亚热带地区有很大部分穿透性对流发生在热带气旋里，西北太平洋又是全球热带气旋活动最频繁的地区，本项目拟以西北太平洋热带气旋为研究对象，通过卫星观测资料分析和高分辨率数值模拟及敏感性数值试验，研究：热带气旋里穿透性对流的宏微观结构和微物理过程及其演变特征；伴生穿透性对流的热带气旋对平流层水汽的影响程度和范围，以及导致平流层水汽发生变化的动力和微物理机制；热带气旋对平流层水汽的调节作用对大气气溶胶变化的敏感度和响应规律。希望通过本项目的研究，能为定量评估西北太平洋热带气旋对平流层水汽的贡献提供参考依据，加深对平流层水汽变化的认识和理解。

穿透性对流（简称ODC）的垂直输送是平流层水汽的一个重要来源，热带和亚热带地区的穿透性对流有很大比例发生在热带气旋里。本项目通过卫星数据分析和高分辨率数值模拟，研究西北太平洋热带气旋里穿透性对流的宏微观结构特征和微物理过程及其对平流层水汽的影响与机理。.在项目执行期间，基于新一代高分辨率静止气象卫星观测数据，提出了台风中穿透性对流的自动识别算法，并利用全球降水测量任务平台(GPM)卫星数据进行验证：新算法命中率达到67%，相比同类算法提高了9%，而虚警率为46%，比同类算法降低了42%，表现出更优的性能，对于定量评估台风中穿透性对流的统计特征和台风定强具有重要的应用价值。.利用中尺度数值模式WRF，对卫星观测数据识别出的多个ODC台风开展多种云微物理方案的数值模拟。综合多个例、多微物理方案的模拟，发现穿透性对流主要出现在台风的发展阶段和快速增强阶段，位置主要在眼墙内；ODC的垂直输送导致平流层的水汽和冰晶含量增加，并且冰晶升华是后期平流层水汽增加的主要机制。.针对台风桑美（2006），利用WRF模式，采用粒子谱分档微物理方案（SBM），通过敏感性数值试验调查了气溶胶作为云凝结核（CCN）的浓度变化对登陆台风的移动路径、结构、强度和降水的影响。发现CCN浓度增加对台风的移动路径影响很小，但会促进外围雨带对流发展而减弱内核对流强度，导致台风强度减弱；CCN浓度增加会使台风降水率增加，并且主要集中在外围雨带。CCN浓度变化对台风宏微观结构的改变影响了平流层的水汽含量，并且随着CCN浓度的增加，平流层的水汽含量有所减少。.在本项目资助下，目前已正式发表SCI论文6篇，培养出1名博士和3名硕士。项目预期目标已完成。