夏季东南中亚对流层顶折叠及其对降水的影响研究综述

主要作者与机构：
本文由Liangliang Li、Wenshou Tian、Jiankai Zhang等人撰写，主要研究单位为中国兰州大学大气科学学院的半干旱气候变化教育部重点实验室，以及中国气象科学研究院的西藏高原气象研究所。文章发表在2023年的《Atmospheric Research》期刊上，在线发布时间为4月5日。

学术背景

研究领域与动机：
对流层顶折叠（Tropopause Folding）是大气中平流层-对流层耦合的主要动力学机制，其形成伴随高位涡、低水汽、高臭氧浓度等特点，对大气成分和地表天气有显著影响。以往研究多集中于折叠的时空分布特征及其形成机制，而对夏季折叠对地表降水的影响研究较少。

研究区域涵盖东南中亚与中国西部，这里不仅是干旱与半干旱气候区域，也是“一带一路”经济带的重要连通区域，其降水变化对水资源管理及人类活动具有重要意义。

研究目标：
探讨夏季东南中亚的对流层顶折叠对中亚与中国西部降水的影响，揭示其潜在的动力学机制。

研究方法

研究使用1979-2020年ERA5再分析数据、CPC降水观测数据以及中国206个气象站的雨量计数据，通过对对流层顶折叠的频率及强度分析、降水特征统计及动力机制探讨，揭示其时空影响。

主要方法包括：
1. 折叠识别算法： 基于2PVU动态对流层顶定义，采用最新的三维标记算法识别折叠。 2. 降水特征统计： 使用日降水数据分析总降水量、频率及极端降水特征。 3. 动力与热力分析： 通过构建垂直和水平剖面，研究折叠对位涡、湿度、风场及垂直运动的影响。

主要发现

1. 折叠频率与降水空间分布的双极性模式：

• 东南中亚是夏季对流层顶折叠的热点区域，折叠主要发生在副热带西风急流附近。
• 折叠频发日与降水量异常存在显著相关性。中亚地区降水量显著减少，而中国西北地区降水量显著增加，特别是在青藏高原西北坡与塔里木盆地。

2. 降水贡献率分析：

• 在折叠频发日，青藏高原西北坡及塔里木盆地的降水量占季节总降水量的40%以上，极端降水的贡献率甚至达到50%以上。
• 与非折叠日相比，频发日的日均降水量在上述区域增至3倍。

3. 动力与热力机制：

• 折叠导致高位涡空气从平流层侵入对流层，抬升高度降低至300 hPa。
• 下游地区低层辐合、高层辐散、强湿度异常与上升运动增强，促进降水生成；而中亚上游则因下沉运动和低湿度抑制降水。

4. 折叠强度对降水的影响：

• 折叠强度与降水量呈正相关，强度越大，对西北中国降水的影响越显著。
• 折叠强度增强时，对流层低层湿度和垂直运动增强，其影响区域向西扩展。

研究意义

科学价值： - 揭示了对流层顶折叠对东南中亚与西部中国降水的显著影响，扩展了对对流层-平流层相互作用的理解。 - 证明折叠事件是极端降水的重要触发机制，对区域水文循环与气候预测具有重要参考价值。

应用价值： - 研究为干旱与半干旱区域的水资源管理提供了科学依据。 - 揭示折叠与极端天气事件的联系，可为灾害防御和适应气候变化提供帮助。

研究展望

• 当前研究主要探讨折叠对夏季降水的影响，未来可进一步研究其在不同季节和极端天气事件中的作用。
• 探讨折叠频率的长期趋势及其与全球气候变化的联系。
• 量化折叠对降水“暖湿化”趋势的具体贡献。