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Ktrina S Virts,Robert A Houze Jr.Clouds and Water Vapor in the Tropical Tropopause Transition Layer over Mesoscale Convective Systems[J].Journal of the Atomospheric Sciences,2015,72:4739-4753.
中尺度对流系统中TTL区域的云和水汽研究
KATRINA S. VIRTS AND ROBERT A. HOUZE JR.
Department of Atmospheric Sciences, University of Washinton, Seattle, Washington
摘要：A-Train卫星观测和其他数据表明，中尺度对流系统(MCS)影响对流层到平流层过渡带(TTL)中的水汽含量和冰含量，当MCS的最大雷达回波特征与存在层状云和砧状云的区域一致时，影响最大。大多数MCS与TTL区域中的云有关，MCS相对坐标中显示增加的云量和冰水含量(IWC)向对流层顶冰点(CPT)延伸，尤其是在大型连通的MCS中。MCS附近的对流层水汽浓度是升高的，在靠近MCS中心，TTL区域底部水汽受抑制，可能是由于TTL较高层的相对湿度和云顶沉降的综合影响。在CPT附近观察到弱的湿润，与最深的MCS顶部的冰晶升华的区域一致。在出口区，最大MCS附近的TTL较低层处观察到湿润。对流层高层和TTL低层增加的水汽超出了实质增加的云量和IWC范围，与观测到的径向流出量相一致，表明MCS正在向环境中输送水汽，并且有湿润环境可促成MCS发展的可能性存在。
1 引言
热带地区的深对流云有时会聚集和发展宽阔的降水层状云区和无降水砧状云区。这种具有大型的有组织的特征的云被称为中尺度对流系统(MCSs;Houze 2014,chapter 9)。一半以上的热带降水和潜热是由中尺度对流系统产生(Yuan and Houze 2010,以下简称 YH10)。由于显著的层状降水区，MCS中的潜热是不稳定的(Houze 1982,1989)，而这种不稳定的加热对推动大规模热带环流来说是非常重要的(Hartmann 等1984;Schumacher 等2004)。MCS净辐射加热在对流层上层达到最大正值，在砧状云顶附近最强(Houze 1982)。
2006年发射的CloudSat卫星的观测资料可以分析世界各地的云层垂直结构，Cetrone and Houze(2009) and Yuan 等人(2011,以下简称YHH11)已经使用CloudSat来研究热带MCS的特性。CloudSat 反射率的分布随着砧状云的厚度和与MCS中心相距的距离变化，这与MCS上升气流进入砧状云并沉积而卷出冰粒，或者随着砧状层的年龄增加较大颗粒的重力沉降并最终去除冰粒的情况是一致的。两项研究都注意到陆地和海洋的MCS的砧状云结构之间的差异。陆地的MCS呈现更宽，更高的反射率分布，对流更加强烈，层状降水范围更小，而海洋的MCS呈现更窄分布，模态强度随高度急剧减小，符合宽阔层状地区的发展。
在对流层的中尺度对流系统的垂直结构对在对流层到平流层的过渡带(TTL)区域上的系统的有一定意义的影响。TTL区域约为从高度14公里延伸到18公里以上的稳定的平流层。(Fueglistaler等2009;Randel and Jensen 2013)。TTL区域以下的空气经过净辐射冷却向地面下沉，而在TTL区域中的空气经过净辐射加热时缓慢上升。TTL区域将上升区主要集中在热带湿对流区的对流层的Hadley环流的上升分支和平流层的Brewer-Dobson环流上升分支联系起来。TTL区域的特点是温度极低(Anthes等2008;Kim and Son 2012)，空气上升经过TTL区域冷冻干燥，就产生了Brewer(1949)指出的低平流层水汽浓度。
热带对流区零浮力层(LNB)的平均高度位于12至14公里之间，略低于TTL底层(Takahashi and Luo 2014)。热带深对流区的辐散发生在对流层上部和TTL区域底层(Highwood and Hoskins 1998;Folkins and Martin 2005)。根据CloudSat对砧状云特征的观测，Takahashi and Luo(2012)认为从对流卷出最大质量大约发生在高度11km处，略低于大气探测的LNB。对流层高层中卷云的分布与热带降水分布极为相似，这与深对流上部的卷云的形成与扩散的情况一致(Virts等2010)。在TTL区域中也会出现对流产生的卷云，尽管在更高的高度上的上升层的原位形成越来越重要(Riihimaki and McFarlane 2010;Virts 等2010)。轨迹分析表明，卷云在对流减弱2天后可以持续存在，并且通过平流输送到原对流位置1000km上(Luo and Rossow 2004)。当这种平流发生时，较小冰晶的升华为环境增加了水汽(Soden 2004)。
整个热带地区的观测表明，一些深对流超过了它的LNB并渗透到了TTL区域中，尽管最剧烈的对流集中在陆地上，但海洋和陆地都有这种穿透到TTL区域的深对流发生 (Alcala and Dessler 2002;Liu and Zipser 2005;Zipser等2006)。Alcala and Dessler(2002)用热带降雨测量卫星(TRMM)观测到约5%的对流元素渗透到TTL区域。Takahashi and Luo(2012)报道，CloudSat观测到的最深对流核心的平均云顶高度为15km，在TTL区域范围里。然而，有不到1%的深对流云达到了对流层顶冰点(CPT;Alcala and Dessler 2002;Gettelman等2002;等2006)。这些观察结果表明，热带对流影响了TTL的水汽收支。
通过分析深对流对TTL区域中水汽廓线的影响，解决了这个根本问题：净水汽收支使环境空气湿润还是干燥。由于上升冷空气中饱和混合比下降，对流层上层和TTL区域相对于冰的相对湿度随着高度的增加而增加，TTL区域经常发生过饱和(Luo等2007;Fueglistaler等2009)。以前的研究已经强调了环境相对湿度对对流影响的重要性：在亚饱和区域对流使环境湿润，在过饱和区域观察到脱水现象，这是因为过多水汽通过沉降而沉积在冰上(Jensen等2007;Wright等2009;Hassim and Lane 2010)。Chae等人(2011)分析了在由云气溶胶激光雷达和红外卫星探测(CALIPSO)的数据确认的云顶高度之下的，用微波临边探测器(MLS)观察到的水汽异常，在对流层上层有强烈的湿润，而TTL底层上湿润减少，如果云超过16km则转为脱水状态，这与背景湿度增加则湿润的影响减小的现象一致。他们进一步强调，他们设想的机制并不局限于对流塔和卷云外流，而是可以应用于任何卷云；该机制可能发生在原位或在MCS的层状和砧状顶部的上层。
如上所述，一小部分深对流云穿透了CPT，这穿透性塔包含着极冷、干燥的空气，并被假设为低平流层脱水机制(Danielsen 1993;Sherwood and Dessler 2000)。而这种云的模拟研究表明，由于其在相对温暖的平流层经过升华而留下小冰粒，形成净水合作用 (Chaboureau等2007;Jensen等2007)，观测数据证实了这些模拟结果(例Corti等2008;Khaykin等2009)。然而活跃对流的穿透核心的水平尺度很小，并且仅考虑TTL区域的水汽特性似乎不太可能。Rossow and Pearl(2007)推断，穿透CPT附近的大多数对流与有组织的(即大的)MCS相关；然而，迄今为止，很少有人分析TTL区域中MCS的特征或MCS如何影响TTL区域中的水汽含量，但是MCS控制着热带地区大部分的高层次的云覆盖。MCS的层状部分比嵌入MCS的对流塔大得多，层状区域是有浮力的，并且非常冷的顶部有大范围上升和辐散，表明它们可能对TTL区域的水汽具有相当大的影响。在本文中，我们研究了对流层高层和TTL中MCS的水汽含量和冰含量，以确定这些较大的对流体对高层含水量的影响。
为了识别MCS，我们使用了YH10的数据集，其引入了NASA的A-Train卫星的观测资料中MCS的识别方法(Lrsquo;Ecuyer and Jiang 2010)：中分辨率成像光谱仪(MODIS)观测到的高冷云顶以及微波辐射计(AMSR-E)观测到的降水区域(详见第2节)。A-Train卫星上的其他仪器观测云垂直结构(CloudSat)，包括光学薄卷云层(CALIPSO)的云垂直结构，以及测量TTL中冰水含量(IWC)和水汽浓度(MLS)。总的来说，这些观测提供了一个独特的机会来分析MCS的垂直机构及其对TTL区域中的云和水汽收支的影响。我们分析了YH10数据集中每一个MCS附近的水汽和冰的观测值。本文其余部分如下：YH10 MCS识别方案在第2节进行阐述，以及本次研究中使用的其它卫星数据集；第3节介绍了MCS、TTL区域中云和水汽的气候特征分布；对流层MCS垂直结构和微物理特征在第4节讨论；而TTL区域中MCS的云、冰、水汽的分布在第5节给出；第6节为结论。
2 数据
2.1 A-Train卫星的观测资料
NASA的A-Train系列卫星在太阳同步轨道上运行，在1:30和13:30通过赤道。本研究使用的A-Train仪器，包括从这些仪器中观测到YH10 MCS数据库，将在本节介绍。
2.1.1 MCS数据库
云和降水区是卫星较容易观测到的两个重要的MCS部分。YH10方法首先从Aqua卫星上的两台仪器获得数据：MODIS 10.8-mu;m亮温(TB11)和AMSR- AE-Rain产品(Kummerow等2001;Wilheit等2003;Kummerow and Ferraro 2006)。其方法总结在表1中。
YH10将MCS分成两类。分离的MCS(SMCSs)是降水特征区(PF) 里包含了最大降水核心区(RC)的，并且最多包含另一个主导RC的任何MCS。相邻的生命周期长的MCS有时会合并形成更大的降水系统(Williams and Houze 1987;Maps and Houze 1993)。这种类型的系统被YH10命名为连贯的MCS(CMCS)，其中一个雨区包含了至少三个MCS的最大RC。SMCS发生的频率更高，并且其尺度范围比CMCS更大，因此它们被进一步细分为小型SMCS(面积最小25%，HCS约小于11000km2)，大型SMCS(面积最大25%，HCS约大于41000km2)。在这项研究中，我们分析了在2007-2010年期间热带地区(30°N-30°S)确定的所有MCS。
表1 YH10根据MODIS Tb11和AMSR-E AE_Rain数据识别云和降水特征和MCS的方法(云顶最低温度Tb11RC1min被定义为最大的降水核心，RC1的最冷十分位数的平均值Tb11，改编自YHH11)
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缩写词 |
名称 |
定义 |
|
HCC |
复高云 |
MODIS Tb11包含在一个单一的260K等温线内 |
|
HCS |
高云系统 |
与特定的Tb11最小值相关的HCC部分 |
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PF |
降水特征区 |
以1mm h-1等值线为参数的AMSR-E AE_Rain区域 |
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RC |
降雨核心区 |
任何重叠或位于HCS的PF部分 |
|
缩写词 |
名称 |
定义 |
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HRA |
大雨区 |
降水量达到6mm h-1的PF部分 |
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MCS |
中尺度对流系统 |
最大RC满足以下标准的任何HCS |
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1)总面积超过2000km2 |
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2)在HCS内降水量超过1mm h-1占总面积70%以上 |
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3)RC以上的最低云顶温度(以Tb11RC1min表示)小于220K |
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4)超过10%的RC为HRA |
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SMCS |
分离的中尺度对流系统 |
MCS的最大RC是PF的一部分，并且PF包含任何MCS的主导RC数量在三个以内 |
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CMCS |
连贯的中尺度对流系统 |
MCS的最大RC是PF的一部分，包含至少三个MCS的主导RC 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[21608]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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