超级单体向平流层输送水汽机制的数值模拟

金莲姬　毛志远　肖辉　翟晴飞　杨牧田　黄彦彬

摘要为了揭示深对流云直接向平流层输送水汽的物理机制，利用WRF中尺度模式的理想个例运行方式对CCOPE（Cooperative Convective Precipitation Experiment）试验期间的一次超级单体进行了数值模拟。选用Thompson云微物理过程方案设置一系列初始云滴数浓度（Nc）进行模拟试验后发现，Nc=175 cm-3情形下模拟云的最大垂直风速与实测结果最为接近，并且模拟出了超级单体。因此，本文利用该模拟结果分析了超级单体向平流层输送水汽的机制。1 min一次的输出结果表明：冻干脱水机制与本次所模拟出的平流层加湿没有直接的关系，超级单体向平流层输送水汽的主要机制可能为湍流输送机制，而升华加湿机制的作用很小。这是由于超级单体云上部的冰晶大部分被消耗而形成雪，因此被输送到平流层的主要是雪这种落速较大粒子，这种粒子不易被向上输送但又容易降落，因此升华所形成的水汽量相比湍流输送的水汽量小很多。湍流造成的水汽输送通量密度的量级约为10-9 kg·m2·s-1。

关键词超级單体；垂直输送；平流层水汽；平流层—对流层交换

平流层水汽含量和分布影响辐射和臭氧含量 （Solomon，1999；Ravishankara，2012）。而平流层水汽含量具有明显的长期变化趋势 （Oltmans and Hofmann，1995；毕云等，2008；陈月娟等，2009）。因此，平流层水汽是全球地面气温变化和平流层臭氧恢复的一个影响因子。虽然平流层水汽含量相比对流层的低几个量级，但是平流层水汽的源汇问题由于与全球气候变化相关联而引起人们的关注。 近地面是平流层水汽的源头之一，近地面水汽可以借助深对流—大气大尺度联合输送方式 （Fueglistaler et al.，2005；陈斌等，2012） 或深对流直接输送方式（Dessler，2002；Gettelman et al.，2002）进入平流层。虽然气候模拟中无法直接考虑深对流这种小尺度过程的细节，但仍然需要被参数化并深入研究，这不仅有助于理解云过程的作用，而且可以为气候模式中关于深对流向平流层直接输送水汽过程的参数化提供基础（Gettelman and Birner，2007）。

目前认为，深对流向平流层的水汽直接输送都与过冲式（overshooting）深对流云有关，并且先后提出了冻干脱水机制和升华加湿机制。早期研究者认为过冲深对流云会使平流层变干，因为超过平衡高度的过冲对流云内部的温度低于环境温度，空气能被快速脱水。这是因为在深对流云塔中上升的空气冷却使得水汽发生相变，而所转化的冰相粒子大部分沉降从而使空气脱水（Sherwood and Dessler，2000，2001）。相比云外空气的进入，过冲对流云顶部被脱水空气的进入会使平流层更干。这就是所谓的冻干脱水机制。后来的一些观测 （Corti et al.，2008；Khaykin et al.，2009；Iwasaki et al.，2010） 发现了与深对流相联系的平流层在一段时间内、局部的加湿现象，一些数值模拟结果（Chaboureau et al.，2007；Grosvenor et al.，2007；Chemel et al.，2009；Liu et al.，2010；Chen and Yin，2011）也模拟出了加湿现象，同时在平流层也观测和模拟到了冰晶，认为冰晶升华导致的水汽增加量超过了水汽的直接输送量。这是目前该领域不少研究者所主张的升华加湿机制。至于平流层冰晶的来源目前认为，一个是在过冲式深对流云穿透（penetrate）对流层顶时进入平流层，另一个来源是通过卷云羽方式进入平流层（Wang，2003；Hassim and Lane，2010；Wang et al.，2011；Jain et al.，2013），此外还可以通过平流层局地生成。

一开始人们认为，进入平流层的冰晶总是使平流层加湿，但Grosvenor et al.（2007） 和Jensen et al.（2007） 指出也有例外。当云顶与平流层空气还没有充分混合，深对流减弱时，冰晶会降落出云层，如果冰晶在平流层经历凝华过程，甚至会使下平流层变得干燥。Hassim and Lane （2010） 通过数值模拟证实了该推测。Chemel et al.（2009） 的研究表明深对流过程中冰晶的尺度对下平流层的加湿也有一定的影响，通常尺度越小的冰晶下落速度越慢，在下平流层停留时间也越长，因而更容易与环境空气混合，使下平流层加湿越甚。Chen and Yin （2011）也得到了类似的结果。由此可见，所进入的冰相粒子质量和大小影响很大。而从以上主张升华加湿机制为主的模拟对象来看，都是非超级单体深对流云，进入平流层的冰相粒子以降落缓慢而容易被升华的冰晶为主，因此升华的作用就显得重要。但雷东洋（2012）对超级单体的数值模拟结果表明，进入平流层的物质中冰相粒子总质量相比新进入的水汽量要少得多，但没有进行更深入的分析。事实上，超级单体内会产生较多的难以被抬升的雪霰雹，因此超级单体深对流云直接向平流层的水汽输送机制或许与非超级单体的不同，但这还需要具体研究。

本文将利用WRFSupercell模块对美国中纬度Montana地区在CCOPE（Cooperative Convective Precipitation Experiment）试验期间发生的一次超级单体过程进行数值模拟，通过分析在超级单体发生过程中平流层水汽含量的变化及其成因，考察升华加湿机制在超级单体向平流层输送水汽过程中是否起主要作用。

1超级单体数值模拟

11个例介绍

本次研究选择的深对流是1981年8月2日经过美国Montana市东南部CCOPE（Cooperative Convective Precipitation Experiment）观测中心的超级单体个例 （Knight，1982），该超级单体是一个发生在美国高原上的典型个例。Wang（2003）利用Wisconsin Dynamical/Microphysical Model （WISCDYMM） 云模式模拟了该超级单体，并研究了超级单体向平流层的水汽输送。本文所使用的探空资料与Wang（2003）中的相同，利用WRFSupercell模式对该超级单体进行数值模拟。所使用的当日1746 MDT （Mountain Daylight Time） 的CCOPE试验探空数据，来自超级单体前方90 km左右的Montana市的Knowlton观测站点。Wang（2003）分析指出，在自由对流高度与平衡高度间的相对浅层的对流有效势能 （CAPE） 为3 312 J·kg-1，说明在8月2日穿过Montana东部的气团十分不稳定，非常有利于强对流的发生。此外，低层有强的风垂直切变，粗理查逊数（BRN数）为25，由WK理论（Weisman and Klemp，1982） 可知，非常有利于超级单体的产生。

对于本研究而言，确定对流层顶是必不可少的工作。辛玉姣和田文寿（2011）介绍了几种对流层顶的定义。一般而言，使用高度或气压来表征对流层顶要简便一些（施春华等，2015）。但在研究对流层—平流层相互交换的细节时，也使用位温来定义对流层顶。 由图1可知，最冷点高度和位温分别为153 km和402 K，最干点高度和位温为179 km 和490 K。Chen and Yin（2011）使用了最冷点高度和位温，Liu et al.（2010）采用了最干点对流层顶。本文将采用最冷点位温，原因是考虑到最冷点对流层顶更广泛地被使用。需要说明的是本文中高度均为距离地面高度。

12模式及模拟方案

WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）是美国多所科研机构的科学家们在1997年共同研发出的新一代高分辨率中尺度数值模式系统，极大地促进了对中尺度天气的预报以及模拟研究（王晓君和马浩，2011）。

Hassim and Lane（2010）利用WRF22理想个例方案模擬研究了过冲式深对流云对Tropical Tropopause Layer （TTL）水汽的影响。与他们类似，本文采用WRF341理想个例方案的超级单体模块对1981年8月2日穿过Montana市的超级单体个例进行数值模拟。该模块不考虑地形因素，一层嵌套。本模拟设置空间分辨率为1 km×1 km×02 km，时间分辨率为6 s，模拟区域为120 km×120 km×20 km，积分时长4 h。选取开放侧边界条件，湍流扩散方案选取15 阶 TKE闭合方案，模式顶部设置5 km厚度的阻尼层，选用 Rayleigh阻尼方案，目的是减小重力波的反射。不考虑长波辐射、短波辐射、近地面层、边界层过程，也不进行积云参数化。设置三个坐标轴方向的半径分别为10、10、2 km，中心的扰动位温为38 K的一个热泡，对流通过热泡扰动法启动。

本文采用Thompson云微物理过程方案（Thompson et al.，2004，2008）。考虑到初始云滴数浓度（Cloud droplet number concentration，以下简称Nc） 对模拟结果的影响，本文设置一系列Nc进行模拟。发现当Nc大于230 cm-3时，无法模拟出超级单体，而本文的研究拟专门针对超级单体，所以本文只分析Nc小于230 cm-3的模拟结果。

13超级单体的模拟

图2是初始Nc分别为50、75、175 cm-3时云内的最大垂直速度模拟结果。由图可以看出，主要在第15、38、81/85分钟出现三次云内最大垂直速度的峰值，然后在第115分钟开始进入稳定阶段，此时的最大垂直速度在65 m/s上下波动。试验方利用装甲飞机在雷达弱回波区边缘所观测到的垂直速度最大为55 m/s （Knight，1982），Wang（2003）利用WISCDYMM云模式对该个例的模拟结果中垂直速度最大为60 m/s。本文在初始Nc为175 cm-3时的模拟结果在前100 min与观测结果接近，因此本文主要分析该情形下前100 min的模拟结果。

通过绘制每隔5 min的4 km高度处垂直速度在云内外的分布，发现模拟结果中包含着若干次对流起伏过程，分别为0～20 min、21～60 min、61～100 min三个起伏过程，这与图2云内最大垂直速度的起伏相对应。这三个阶段的情况如下：1）从开始到15分钟内只有一个对流单体，且中间是上升气流，周围是下沉气流（图3a）。2）在第20分钟的4 km高度处垂直速度图上已经出现了2个单体，与Klemp and Wilhelmson （1978） 发现的左、右向传播各一单体一致。图3b是第35分钟的变化，在演变过程中南侧单体在加强，而北侧的在减弱，第60分钟只剩余南侧单体了。对于这两个单体，4 km高度图（图3b）显示上升气流区和下沉气流区占据不同方位。3）模拟云在60～100 min，只有一个单体，在4 km高度图上同样也是上升气流区和下沉气流区占据不同方位（图3c）。

为了更好地给出超级单体的结构特征，与陈宝君等（2012）类似，绘制了雷达反射率因子和风矢图，以85 min的模拟结果为例。从4 km高度处的水平剖面（图4a）和沿着弱回波区中心的南北向、东西向垂直剖面（图4b、c）可以看出中气旋、有界弱回波、悬垂回波和回波墙等超级单体信息。

2超级单体向平流层的水汽输送机制分析

图5是模拟的平流层下层水汽总质量相对于初始时刻的增量及水凝物含量变化曲线（时间分辨率为1 min），这里的平流层下层指的是水平模拟区域内402 K等位温面到模式顶（20 km）之间的区域。由图5可以发现，超级单体经过两次起伏过程使平流层的水汽含量明显增加。至于深对流向平流层的水汽输送机制，人们提出了冻干脱水机制和升华加湿机制。本文虽然模拟出了过冲对流云顶部的脱水现象（图略），但该现象没有扩展到对流层顶，即在云顶到达和超过402 K等位温面时就不再出现。这是由于超级单体在中低层消耗过多的水汽，从而在到达和超过402 K等位温面时，云顶区域没有足够的水汽使空气过饱和（图略），因此不再发生凝华消耗水汽的现象。因此，冻干脱水机制与本次所模拟出的平流层水汽含量的变化没有直接的关系。下面本文将考察升华加湿机制。

21升华加湿机制的作用

图5显示，冰相粒子于第82分钟在平流层开始出现后，其质量到第88分钟时迅速增加到极大值0272 kg，然后减少到第100分钟的0026 kg。而且计算表明平流层下层纯冰平面相对湿度远远低于100%，所计算的平流层瞬时凝华率也一律为0，因此出现在平流层的这些冰相粒子不可能是在平流层通过凝华而产生，只能来自对流层。被输送上去的冰相粒子在不饱和的环境条件下一边升华一边降落，计算表明第88至100分钟冰相粒子的总升华量、剩余量分别为49、26 g，而降落量超过197 g，同时这期间平流层水汽增加了37 t，加上通过侧边界输送出去的9 t，对流层直接输送到平流层的水汽量与冰相升华量等于46 t，远远大于升华量49 g。从平流层下层去掉侧边界通量后的水汽含量变化率和冰相粒子升华率（图6）也可发现，第88至100分钟平均水汽含量变化率（366 t/min）远大于后者的平均值（377 g/min）。这主要与被输送上去的冰相总质量较少，同时降落也较快有关。因此，本文的模拟结果表明，冰相粒子被输送到平流层后，其升华作用并非是平流层水汽量变化的主要机制。而且雷东洋（2012）利用WRFmorrison云微物理方案对阜阳一次超级单体实际个例的模拟结果也表明，升华加湿机制不可能是深对流云对平流层加湿的主要机制。而一些数值模拟结果（Chaboureau et al.，2007；Grosvenor et al.，2007；Chemel et al.，2009；Liu et al.，2010；Chen and Yin，2011）表明，深对流云对平流层的加湿主要通过冰晶升华加湿机制，但这些工作所模拟的云都不是超级单体。很可能超级单体在向平流层的水汽输送机制方面与其他深对流有差异。

为了分析超级单体的独特性，本文将分析进入平流层的水凝物粒子类型。由平流层下层所包含的各类水凝物质量及总水凝物质量（图略）可知，进入平流层的水凝物只有雪和霰，而且其中雪的质量远远大于霰的。由图7可见，在9 km高度（大约-40 ℃）附近产生了大量的冰晶，但冰晶质量随高度的增加很快减少，没有冰晶到达平流层；同时雪混合比从9 km高度开始变得很大，75 min以后一直到对流层顶附近都很大，其中有一些进入平流层。这与前人对其他类型深对流的模拟结果不同，他们的模拟结果主要是冰晶被输送进入平流层，而且超过直接进入平流层的水汽质量（Chaboureau et al.，2007；Grosvenor et al.，2007；Chemel et al.，2009；Liu et al.，2010；Chen and Yin，2011）。由各类水凝物混合比最大值随时间的演变情况（图略），发现本文对超级单体的模拟结果中，雪和霰的混合比最大值都很大。刘晓莉和水旭琼（2015）對冰雹云的模拟结果显示，冰雹最大比水量超过了冰晶的，这与本文的模拟结果类似。因此，本文所模拟的超级单体向平流层输送水汽的机制与其他类型深对流云产生差异的原因为：超级单体与其他类型深对流相比，消耗更多的冰晶，形成更多的雪等大粒子，从而使冰相粒子更难被输送到平流层，因此超级单体输送到平流层的冰相粒子质量更少，所以升华加湿机制对超级单体向平流层输送水汽的作用并不大。至于实际超级单体云中是否主要是雪进入平流层而不是冰晶，还有待观测结果的证实，但由于对云（尤其是深对流云）微物理特征的直接观测能力所限，目前还缺乏相关的直接观测资料。

前面的分析表明，升华加湿机制对超级单体向平流层输送水汽的作用并不大，因此还需要寻找其他影响机制。考虑到深对流云中的冰相粒子被输送到平流层时，需要借助凝华潜热、重力波破碎或湍流输送。而由前面的分析可知，不可能借助凝华潜热。因此，只可能借助重力波破碎或湍流输送。值得一提的是，冰相进入平流层时水汽也一同进入，本文的结果表明，与冰相一同进入的水汽量远远大于冰相升华产生的水汽量。因此，平流层冰相出现后水汽的增加可能依靠重力波破碎或湍流输送作用。而对截止到第100分钟每隔1 min的模拟输出结果的分析表明，没有发现重力波破碎现象，因此下面只分析湍流输送。

22湍流输送

从第82分钟平流层开始出现冰相到第100分钟为止，每隔1 min绘制了402 K等位温面的水汽混合比、TKE（Turbulent Kinetic Energy，湍流动能）和几何高度等直线。其中水汽混合比高水平梯度区可以表明水汽混合比等值面与对流层顶有明显的相交，这说明该区域有明显的水汽STE（StratosphereTroposphere Exchange，平流层—对流层交换）现象；几何高度高水平梯度区表明对流层顶处的重力波深厚，几何高度的不连续变化线有可能对应着重力波破碎现象；TKE高值区表明高湍流区。在这些图中，发现在TKE高值区，水汽混合比水平梯度也高，如第87分钟和第97分钟的情况（图8）。这两个时刻为去掉侧边界通量后平流层下层的水汽含量变化率在第82分钟到第100分钟期间出现极大值的两个时刻（图6）。这说明高湍流区会有明显的水汽STE现象。

为了更直观地展示湍流输送在STE中的作用，本文还绘制了垂直剖面。第87分钟也是冰相粒子升华率极大值出现时刻，此时超级单体处于旺盛时期。图9是沿着图8中TKE高值中心和水汽混合比高水平梯度方向的垂直剖面。由图9可以发现，在TKE大于002 m2/s2区域，402 K等位温线偏向水汽混合比的高值区，表明在该区域有水汽向平流层的输送。同时该区域也有10-8g/kg总水凝物混合比等值线在402 K等位温线之上的现象，表明有冰相在平流层。因为水汽进入平流层和冰相在平流层的现象与较大的TKE相联系，而且没有发现重力波破碎造成各要素的异常空间分布，所以确实是湍流输送造成了平流层水汽的增加。在第97分钟超级单体处于非旺盛时期。图10是类似图9的垂直剖面图。由图10可以发现，与第87分钟类似，402 K等位温线在x=38 km到x=45 km之间偏向水汽混合比的高值区，而在x=37 km附近则偏向水汽混合比的低值区。而这些区域都有比较大的TKE，水汽会通过湍流混合进行STE，使402 K等位温线与等水汽混合比线交叉。因此，湍流输送的作用不能忽视。同时也没有发现重力波破碎造成的输送现象，因此很可能只通过湍流输送进行了水汽的STE。

由前面的图6可以看出，在平流层出现冰相粒子之前也有水汽的STE现象。截止到冰相粒子出现在平流层（第82分钟）之时，平流层水汽增加了14085 t，去掉模式计算造成的来自侧边界的输送量5259 t，实际增加量为8826 t。显然，此阶段平流层加湿与升华机制无关。因为冰相在平流层出现之前水汽变化率与冰相粒子升华无关，而且也不存在通过模式顶向下进入平流层的水汽通量，因此图6中平流层冰相出现前水汽变化率相当于对流层顶处向上的水汽输送通量。这期间向平流层的水汽输送与相变潜热无关，只可能通过重力波破碎或湍流输送。

由模式输出结果可知，从第22分钟开始402 K等位温面上局部区域出现TKE，这与平流层下层水汽含量开始出现明显变化的时间一致（图6）。图6表明，对流层顶处向上的水汽输送通量可正可负，在第29和50分钟分别出现了极大值和极小值。绘制与图8类似的402 K等位温面（图略），如果过TKE高值中心沿着等高线高梯度方向绘制关于水汽混合比和位温垂直剖面（图11），则可以发现在第29分钟高TKE区的等402 K线偏向高水汽混合比区，而在第50分钟则相反，这也许是在第29和50分钟对流层顶处向上的水汽输送通量分别出现了极大值和极小值的主要原因。

计算表明，从第22至82分钟之间由湍流造成的水汽输送通量平均值为255 t/min，相当于水汽通量密度为295×10-9 kg/m2/s，量级约为10-9 kg/m2/s。Chaboureau et al.（2007）计算的深对流向平流层直接输送水汽的通量密度量级为10-3 kg·m-2·s-1（165 km高处），Dessler（2002）和Gettelman et al.（2002）的结果为10-4 kg·m-2·s-1。但他们计算的都是穿透时所发生的水汽输送。而本文所估算的是湍流输送结果，与前人所估算的穿透发生的输送结果相比小得多。值得一提的是，湍流输送容易发生，而穿透输送却是偶发事件。

3结论与讨论

本文在WRF341Supercell理想模块中输入实测探空资料模拟了1981年8月2日穿过美国Montana市东南边的CCOPE（Cooperative Convective Precipitation Experiment）超级单体个例。模拟结果表明，Thompson云微物理过程方案在初始Nc小于230 cm-3时可以模拟出强风暴。其中，Nc=175 cm-3情形下模拟云的最大垂直风速与实测结果最接近，并且发现模拟出了超级单体。因此，本文利用该模拟结果分析了超级单体向平流层输送水汽的物理机制，具体地说，分析了冻干脱水机制和升华加湿机制，并分析了湍流输送的作用。结果表明：

1）本文虽然模拟出了过冲对流云顶部的脱水现象，但该现象没有扩展到对流层顶，即在云顶到达和超过402 K等位温面时就不再出现。这是由于超级单体在中低层消耗过多的水汽，从而在到达和超过402 K等位温面时，云顶区域没有足够的水汽使空气过饱和，因此不再发生凝华消耗水汽的现象。因此，冻干脱水机制与本次所模拟出的平流层水汽含量的变化没有直接的关系。

2）被输送到平流层的冰相粒子升华量/率都远远小于平流层水汽的变化量/率。因此升华加湿机制对平流层水汽含量的影响很小。本文的模拟结果表明，进入平流层的冰相粒子主要是雪，这是由于中层生成的冰晶在被输送到对流层上层的过程中，逐渐转化为雪，到对流层顶已经没有冰晶。雪相对于冰晶，不容易被输送到更高的高度，但又更容易下落而在平流层停留的时间更短。因此进入平流层的雪质量与进入的水汽质量相比要少得多，而且很快降落，因此仅产生少量的升华量。因此升华加湿机制的作用并不大。

3）在对流层顶TKE大值区域都有明显的水汽STE现象，同时在1 min一次的输出结果中也没有发现重力波破碎造成的输送现象。因此，湍流输送在水汽STE中的作用不能忽视。本文所模拟出的平流层水汽的增加可能主要来源于湍流输送。估算结果表明，这种借助湍流的水汽输送通量密度的量级约为10-9 kg/m2/s，相比前人所计算的穿透输送通量密度小很多。这也许是湍流输送机制在过去没有被提及的原因。

本文对一次超级单体向平流层输送水汽过程的模拟中分析出弱升华加湿作用，这与前人对非超级单体深对流的模拟结果有明显的差异，但这只是一次个例一种模拟方案的结果，还需要尝试更多的模拟方案、对更多的个例进行模拟以及与云微物理观测结果的对比来进行证实。

本文在截止到第100分钟每隔1 min一次的输出结果中没有发现重力波破碎造成的输送现象，也许在每个时步的输出结果中能够发现重力波破碎现象。因为重力波破碎是在不稳定情况下发生，而一旦出现不稳定，大气很快通过湍流交换进行调整，从而恢复到稳定情形。因此，还需要通过细化分析来判断是否存在重力波破碎输送机制。

致谢：感谢美国Wisconsin大学的Pao K.Wang 老师提供该文数值模拟所需的超级单体个例环境场资料。感谢美国Maryland大学的 DaLin Zhang老师给予本工作的很多指导。

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