热带对流层顶是水汽和短寿命的物质进入平流层的窗口，在对流层和平流层之间的耦合中发挥着重要作用。关于对流层顶的研究已有多年的研究基础，近年来，热带对流层顶被认为是对流层和平流层之间具有几公里厚度的过渡带，而不是一个尖锐的分界面，被称为热带对流层顶过渡层 (TTL) 。TTL的一种定义是以大气的热力结构来确定的（thermally-based TTL)，即以大气中最不稳定的高度（LMS）为下边界，最冷点的高度（CPT）为其上边界。其中，LMS通常对应于深对流出流的最高高度；CPT对应于大气中最冷点的高度，其对于进入到平流层的水汽浓度具有重要意义。另一种定义TTL的方法是基于示踪物相关关系方法。基于热力学定义的TTL将对流层顶定义为热力转换区，但不考虑平流层与对流层之间的气团混合特征。而利用示踪物相关关系可以识别所有的混合气团，无论混合气团是否来自于thermally-based TTL，还是LMS以下或CPT以上，这也是对流层顶层的一个基本特征。亚洲夏季风区是低层大气成分进入平流层的重要输送通道。人类活动产生的污染物通过此通大道侵入大气上部，对平流层大气成分及其气候效应产生重要影响。开展夏季亚洲季风区大气成分垂直结构以及对流层顶相关研究，对于揭示影响大气成分时空变化的机理，定量评估人类活动对大气成分的影响及其气候环境效应具有重要意义，也为预测区域乃至全球未来气候环境变化提供科学依据。
为了观测和探究夏季亚洲季风区大气成分结构特征以及影响大气时空变化的机理，中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室（LAGEO)“大气成分探空团队”从2009年夏季就在昆明和拉萨开展了连续多年的臭氧、水汽、气溶胶探空观测实验。该研究即利用探空气球实验所获得高分辨率的温度、臭氧、水汽廓线，分别基于热力学和示踪物相关关系对夏季亚洲季风区对流层顶层结构和对流层顶层气团的混合特征进行了研究（图1），并探究了影响TTL气团混合的动力学机理（图2）。
图1 基于热力学和示踪物相关关系的对流层顶层示意图。
图2 一次平流层入侵过程。研究表明，平流层入侵过程会导致气团在LMS以下发生混合。
图3 昆明和拉萨对流层顶转换层气团的混合特征。Zfrac=0表示LMS的高度，Zfrac=1表示CPT的高度。本研究表明在LMS以下，CPT以上2km的高度都观测到混合气团特征。
研究团队发现，在亚洲夏季风区，由示踪物相关关系确定的气团的混合层与基于热力学定义的TTL的范围基本一致，大约是12.5-18km的厚度范围。但是基于臭氧-水汽的示踪物相关关系分析表明，LMS-CPT之间只有30-50%的空气是混合的，且在CPT以上2km依然观测到混合气团（图3），表明在亚洲夏季风区，对流层空气被抬升到平流层的高度。
上述研究成果近期在线发表在AR杂志，该研究受第二次青藏高原科考项目（STEP, 2019QZKK0604）和国家自然科学基金（91837311、42061134012和41975050）的联合资助。
文章信息：
Dianyan Ma, Jianchun Bian*, Dan Li, Zhixuan Bai, QianLi, Jinqiang Zhang, Haoyue Wang, Xiangdong Zheng, Dale F. Hurst, Holger Vomel （2022）, Mixing characteristics within the tropopause transition layer over the Asian summer monsoon region based on ozone and water vapor sounding data, Atmospheric Research, 271, 2022, 106093.
原文链接：
