上对流层-下平流层精细结构及中小尺度过程研究

The upper troposphere-lower stratosphere (UTLS) is a transition region between the stratosphere and the troposphere. This region exhibits complex dynamical, radiative, chemical and microphysical processes. UTLS vertical structures and its changes play significant role in the stratosphere-troposphere exchange and coupling processes, as well as climate change. This project focus on the problem that the framework for understanding UTLS is clear, but lacking the understanding of many details and processes of different scales, especially the fine structure, small and medium scale processes. We plan to mainly use the high time spatial resolution data observed by the Beijing MST radar which is built and operated by our team, together with the Ka band cloud radar and ERA5 reanalysis data to investigate the fine scale structure of atmospheric elements and components (horizontal wind, vertical velocity, temperature, humidity, ozone and cloud), small and medium scale processes (gravity wave, turbulence) in the UTLS regions and reveal the related physical mechanisms from the aspects of dynamic, radiation, chemistry and micro-physics. The results obtained from this project will contribute to a better understanding of the high-temporal resolution fine structure and smaller time-scale processes and their changes in the UTLS region, which is a key issue urgently need to be investigated. Also, it will provide essential scientific evidences and important references for the improvements of weather and climate forecasting models.

上对流层-下平流层（UTLS）是对流层和平流层之间的过渡区域，有复杂的多尺度动力学、辐射、化学及微物理过程。UTLS垂直结构及其变化对平流层-对流层交换、耦合过程以及气候变化等十分重要。本项目抓住当今国际UTLS研究领域中的重要缺失环节，提炼出可以攻克的前沿问题，以国家重大科技基础设施项目“子午工程”支持下由申请人团队建设、运行以及质控的北京MST雷达独特的高时空分辨率数据为基础，结合Ka波段云雷达及ERA5再分析资料，从动力、辐射、化学及微物理等方面开展华北北京地区UTLS区域大气要素、成分（水平风、垂直速度、温度、湿度、臭氧、云）的精细结构、中小尺度过程（重力波、湍流）及其变化的研究，并探究其中的物理机制。项目成果将为解决国际UTLS研究领域缺失高时空分辨率精细结构、更小时间尺度过程及其变化这一迫切需要深入研究的关键问题，推动UTLS区域全面深入的理解，为天气、气候模式改进做独特贡献。

上对流层-下平流层（UTLS）是对流层与平流层之间的过渡区域，其垂直结构及变化特征对平流层-对流层交换、大气上下层耦合过程研究以及深入理解天气、气候变化十分重要。但是由于探测手段匮乏，国际UTLS研究领域仍然缺乏对UTLS区域精细结构及中小尺度特征过程与变化的认识与理解。功能强大的MST雷达（全球在运行的仅十多部）可以发挥独特的重要作用。本项目应用国家重大科技基础设施项目“子午工程”支持下由申请人团队建设、运行的MST雷达，结合Ka波段云雷达及ERA5再分析资料开展UTLS区域精细结构、中小尺度过程（重力波、湍流）及其变化的研究。. （1）首先发展了新算法，提高了MST雷达数据质量，为本项目提供了重要的数据基础。（2）研究揭示了 UTLS 区域水平风场、垂直速度、云、温度、水汽、臭氧等的精细结构与变化特征，发现下平流层与上对流层大气要素、成分的变化周期与对流层顶高度的主要周期变化较一致，存在日变化及小于24 h的周期变化。表明对流层顶高度的变化对UTLS区域大气要素的分布与变化有重要影响与调制。（3）首次获得中国大陆上空UTLS区域高时空分辨率的大气湍流参数，并阐明了大气静力、动力稳定度对湍流参数分布特征的影响；系统分析了雷达测站上空UTLS区域惯性重力波参数的分布与变化特征，表明UT、LS区域波源存在差异。（4）详细分析了锋面系统伴随的对流层顶折叠过程中UTLS区域大气纬向风、经向风、垂直速度、温度、臭氧、水汽、重力波等的精细结构与变化，揭示了天气系统对UTLS区域精细结构与中小尺度过程及变化的影响。. 研究过程中发展的数据反演及重力波、湍流参数提取方法可推广使用，得到的UTLS区域高时空分辨率的重力波、湍流、对流层顶高度数据集等有重要应用价值。也为数值预报模式提供了非常重要的实测参数输入。本项目的研究成果为促进深入理解UTLS区域大气精细结构与中小尺度过程做出独特的贡献。

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