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。
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