劉鵬 王雨 馮沙 李崇銀 傅云飛

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院大氣探測(cè)與氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

冬、夏季熱帶及副熱帶穿透性對(duì)流氣候特征分析

劉鵬1王雨1馮沙1李崇銀2傅云飛1

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院大氣探測(cè)與氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

文中利用熱帶測(cè)雨衛(wèi)星 （TRMM）搭載的測(cè)雨雷達(dá) （PR）1998～2007年的探測(cè)結(jié)果，就熱帶及副熱帶地區(qū)穿透性對(duì)流的頻次、條件降水強(qiáng)度及垂直廓線等特征進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：深對(duì)流和穿透性對(duì)流都主要發(fā)生在熱帶輻合帶 （ITCZ）、南太平洋輻合帶 （SPCZ）、亞洲季風(fēng)區(qū)、20°N以南的非洲以及美洲等地區(qū)，它們的空間分布具有明顯的地域性和季節(jié)變化特征，而且陸地深對(duì)流更容易發(fā)展成為穿透性對(duì)流，但絕大部分地區(qū)的穿透性對(duì)流頻次不超過(guò)0.2%。對(duì)穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度的分析表明，熱帶及副熱帶大部分地區(qū)的穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度在10mm／h以上，且洋面的條件降水強(qiáng)度要比陸地大，但由于其頻次較小導(dǎo)致其對(duì)總降水的貢獻(xiàn)并不大。盡管深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線的外形比較相似，但相同的高度，深對(duì)流的降水強(qiáng)度要比穿透性對(duì)流偏小，而且這種差異隨海陸和緯度的不同而有所區(qū)別。此外，熱帶地區(qū) （15°S～15°N）冬、夏季深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線都只存在較小差異，并沒有顯示出明顯的季節(jié)變化。

測(cè)雨雷達(dá) 穿透性對(duì)流 降水頻次 降水強(qiáng)度 降水廓線

1 引言

強(qiáng)烈發(fā)展的深對(duì)流系統(tǒng)能夠穿透對(duì)流層頂［Tropical Tropopause Layer （也 譯 為 Tropical Transition Layer），簡(jiǎn)稱 TTL］（Highwood and Hoskins，1998；Sherwood and Dessler，2000；Thuburn and Craig，2002；Fueglistaler et al.，2009；王旻燕和呂達(dá)仁，2007；樊雯璇等，2008），形成所謂的穿透性對(duì)流 （Overshooting Convection，亦即上沖對(duì)流）（Alcala and Dessler，2002）。穿透性對(duì)流不僅可以把行星邊界層的空氣輸送至TTL，使得TTL的大氣同時(shí)具有對(duì)流層和平流層大氣的特性 （Sherwood and Dessler，2000），而且還能將水汽等微量物質(zhì)從對(duì)流層經(jīng)TTL輸送至平流層，進(jìn)而影響TTL及平流層的輻射收支和化學(xué)過(guò)程 （Sherwood and Dessler，2000；Dessler and Kim，1999；Dessler，2002；Salby et al.，2003）。因此，對(duì)穿透性對(duì)流的頻次分布、條件降水強(qiáng)度及垂直結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行研究不僅可以更好地理解TTL和平流層的動(dòng)力、輻射和化學(xué)過(guò)程，而且對(duì)平流層微量物質(zhì)及氣候等的預(yù)測(cè)也具有重要意義 （Sherwood and Dessler，2001；Gettelman et al.，2002；Alcala and Dessler，2002；Fueglistaler et al.，2009）。

早在二十世紀(jì)六、七十年代，美國(guó)學(xué)者就利用機(jī)載成像設(shè)備對(duì)深厚對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行了觀測(cè) （Valovcin，1965；Shenk，1974），而到了七十年代末八十年代初，靜止衛(wèi)星上的11μm紅外通道開始被用于研究雷暴云的云頂高度 （Adler and Fenn，1979；Reynolds，1980；Adler and Fenn，1981；Fujita，1982）。但早期靜止衛(wèi)星上紅外探測(cè)的分辨率較差，對(duì)較小尺度的穿透性對(duì)流無(wú)法識(shí)別 （傅云飛等，2011）。此外，地基測(cè)雨雷達(dá)也是研究穿透性對(duì)流的一種重要方式 （Conway and Zrni，1993；Spratt et al.，1997；Knupp et al.，1998），但其受地域影響較大，如在無(wú)人區(qū)和洋面就無(wú)法采用。因此，我們對(duì)全球范圍內(nèi)穿透性對(duì)流的認(rèn)識(shí)還不夠完善。

1997年11月，美國(guó)和日本聯(lián)合研制的熱帶測(cè)雨衛(wèi)星 （Tropical Rainfall Measuring Mission，簡(jiǎn)稱TRMM）搭載的測(cè)雨雷達(dá) （Precipitation Radar，簡(jiǎn)稱PR）升空，它能對(duì)熱帶及副熱帶地區(qū)的降水系統(tǒng)進(jìn)行很好的觀測(cè)，為進(jìn)一步研究穿透性對(duì)流提供了機(jī)遇。TRMM衛(wèi)星是一顆非太陽(yáng)同步衛(wèi)星，軌道與赤道的傾角約35°，軌道高度為350km（2001年8月7日后調(diào)整為400km），軌道周期約為91.6min，每天在38°S～38°N之間掃描16條軌道。PR天線的掃描角范圍為±17°，每條掃描線上有49個(gè)像素，掃描寬度為215km；PR給出的星下點(diǎn)水平分辨率為4.5km，垂直分辨率為250m，探測(cè)高度自地表向上至20km （Kummerow et al.，1998）。利用TRMM PR探測(cè)結(jié)果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)穿透性對(duì)流開展了一些研究，如Alcala and Dessler（2002）對(duì)發(fā)生在澳大利亞北部的一次穿透性對(duì)流進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其雷達(dá)回波頂高在19km以上，另外，他們還統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)1998、1999年1月和7月間約5%的深對(duì)流降水 （約占總對(duì)流降水的1.5%）為穿透性對(duì)流；Liu and Zipser（2005）利用TRMM升軌前的探測(cè)資料對(duì)穿透性對(duì)流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)有1.3%的熱帶對(duì)流其頂高在14km以上，其中有0.1%甚至超過(guò)17km；陳丹和呂達(dá)仁（2010）對(duì)臺(tái)風(fēng)麥莎和赤道穿透性對(duì)流云團(tuán)進(jìn)行了比較分析。此外，利用TRMM資料，學(xué)者們還對(duì)不同尺度的降水云特征進(jìn)行了研究 （Fu and Liu，2001，2003，2007；Fu et al.，2003，2006；Liu and Fu，2001，2007；傅云飛等，2003，2008；鄭媛媛等，2004；何文英和陳洪斌，2006；劉鵬和傅云飛，2010），這些工作為我們利用TRMM PR探測(cè)資料進(jìn)行研究提供了參考依據(jù)。

TRMM PR從發(fā)射至今，已經(jīng)運(yùn)行10年有余，積累了豐富的降水資料，為開展穿透性對(duì)流的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。傅云飛等 （2011）利用該資料，揭示了夏季亞洲對(duì)流和層云降水雨頂高度的氣候特征，作為該研究的進(jìn)一步深入，本文利用1998年至2007年P(guān)R逐日逐軌探測(cè)資料，就熱帶及副熱帶地區(qū)夏季和冬季的穿透性對(duì)流特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

2 資料和方法

文中主要使用了由 GSFC／NASA （Goddard Space Flight Center，National Aeronautics and Space Administration）發(fā)布的第6版PR 2A25資料。該資料屬TRMM PR二級(jí)產(chǎn)品，是軌道級(jí)資料，它給出了逐條軌道上的降水類型及三維降水強(qiáng)度等信息。根據(jù)TRMM PR的降水反演方案，2A25資料把降水分為層云降水 （PR回波在0℃層附近出現(xiàn)亮帶）、對(duì)流降水 （PR回波無(wú)亮帶，但回波中出現(xiàn)超過(guò)39dBZ的信號(hào)）和其它類型降水（非對(duì)流降水、非層云降水）（Steiner et al.，1995；Awaka et al.，1998）?？紤]到PR的波長(zhǎng)為2.2cm，最小可探測(cè)回波反射率約為17dBZ，相應(yīng)的降水強(qiáng)度為0.4mm／h（Schumacher and Houze，2003），因此，本研究忽略了近地面降水強(qiáng)度小于0.4mm／h的樣本。

Sherwood and Dessler（2000，2001）研究指出，TTL可從14km（～150hPa）一直延伸到18km左右（～70hPa），據(jù)此，我們把PR 2A25雨頂高度（為TRMM PR測(cè)得的第一個(gè)回波信號(hào)高度，文中以0.1mm／h作為判斷閾值）在10km以上的對(duì)流降水定義為深對(duì)流，并把超過(guò)14km進(jìn)入TTL的深對(duì)流定義為穿透性對(duì)流。值得一提的是，文中的雨頂高度是相對(duì)海平面的絕對(duì)高度，而不是相對(duì)地表的高度，這里對(duì)降水云厚度問(wèn)題不做過(guò)多討論。

此外，為便于統(tǒng)計(jì)和作圖，我們將1998～2007年夏季 （6、7、8月）和冬季 （12月和1、2月）的PR 2A25資料處理成空間分辨率為0.5°×0.5°的格點(diǎn)資料，該格點(diǎn)資料給出0.5°×0.5°格點(diǎn)內(nèi)PR觀測(cè)樣本、深對(duì)流和穿透性對(duì)流樣本及其三維降水強(qiáng)度等信息。傅云飛等 （2008）曾指出，0.5°×0.5°格點(diǎn)內(nèi)10年TRMM PR的總探測(cè)樣本已經(jīng)足夠大，具有統(tǒng)計(jì)意義，因此，本文的研究結(jié)果也同樣具有可靠性。

3 結(jié)果

3.1 頻次分布

采用傅云飛等 （2008）對(duì)降水頻次的定義方法，我們對(duì)深對(duì)流頻次進(jìn)行了定義，即格點(diǎn)內(nèi)觀測(cè)到的深對(duì)流次數(shù)與總探測(cè)次數(shù)之比，它指示了深對(duì)流出現(xiàn)的概率?？紤]到該參數(shù)的水平分布可以很好地反映深對(duì)流的區(qū)域性差異，故我們分別給出了0.5°水平分辨率下熱帶和副熱帶地區(qū) （38°S～38°N，下同）深對(duì)流頻次夏季和冬季的水平分布（如圖1所示）?？芍?，深對(duì)流事件主要發(fā)生在熱帶輻合帶 （Intertropical Convergence Zone，簡(jiǎn)稱ITCZ）、南太平洋輻合帶 （South Pacific Convergence Zone，簡(jiǎn)稱SPCZ）、亞洲季風(fēng)區(qū)、20°N以南的非洲以及美洲等地區(qū)。但總體而言，深對(duì)流出現(xiàn)頻次較小，大部分地區(qū)都不超過(guò)0.8%，相對(duì)較大的深對(duì)流頻次 （0.8%以上）主要出現(xiàn)在中部非洲、夏季青藏高原南麓以及夏季中北美洲西海岸等地。

此外，同一地區(qū)，夏季和冬季的深對(duì)流頻次存在明顯差別，具有顯著的季節(jié)變化，如冬季 （圖1b），深對(duì)流主要出現(xiàn)在南半球，而北半球相對(duì)少得多，大部分北半球區(qū)域的深對(duì)流頻次不超過(guò)0.05%，而到了夏季（圖1a），深對(duì)流則主要發(fā)生在北半球，明顯的向北移動(dòng)，在非洲中部、亞洲季風(fēng)區(qū)以及中北部美洲都存在深對(duì)流頻次較大的區(qū)域。

此外，圖1還表明絕大部分洋面的深對(duì)流頻次都在0.4%以下，而陸地深對(duì)流頻次則明顯偏大，不少區(qū)域其值超過(guò)0.6%，如中部非洲等地?？梢姡顚?duì)流頻次具有顯著的海陸差異，這可能與不同下墊面對(duì)降水云厚度存在影響有關(guān) （傅云飛等，2012）。

進(jìn)一步，為定量分析不同雨頂高度深對(duì)流出現(xiàn)的比例，我們統(tǒng)計(jì)了深對(duì)流雨頂高度的概率密度分布（不同雨頂高度深對(duì)流次數(shù)占深對(duì)流總次數(shù)的比例），如圖2所示。圖2表明，在熱帶及副熱帶地區(qū)，無(wú)論夏季 （圖2a），還是冬季 （圖2b），隨著雨頂高度的增加，相應(yīng)雨頂高度的深對(duì)流所占比例以指數(shù)形式迅速減小，而且冬、夏季雨頂高度在18km以上的深對(duì)流占深對(duì)流總次數(shù)的比例都很小（不足0.15%），這與DeMott and Rutledge（1998）利用船載雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果對(duì)西太平洋對(duì)流云頂高度（0－dBZlevel）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一致的。

圖1 夏季 （a）和冬季 （b）深對(duì)流頻次分布Fig.1 Distributions of deep convection frequencies in（a）summer and（b）winter

圖2 夏季 （a）和冬季 （b）深對(duì)流概率密度分布 （柱狀圖）和陸地深對(duì)流所占比例 （黑線）及其線性擬合 （紅線）Fig.2 Probability density functions（PDFs）of deep convections over the tropical and subtropical regions in（a）summer and（b）winter（bar），the fraction of rain tops occurring over continental regions（black line）and its linear fitting（red line）

此外，圖2還給出了不同雨頂高度的陸地深對(duì)流次數(shù)占相應(yīng)雨頂高度深對(duì)流總次數(shù)的比例 （黑線）?？梢钥吹?，雨頂高度較低的時(shí)候，洋面深對(duì)流占較大的比例，如冬、夏季的洋面分別有60.1%和59.3%的深對(duì)流其雨頂高度介于10km和10.5km之間，而隨著雨頂高度的增加，陸地深對(duì)流所占比例隨之增加，如雨頂高度在14～14.5km之間的深對(duì)流冬、夏季陸地分別占深對(duì)流總次數(shù)的53.4%和55.2%，而且雨頂高度超過(guò)18km的深對(duì)流夏季陸地所占比例可達(dá)77.3%，說(shuō)明陸地深對(duì)流更容易發(fā)展成為穿透性對(duì)流。這和學(xué)者們的研究結(jié)果一致，如Nesbitt等 （2000）曾利用1998年8、9、10月的TRMM PR和TMI資料對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng) （mesoscale convective systems）進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)陸地上的中尺度對(duì)流系統(tǒng)比洋面上的更容易穿透進(jìn)入TTL；Alcala and Dessler（2002）對(duì)1998、1999年1月和7月深對(duì)流的統(tǒng)計(jì)也有類似的結(jié)果。實(shí)際上，當(dāng)雨頂高度介于10～17km之間時(shí)，陸地深對(duì)流所占比例與雨頂高度有很好的線性關(guān)系 （圖2中紅線為其線性擬合），冬、夏季兩者的相關(guān)系數(shù)（R）分別為0.994和0.998，這一線性關(guān)系可能對(duì)模式中的降水參數(shù)化具有幫助。

圖3 夏季 （a）和冬季 （b）穿透性對(duì)流頻次分布Fig.3 Distributions of overshooting convection frequencies in（a）summer and（b）winter

圖4 冬、夏季緯向平均的穿透性對(duì)流頻次分布Fig.4 Zonal mean of overshooting convection frequencies in summer（red line）and winter（blue line）

同深對(duì)流頻次相似，我們定義了穿透性對(duì)流頻次（格點(diǎn)內(nèi)觀測(cè)到的穿透性對(duì)流次數(shù)與總探測(cè)次數(shù)之比），其水平分布如圖3所示。對(duì)比圖3和圖1，不難發(fā)現(xiàn)，冬季和夏季，穿透性對(duì)流頻次和深對(duì)流頻次的水平分布都有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者顯示出了相似的地域性和季節(jié)變化特征。但是，深對(duì)流和穿透性對(duì)流之間仍然存在一定的差別。首先，穿透性對(duì)流的覆蓋范圍明顯比深對(duì)流小，這主要體現(xiàn)在洋面上，如高緯度洋面冬、夏季都有一定頻次的深對(duì)流出現(xiàn)，而這些區(qū)域則很少出現(xiàn)穿透性對(duì)流；其次，同深對(duì)流頻次相比，穿透性對(duì)流頻次明顯偏小，絕大部分地區(qū)的穿透性對(duì)流頻次不超過(guò)0.2%；再者，穿透性對(duì)流頻次顯示出了比深對(duì)流頻次更加明顯的海陸差異：陸地的穿透性對(duì)流頻次多在0.05%以上，而洋面頻次超過(guò)0.05%的穿透性對(duì)流并不多見。

此外，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，全球平均的穿透性對(duì)流性頻次冬季和夏季分別為0.027%和0.031%，這比Alcala and Dessler（2002）的結(jié)果 （＞0.01%）明顯偏大，產(chǎn)生這種差異主要有以下幾方面的原因：首先，Alcala and Dessler（2002）在判斷雷達(dá)回波頂高時(shí)要求至少連續(xù)6層 （厚度≥1.5km）其雷達(dá)回波強(qiáng)度大于12dBZ，這會(huì)對(duì)穿透性對(duì)流樣本產(chǎn)生很明顯的低估；其次，Alcala and Dessler（2002）采用的分辨率為5°×5°，而我們所使用的分辨率為0.5°×0.5°，不同的分辨率必然會(huì)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生影響；再者，Alcala and Dessler（2002）所用資料時(shí)間為1998、1999年的1月和7月，文中采用資料的時(shí)間長(zhǎng)度大10年，時(shí)間長(zhǎng)度不同，也會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果有所差別。

上面的分析表明，穿透性對(duì)流頻次存在明顯的季節(jié)變化。為進(jìn)一步了解這一特征，我們給出了冬、夏季緯向平均的穿透性對(duì)流頻次 （圖4）。由圖4可知，冬季 （藍(lán)線），穿透性對(duì)流主要分布在南半球，緯向平均的穿透性對(duì)流頻次高值區(qū)主要位于20°S至赤道之間，其值在0.03%以上。而到了夏季 （紅線），南半球穿透性對(duì)流顯著減少，其分布明顯向北移動(dòng)，峰值 （超過(guò)0.04%）位于10°N附近，主要是中部非洲和東太平洋沿岸等地的貢獻(xiàn) （圖3）；此外，受亞洲季風(fēng)區(qū)和美國(guó)大陸的影響，20°N～30°N緯度帶緯向平均的穿透性對(duì)流頻次也在0.03%以上。

3.2 條件降水強(qiáng)度

利用PR 2A25資料，學(xué)者們針對(duì)不同區(qū)域?qū)α鹘邓臈l件降水強(qiáng)度 （0.5°格點(diǎn)內(nèi)PR測(cè)得的總降水強(qiáng)度與相應(yīng)降水總像素的比值）進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)，如Liu and Fu（2001）統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)熱帶及副熱帶地區(qū)深對(duì)流的條件降水強(qiáng)度約為8.6mm／h，而夏季東亞陸地對(duì)流降水的條件降水強(qiáng)度可達(dá)15.5mm／h（Fu et al.，2003），可見，不同區(qū)域?qū)α鹘邓臈l件降水強(qiáng)度存在很大差別 （Liu and Fu，2001；Fu et al.，2003；傅云飛等，2008；劉鵬和傅云飛，2010）。下面，我們將利用十年的PR 2A25資料，對(duì)穿透性對(duì)流的條件降水強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

0.5°水平分辨率下，熱帶及副熱帶地區(qū)夏季和冬季的穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度水平分布如圖5所示。從圖5中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，熱帶及副熱帶大部分地區(qū)的穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度在10mm／h以上，冬、夏季所占面積比例 （條件降水強(qiáng)度在10mm／h以上的格點(diǎn)數(shù)與穿透性對(duì)流總格點(diǎn)數(shù)的比例）分別為69%和67%，而且冬季和夏季分別有11%和8.5%的地區(qū)其條件降水強(qiáng)度超過(guò)25mm／h，可見，穿透性對(duì)流的條件降水強(qiáng)度較大。此外，我們還計(jì)算了冬、夏季全球平均的穿透性對(duì)流的條件降水強(qiáng)度，分別為14.8mm／h和14mm／h，這比Liu and Fu（2001）統(tǒng)計(jì)的深對(duì)流條件降水強(qiáng)度（8.6mm／h）大得多。這說(shuō)明雨頂高度越高，地表的條件降水強(qiáng)度越大，這和傅云飛等 （2012）的研究結(jié)果是一致的。

圖5還表明穿透性對(duì)流的條件降水強(qiáng)度同樣存在明顯的海陸差異，主要體現(xiàn)為洋面條件降水強(qiáng)度要高于陸地，這可能源于洋面降水系統(tǒng)易于獲得充足的水汽。為定量分析穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度的這種海陸差異，我們給出了冬、夏季陸地和洋面穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度的概率密度分布 （不同條件降水強(qiáng)度的穿透性對(duì)流次數(shù)占穿透性對(duì)流總次數(shù)的比例）（如圖6所示）。可以看到，陸地和洋面穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度概率密度存在一定的差異。首先，洋面和陸地概率密度達(dá)到峰值的條件降水強(qiáng)度略有不同，洋面概率密度峰值在6.5mm／h左右，而陸地稍大，在7.5mm／h附近；其次，陸地穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度超過(guò)40mm／h的很少，夏季和冬季的面積比例分別為1.8%和1.6%，而洋面其所占面積較大，夏季和冬季分別為7.0%和6.1%。

前面的分析表明，盡管穿透性對(duì)流的頻次很小，但是其條件降水強(qiáng)度卻很大。降水頻次和條件降水強(qiáng)度的變化都會(huì)對(duì)局地的降水量產(chǎn)生影響。下面，我們將對(duì)穿透性對(duì)流對(duì)總降水的貢獻(xiàn) （各格點(diǎn)穿透性對(duì)流總降水強(qiáng)度與相應(yīng)格點(diǎn)探測(cè)到的總降水強(qiáng)度之比）作進(jìn)一步的探討。圖7給出了基于PR十年探測(cè)結(jié)果的熱帶及副熱帶穿透性對(duì)流對(duì)總降水貢獻(xiàn)的水平分布，可知熱帶及副熱帶地區(qū)穿透性對(duì)流對(duì)總降水貢獻(xiàn)冬、夏季都不大，大部分區(qū)域都在3%以下，冬季和夏季所占面積比例 （格點(diǎn)數(shù)之比）分別為78%和74%，貢獻(xiàn)大于12%的區(qū)域并不多見，冬、夏季所占面積比例 （格點(diǎn)數(shù)之比）分別為1.9%和3%，且這些區(qū)域主要位于陸地。

3.3 降水廓線

降水廓線是由測(cè)雨雷達(dá)回波信號(hào)反演得到的不同高度降水強(qiáng)度的分布，它是降水垂直結(jié)構(gòu)的直觀表現(xiàn)。實(shí)際上，降水廓線反映了降水云團(tuán)的熱—?jiǎng)恿Y(jié)構(gòu)和微物理過(guò)程特征 （傅云飛等，2008），如降水廓線隨高度向地表增加 （減少）的現(xiàn)象是由于降水粒子在下降過(guò)程中增長(zhǎng) （破碎、蒸發(fā)）所致 （Fujiyoshi et al.，1980；Szoke et al.，1986；Hobbs，1989），而陸地和洋面降水廓線的區(qū)別則與降水云中上升氣流的差異有關(guān) （Zipser and Lutz，1994）。利用TRMM PR探測(cè)資料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型降水的廓線已經(jīng)開展了一些研究 （Fu and Liu，2001；Liu and Fu，2001；Fu et al.，2003）。文中我們將針對(duì)熱帶及副熱帶地區(qū)穿透性對(duì)流降水廓線的結(jié)構(gòu)特征作進(jìn)一步探討。

Liu and Fu（2001）利用1998年TRMM PR的探測(cè)結(jié)果研究指出，由于平均降水廓線和降水廓線EOF分析的第一模態(tài) （解釋方差最大）非常相似，故可以直接用平均降水廓線來(lái)研究降水垂直結(jié)構(gòu)特征?；诖?，我們給出了15°S～35°S、15°S～15°N和15°N～35°N三個(gè)緯度帶陸地和洋面穿透性對(duì)流降水10年平均的冬、夏季降水廓線 （圖8）。作為對(duì)比，圖8還給出了深對(duì)流降水廓線 （僅包括雨頂高度＜14km的深對(duì)流）。此外，由于夏季15°S～35°S和冬季15°N～35°N緯度帶穿透性對(duì)流樣本太少，我們并未給出其廓線。

首先，可以看到，盡管深對(duì)流和穿透性對(duì)流的近地表降水強(qiáng)度和雨頂高度存在很大差別，但二者降水廓線的外形仍比較相似，如二者降水廓線的凍結(jié)層均清晰可見（4km附近，不同區(qū)域略有差異），并且都顯示出了明顯的四層結(jié)構(gòu) （Liu and Fu，2001）。這說(shuō)明對(duì)同一種降水類型而言，即使近地表降水強(qiáng)度和雨頂高度不同，它們的平均降水廓線仍具有相似性，這與Liu and Fu（2001）的研究結(jié)果相符。此外，在雨頂高度的穩(wěn)定性方面，深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線也較為類似。無(wú)論是陸地還是洋面，三個(gè)緯度帶深對(duì)流降水廓線的雨頂高度都在12.5km附近，而穿透性對(duì)流降水廓線的雨頂高度則在17km左右，兩者降水廓線的雨頂高度都沒有顯示出明顯的海陸差異和緯度差異。

但是，盡管穿透性對(duì)流降水廓線的雨頂高度沒有明顯的海陸差異和緯度差異，但它們各層的降水強(qiáng)度卻存在顯著的海陸差異和緯度差異，即相同的高度，洋面的降水強(qiáng)度要比陸地偏大，以2km處的條件降水強(qiáng)度為例，冬季15°S～35°S洋面的穿透性對(duì)流在2km處的降水強(qiáng)度為20.3mm／h，而陸地僅為10.8mm／h，比洋面小9.5mm／h；再如，夏季15°N～35°N洋面的穿透性對(duì)流降水廓線顯示其在2km處的降水強(qiáng)度為16.9mm／h，而陸地為9.3mm／h，海陸之間相差7.6mm／h，比15°S～35°S緯度帶小1.9mm／h；相比之下，15°S～15°N緯度帶穿透性對(duì)流降水廓線在2km處降水強(qiáng)度的海陸差異更小，冬、夏季分別為6.7mm／h和5.9mm／h。這不僅說(shuō)明穿透性對(duì)流降水廓線在2km處的降水強(qiáng)度存在明顯的海陸差異，而且這種差異在較高緯度帶更甚。

圖5 夏季 （a）和冬季 （b）穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度Fig.5 Conditional rain rates of overshooting convections in（a）summer and（b）winter

圖6 陸地 （實(shí)線）和洋面 （虛線）冬季 （藍(lán)色）、夏季 （紅色）穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度概率密度Fig.6 Probability density functions（PDFs）of overshooting convections'conditional rain rates over land （solid line）and ocean（dashed line）in summer（red line）and winter（blue line）

圖7 夏季 （a）和冬季 （b）穿透性對(duì)流對(duì)總降水的貢獻(xiàn)Fig.7 Distributions of overshooting convections'contribution to total rain in each grid for（a）summer and（b）winter

圖8 陸地 （a－c）和洋面 （d－f）冬季 （藍(lán)色）、夏季 （紅色）深對(duì)流 （實(shí)線）和穿透性對(duì)流 （虛線）降水廓線：（a、d）15°S～35°S；（b、e）15°S～15°N；（c、f）15°N～35°NFig.8Precipitation profiles of deep（solid line）and overshooting（dashed line）convections over（a－c）land and（d－f）ocean between（a，d）15°S－35°S，（b，e）15°S－15°N，and（c，f）15°N－35°N during summer（red line）and winter（blue line）

深對(duì)流降水廓線不同高度的降水強(qiáng)度也顯示出了與穿透性對(duì)流相似的海陸差異和緯度差異，但對(duì)同一高度而言，這種差異較穿透性對(duì)流降水小。如，冬季15°S～35°S緯度帶洋面兩者在2km處的降水強(qiáng)度分別為16mm／h和20.3mm／h，它們之間的差值達(dá)7.3mm／h，而同緯度陸地兩者2km處降水強(qiáng)度的差異就要小得多 （其值分別為9.1mm／h和10.8mm／h）。相比之下，其它兩個(gè)區(qū)域的這種差異有所減小，夏季 （冬季）15°S～15°N緯度帶深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線在2km處降水強(qiáng)度的差 值 洋 面 和 陸 地 為 2.4mm／h（2.5mm／h）和1.3mm／h（1.1mm／h），而夏季15°N～35°N 緯度帶則分別為3.5mm／h和1.7mm／h。

此外，由圖8還可以看到，在熱帶地區(qū) （15°S～15°N），冬、夏季深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線僅存在略微差異，并沒有顯示出明顯的季節(jié)變化。Liu and Fu（2001）曾對(duì)不同緯度帶降水廓線的季節(jié)變化進(jìn)行過(guò)比較，指出低緯度地區(qū) （15°S～15°N）降水廓線的季節(jié)變化要比高緯度 （30°N～35°N）小得多，這與本文的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文利用1998～2007年的PR 2A25資料，就冬、夏季熱帶及副熱帶地區(qū)穿透性對(duì)流的頻次、條件降水強(qiáng)度及垂直廓線等特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，取得如下結(jié)果：

（1）深對(duì)流和穿透性對(duì)流都主要發(fā)生在熱帶輻合帶 （ITCZ）、南太平洋輻合帶 （SPCZ）、亞洲季風(fēng)區(qū)、20°N以南的非洲以及美洲等地區(qū)，且冬、夏季之間存在明顯的差別，顯示出了明顯的地域性和季節(jié)變化特征。同時(shí)，陸地的深對(duì)流和穿透性對(duì)流頻次較洋面偏大，這可能是由于下墊面狀況對(duì)降水云的厚度存在影響。此外，陸地穿透性對(duì)流占總穿透性對(duì)流的大部分，表明陸地深對(duì)流更容易發(fā)展成為穿透性對(duì)流。但總體上，絕大部分地區(qū)的穿透性對(duì)流頻次不超過(guò)0.2%。

（2）對(duì)穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度的分析表明，熱帶及副熱帶大部分地區(qū)的穿透性對(duì)流條件降水強(qiáng)度在10mm／h以上，且有不少區(qū)域超過(guò)25mm／h。洋面穿透性對(duì)流的條件降水強(qiáng)度要高于陸地，這可能源于洋面降水系統(tǒng)易獲得充足的水汽。統(tǒng)計(jì)還表明，盡管穿透性對(duì)流的條件降水強(qiáng)度很大，但由于其頻次較小，故其對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)并不大。

（3）深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線的外形比較相似，且二者降水廓線的雨頂高度都沒有顯示出明顯的海陸差異和緯度差異，但不同高度的降水強(qiáng)度卻存在顯著的海陸差異和緯度差異。即，相同的高度，洋面的降水強(qiáng)度要比陸地偏大，而且高緯度帶大于低緯度帶。對(duì)同一高度而言，深對(duì)流的降水強(qiáng)度比穿透性對(duì)流偏小，而且這種差異隨海陸和緯度的不同而有所區(qū)別。此外，熱帶地區(qū) （15°S～15°N），冬、夏季深對(duì)流和穿透性對(duì)流降水廓線僅存在略微差異，并沒有顯示出明顯的季節(jié)變化。

致謝感謝日本國(guó)家空間發(fā)展署 （JAXA）的地球觀測(cè)研究中心（EORC）和美國(guó)航空航天局 （NASA）的戈大德空間飛行中心 （GSFC）為本研究提供TRMM PR資料。對(duì)審稿人提出的寶貴意見表示感謝！

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2StateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics，InstituteofAtmos
phericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029

The climatological characteristics of overshooting convective precipitation including frequency，conditional rain rate，and precipitation profiles are investigated based on the measurements of Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）Precipitation Radar（PR）during 1998－2007over the tropical and subtropical areas.Results indicate that both deep and overshooting convections are mainly distributed over the intertropical convergence zone，the South Pacific convergence zone，the Asia monsoon region，Africa south of 20°N，and America.The distributions of deep and overshooting convections show remarkable regionality and seasonal variations.Meanwhile，deep convections over land penetrate into TTL（Tropical Tropopause Layer）more easily than those over ocean.And totally，the overshooting convection frequencies are under 0.2%over most of the tropical and subtropical areas.Conditional rain rates of the overshooting convections over most regions exceed 10mm／h，and those over ocean are higher than that over land.But the contribution of the overshooting convections to total rain is small due to the low frequency.The shapes of deep and overshooting convective precipitation profiles are similar，but rain rates of overshooting convections are larger than that of deep convections，and the differences also show remarkable regionality.Moreover，seasonal variations of deep and overshooting convective precipitation profiles over the tropical areas（15°S－15°N）are minimal.

TRMM PR，overshooting convection，precipitation frequency，rain rate，precipitation profile

1006－9895（2012）03－0579－11

P426

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11109

劉鵬，王雨，馮沙，等.2012.冬、夏季熱帶及副熱帶穿透性對(duì)流氣候特征分析 ［J］.大氣科學(xué)，36（3）：579－589，

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11109.Liu Peng，Wang Yu，F(xiàn)eng Sha，et al.2012.Climatological characteristics of overshooting convective precipitation in summer and winter over the tropical and subtropical regions［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（3）：579－589.

2011－06－09，2011－11－03收修定稿

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目2010CB428601，中國(guó)科學(xué)院科技創(chuàng)新項(xiàng)目KZCX2－YW－Q11－04、KZCX2－EW－QN507、KJCX2－YW－N25，國(guó)家公益性行業(yè)支撐項(xiàng)目GYHY200906002、GYHY200706032，國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)2007FY110700，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40730950、40805008，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金WK2080000002

劉鵬，男，1984年出生，博士研究生，目前主要從事衛(wèi)星資料處理及降水方面的研究。E－mail：lipe＠m(xù)ail.ustc.edu.cn

傅云飛，E－mail：fyf＠ustc.edu.cn