DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-4359-2026
تاريخ النشر: 2026-03-27
المؤلف: Rolf Müller وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في خصائص معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير ونقطة البرودة في طبقة التروبوسفير ضمن الإعصار المضاد للموسم الصيفي الآسيوي (ASMA) باستخدام قياسات جوية عالية الارتفاع من صيف 2017. تشير النتائج إلى أن معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير يعمل كحدود موثوقة للهواء المختلط جيدًا في التروبوسفير، بينما تلعب نقطة البرودة، الواقعة على بعد حوالي 1 كم فوق و3 كلفن أبرد من معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير، دورًا مهمًا في ديناميات بخار الماء. من الجدير بالذكر أن الدراسة تكشف أن نسب خلط بخار الماء المولي فوق نقطة البرودة تتراوح من حوالي 3 إلى 10 جزء في المليون، دون ملاحظة جفاف كبير في هذه المنطقة. في المقابل، تزداد نسب خلط الأوزون بشكل كبير مع الارتفاع، حيث تصل إلى 50-200 جزء في البليون بين معدل الانخفاض ونقطة البرودة في طبقة التروبوسفير.
تسلط التحليل الضوء على أن معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير يمثل حدًا مميزًا بين الهواء التروبوسفير والستراتوسفير، والذي يتميز باختلافات في الرطوبة ومستويات الأوزون. تؤكد الدراسة أنه بينما يتم غالبًا الخلط بين كلا الطبقتين، فإنهما تحددان كتل هوائية مختلفة، حيث ترتبط نقطة البرودة بهواء جاف أكثر، هواء ستراتوسفير. يمكن أن تؤدي الأحداث الحملية القوية إلى ترطيب محلي فوق نقطة البرودة، ولكن بشكل عام، تظل الطبقة السفلى من الستراتوسفير جافة نسبيًا. تدعو الدراسة إلى مزيد من التحقيق في التغيرات بين السنوات وتقترح أن التحليلات المستقبلية يمكن أن تستفيد من القياسات المحمولة على البالونات لتعزيز فهم الديناميات الجوية في ASMA.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الخصائص الجوية المميزة فوق وتحت طبقة التروبوسفير الاستوائية، مع تسليط الضوء على الاختلافات في التركيب وملفات درجات الحرارة. تحت طبقة التروبوسفير، تكون الغلاف الجوي تروبوسفيرياً، حيث يظهر اختلاط عمودي قوي، بينما فوقها، يكون الهواء أكثر ستراتوسفيرياً، مع تركيزات أقل من بخار الماء وأعلى من الأوزون. يتم تعريف طبقة التروبوسفير من خلال تغيير كبير في معدل الانخفاض الجوي، وتساعد دينامياتها، خاصة في مناطق الموسمية، في نقل بخار الماء إلى الطبقة السفلى من الستراتوسفير، وهو أمر حاسم لفهم مناخ وديناميات التروبوسفير. ومع ذلك، غالبًا ما تحاكي النماذج الحالية هذه العمليات بشكل غير كافٍ.
تؤكد الورقة على أهمية الإعصار المضاد للموسم الصيفي الآسيوي (ASMA) كمنطقة رئيسية لدخول الستراتوسفير، خاصة خلال حملة StratoClim في 2017. تشير إلى أن معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير في هذه المنطقة يقع عادةً على ارتفاعات أعلى مقارنة بفترات عدم الموسمية، مع تباين كبير من سنة إلى أخرى. كما تشير الدراسة إلى أن نقطة البرودة ومعدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير ليست دائمًا متواجدة في نفس المكان، مما يؤثر على فهم ديناميات بخار الماء. تشير الملاحظات إلى أنه فوق نقطة البرودة في طبقة التروبوسفير، تكون نسب خلط بخار الماء أقل بشكل ملحوظ، وأن الحمل القوي يؤدي إلى جفاف عند هذه الحدود، مما يبرز التفاعلات المعقدة بين الحمل ورطوبة الستراتوسفير في ASMA.
النتائج
في حملة StratoClim التي أجريت في 2017، تم تحليل ثلاث رحلات محددة لتقييم الظروف الجوية فوق كاتماندو، نيبال، مع التركيز على درجة الحرارة، ونسب خلط الأوزون، ونسب خلط بخار الماء في الطور الغازي، وبخار الماء في الطور الجزيئي. كانت الرحلة F2، التي أجريت في 29 يوليو 2017، رحلة نقل جوي وطبقة جوية (ATAL)، حيث لم يتم الكشف عن أي جزيئات. على العكس، كشفت الرحلة F7، التي نفذت في 8 أغسطس 2017، كجزء من المسح الجوي للغلاف الجوي الأوسط (ASMA)، عن وجود محدود للجزيئات إلى جانب زيادة في بخار الماء في الطور الغازي على ارتفاعات أعلى. استهدفت الرحلة F8، في 10 أغسطس 2017، الحمل الجديد، على الرغم من عدم تفصيل النتائج المحددة بشأن وجود الجزيئات في هذا القسم.
المناقشة
في حملة StratoClim التي أجريت خلال موسم الصيف الآسيوي في 2017، تم أخذ قياسات جوية متنوعة لتحليل درجة الحرارة، والارتفاع، والضغط، وبخار الماء، وتركيزات الأوزون. استخدمت الدراسة أدوات دقيقة، بما في ذلك مسبار Rosemount لقياسات درجة الحرارة بدقة 0.5 كلفن، وأدوات FLASH وFISH لقياسات بخار الماء في الطور الغازي والإجمالي، على التوالي. أكدت الدراسة أن معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير يعمل كحدود حاسمة بين كتل الهواء التروبوسفير والستراتوسفير، مع الإشارة إلى أن الهواء فوق نقطة البرودة في طبقة التروبوسفير عادةً ما يكون أكثر جفافًا من ذلك الذي تحتها، وهو ما يتماشى مع الدراسات السابقة في مناطق استوائية أخرى.
كشفت التحليلات أن نقطة البرودة في طبقة التروبوسفير غالبًا ما تقع فوق معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير، حيث تكون درجات الحرارة المتوسطة عند معدل الانخفاض في طبقة التروبوسفير حوالي 194.4 كلفن. تم ملاحظة نسب خلط بخار الماء المعززة، التي تصل إلى حوالي 10 جزء في المليون، في الطبقة السفلى من الستراتوسفير، خاصة خلال الأحداث الحملية القوية. أشارت وجود جزيئات الثلج إلى عمليات الترطيب والجفاف في محيط طبقة التروبوسفير، حيث يؤدي التسامي إلى ترطيب محلي ويساهم الترسيب في الجفاف. تعكس تقلبات بخار الماء في الطور الغازي في هذه المنطقة التفاعل المعقد بين الأنظمة الحملية وديناميات الستراتوسفير، مما يبرز أهمية هذه العمليات في فهم التركيب والسلوك الجوي خلال موسم الصيف الآسيوي.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-4359-2026
Publication Date: 2026-03-27
Author(s): Rolf Müller et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
This research investigates the characteristics of the lapse rate tropopause and the cold point tropopause within the Asian summer monsoon anticyclone (ASMA) using high-altitude airborne measurements from summer 2017. The findings indicate that the lapse rate tropopause serves as a reliable boundary for the well-mixed tropospheric air, while the cold point tropopause, situated approximately 1 km above and 3 K colder than the lapse rate tropopause, plays a significant role in water vapor dynamics. Notably, the study reveals that molar water vapor mixing ratios above the cold point range from approximately 3 to 10 ppm, with no substantial dehydration observed in this region. In contrast, ozone mixing ratios increase significantly with altitude, reaching 50-200 ppb between the lapse rate and cold point tropopause.
The analysis highlights that the lapse rate tropopause marks a distinct boundary between tropospheric and stratospheric air, characterized by differences in humidity and ozone levels. The research emphasizes that while both tropopauses are often conflated, they delineate different air masses, with the cold point tropopause being associated with drier, stratospheric air. Strong convective events can lead to localized moistening above the cold point, but overall, the lower stratosphere remains relatively dry. The study calls for further investigation into interannual variability and suggests that future analyses could benefit from balloon-borne measurements to enhance understanding of atmospheric dynamics in the ASMA.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the distinct atmospheric characteristics above and below the tropical tropopause, highlighting the differences in composition and temperature profiles. Below the tropopause, the atmosphere is tropospheric, exhibiting strong vertical mixing, while above it, the air is more stratospheric, with lower water vapor and higher ozone concentrations. The tropopause is defined by a significant change in the atmospheric lapse rate, and its dynamics, particularly in monsoon regions, facilitate the transport of water vapor into the lower stratosphere, which is crucial for understanding tropospheric climate and dynamics. However, current models often inadequately simulate these processes.
The paper emphasizes the importance of the Asian summer monsoon anticyclone (ASMA) as a key region for stratospheric entry, particularly during the StratoClim campaign in 2017. It notes that the lapse rate tropopause in this region is typically located at higher altitudes compared to non-monsoon periods, with significant year-to-year variability. The study also points out that the cold point and lapse rate tropopause are not always co-located, which affects the understanding of water vapor dynamics. Observations indicate that above the cold point tropopause, water vapor mixing ratios are notably lower, and strong convection leads to dehydration at this boundary, underscoring the complex interactions between convection and stratospheric humidity in the ASMA.
Results
In the StratoClim campaign conducted in 2017, three specific flights were analyzed to assess atmospheric conditions over Kathmandu, Nepal, focusing on temperature, ozone mixing ratios, gas-phase water vapor mixing ratios, and water vapor in the particle phase. Flight F2, conducted on July 29, 2017, was an Atmospheric Transport and Atmospheric Layer (ATAL) flight, during which no particles were detected. Conversely, Flight F7, executed on August 8, 2017, as part of the Atmospheric Survey of the Middle Atmosphere (ASMA), revealed a limited presence of particles alongside an increase in gas-phase water vapor at higher altitudes. Flight F8, on August 10, 2017, targeted fresh convection, although specific findings regarding particle presence were not detailed in this section.
Discussion
In the StratoClim campaign conducted during the Asian Summer Monsoon in 2017, various atmospheric measurements were taken to analyze temperature, altitude, pressure, water vapor, and ozone concentrations. The research utilized precise instruments, including the Rosemount probe for temperature measurements with an accuracy of 0.5 K, and the FLASH and FISH instruments for gas-phase and total water vapor measurements, respectively. The study confirmed that the lapse rate tropopause serves as a critical boundary between tropospheric and stratospheric air masses, with findings indicating that air above the cold point tropopause is generally drier than that below it, consistent with previous studies in other tropical regions.
The analysis revealed that the cold point tropopause is frequently located above the lapse rate tropopause, with average temperatures at the lapse rate tropopause being around 194.4 K. Enhanced water vapor mixing ratios, reaching up to approximately 10 ppm, were observed in the lowermost stratosphere, particularly during strong convective events. The presence of ice particles indicated processes of hydration and dehydration in the vicinity of the tropopause, with sublimation leading to local hydration and sedimentation contributing to dehydration. The variability of gas-phase water vapor in this region reflects the complex interplay of convective systems and stratospheric dynamics, highlighting the importance of these processes in understanding atmospheric composition and behavior during the Asian summer monsoon.