中国北方尘卷风的起沙参数化方案改进及其辐射效应数值模拟

发布时间：2020-05-17 10:36

【摘要】：沙尘气溶胶是大气中最主要的成分,是引起大气圈、生物圈、岩石圈相互作用的重要纽带和全球物质循环及气候变化中的关键环节。沙尘气溶胶总起沙量是这一关键环节的最核心的一环,目前认为大气沙尘气溶胶起沙量主要来自大风引起的沙尘天气诸如沙尘暴、扬沙等过程,以大风动力为主的沙尘天气仅反映了部分大气沙尘气溶胶的来源,它不能解释晴日弱风条件下,卫星观测的沙漠地区气溶胶浓度高的事实,也同样无法解释全球巨量的沙尘气溶胶缺失。有研究认为,在大气边界层内,存在同沙尘暴完全不同的涡旋对流活动——尘卷风与干热对流联合起沙机制,沙漠地区上空的沙尘气溶胶总量是动力和热力起沙机制共同作用的结果。本文在观测和前人研究的基础上,改进了原有的尘卷风起沙参数化方案并耦合到WRF-Chem之中,与观测相对比发现它能较好地模拟中国北方地区尘卷风的日、年变化特征及尘卷风起沙总量。在此基础上,将尘卷风起沙参数化方案与沙尘暴起沙参数化方案结合,量化计算了尘卷风和沙尘天气对沙尘气溶胶总量的各自贡献,明确了尘卷风对沙尘气溶胶总量的贡献不可忽视,很大程度上弥补了全球沙尘模拟中的巨量沙尘气溶胶缺失的缺陷。考虑了尘卷风起沙量后,重新评估中国北方的是否存在沙尘加热泵(EHP)的气候效应。其主要结论如下:1、改进了原有的尘卷风起沙参数化方案,构建一个能较好地模拟中国北方地区的尘卷风的日、年变化特征及尘卷风起沙总量的尘卷风起沙参数化方案。根据野外观测和国外最新研究成果,确定影响尘卷风形成的几个气象要素阈值要素,结合风蚀度指数分布和尘卷风起沙量计算公式,建立尘卷风起沙参数化方案并与WRF-Chem模式耦合。将模拟结果与观测对比,发现模拟资料的沙漠地表温度偏低是造成尘卷风模拟误差的主要原因。将尘卷风起沙参数化方案进行订正以后与观测的尘卷风和MODIS卫星数据的气溶胶指数对比,发现新的方案能较好地出模拟尘卷风的日月及起沙强度的时空变化特征,它为分析尘卷风的时空变化特征奠定了基础。2、明确了尘卷风发生频繁的区域在沙漠和戈壁地区,确定了尘卷风具有非常明显的日和年单峰变化特征,其扬起的沙尘气溶胶能被热对流带到700～400 hPa的高空。模拟结果显示尘卷风频繁出现在中国北方的沙漠和戈壁地区,尘卷风的起沙量日变化和年变化均呈单峰分布。在一日当中,当地时间08:00时到20:00时为尘卷风出现的时段,峰值出现在14:00时。夏季晴日时中国北方尘卷风的空间分布和起沙强度的高值区均从巴丹吉林沙漠开始出现,并随着时间从东向西移动,高值中心出现在巴丹吉林沙漠和塔克拉玛干沙漠。在一年当中,尘卷风一般出现在3月到10月之间,在6月中旬达到峰值。在晴日天气下,中国北方沙漠区的尘卷风所产生的沙尘气溶胶在沙尘源上空1～6km高度形成沙尘层,由尘卷风产生的沙尘气溶胶具有在白天爆发,夜晚又迅速回落的特征,沙尘在白天热力的作用下能够被热对流带到700-400 hPa的高空。在中国北方,影响尘卷风空间分布和强度不断变化的主要因素是对流浮力与摩擦速度的比值。3、尘卷风对大气沙尘气溶胶总量的贡献非常重要。在中国北方地区,尘卷风对年沙尘气溶胶总量的贡献为30.4±13%,除了在11月到来年5月的贡献在17%以下外,在6～8月的贡献在93%以上。尘卷风的沙尘气溶胶贡献率季节分布为:夏季秋季春季冬季。本研究模拟的中国北方地区尘卷风的年总起沙量为4.6X107t,对大气沙尘总量的贡献率为30.4±13%。4、提出了中国北方地区的沙尘气溶胶加热泵(EHP)效应概念模型,描述了沙尘气溶胶在中国北方地区春夏季引起的环流异常变化。仅考虑沙尘天气时,EHP效应时有时无,而尘卷风加入后,大大增强了 EHP效应,EHP效应在中国北方地区春夏季一直存在。通过敏感性实验,发现在仅有沙尘暴的情况下,中国北方地区出现沙尘加热大气层的现象并产生上升气流,抽吸低层空气,存在EHP效应,由此我们提出一个中国北方地区的沙尘气溶胶EHP概念模型,更深入地探索沙尘气溶胶在东亚地区的气候效应。将模拟得到的沙尘总量与1961～2015年的年际沙尘总量对比,发现在沙尘暴发生较少的年份,无法判断是否存在EHP效应,加入尘卷风起沙参数化方案之后,EHP效应显著加强,证实在沙尘天气和尘卷风共同作用下,中国北方地区春夏季存在EHP效应。
【图文】：

沙尘源,传输路径,全球,沙尘

Ｈｅｒｍａｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９９７）可利用吸收气溶胶指数（ＡＡＩ）大致表示大陆和海洋上空的沙尘柱浓度逡逑（Ｐｒｏｓｐｅｒｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００２）。ＴＯＭＳ对陆地上空的沙尘气溶胶有较好的探测能力，因而在沙尘逡逑研究中起着重要作用。图１．１给出了邋Ｐｒｏｓｐｅｒｏ等（２００２）利用ＴＯＭＳ得到的全球主要沙尘逡逑源区和传输路径。同时，由于ＴＯＭＳ能够提供长时间的连续观测数据（１９８０年至今），在逡逑研究由气候变化引起沙尘传输的年代际变化中发挥了独特的作用，如Ｐｒｏｓｐｅｒｏ等（２００２）逡逑使用ＴＯＭＳ数据给出了南半球的活跃沙尘源。然而，虽然在澳洲、南美与非洲南部都发逡逑现有本地沙尘排放源，但在南半球的海洋上空仅有少量的观测发现了沙尘气溶胶的存在，逡逑其浓度也都要远低于北半球海洋上空的观测结果（Ｐｒｏｓｐｅｒｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８９；邋Ｂａｋｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００６；逡逑Ｗａｇｅｎｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００８），因而这些地区是否存在大规模的持续沙尘活动仍缺少直接的证据。逡逑非洲南部存在几个显著的沙尘源区（埃托沙，纳米比亚，马卡迪卡迪盐沼，东北博茨瓦逡逑纳）（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．

辐射吸收,沙尘,大气加热,地表

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋ｗａｒｍｉｎｇ邋ｆｒｏｍ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｂｙ邋ｄｕｓｔ邋（Ａ）邋ａｎｄ邋ｒｅｓｕｌｔａｎｔ邋ｎｅｔ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑ｃｏｏｌｉｎｇ邋（Ｂ）．邋Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋ａｎｄ邋ｇｒｏｕｎｄ－ｂａｓｅｄ邋ｄａｔａ邋ｆｏｒ邋２００２邋（Ｃｈｕｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００５）逡逑沙尘气溶胶的直接辐射强迫会导致地球表面的冷却（图１．２，邋Ｐｅｒｌｗｉｔｚ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００１；邋Ｚｈｕ逡逑ｅｔａｌ．，邋２００７）。但在亮目标（如沙漠等）上空，沙尘有显著的加热效应。在北非无云的沙漠逡逑地区，从大气顶向外射出的长波辐射的观测与模拟值间存在差异，表明沙尘会产生长波逡逑辐射强迫，在１２００ＵＴＣ时约为５０Ｗ／ｍ２（Ｈａｙｗｏｏｄ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００５）。类似地，在塔尔沙漠，逡逑由沙尘的辐射吸收效应导致的低层大气加热率约为０．７？１．２邋Ｋ／ｄａｙ，，在冬季达到最大逡逑（Ｍｏｏｒｔｈｙ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７）。逡逑单散射反照率是估算气溶胶辐射加热率重要的光学参数（０？１），其值越小表明粒子对逡逑太阳辐射的吸收率更高。Ｌｅｅ等（２００７）利用卫星观测和地面测量等方法，发现中国范围逡逑内的沙尘气溶胶在０．５—波段的单散射反照率为０．８９±０．０４。Ｇｅ等（２０１０）指出
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P425.55

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