中國北方塵卷風(fēng)的起沙參數(shù)化方案改進及其輻射效應(yīng)數(shù)值模擬

1、中國北方塵卷風(fēng)的起沙參數(shù)化方案改進及其輻射效應(yīng)數(shù)值模擬沙塵氣溶膠是大氣中最主要的成分, 是引起大氣圈、生物圈、巖石圈相互作用的重要紐帶和全球物質(zhì)循環(huán)及氣候變化中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。沙塵氣溶膠總起沙量是這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的最核心的一環(huán), 目前認為大氣沙塵氣溶膠起沙量主要來自大風(fēng)引起的沙塵天氣諸如沙塵暴、揚沙等過程, 以大風(fēng)動力為主的沙塵天氣僅反映了部分大氣沙塵氣溶膠的來源, 它不能解釋晴日弱風(fēng)條件下, 衛(wèi)星觀測的沙漠地區(qū)氣溶膠濃度高的事實 , 也同樣無法解釋全球巨量的沙塵氣溶膠缺失。有研究認為 , 在大氣邊界層內(nèi) , 存在同沙塵暴完全不同的渦旋對流活動塵卷風(fēng)與干熱對流聯(lián)合起沙機制, 沙漠地區(qū)上空的沙塵氣溶膠總

2、量是動力和熱力起沙機制共同作用的結(jié)果。本文在觀測和前人研究的基礎(chǔ)上, 改進了原有的塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案并耦合到WRF-Chem之中 , 與觀測相對比發(fā)現(xiàn)它能較好地模擬中國北方地區(qū)塵卷風(fēng)的日、年變化特征及塵卷風(fēng)起沙總量。在此基礎(chǔ)上 , 將塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案與沙塵暴起沙參數(shù)化方案結(jié)合, 量化計算了塵卷風(fēng)和沙塵天氣對沙塵氣溶膠總量的各自貢獻, 明確了塵卷風(fēng)對沙塵氣溶膠總量的貢獻不可忽視, 很大程度上彌補了全球沙塵模擬中的巨量沙塵氣溶膠缺失的缺陷?？紤]了塵卷風(fēng)起沙量后, 重新評估中國北方的是否存在沙塵加熱泵(EHP)的氣候效應(yīng)。其主要結(jié)論如下 :1 、改進了原有的塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案, 構(gòu)建一個能較

3、好地模擬中國北方地區(qū)的塵卷風(fēng)的日、年變化特征及塵卷風(fēng)起沙總量的塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案。根據(jù)野外觀測和國外最新研究成果, 確定影響塵卷風(fēng)形成的幾個氣象要素閾值要素 , 結(jié)合風(fēng)蝕度指數(shù)分布和塵卷風(fēng)起沙量計算公式, 建立塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案并與WRF-Chem模式耦合。將模擬結(jié)果與觀測對比 , 發(fā)現(xiàn)模擬資料的沙漠地表溫度偏低是造成塵卷風(fēng)模擬誤差的主要原因。將塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案進行訂正以后與觀測的塵卷風(fēng)和MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的氣溶膠指數(shù)對比, 發(fā)現(xiàn)新的方案能較好地出模擬塵卷風(fēng)的日月及起沙強度的時空變化特征, 它為分析塵卷風(fēng)的時空變化特征奠定了基礎(chǔ)。2、明確了塵卷風(fēng)發(fā)生頻繁的區(qū)域在沙漠和戈壁地區(qū), 確定了

4、塵卷風(fēng)具有非常明顯的日和年單峰變化特征, 其揚起的沙塵氣溶膠能被熱對流帶到700400 hPa的高空。模擬結(jié)果顯示塵卷風(fēng)頻繁出現(xiàn)在中國北方的沙漠和戈壁地區(qū), 塵卷風(fēng)的起沙量日變化和年變化均呈單峰分布。在一日當中 , 當?shù)貢r間 08:00 時到 20:00 時為塵卷風(fēng)出現(xiàn)的時段, 峰值出現(xiàn)在14:00 時。夏季晴日時中國北方塵卷風(fēng)的空間分布和起沙強度的高值區(qū)均從巴丹吉林沙漠開始出現(xiàn) , 并隨著時間從東向西移動, 高值中心出現(xiàn)在巴丹吉林沙漠和塔克拉瑪干沙漠。在一年當中 , 塵卷風(fēng)一般出現(xiàn)在3 月到 10 月之間 , 在 6 月中旬達到峰值。在晴日天氣下 , 中國北方沙漠區(qū)的塵卷風(fēng)所產(chǎn)生的沙塵氣溶膠

5、在沙塵源上空16km高度形成沙塵層 , 由塵卷風(fēng)產(chǎn)生的沙塵氣溶膠具有在白天爆發(fā), 夜晚又迅速回落的特征 , 沙塵在白天熱力的作用下能夠被熱對流帶到700-400 hPa 的高空。在中國北方 , 影響塵卷風(fēng)空間分布和強度不斷變化的主要因素是對流浮力與摩擦速度的比值。 3、塵卷風(fēng)對大氣沙塵氣溶膠總量的貢獻非常重要。在中國北方地區(qū) , 塵卷風(fēng)對年沙塵氣溶膠總量的貢獻為30.4 ±13%,除了在11 月到來年 5 月的貢獻在 17%以下外 , 在 6 8 月的貢獻在 93%以上。塵卷風(fēng)的沙塵氣溶膠貢獻率季節(jié)分布為: 夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季

6、。本研究模擬的中國北方地區(qū)塵卷風(fēng)的年總起沙量為4.6X107t, 對大氣沙塵總量的貢獻率為30.4 ± 13%。4、提出了中國北方地區(qū)的沙塵氣溶膠加熱泵(EHP)效應(yīng)概念模型 , 描述了沙塵氣溶膠在中國北方地區(qū)春夏季引起的環(huán)流異常變化。僅考慮沙塵天氣時 ,EHP效應(yīng)時有時無 , 而塵卷風(fēng)加入后 , 大大增強了 EHP 效應(yīng) ,EHP效應(yīng)在中國北方地區(qū)春夏季一直存在。 通過敏感性實驗 , 發(fā)現(xiàn)在僅有沙塵暴的情況下 , 中國北方地區(qū)出現(xiàn)沙塵加熱大氣層的現(xiàn)象并產(chǎn)生上升氣流 , 抽吸低層空氣 , 存在 EHP效應(yīng) , 由此我們提出一個中國北方地區(qū)的沙塵氣溶膠EHP概念模型 , 更深入地探索沙塵氣溶膠在東亞地區(qū)的氣候效應(yīng)。將模擬得到的沙塵總量與1961 2015 年的年際沙塵總量對比 ,