塔里木盆地一次典型沙尘暴过程沙尘气溶胶时空变化及区域传输特征的模拟研究

摘要

塔克拉玛干沙漠位于我国西北干旱荒漠区塔里木盆地，是世界上最大的流动性沙漠之一，沙尘暴天气常年频繁发生，其沙尘气溶胶起沙、沉降、传输以及沙尘时空变化均受到沙漠地区大气边界层条件和盆地大地形的制约，形成了塔里木盆地独特的大气沙尘气溶胶时空变化及区域传输特征，是一系列依然有待深入研究的环境问题。因此，本文针对这一科学问题，利用中尺度数值模式WRF/WRF-Chem模拟塔克拉玛干沙漠沙尘暴过程，选择合理边界层参数化方案，分析塔里木盆地一次典型沙尘暴沙尘气溶胶分布变化、区域输送以及辐射强迫。主要研究内容和结论如下: 1、塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估 沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏，限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用中尺度数值模式中五种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU)，模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征，并与中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地塔中80米塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温、地表温度、边界层高度、感热、潜热及地表热通量的变化趋势，但未能模拟出边界层风速的日变化趋势，温风湿廓线能较好的反映晴天沙漠地区边界层结构的变化特征，但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥，热容量低，晴天极易形成对流边界层，非局地湍流参数化ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。 2、塔克拉玛干沙漠一次典型春季沙尘暴过程沙尘气溶胶时空分布变化 利用WRF-Chem(v3.8.1)模式，结合GOCART起沙方案、ACM2边界层方案，模拟了2015年4月27至5月1日塔里木盆地一次典型的春季沙尘暴过程，并与地面和CALIPSO卫星资料对比评估，讨论了盆地沙尘气溶胶排放特征及输送路径，描绘沙尘气溶胶三维分布情况。地面冷锋活动是引发此次沙尘暴的天气系统。冷锋活动受盆地独特地形的影响，冷空气从三条路径进入盆地:1）西路的冷空气翻过帕米尔高原从西侧进入盆地（西进）、2）北路冷空气翻越天山（翻山）进入盆地，3）东路的强冷空气从盆地东北口灌入（东灌）。较强的东灌沙尘带驱动两股弱沙尘带向盆地西南部输送，地表沙尘气溶胶分布受青藏高原地形影响。观测和模拟结果发现，沙尘气溶胶主要集中在塔里木盆地独特的3-5km较厚边界层内，由于盆地南部青藏高原北坡地形阻挡，沙尘气溶胶可抬升至自由大气7km以上。塔里木盆地边界层上部(3-5km)沙尘气溶胶空间分布受盆地近地面冷空气辐合作用及周边高原和山脉地形阻挡的影响，进一步抬升形成盆地大气浮尘。这一模拟刻画了塔克拉玛干沙漠一次典型的春季沙尘暴过程大气沙尘气溶胶三维分布变化特征。 3、塔里木盆地沙尘气溶胶的收支关系及区域传输结构 塔里木盆地沙尘排放源主要集中在地势高度2000m以下沙漠区域，其沙尘排放通量达24μg/m2/s，干沉降作为沙尘气溶胶的重要移除过程，其分布状况与沙尘排放通量类似。沙尘柱浓度最大值分布在盆地东南部沙尘源区附近，强东灌风驱动沙尘气溶胶向盆地西南部输送，受盆地地形及边界层高度的限制，进一步抬升形成盆地大气浮尘，且沙尘气溶胶粒子主要累积在3km以下。此次沙尘暴过程中，塔克拉玛干沙漠内沙尘气溶胶多被抬升到4km以上的高空，沿41°N向东输送，最大输送通量可达3000μg/m2/s。与此同时，大量沙尘在昆仑山脚下累积，向青藏高原北坡输送。对比分析盆地东、西、南、北四个面沙尘输送通量及模拟区域沙尘气溶胶的收支情况发现:盆地东面和北面为沙尘气溶胶的主要输送方向，强冷空气从东北部进入盆地，抬升大量沙尘，一旦沙尘被卷夹到3.5km以上，则易在气流影响下输出盆地。此次典型沙尘暴过程中，塔克拉玛干沙漠释放的沙尘气溶胶，52.01％通过气流传输至盆地外，部分沙尘气溶胶从南面输出到达青藏高原，高度达7km，16.78％的沙尘气溶胶沉降到塔里木盆地，剩余31.21％的沙尘气溶胶悬浮于盆地形成浮尘。 4、塔里木盆地沙尘气溶胶辐射强迫特征 为了探索沙尘气溶胶的辐射效应对大气边界层结构的反馈作用，基于WRF-Chem模拟，我们进一步分析这次塔里木盆地沙尘暴过程沙尘气溶胶辐射强迫特征。白天，塔里木盆地沙尘气溶胶通过短波辐射加热大气，冷却地表，沙尘长波辐射冷却大气，加热地表。低层沙尘长波辐射强迫作用大于短波，高层沙尘长波辐射作用小于短波;夜间，地表、大气、大气顶辐射强迫的数值均小于白天的长波辐射强迫，其中地表辐射强迫最为显著;与白天不同，夜间沙尘气溶胶长波辐射加热近地层大气，100米以上至沙尘层顶的沙尘冷却大气;整层大气中沙尘层顶受气溶胶长波、短波辐射强迫影响最显著。此次沙尘暴期间，大气顶接收到的沙尘区域平均辐射强迫为0.53W/m2，地表接收辐射强迫为-5.90W/m2，大气为6.43W/m2。沙尘短波辐射强迫对地表和大气的影响远大于长波，TOA受沙尘气溶胶辐射强迫作用远小于地表。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究进展

1．2．1 沙尘气溶胶和沙尘暴

1．2．2 沙尘气溶胶数值模式

1．2．3 沙漠大气边界层

1．2．4 塔里木盆地沙尘暴过程

1．2．5 亚洲沙尘气溶胶区域输送

1．2．6 沙尘气溶胶辐射强迫特征

1．3 研究内容

第二章 模式与观测资料介绍

2．1 模式简介

2．1．1 中尺度气象模式WRF

2．1．2 中尺度模式WRF-CHEM

2．2 GOCART起沙参数化方案

2．3 边界层参数化方案

2．3．1 YSU方案

2．3．2 ACM2方案

2．3．3 MYJ方案

2．3．4 BL方案

2．3．5 MYNN2.5方案

2．4 CALIPSO卫星资料

2．5 地基气象观测数据

第三章 塔克拉玛千沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

3．1 WRF模式与观测资料分析

3．1．1 WRF模式设置

3．1．2 边界层方案介绍

3．1．3 观测资料及分析

3．2 模拟分析

3．2．1 近地面气温及地表温度

3．2．2 10m风速

3．2．3 地表通量

3．2．4 边界层高度

3．2．5 温湿风垂直廓线

3．3 本章小结

第四章 塔克拉玛干沙漠一次典型春季沙尘暴过程沙尘气溶胶时空变化的模拟分析

4．1 天气形势变化

4．1．1 高空天气形势

4．1．2 地面天气系统

4．2 WRF-CHEM模式设置

4．3 修改土壤湿度

4．4 模式验证

4．5 结果分析

4．5．1 地表沙尘气溶胶分布

4．5．2 经向结构

4．5．3 纬向结构

4．5．4 边界层上部沙尘气溶胶分布

4．6 本章小结

第五章 塔里木盆地一次典型沙尘暴过程沙尘气溶胶的收支关系及区域传输特征

5．1 沙尘排放量、柱浓度、沉降量的分布

5．2 塔里木盆地沙尘气溶胶区域输送特征

5．3 塔里木盆地沙尘气溶胶的收支估算

5．4 本章小结

第六章 塔里木盆地一次沙尘暴过程沙尘气溶胶辐射强迫特征

6．1 模式设置

6．2 沙尘气溶胶白天辐射强迫

6．3 沙尘气溶胶夜间辐射强迫

6．4 区域平均辐射强迫

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历

致谢