沙尘气溶胶起沙过程的观测、参数化及气候模拟研究

摘要

为了全面了解沙尘气溶胶的起沙机制，模式中起沙过程存在的不确定性，以及沙尘气溶胶排放量的气候特征，对尘卷风进行了外场观测，估算了尘卷风的垂直起沙通量，给出了初步的参数化方案，并对WRF-Chem起沙过程存在的不确定性进行评估，最后利用全球气候模式CAM5.1对1991-2010年全球沙尘气溶胶的排放量作了气候特征分析，本文主要研究内容及结果如下:
　　1)塔克拉玛干沙漠中尘卷风的形成机理、垂直结构和起沙通量的观测分析
　　2014年7月7日～14日对新疆塔克拉玛干沙漠进行了尘卷风外场观测。利用数字光学方法(DOM)对尘卷风的不透明度进行测量，并结合观测得到的相关大气边界层及地表数据，分析了尘卷风的形成机制、垂直结构、垂直起沙通量。尘卷风形成的大气边界层临界状态:地气温差高于5℃，动量通量和感热通量高达0.54kgm-1s-2和327Wm-2，弱的垂直风切变(风切变指数α＜0.10)，低层大气不稳定层结。基于观测的尘卷风不透明度，典型的尘卷风在垂直方向上其中心部位为上升气流，边缘部位为下沉气流，在旋转的尘柱中沙尘粒子在水平方向上分布不均匀。一次典型的尘卷风过程，近地表的垂直起沙通量估计在5.4×10-5～9.6×10-5kgm-2s-1。
　　2)WRF-Chem对沙尘气溶胶排放模拟的不确定性评估分析
　　利用WRF-Chem模式，通过改变沙漠地表土壤湿度，驱动模式的气象再分析资料和起沙过程参数化方案，分别模拟了塔克拉玛干沙漠一次沙尘暴过程中沙尘排放量的变化，评估分析WRF-Chem对沙尘气溶胶排放模拟的不确定性。评估确认了WRF-Chem的沙尘排放模拟具有极大不确定性，给出其主要的影响因子:沙漠地表土壤湿度，订正后的土壤湿度在沙漠边缘的和田和库尔勒的起沙量明显有所增加，相差可达500μgm-2s-1以上;驱动模式的气象再分析资料，和田和塔中NECP再分析资料模拟的起沙量为ECWMF的3～9倍;起沙过程参数化方案，Shao04方案模拟的结果要明显高于GOCART方案，和田和库尔勒相差2～3倍。
　　3)1991-2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子
　　利用全球气候模式CAM5.1的20年沙尘气溶胶排放量模拟，分析全球沙尘气溶胶排放量的时空变化及其大气环流影响因子。结果表明，20年全球年平均沙尘气溶胶排放总量为1152±28Mt，全球沙尘气溶胶排放源主要集中在北非、阿拉伯半岛和中亚地区，以及东亚、澳大利亚和北美五个主要沙漠地区。北非沙漠地区作为全球最大的沙尘排放源区，占全球沙尘源总量的61.8％。各沙漠区均有显著的沙尘排放的季节变化和年际波动，沙尘气溶胶呈现春夏季强排放和秋冬季弱排放的季节循环。相对于沙尘排放的季节变化，其年际变化幅度明显偏弱。基于大气环流指数与沙尘气溶胶排放年际变化的相关显著程度，确定主要影响全球和主要沙漠地区沙尘排放量的大气环流因子:南方涛动指数SOI、北极涛动AO、南极涛动AAO和大西洋年际振荡指数AMO，北太平洋遥相关指数NP以及西太平洋指数WP。全球主要沙漠地区沙尘排放量与大气环流因子之间的相关性具有明显的区域分布特征，在同一沙漠的不同区域甚至可以表现出正负相反的相关性。热带海气相互作用的ENSO循环中，拉尼娜年（厄尔尼诺年）北非地区的沙尘排放量偏多（少），阿拉伯半岛和中亚地区的沙尘排放量偏少（多）。

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 尘卷风观测

1．2．2 沙尘天气过程的观测研究

1．2．3 沙尘气溶胶的模拟

1．3 研究内容

第二章 观测及模式介绍

2．1 DOM方法及观测点的介绍

2．1．1 气象观测点

2．1．2 气象观测仪器和方法介绍

2．1．3 DOM(Digital Optical Method)方法测量尘卷风不透明度

2．2 模式简介

2．2．1 中尺度模式WRF-Chem

2．2．2 全球气候模式CAM

2．3 起沙方案

2．3．1 GOCART方案

2．3．2 Shao04方案

2．3．3 两种方案的异同

2．4 本章小结

第三章 塔克拉玛干沙漠中尘卷风的形成机理、垂直结构和起沙通量的观测分析

3．1 地表加热条件

3．2 大气边界层的条件

3．3 一次典型尘卷风过程的垂直结构

3．4 垂直起沙通量的估计

3．5 本章小结

第四章 WRF-Chem沙尘气溶胶起沙模拟不确定性的评估分析

4．1 塔克拉玛干沙漠及周边地区沙尘暴过程的观测分析

4．1．1 沙尘气溶胶变化

4．1．2 高空天气形势

4．1．3 地面天气系统

4．2 WRF-Chem模拟设计

4．2．1 模拟区域及方案设置

4．2．2 土壤湿度误差分析

4．2．3 再分析资料中风速模拟的误差分析

4．3 起沙模拟的不确定性分析

4．3．1 土壤湿度

4．3．2 气象场驱动变化

4．3．3 不同起沙参数化方案

4．4 本章小结

第五章 1991—2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子

5．1 沙尘气溶胶气候模拟及其分析方法

5．2 沙尘气溶胶排放量平均气候及验证

5．3 沙尘气溶胶排放量气候特征

5．3．1 季节变化

5．3．2 年际变化

5．4 沙尘气溶胶排放年际变化的大气环流影响因子分析

5．4．1 全球及区域沙尘排放总量年际变化的大气环流影响因子

5．4．2 大气环流因子相关性的区域分布

5．5 ENSO对沙尘排放量年际变化的影响

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要特色和创新

6．3 展望

参考文献

作者简历

致谢