【摘要】：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。考慮了塵卷風(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700～400 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(dāng)中,當(dāng)?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(dāng)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)生的沙塵氣溶膠在沙塵源上空1～6km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。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,發(fā)現(xiàn)在沙塵暴發(fā)生較少的年份,無法判斷是否存在EHP效應(yīng),加入塵卷風(fēng)起沙參數(shù)化方案之后,EHP效應(yīng)顯著加強,證實在沙塵天氣和塵卷風(fēng)共同作用下,中國北方地區(qū)春夏季存在EHP效應(yīng)。
【圖文】：

Ｈｅｒｍａｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９９７）可利用吸收氣溶膠指數(shù)（ＡＡＩ）大致表示大陸和海洋上空的沙塵柱濃度逡逑（Ｐｒｏｓｐｅｒｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００２）。ＴＯＭＳ對陸地上空的沙塵氣溶膠有較好的探測能力，因而在沙塵逡逑研究中起著重要作用。圖１．１給出了邋Ｐｒｏｓｐｅｒｏ等（２００２）利用ＴＯＭＳ得到的全球主要沙塵逡逑源區(qū)和傳輸路徑。同時，由于ＴＯＭＳ能夠提供長時間的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)（１９８０年至今），在逡逑研究由氣候變化引起沙塵傳輸?shù)哪甏H變化中發(fā)揮了獨特的作用，如Ｐｒｏｓｐｅｒｏ等（２００２）逡逑使用ＴＯＭＳ數(shù)據(jù)給出了南半球的活躍沙塵源。然而，雖然在澳洲、南美與非洲南部都發(fā)逡逑現(xiàn)有本地沙塵排放源，但在南半球的海洋上空僅有少量的觀測發(fā)現(xiàn)了沙塵氣溶膠的存在，逡逑其濃度也都要遠低于北半球海洋上空的觀測結(jié)果（Ｐｒｏｓｐｅｒｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８９；邋Ｂａｋｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００６；逡逑Ｗａｇｅｎｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００８），因而這些地區(qū)是否存在大規(guī)模的持續(xù)沙塵活動仍缺少直接的證據(jù)。逡逑非洲南部存在幾個顯著的沙塵源區(qū)（埃托沙，納米比亞，馬卡迪卡迪鹽沼，東北博茨瓦逡逑納）（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．

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）逡逑沙塵氣溶膠的直接輻射強迫會導(dǎo)致地球表面的冷卻（圖１．２，邋Ｐｅｒｌｗｉｔｚ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００１；邋Ｚｈｕ逡逑ｅｔａｌ．，邋２００７）。但在亮目標(biāo)（如沙漠等）上空，沙塵有顯著的加熱效應(yīng)。在北非無云的沙漠逡逑地區(qū)，從大氣頂向外射出的長波輻射的觀測與模擬值間存在差異，表明沙塵會產(chǎn)生長波逡逑輻射強迫，在１２００ＵＴＣ時約為５０Ｗ／ｍ２（Ｈａｙｗｏｏｄ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００５）。類似地，在塔爾沙漠，逡逑由沙塵的輻射吸收效應(yīng)導(dǎo)致的低層大氣加熱率約為０．７？１．２邋Ｋ／ｄａｙ，，在冬季達到最大逡逑（Ｍｏｏｒｔｈｙ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７）。逡逑單散射反照率是估算氣溶膠輻射加熱率重要的光學(xué)參數(shù)（０？１），其值越小表明粒子對逡逑太陽輻射的吸收率更高。Ｌｅｅ等（２００７）利用衛(wèi)星觀測和地面測量等方法，發(fā)現(xiàn)中國范圍逡逑內(nèi)的沙塵氣溶膠在０．５—波段的單散射反照率為０．８９±０．０４。Ｇｅ等（２０１０）指出
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P425.55

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本文編號：2668401