东亚沙尘气溶胶的数值模拟及分析

论文总字数：15909字

目 录

摘要

Abstract

一 引言……………………………………………………………………………………………………………1

二 实验方案、原理及设计 2

2.1 资料来源 2

2.2 模拟的时间及区域 2

2.3 WRF/Chem模式的简单介绍……………………………………………………………2

2.4 沙尘排放模型的介绍……………………………………………………………………2

三 模拟结果及分析 3

3.1起沙量月变化及分布讨论 3

3.2起沙量的季节变化及分布 5

3.3起沙量的年变化及分布 7

3.4中国北方起沙量与东亚起沙量比较 8

3.5不同高度水平沙尘气溶胶浓度的分布 9

四 结论 13

参考文献 13

致谢 16

东亚沙尘气溶胶的模拟及分析

李喆

，China

• Abstract: East Asia is the main dust source areas of the world. Researching the dust aerosols in East Asia helps us learn the General situation of dust of the global. In this paper, a WRF/Chem model coupled with Shao(2011) sand parameterization schemes is used to simulate the dust aerosols in East Asia over 1991-2015 and the analysis of the change of the dust aerosols with time, space and its sink distribution. Conclusions are as follows: 1) Dust emissions reached the peak in April with the maximum value of 18.47Tg while the minimum value was 1.93Tg which appears in January, showing single-peak distribution. 2) The dust emissions weaken in winter and bottom in spring. 3) Saryesik-Atyrau Desert in Kazakhstan, Mongolian Plateau, TaklaMakan Desert, Gurbantunggut Desert, muus desert, BadainJaran Desert are all the main dust source areas. The dust aerosols transfer to the east with mid-latitude west wind and can even reach Japan, cover the whole East Asia. 4) The dust emissions increased firstly and then decreased. During 1991-2015,the dust emissions reached the peak in 2010.The dust emissions of the whole year is affected by the weather like dust storm occurred in the year in some way. 5) With the increase of altitude, the distribution range of dust density increased and the value decreased.
• Key words： East Asia; WRF/Chem model; Shao(2011) sand parameterization schemes; dust aerosols

一 引言

沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要成分近年来沙尘气溶胶由于其对环境气候的重要作用越来越受到重视，以此为主题的研究工作日益增多。我国地处东亚，因此对东亚沙尘气溶胶的研究对认识我国环境变化以及采取相应措施有重大意义。沙尘气溶胶作为大气气溶胶的组成成分对太阳辐射有较强的削弱作用，到达地面的辐射因此减少，影响全球辐射平衡并改变全球气候；另一方面，沙尘气溶胶还可以形成云凝结核使降水、云、雾增多并对气候产生影响。也有学者认为沙尘气溶胶的传输尤其是全球范围的传输对海洋生态以及全球范围内的物质循环有很大的贡献，甚至一种假设“铁肥料效应”也是基于此提出的。因此研究东亚地区沙尘，探究其产生发展的规律对解决严峻的环境问题大有裨益。

国外尤其是西方学界对沙尘气溶胶的研究开展较早，上世纪20年代就有较为简单原始的研究开展，如Hankin^[1]、Idso^[2]以及Joseph^[3]均是沙尘暴及其相关现象的早期研究者。我国在这方面的起步略晚，上世纪70年代才开始研究，近年来由于我国环境问题日益突出，对沙尘的研究进展较大，也取得了一系列成果。王式功^[4]分析我国沙尘天气区域特征，发现沙尘暴主要发生在河西地区、南疆盆地、青藏高原东北部，塔里木盆地和河西走廊东北部至内蒙古的阿拉善地区为多发区；刘生元^[5]利用ERA-Interim全球大气再分析资料,采用多年候平均的方法指出东亚副热带西风急流是通过影响我国沙区上空西风的强度而间接影响近地面风场的变化,从而导致中国北方沙尘暴发生频次的变化；宿兴涛等^[6] 通过模拟东亚沙尘气溶胶直接效应对降水的影响，认为沙尘气溶胶导致东亚大部分地区降水减少,平均减幅为4.46%，而春秋两季减少最为明显，夏季最不明显；同时，由于东亚是全球沙尘气溶胶的主要产地，对东亚沙尘的研究近来也颇受关注，日本、韩国对此研究逐渐增多，也取得了一定研究成果。有日韩学者^[7]研究发现：年降水量低于100mm的地区沙尘暴发生的更频繁，东亚沙尘的源地在3月是塔克拉玛干沙漠而到了5月则移动至蒙古高原；日本方面还开展了诸多类似“亚洲内陆地区浮尘的发生机理及其远程输送过程”的研究项目。学界对于沙尘气溶胶的研究的关注点主要集中于沙尘的粒径分布、沉积状况以及其辐射效应。沙尘气溶胶的数值模拟对大气动力学以及物理化学过程有比较好的描述，嵌套的模式也能合理的模拟全球或区域沙尘时空分布及其气候效应，因此各项研究均取得了突破。近年来，以亚洲沙尘为重点的的模拟研究很多，对沙尘气溶胶的源汇、动力学特征、理化特征、传输路径等都有涉及。2001年春季亚洲气溶胶特性实验^[8]一系列研究工作对东亚沙尘气溶胶的时空分布、传输路径、辐射效应及其粒径分布等都有不小的进展。国内如韩永翔、赵天良^[9,10]都对气溶胶的时空分布、源、汇、传输特征等有详细研究，并取得了重大进展。

数值模拟是国内国际对沙尘气溶胶的研究重要的工具之一，主要的沙尘排放方案有GOCART，Shao04,Shao96,Shao11^[11]，MB95以及LS99，这几种主流方案各有优劣^[12]。考虑到模拟结果受当地植被覆盖、土壤情况等因素影响，结合实际情况，此次研究采用的是基于WRF/Chem模式的Shao2011^[13]沙尘排放方案进行模拟。模拟对象是1991年-2015年这25年间东亚地区沙尘气溶胶，对此时间段内的东亚地区的沙尘气溶胶的起沙过程分时间、空间的不同进行了模拟，并尝试分析寻找其中的规律。

二 实验方案、原理及设计

2.1资料来源

本次研究数据均来自NCEP/NCAR资料（又称NNRP或R1），该资料是由美国国家环境预报中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）为科研工作提供的一套基于长期业务模式存档分析的全球分析资料。最初只包括1957-1996这40年的数据，现在已扩展至1948年至今。不同的坐标系中有包括位势高度、温度、相对湿度、风速、辐射加热、对流加热、降水率等在内的超过80个变量。本次研究选取pgbf00以及grb2d作为模式初始场，时间间隔为6小时，空间分辨率为*，包含17个标准等压层，每个文件包含一个月的数据。

2.2模拟的时间与区域：

此次研究对1991年至2015年东亚地区的沙尘气溶胶的总体情况进行模拟，模拟的中心点是（95°E，30°N）。模拟的范围约是（75°E-115°E，10°N-45°N），大致覆盖我国西部地区，蒙古以及中亚部分地区，区域内中国境内的古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙漠、浑善达克沙地、科尔沁沙地，以及蒙古国南部的戈壁沙漠，哈萨克斯坦东南部的萨雷耶西克沙漠均是东亚沙尘气溶胶的主要源地。本文定义东亚地区范围为（25°N-50°N，80°E-130°E），中国北方地区包括北纬30度以北，东经110度以西的中国国土范围。

2.3 WRF/Chem模式的简单介绍

WRF（Weather Research and Forecasting）模式是一种中尺度模式，一般用于研究和预报，目前主要包括ARW(Advanced Research WRF)以及NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model)这两个版本，前者主要用于研究后者则多在业务中使用，两者分别由NCEP和NCAR管理维护^[14]。此次研究所使用的是ARW版本（下文称WRF模式）。将Chem模块引入WRF模式就成为WRF/Chem，该模式可以实现气象-化学的全面在线耦合，使用功能得到很大拓展，对大气中的化学成分的模拟研究使用WRF/Chem更加方便。

本次研究采用的微物理方案是kessler暖雨方案^[15] ；辐射方案采用的是RRTM长波辐射方案和Goddard短波辐射方案，RRTM长波辐射方案源自MM5模式，是利用预先处理的对照表表示水汽、臭氧、二氧化碳和其他气体以及云的光学厚度引起的长波过程；边界层方案则选择了YonseiUniversity方案，该方案对处理边界层顶部卷夹层更有优势。为契合地面发射体的性质选择了Noah陆面方案。

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