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中国地区黑碳与沙尘气溶胶的数值模拟研究

孙海波  
【摘要】:沙尘和黑碳气溶胶作为影响我国气候和环境的主要气溶胶,特别是青藏高原地区大气黑碳气溶胶传输及沉降以及北方地区春季沙尘暴以其对我国气候环境变化的重要作用尤受关注。基于这一目的,本文主要工作包括:1)根据全球气溶胶气候模式GEM-AQ/EC的1995-2004年模拟,分析了青藏高原大气黑碳气溶胶传输及沉降季节变化特征。2)运用区域气候模式RegCM4.1对中国北方区域2002年3月份的一次沙尘暴过程的进行大气边界层参数化方案敏感性模拟试验。主要模拟试验分析表明: 青藏高原黑碳气溶胶的主要来自自由对流层和大气边界层的输送。相对于自由对流层的黑碳输送,紧邻青藏高原的南亚、东亚以及东南亚大气边界层的输送更有效,它形成了青藏高原由北向南、自西往东黑碳气溶胶浓度和沉降明显递增的基本分布形态。横跨欧亚大陆自由对流层的黑碳气溶胶由西向东向青藏高原的输送全年不变,夏季输送路径最北但强度最弱,冬季路径最南而强度最强。大气边界层黑碳气溶胶的输送受控于亚洲季风环流变化,来自南亚的黑碳气溶胶在春季越过孟加拉湾传输进入高原东南部,夏季则可翻越喜马拉雅山抵达青藏高原南部腹地;同时我国中部排放的黑碳气溶胶也在东亚夏季风向北扩展过程中从东向西往青藏高原东北部传输。从秋季到冬季,随着夏季风撤退,南亚黑碳源区向青藏高原偏北方向传输衰退,伴随东亚冬季风发展,东亚冬季风的反气旋性环流的南侧及西南侧的偏东风携带秋季我国东南部源区和冬季东南亚源区黑碳气溶胶向青藏高原东南部传输。受青藏高原明显的暖湿季和干冷季气候影响,干湿沉降分别主导了青藏高原冬季和夏季黑碳沉降,夏季青藏高原黑碳气溶胶沉降总量大多超过8-10kg km-2season-1,在高原东北部的最高值超过40kg km-2season-1.冬季青藏高原黑碳气溶胶沉降量最低,大部地区黑碳沉降低于5kg km-2season-1。青藏高原黑碳沉降的冬夏季节相差约为2-8倍。 区域气候模式RegCM4.1的两个边界层方案即Frictionless方案和Holtslag PBL分别用于2002年3月一次沙尘暴的模拟试验。Frictionless方案方案采取的是边界层绝热无动能耗散的内部摩擦方案,从而导致模拟的地面风速不真实地偏大。由于沙尘的起沙量和地表的摩擦风速呈指数正比关系,所以Frictionless方案中的模拟试验中起沙量和起沙区域会比Holtslag PBL方案模拟出来的都要大。非局地的湍流通量参数化方案的Holtslag PBL合理地模拟了地表风速及大气边界层的垂直扩散,该模拟试验中的浓度值与我国北方地面沙尘气溶胶观测值有着好的一致性,从而说明了边界层参数化过程在沙尘气溶胶模式及模拟研究中的重要作用。


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