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中国西北干旱半干旱地区沙尘气溶胶辐射特性

衣娜娜  
【摘要】:气溶胶气候效应是气候变化研究中的热点和难点问题之一,了解气溶胶辐射特性和时空分布是研究气溶胶气候效应的重要基础。中国西北干旱半干旱区受沙尘天气影响较多且对气候变化很敏感,因此对该地区气溶胶辐射特性和时空分布的研究具有重要的理论意义和应用价值。本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2006~2012年气溶胶自动监测网(AERONET)level 2.0和太阳短波辐射计资料,分析了气溶胶的辐射特性并给出大气层顶(TOA)处辐射强迫为正的原因。利用WRF-chem耦合Shao04起沙参数化方案,模拟了2007年春季两次沙尘过程,定量给出连续的沙尘排放量、垂直柱总量、沉降量的时空分布。基于台站能见度和风速观测资料,统计1954~2012年强沙尘暴频数,分析气候变量与强沙尘频数的相关性。(1)西北地区气溶胶中粗模态气溶胶较多,地表(BOA)、TOA、整层大气(Atmosphere)的辐射强迫年均值分别是-59.43、-17.03、42.40W/m2,气溶胶光学厚度(AOD 550nm)年均值0.37,单次散射反照率(SSA 675nm)年均值0.93,不对称因子(g 675nm)年均值0.68,复折射指数实部(675nm)年均值1.48。气溶胶对大气的加热率最大值出现高度在0~2km,冬、夏半年在地表加热率分别是2.6K/day和0.6K/day。地表反照率和SSA对TOA正辐射强迫贡献率分别是22.5%和77.5%。(2)WRF-chem对温度场和辐射场模拟较好,与实测相关系数分别为0.9和0.95。Shao04起沙参数化方案能准确地模拟沙尘时间演变过程,WRF-chem模拟的第一次强沙尘过程,沙源地分布在干旱半干区的沙漠,主要有巴丹吉林、毛乌素、腾格里以及张掖地区的戈壁沙漠。沙源地最大排放量2.8×107μg/m2,最大沉降速率154μg/m2/s。被西北风夹卷而起的沙尘输送到SACOL,沙尘最大垂直柱总量9.4×106μg/m2,PM10最大浓度6541μg/m3。第二次沙尘过程为强辐散下沉气流造成SACOL近地面风速增加,局地沙尘被吹起,沙尘最大排放量1.0×107μg/m2,最大沉降速率141μg/m2/s,最大垂直柱总量1.3×106μg/m2,PM10浓度最大值为775μg/m3。(3)统计1954~2012年强沙尘暴频数,总频数241,其中190次(78.8%)发生在春季。自1954年以来,中国北方强沙尘暴频数逐渐减小,强沙尘暴年代际变化呈波浪式。合成分析高频年和低频年大气环流、降水和土壤湿度,表明高、低频年大气环流的差异主要表现在极涡强度和东亚大槽的强度与位置,高频年极涡减弱,东亚大槽加强,低频年,极涡增强,东亚大槽减弱东移。春季降水对沙尘频数有明显的影响,相关系数在-0.5以上。前期秋季负相关系数在-0.4以上,对秋季降水的分析有助于预测来年春季沙尘频数。


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