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大气和积雪中气溶胶的数值模拟研究

胡志远  
【摘要】:作为气候系统中一个关键的强迫因子,大气气溶胶通过改变地球-大气系统的能量收支平衡和云滴粒径、停留周期,对全球气候、水循环以及生态系统平衡产生极为重要的影响。因此,准确地模拟气溶胶在大气和积雪中的时空分布以及其复杂的物理化学反应过程对于研究气溶胶的气候效应具有十分重要的意义。近年来,随着数值模式不断的发展和改进,已经可以对大气中气溶胶的来源、分布、传输以及沉降过程进行准确与精细的模拟研究。本文主要是在前人的基础上,对区域气候模式WRF-Chem(Weather Research and Forcasting couple with Chemistry,以下简称WRF-Chem)进行改进,研究全球尺度范围内季节性积雪中气溶胶的辐射强迫和空间分布以及气溶胶在太平洋上的传输和演变。本文的主要结论如下:(1)利用类全球WRF-Chem模式模拟2010年至2014年气溶胶的全球分布,并利用观测数据对气溶胶在太平洋传输区域的气象场及气溶胶特性进行评估分析。结果表明,模式可以很好的模拟这一地区的降水和风场。总体而言,模式模拟太平洋地区的气溶胶光学厚度(以下简称:AOD)和吸收性气溶胶光学厚度(以下简称:AAOD)与卫星反演的结果一致,主要受污染性气溶胶、沙尘和海盐的影响。Angstrom波长指数模拟结果表明,模式中气溶胶粒子大小分布比较合理。此外,模式可以较好的模拟太平洋地区近地面由海盐气溶胶引起的消光系数垂直廓线和季节变化以及4 km高度以上由污染型气溶胶和沙尘引起的消光系数垂直廓线和季节变化。模式中海盐气溶胶排放源的偏差以及卫星反演误差是引起模式和卫星结果差异的主要原因。与美国西海岸地面观测相比,本文的模式能较好模拟地面上沙尘、硫酸盐和硝酸盐的密度,但是明显低估了含碳气溶胶的密度,主要原因是模式在处理生物燃料和二次有机气溶胶的时空变化时存在一定的偏差。敏感性试验结果表明,沙尘、硫酸盐和硝酸盐通过太平洋传输明显的影响美国西海岸的地面空气质量,但是含碳气溶胶主要受北美排放源影响。观测和模拟结果均显示,2010年至2014年的气溶胶特性变化很小。本文主要证实了类全球WRF-Chem模式能够很好地模拟气溶胶在太平洋上的传输过程,并且为利用高精度区域模式研究太平洋传输污染物对美国西海岸的空气质量和气候的影响提供可靠的化学侧边界条件。(2)将SNICAR模式(Snow,Ice,and Aerosol Radiation,以下简称SNICAR)耦合到WRF-Chem模式中,并利用2010年1月至2月中国东北地区季节性积雪采集试验结果对模式模拟积雪中黑碳和沙尘气溶胶含量以及辐射强迫进行评估。结果表明,模式对表层积雪中黑碳和沙尘的模拟结果与观测相一致。模式轻微地低估了干洁地区的黑碳含量,而明显高估了污染地区的黑碳含量。但是模式结果与观测的变化趋势一致,且合理的分布在不确定范围之内。在源区,积雪中黑碳和沙尘气溶胶浓度最高可以分别达到5000 ng g-1和5 mg g-1;当远离源区时,迅速减小为50 ng g-1和1μg g-1。积雪中黑碳和沙尘颗粒能够产生等量的辐射加热量级(~+10 W m-2),并且与大气中黑碳和沙尘引起的辐射冷却量级相近。本文主要讨论了区域模式框架下季节性积雪中黑碳和沙尘浓度的模拟及其直接辐射强迫。尽管本文利用观测资料与模式模拟结果进行对比,但是模式结果还存在一定的不确定性,需要利用更多的大气和积雪中气溶胶的观测资料以及气溶胶的沉降通量资料对模式进行评估和改进。(3)利用已耦合的类全球WRF-Chem模式模拟研究气溶胶对积雪覆盖和地表温度的影响。研究区域主要集中在东亚和欧洲。结果表明,东亚和欧洲大气中沙尘和黑碳在地表的辐射强迫有明显的季节变化,最大值出现在春季;而积雪中沙尘和黑碳的辐射强迫最大值出现在冬季。东亚地区,积雪中气溶胶通过改变地表反照率,增加地面净辐射通量,导致雪水当量减少;而欧洲地区,积雪中气溶胶增加地面的雪水当量,主要是通过增加零摄氏度以下降水。气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及改变地表的感热和潜热,影响地表温度。大气中气溶胶增加了地表的感热和潜热,减少地表的净辐射。东亚地区,积雪中气溶胶主要是通过增加地表净辐射,导致地表温度增加;而欧洲地区,主要是通过感热、潜热和地表净辐射共同作用影响地表温度。


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