尘卷风的大气边界层综合观测及其起沙参数化方案的优化研究

The dust aerosol is an important connection between the atmosphere, the biosphere, and the lithosphere. It is the critical part in the global material cycle and the climate change. The high concentration of dust aerosols in sunny deserts and the huge lack in the golbal dust aerosol indicate that the dust storm is not the only mechanism to emit dust aerosols. The contribution of dust devil to aerosol in the atmosphere is huge and uncertain, and how to quantify the contribution of dust devil and reduce its uncertainty is the key core problem of this project.The project is going to find out the weather criteria for the dust devil formation by conducting comprehensive obervations in the North China deserts. A conceptional model of the dust devil emission is going to be established, the weather criteria for the devil formation will be formed, and th eparameterization scheme will be optimized, then coupled with the existing WRF-chem model. This is the leading research field in the dust devil studies, and the extenddance based our years of observations on the dust devils. By applying the researches of the project, the range, time, and intensity of regional and global dust devils can be obtained, and a WRF-chem/dust-devil model which contains both dust storms and dust devils can be built, in order to estimate the regional or global contribution of the dust storm and dust devil to the total dust aerosols. On the basis of consideration of both dust storms and dust devils together, the climate effect of the dust devils can be reassessed.

沙尘气溶胶是全球物质循环及气候变化中的关键环节，仅考虑沙尘暴过程不能解释晴日沙漠气溶胶浓度高的事实及全球巨量沙尘气溶胶的缺失。尘卷风对大气沙尘气溶胶总量的贡献巨大且具有很大的不确定性，如何定量尘卷风的贡献并减少其不确定性是本项目的关键核心问题。本项目通过在北方沙漠开展大气边界层特征和尘卷风的综合观测,找出尘卷风发生的气象条件阈值，建立尘卷风起沙的概念模型，构建尘卷风出现的气象要素参数化方案并进行优化，然后将其耦合到WRF-chem模式，这是目前尘卷风研究中最新的一个分支，也是我们对尘卷风多年观测积累后自然的延伸结果。通过该项目的研究，可获得区域和全球尘卷风起沙范围、发生时间及强度，进而建立包含沙尘暴和尘卷风的WRF-Chem/dust-devil模型，估算区域和全球尘卷风与沙尘暴各自在年沙尘总量中的贡献。在综合考虑沙尘暴和尘卷风起沙量的基础上，重新评估沙尘气溶胶的气候效应。

沙尘气溶胶是全球物质循环及气候变化中的关键环节，仅考虑沙尘暴过程不能解释晴日沙漠气溶胶浓度高的事实及全球巨量沙尘气溶胶的缺失。尘卷风对大气沙尘气溶胶总量的贡献巨大且具有很大的不确定性，如何定量尘卷风的贡献并减少其不确定性是本项目的关键核心问题。本项目通过在北方沙漠开展大气边界层特征和尘卷风的综合观测,找出尘卷风发生的气象条件阈值，建立尘卷风起沙的概念模型，构建尘卷风出现的气象要素参数化方案并进行优化，然后将其耦合到WRF-chem模式，这是目前尘卷风研究中最新的一个分支。通过该项目的研究，1）构建了两类沙漠典型地形（裸露沙地-沙生植被区交替地区；大型沙丘）有利于尘卷风发生发展的概念模型，模型就可以很好的解释了为何在无风或者弱风的情况下，在沙漠地区仍有尘卷风频发的事实，同时也验证了尘卷风由太阳辐射的热力作用而引起的，在某些沙漠区域会频繁出现的事实，也解释了平稳天气条件下阵风产生的原因。2）利用建立的尘卷风参数化方案并结合沙尘暴起沙量的数值模拟，几乎完美地解释了北非和阿拉伯半岛卫星观测的AI值。证实卫星监测的北非沙漠地区的沙尘气溶胶指数AI更多的反映的是尘卷风扬起的沙尘，北非北部主要以沙尘暴为沙尘的主要来源，而北非中部则以尘卷风为沙尘的主要来源，沙尘暴和尘卷风的总起沙量与卫星监测的沙尘气溶胶指数AI有非常好的相关。3）提出了适用于沙漠下垫面的边界层高度理论模型，利用观测资料将其参数化并将其耦合到带有尘卷风起沙量的WRF-Chem模式中，新方案可更好地模拟沙漠地区的边界层高度，且模拟的尘卷风起沙量远高于旧的方案。4）发现平稳天气条件下，阵风起沙可能是媲美尘卷风和沙尘暴起沙的重要起沙机制。我们对中国北方腾格里沙漠的阵风观测和计算表明，阵风年起沙量媲美尘卷风和沙尘暴的年起沙量。