边界层大气热力起沙(尘卷风)综合观测及其对气候的影响研究

Dust aerosols have an important influence on climate change with a wide range of uncertainties in the global emissions. However, previous researches have mainly focused on the role of dust storms dynamically driven by a large scale strong winds , but very few on the role of dust devils trigged by thermal dynamical convection in boundary layer. Some indirect measurements and model simulations showed that the contribution of dust devils to annually global and regional dust aerosol loading is equal to or more than dust storms. No systematic field observations on dust devils have been found so far. With the comprehensive field observation on atmospheric boundary layer processes, surface thermal flux, radiations, and dust emission caused by dust devil in desert area, this project attempts to : 1) obtain the basic characteristics of dust devil such as occurrence frequency, spatial scale, life time, and dust flux providing the key information for parameterization of dust devil for climate model. ; 2) explore the mechanism of the dust uplift by thermal dynamical processes powered by solar radiation, and take a look inside of dust emissions 3) investigate dust devil's transmission through the boundary layer and radiation forcing of dust aerosols; 4) quantitatively analyze the contribution of dust devil and dust storm to regional dust aerosols. These expected results will be helpful to solve the problem of a huge amount discrepancies of dust aerosol emissions, and to improve our understanding of the effect of dust aerosols on climate.

大气沙尘气溶胶对气候变化具有非常重大的影响且在全球存在巨量的缺失,然而国内外以前的研究主要侧重大尺度强风下沙尘暴的动力起沙，而对晴日太阳辐射的热力起沙（尘卷风）缺少研究。而模拟和间接方法所得到的尘卷风对沙尘气溶胶年总量的贡献很可能同等或远超过了沙尘暴的贡献，但需要观测的证实，而且关于尘卷风基本特征和许多关键的参数需要通过长期的系统观测才有可能得以解决。本项目拟通过在沙漠地区进行大气边界层、近地层热通量、太阳辐射相结合的尘卷风野外综合观测，获取尘卷风的发生次数、大小、持续时间、起沙通量等最基本的特征，为数值模拟尘卷风提供关键的物理参数。揭示太阳辐射的热力对沙尘起沙的机制，提出尘卷风起沙的概念模型，研究其在边界层内外的传输及对辐射强迫的影响，客观准确地分离出大气中尘卷风和沙尘暴对大气沙尘气溶胶总量的贡献。该研究结果有可能解决全球巨量的沙尘气溶胶缺失的难题，加深我们对沙尘气溶胶影响气候的理解。

全球存在着巨量的沙尘气溶胶缺失，暗示除了以动力起沙为主的沙尘暴过程外，还存在以热力为主的尘卷风起沙过程。卫星观测的沙尘气溶胶与尘卷风起沙更密切。本项目通过对沙漠地区大气边界层、近地层通量、太阳辐射相结合的尘卷风野外综合观测实验，获得了如下突破性进展：1）三年总共观测到大于2米的尘卷风195次，而小于2米的小尘卷风1639次，也即小尘卷风出现的次数是大尘卷风出现次数的8.4倍；获得了尘卷风的日、月变化特征及尘卷风出现的气象阈值，为数值模拟尘卷风提供关键的物理参数。2）在新疆塔克拉玛干沙漠腹地的肖塘对尘卷风不透明度进行了观测，获取并分析了尘卷风不透明度的2D结构，证实尘卷风中心存在一个类似台风眼的中空圆柱；提出了一种将尘卷风不透明度2D图像转换为3D结构的新方法，为尘卷风观测提供了一种成本低、使用简便、准确性高的新方法。3）通过常规的探空资料来估算尘卷风的起沙量获得了突破性进展。利用每天08：00的探空资料，用T-LogP图法获得边界层的最大高度，进而利用边界层高度与尘卷风的起沙量的关系，得到了尘卷风的起沙量，其计算的结果与卫星观测的AI值吻合，推算尘卷风年均起沙对于总起沙量的贡献至少为54.4%，这一研究成果为利用常规气象资料推算全球尘卷风的起沙量奠定基础。4）建立了尘卷风起沙的概念模型，新构建了一个尘卷风起沙的参数化方案，并将其耦合到WRF-chem模式当中，获得了尘卷风的出现时间、位置以及尘卷风的起沙量。同时，利用沙尘暴模式和耦合了尘卷风起沙参数化方案的WRF-chem模式，计算了尘卷风和沙尘暴对大气沙尘气溶胶总量的贡献。5）通过敏感性实验，提出了西北地区的沙尘热泵(EHP)概念模型，仅考虑沙尘暴，西北沙尘热泵效应时有时无，加上尘卷风，沙尘热泵效应则一直存在。6）以第一资助已发表论文16篇, 其中SCI 6篇，核心期刊10篇。7）培养博士研究生3名，硕士研究生5名。