利用大气层顶辐射反射率的卫星观测优化东亚沙尘排放

Mineral dust from East Asian deserts can significantly affect air quality, weather, climate, and ecosystems at regional and global scales. However, there are still large uncertainties in modeling East Asian dust emissions due to limited observations near dust sources. This significantly hinders the research about the impact of East Asian dust on air quality, weather, and climate of China. Although there have been some studies trying to tune empirical parameters in dust emission schemes to match satellite retrievals, the optimization of dust emission schemes over East Asia still needs more effort due to the uncertainties in satellite retrievals and the lack of physical meanings of tuning parameters in schemes used in previous studies. This project proposes to use a new method to optimize dust emission schemes. The new method will avoid using satellite retrievals instead using the satellite (MISR) observed reflectance at the top of atmosphere (TOA). With the observed reflectance at TOA, an efficient multiple-parameter optimization method will be used to calibrate the uncertain physical parameters in a physics-based dust emission scheme in the WRF_Chem model；In addition, the uncertainties and effect of this scheme optimization will be explored. This project aims to reduce the biases in modeling East Asian dust emissions, and provides a basis for further investigation of the impact of East Asian dust on regional weather, climate, and ecosystem.

东亚自然沙源所排放的大气沙尘气溶胶能够对区域乃至全球的空气质量、天气、气候、及生态系统产生重大影响。然而由于沙源区实地观测的缺乏，东亚沙尘排放的数值模拟仍有很大的不确定性，这严重阻碍了进一步研究东亚沙尘对中国地区空气质量及天气气候的影响。尽管目前已有一些研究利用卫星遥感反演数据调整优化东亚沙尘排放经验参数，然而由于以往的研究中所使用的卫星遥感反演数据自身的误差及所调整参数的物理意义缺乏，东亚沙尘排放的机制优化仍需要深入的研究。本项目提出一种新的优化方案，避免遥感反演过程中引入的误差，使用MISR星载仪器对沙源区大气层顶辐射反射率的直接观测，结合高效的多参数优化方案，调整和优化WRF_Chem模式里物理起沙机制中的不确定物理参数；并评估优化过程中的不确定性及最终优化效果。本项目以减小东亚沙尘排放模拟误差为目标，为进一步研究东亚沙尘如何影响区域大气环境及生态系统提供坚实的基础。

东亚大气沙尘气溶胶能够对区域乃至全球的空气质量、天气、气候、及生态系统产生重大影响，然而目前东亚大气沙尘的来源和影响机制仍有待研究。项目建立了一种新的区域大气模拟的模式框架，可以更好地用于研究大气沙尘及其对区域和全球气候系统的影响;发展了大气环境模式的伴随模拟方法，基于地面观测数据，对中国地区人为沙尘排放清单进行了优化，揭示了中国地区人为沙尘排放特征，为进一步用于优化自然沙尘排放提供了基础；利用地面站点观测和多模式模拟结果，构建了一套全球大气沙尘的质量和光学特性三维分布数据集，指出了目前的大部分模式可能都高估了沙尘的质量散射效率，为未来的大气沙尘模式发展提供了可靠的参考；基于地面站点的观测，改进了模式中的气溶胶边界层混合方案，很大程度上减小了模式对边界层内气溶胶质量浓度的模拟偏差；揭示了沙尘排放和干沉降方案中的关键参数对大气沙尘的影响机制，并给出了优化的参数，同时揭示了不同的起沙方案对于起沙位置模拟有着明显的差异，直接影响了沙尘远距离输送的模拟，对模拟大气沙尘对下游地区气溶胶浓度的影响有着重要的意义；揭示了东亚关键区域（例如：青藏高原地区，华东地区，等）大气沙尘的时空变化规律及量化了主要影响因子对这些变化的贡献，同时探究了东亚地区的沙尘通过远距离输送对下游地区的影响；揭示了东亚气溶胶（包括沙尘）对东亚夏季风平均降水的影响，并指出了数值模拟实验区域大小设置对数值模拟结果的重要影响，应在未来的科学研究中得到关注。基于项目中的研究结果，在国际知名期刊上发表学术论文8篇。另外，目前有4篇相关论文在审或正在撰写，预计近期会发表。项目中所研发的模式和优化的方案及参数一定程度上减小了东亚沙尘排放模拟的误差，并为进一步利用更多的观测包括卫星反演数据优化沙尘排放机制奠定了基础。同时相关研究也提升了我们对东亚沙尘的来源及对大气环境及气候影响机制的认知。