利用激光雷达观测资料改进区域气候模式中沙尘垂直结构的模拟

The vertical structure of dust aerosols is a critical factor in estimating the dust direct radiative forcing and its associated climatic impacts. Although previous studies have used detailed modeling approaches to simulate dust processes, large uncertainties still exist in modeling dust and its vertical distribution. In this project, different dust emission modules in the regional climate model will be evaluated and compared using observational data of ground-based lidar network from four in-situ sites (Dunhuang, Zhangye, Minqin, and Jingtai) and the Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University (SACOL) since 2007. The dust emission module will be developed by tuning the key parameters related to dust vertical distribution, which will not only improve the simulated vertical structure of dust aerosols, but also modify its temporal and spatial variations. This project will reveal the mechanism of dust emission and its physical processes, improve the forecast skill of dust processes, especially for East Asia, and provide confidence for future investigation of dust impact on climate over East Asia.

沙尘气溶胶（以下简称沙尘）垂直结构是决定沙尘辐射强迫及其气候效应的关键影响因子，目前数值模式对沙尘垂直结构的模拟仍存在很大的不确定性。本文利用2007年以来兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）和中国沙漠附近四个野外站点的地基激光雷达观测资料，评估和比较区域气候模式中不同的起沙参数化方案对沙尘垂直结构(如消光系数廓线)的模拟效果，确定影响沙尘垂直分布的关键参数，并根据观测资料反演确定关键参数的最优取值，进而改进和发展适合于东亚地区的一套起沙参数化方案，提高模式对东亚沙尘垂直结构的模拟能力，改善沙尘层随季节变化的模拟效果。本项目的完成将加深对起沙机制及其物理过程的理解，提高数值模式对沙尘特别是东亚地区沙尘的模拟能力，为更精确地预报沙尘天气提供参考依据。

沙尘起沙是沙尘循环的关键环节，决定了沙尘事件强度、时空分布特征及沙尘粒子的输送和沉降等过程。定量和准确地描述起沙过程是实现沙尘模拟和预报的基础。然而，目前的数值模式对沙尘时空分布特征特别是沙尘垂直结构的模拟仍存在很大的不确定性。本项目利用2007-2016年兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）地基激光雷达观测资料网以及卫星遥感数据，基于WRF-Chem模式(The Weather Research and Forecasting model with Chemistry)系统评估和比较了数值模式中不同的起沙参数化方案对沙尘时空分布特征特别是沙尘垂直结构的模拟效果。优化影响沙尘垂直分布的关键参数，并根据观测资料反演确定关键参数的最优取值，进而改进和发展了适合于东亚地区的一套起沙参数化方案，改善沙尘层随季节变化的模拟效果，有效提高模式对东亚沙尘垂直结构的模拟能力。基于改进以后的数值模式，本项目进一步利用WRF-Chem模式对比研究了2007～2011年不同季节TD和GD地区的起沙、传输以及沉降情况，定量估计了不同沙尘沉降区和源区的质量收支情况以及辐射强迫特征；并详细探讨了TD和GD地区对整个东亚地区沙尘的贡献。本研究针对目前大多研究仅利用观测的气溶胶垂直积分参数（如光学厚度和柱含量等）修改沙尘的参数化方案，难以对沙尘垂直结构的模拟效果进行改进的问题，利用激光雷达能够高分辨率探测气溶胶垂直结构的优势，通过多套地基激光雷达系统长期连续的观测，反演确定最优沙尘参数。改进后的起沙方案不仅能够提高模式的整体模拟性能，还能够更加精确地模拟沙尘浓度、几何和光学特性的垂直分布，以及沙尘层的季节变化特征。本项目的完成将加深对起沙机制及其物理过程的理解，提高数值模式对沙尘特别是东亚地区沙尘的模拟能力，为更精确地预报沙尘天气提供参考依据。