干旱区边界层对流对沙尘抬升和传输影响的大涡模拟研究

The effects of desert dust on human production and life and the destruction of ecological environment have attracted wide attention. Vertical transport to the free atmosphere and long-range tranport of dust are a current research focus. Although the contributions of synoptic-scale circulations and mesoscale disturbances to the dust transportation are received the attention, the effects of boundary layer small scale circulations can not be neglected. First, the project will analyse comparably the characteristics of the vertical distribution of the boundary layer thermal convections between arid and semi-arid zones with observed data, and horizontal distributions of potential temperature, water vapour mixing ratio and vertical velocity to be diagnosed over the same places as well. Then the project will study the characteristics of the magnitude of surface winds, depth of boundary layer, dust uplifts and vertical transportation under different boundary convective activities. The effects of surface heat flux anomalies on transporting upper level high momentum down to the surface, and further on dust uplifts and transportation are presented. At last, the project will investigated the impacts of surface roughness upon entrainment rate between convective boundary layer and inversion layer, and further on dust vertical transportation. Studing the character and mechanism of dust vertical transportation in arid zone using many oberservations and large eddy simulations is innovative.

沙尘对人类生产生活的影响及对生态环境的破坏受到广泛关注，沙尘向自由大气和长距离的水平传输是目前一个热点研究领域。虽然大尺度环流和中尺度扰动对沙尘传输的贡献备受关注，但边界层小尺度涡旋对沙尘抬升和传输的作用不容忽视。该项目首先用实测资料对比分析干旱区和半干旱区边界层热力对流的垂直分布特征，进而用大涡模式诊断干旱区和半干旱区边界层不同高度位温、水汽混合比和垂直速度的水平分布特征。项目将进一步比较不同形式边界层对流状态下近地层风速和对流边界层厚度以及沙尘抬升和垂直传输的特征，给出非均匀地表热通量对自由大气水平动量垂直输送的贡献及对沙尘抬升和垂直传输的影响。项目最后分析下垫面粗糙度对对流边界层与逆温层之间夹卷率的影响,及在沙尘传输中所起的作用。项目用大量实际观测资料结合大涡模式研究干旱区沙尘垂直输送的特征及机理，具有创新性。

项目以边界层对流对沙尘抬升和垂直传输的影响为主要研究内容，用大涡模拟方法研究了浮力和风切变对边界层对流结构、沙尘抬升效率和垂直传输高度的贡献；定量地分析了地表热通量和风切变的大小分别与示踪物抬升效率和传输高度的关系；探讨了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从地面向对流层上部和平流层下部传输的特征，以及夏季沙尘气溶胶和人为气溶胶在青藏高原的分布和传输特征。. 项目的主要研究成果有三方面：1）与浮力相比风切变更容易引起边界层对流泡的倾斜，风切变对夹卷层湍流动能的贡献也较大，增大风切变增强了边界层顶的夹卷效率，为混合层和残留层的贯通提供有利的条件，浮力与风切变的共同作用是干旱区超厚边界层形成的主要原因，超厚边界层有利于干旱区沙尘传输到较高的高度；2)增大地表热通量，对流边界层变暖增厚，而且边界层对流的强度明显增强，对流泡发展的高度也较高；增大风切变，将逆温层中的暖空气向下卷入混合层中，使对流边界层增暖增厚，但是对流泡容易破碎，对流的强度也较弱。地表热通量和风切变对沙尘抬升效率和传输高度有重要影响；3）当青藏高原上空形成穿透对流层顶的上升运动时，到达高原上空的沙尘气溶胶粒子，在辐合上升运动的作用下可以传输至下平流层，且具有明显的倾斜向上传输的特征，而且粒径小的沙尘气溶胶粒子更容易传输至下平流层；由于受到西北风和高原地形阻挡的作用，夏季来自塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶主要分布在青藏高原的北坡而中国东部地区的大量人为气溶胶主要分布在青藏高原的南坡和东面，高原北坡上空的气溶胶可以传输到7-8km的高度。. 在四年的项目研究过程中，发表科技论文9篇，其中SCI论文3篇，国内核心期刊论文6篇，培养3名硕士研究生（1名毕业，2名在读），达到了项目预期的研究目标。