边界层湍流对干旱区黑风暴沙尘抬升和垂直传输影响的大涡模拟研究

Northwest China is one of the source areas of frequent black storms, which has an important influence on global dust emissions. Many previous studies have focused on the effects of large-scale synoptic situation on the formation of black storms. However, less attention was paid to convective cold pools which play an important role in generating black storms, and effects of small-scale turbulences from cold pools on black-storm dust uplifting and transport. This project will analyze the structure characteristics of turbulence initialized by downdrafts which form convective cold pools using observed boundary-layer soundings from the arid area of Northwest China and Saharan desert and a large eddy model, and then investigate the effects of environmental turbulence on the strength, height and moving speed of cold pools. This project is also designed to investigate the effects of turbulence from cold pools on the black-storm dust uplift potential (DUP) and reveal the difference of contribution of turbulent eddies to the DUP between the cold pool and the environment. Finally the project will evaluate quantitatively the role of turbulence on the transported height of black-storm dust. Expected results of the project are significant to better understanding the contribution of black storms to global dust emissions in the arid area of Northwest China and improving the prediction level of dust concentration by numerical models.

我国西北干旱区是黑风暴频发的源区之一，对全球的沙尘排放具有重要的影响。以往对黑风暴的研究侧重于分析其形成的大尺度天气形势，但对黑风暴的形成起重要作用的对流冷池及冷池内的小尺度湍流涡旋对黑风暴沙尘抬升和垂直传输的影响没有得到足够重视。本项目将利用我国西北干旱区边界层观测资料以及非洲撒哈拉沙漠地区的边界层及沙尘观测资料结合大涡模式，对比诊断分析干旱区黑风暴发生过程中下沉气流激发的对流冷池内的湍流结构特征，在此基础上研究边界层环境湍流对对流冷池的强度、高度和移动速度等宏观特征的影响；探讨冷池内的湍流涡旋对黑风暴沙尘抬升潜势的影响，揭示对流冷池内的湍流和边界层环境湍流对黑风暴沙尘抬升潜势影响和贡献的差异；同时定量评估湍流对黑风暴沙尘传输高度的影响。项目预期研究结果对深入理解我国西北干旱区黑风暴对全球沙尘排放的贡献、改善数值模式对沙尘浓度的预测水平具有重要意义。

项目以边界层湍流对干旱区黑风暴沙尘抬升和垂直传输影响的大涡模拟为主要研究内容，研究了理想大气中对流冷池的结构和湍流特征，以及地表热通量和风切变对对流冷池的强度、移速以及湍流结构的影响；探究了对流冷池内不同尺度的湍涡对黑风暴沙尘抬升效率和垂直传输的影响，以及孤立山丘对下击暴流的结构和发展的影响；研究了不同下垫面上边界层湍流结构特征，以及湍流在平流层对流层物质交换中的作用。.项目的主要研究成果有三个：1）发现黑风暴沙尘抬升主要发生在密度流的头部，沙尘大部分被限制在冷池辐散流内高度较低且温度低的混合层内（约400m以下），但是冷池头部的沙尘可以被传输到2.5km的高度，而且小尺度湍涡对黑风暴沙尘的混合作用不能被忽略。增大地表热通量加强了密度流与周围环境大气的混合，导致密度流的移动速度减小，但是增强了动量的下输，进而增大了沙尘的抬升效率。该研究成果首次以大涡模拟的方法证明了对流冷池内的湍流混合对黑风暴沙尘抬升和垂直传输的影响。2）发现冷池密度流抬升的沙尘大部分在冷池内混合,仅少部分扩散到冷池外,头部的沙尘浓度约是尾部的2倍；由于受到迎风坡地形的阻挡，冷池头部的移速减小。这些研究为定量评估对流冷池内不同尺度的湍涡对黑风暴沙尘抬升和垂直传输的影响提供了科学依据。3）发现东亚地区污染物可经过3-9天的时间传输到北极地区；穿透对流激发的重力波的破碎和冰晶的升华对下平流层有增湿作用，而由于小尺度湍流混合随穿透对流气流输送到平流层的水汽相对较少；黄河源区湖面上的边界层湍流尺度较草地的小。这些研究结果加深了我们对小尺度湍流混合机制的认识。