云微物理影响东亚污染性沙尘气溶胶跨太平洋传输的数值模拟研究

Dust aerosol has a significant effect on global radiative balance and climate change. Most East Asian dust passes Eastern China and transports over the Pacific. Previous studies indicate that more than half East Asian dust mixes with polluted aerosols during the transport, changing from insoluble to soluble, becoming cloud condensation nuclei (CCN) and easier be removed by cloud processes. In current climate models, simulated trans-Pacific transport of Asian polluted dust is not realistic. The parameterization is highly simplified and has large uncertainties. This study will apply the Lagrangian parcel model to analytically simulate the activation process of polluted dust aerosol, in order to understand the mechanism of rain out removal process and its efficiency dependence on the changing solubility of polluted dust. The parameterization of rain out process in the global climate model CIESM (Community Integrated Earth System Model) will be modified according to the parcel model analysis. The wet removal efficiency will be analytically calculated in climate model for the first time. The improved climate model will be evaluated with the CALIOP satellite data, which is the only dataset providing polluted dust observations. The comparison between model results and satellite data focuses on the climatologically temporal and spatial distribution of dust aerosol over the Pacific. The improved model will also run for the future scenario with IPCC estimated aerosol emission, to simulate the transport and distribution of polluted dust aerosol over the Pacific and predict the dust effects on radiative forcing and climate change.

沙尘气溶胶对全球辐射平衡及气候变化有不可忽视的作用，其中东亚沙尘的一个重要传输路径是途经我国东部跨越太平洋。研究表明，一半以上的东亚沙尘在传输途中会与污染性气溶胶混合，从不可溶变为可溶，更易成为云凝结核，并受雨除过程影响发生湿沉降。当前气候模式中对东亚污染性沙尘跨太平洋传输的模拟效果较差，模拟方法较为简化，且仍有诸多不确定因素。本项目拟采用解析云微物理过程的拉格朗日气团模型，模拟污染性沙尘气溶胶的核化过程，分析可溶性的改变影响雨除效率的具体机理。并依据此机理改进全球气候模式CIESM中的参数化方案，在模式中首次加入污染性沙尘雨除过程的解析模拟。改进后的模式将与当前唯一可观测污染性沙尘的CALIOP卫星数据进行比对评估，重点分析沙尘在太平洋上空的气候态时空分布特征。随后根据IPCC排放清单对未来污染气溶胶的估计情景，模拟东亚污染改善的情况下，污染性沙尘传输与分布的改变对辐射和气候的影响。

当前气候模式对东亚污染性沙尘在太平洋上的传输和分布模拟效果较差。首先，本项目基于气溶胶核化形成云滴的物理机理和多组气团模式的模拟结果，改进了污染性沙尘的雨除湿沉降参数化，得到了一套解析计算污染性沙尘的层云雨除湿沉降效率的参数化方案，相比于原有的直接给定湿沉降效率为常数的方法，新参数化方案更加符合湿沉降过程的物理规律。另外，我们还基于文献调研，得到了两套人为沙尘排放的参数化方案，更合理地考虑了人为活动导致的沙尘排放及对污染性沙尘的影响。上述参数化均已加入清华大学的全球气候模式，有效改善了东亚和太平洋地区的污染性沙尘在气候尺度上的模拟效果，多个沙尘气溶胶相关变量的模拟结果与地面或卫星观测数据的偏差均有显著改善。上述参数化方案可以用于全球气候模式中沙尘气溶胶的模拟，或用于区域天气预报的业务模式，为改进东亚沙尘天气的预报效果，以及研究东亚沙尘对东亚和太平洋地区的气候影响提供帮助。其次，本项目基于MERRA2再分析资料的多年沙尘数据，考虑沙尘气溶胶在太平洋上的源汇过程及质量守恒，对东亚沙尘在太平洋上的时空分布特征和主要影响因素进行了系统分析。结果显示，太平洋上沙尘质量柱浓度分布的纬度重心有明显的季节差异，春季偏南至北纬40度左右，秋季则偏北至北纬42.5度左右，其主要影响因素为东亚沙尘自西向东的水平传输过程，其次为太平洋上沙尘的南北传输过程，其他的干湿沉降等过程影响较小。本研究首次量化展示了东亚沙尘在太平洋地区的长期时空分布特征和主要影响因素。相关方法和结论对于研究和分析太平洋上沙尘分布的气候态变化，以及沙尘的气候效应有重要的参考和应用价值。最后，我们运行上述改进后的模式，针对人为沙尘的影响，沙尘气溶胶的晴空辐射强迫以及对北太平洋中纬度气旋的影响，未来全球气候变暖的影响等，运行了多组历史试验和未来情景试验，并具体给出了东亚污染性沙尘的气候效应及影响的量化结果，为相关的气候变化研究和政策制定等提供参考。