模擬區(qū)域氣候模式riems20中的粉塵氣溶膠輸送及輻射效應(yīng)

模擬區(qū)域氣候模式riems20中的粉塵氣溶膠輸送及輻射效應(yīng)

沙氣溶膠是重要的流暢液中的一個(gè)重要成分。據(jù)估計(jì)，世界每年進(jìn)入大氣的沙氣溶膠達(dá)到10.20億噸，占總氣溶膠總量的一半以上。氣候沙氣溶膠主要來(lái)自干燥或半干旱沙漠、戈壁和沙漠土地，它們對(duì)基質(zhì)和氣候條件的影響很大。在世界范圍內(nèi)，主要來(lái)源是北非的撒哈拉沙漠和中亞的塔克拉瑪干沙漠。東亞地區(qū)的沙區(qū)主要由中亞和中國(guó)西北部的沙漠和洛杉磯高原組成。春天，中國(guó)北方裸露的牧場(chǎng)和耕地也成為沙源區(qū)。通過(guò)分散和吸收太陽(yáng)輻射，吸收和釋放紅外輻射，直接影響地氣系統(tǒng)的輻射能量收支，影響該地區(qū)和世界的氣候變化。自20世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)撒哈拉、美國(guó)西南部、阿拉伯半島及中亞等沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠的產(chǎn)生、遠(yuǎn)程輸送,大氣沙塵氣溶膠的物理化學(xué)特性及輻射氣候效應(yīng)已有不少的觀測(cè)與研究.其中,Westphal等利用撒哈拉沙漠的觀測(cè)資料建立了二維沙塵氣溶膠模式,并對(duì)沙塵氣溶膠的長(zhǎng)距離輸送做了研究.Tegen和Fung利用一個(gè)全球傳輸模式,詳細(xì)模擬了全球的起沙源地、輸送以及光學(xué)厚度分布.其后Tegen和Lacis又利用(generalcirculationmodel,GCM)具體模擬了沙塵氣溶膠中不同半徑的粒子對(duì)輻射的影響,發(fā)現(xiàn)沙塵粒子的譜分布和垂直分布會(huì)嚴(yán)重影響沙塵氣溶膠的輻射強(qiáng)迫.Claquin等研究了不同光學(xué)參數(shù)對(duì)于沙塵氣溶膠輻射強(qiáng)迫的影響,發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠折射指數(shù)的虛部的變化會(huì)導(dǎo)致輻射強(qiáng)迫的計(jì)算有±40%的誤差;粒子譜的分布會(huì)嚴(yán)重影響沙塵氣溶膠的光學(xué)特性,另外溫度和沙塵氣溶膠的垂直分布對(duì)長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的計(jì)算影響也很大,從而使得沙塵氣溶膠的輻射計(jì)算有很大的不確定性.Lunt和Valdes使用一個(gè)GCM驅(qū)動(dòng)的離線沙塵模式,模擬了全球沙塵氣溶膠柱濃度分布的季節(jié)變化;并且詳細(xì)研究了不同物理參數(shù)對(duì)沙塵柱濃度的影響.黃美元、王自發(fā)在比較國(guó)內(nèi)外相關(guān)起沙機(jī)制模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合中國(guó)北方大量氣象臺(tái)站的有關(guān)起沙過(guò)程的觀測(cè)資料,提出了一個(gè)適合我國(guó)北方的用于黃沙輸送模擬與預(yù)報(bào)的新的起沙機(jī)制模型.采用此起沙模型,通過(guò)對(duì)黃沙輸送過(guò)程中的干沉降過(guò)程、降水清除過(guò)程的參數(shù)化處理,并考慮了黃沙的分譜機(jī)理及可能的微物理過(guò)程,建立了適合東亞地區(qū)的分譜的黃沙輸送模式.王宏、石廣玉在中國(guó)西北部沙漠地區(qū)進(jìn)行了氣溶膠采樣,經(jīng)過(guò)成分分析和理論計(jì)算,得出了該地區(qū)沙塵氣溶膠的主要光學(xué)特性.將其作為中國(guó)和東亞地區(qū)沙塵氣溶膠光學(xué)模型的代表,模擬了東亞-北太平洋地區(qū)2001年春季平均輻射強(qiáng)迫,模擬估算的2001年春節(jié)東亞-北太平洋地區(qū)大氣頂凈輻射強(qiáng)迫為-0.94W/m2,地面-5.45W/m2.吳澗等在區(qū)域氣候模式RegCM3中加入起塵方案、建立礦物塵氣溶膠輸送模式,并將其輻射過(guò)程加入?yún)^(qū)域氣候模式的輻射方案.通過(guò)對(duì)2001年3月-2002年3月的模擬發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)氣溶膠大氣頂直接輻射強(qiáng)迫基本呈現(xiàn)大陸上為正、海洋上正負(fù)均有的分布特征,區(qū)域平均輻射強(qiáng)迫在春、夏、秋、冬分別為1.08,0.88,0.37,0.40W/m2.黃建平等人利用現(xiàn)有資料討論了沙塵氣溶膠對(duì)云的影響,發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠的存在可以明顯減弱云對(duì)地氣系統(tǒng)的冷卻作用,同時(shí)沙塵氣溶膠加熱云層,使云中水滴的蒸發(fā)增強(qiáng),從而降低云的含水量,并導(dǎo)致降水的減少.總之,目前的研究表明沙塵氣溶膠的作用機(jī)制極為復(fù)雜,對(duì)氣候的影響有很大的不確定性.本文利用區(qū)域氣候模式RIEMS2.0耦合沙塵氣溶膠輸送模式分別模擬了1998年春季中國(guó)的沙塵氣溶膠源區(qū)和沙塵氣溶膠的光學(xué)厚度,并與同期衛(wèi)星資料進(jìn)行了比較.然后估算了中國(guó)地區(qū)的輻射強(qiáng)迫,以及對(duì)地面溫度和降水的影響.1riems2.0與mm3的比較本文中的區(qū)域氣候模擬是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞中心在MM5V3基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新版本RIEMS2.0模式,與原來(lái)的MM5V3相比,RIEMS2.0增加了植被-氣候相互作用的陸面過(guò)程,水文過(guò)程和CCM3的輻射方案以及大氣化學(xué)-氣溶膠模式,在其大氣化學(xué)-氣溶膠模式中,主要考慮了硫酸鹽氣溶膠、沙塵氣溶膠和黑碳?xì)馊苣z及其輻射效應(yīng).1.1地表起沙量的計(jì)算沙塵氣溶膠從源地起沙是在一定的氣象條件下發(fā)生的.在模式中當(dāng)摩擦速度大于臨界摩擦速度及地面風(fēng)速大于6.5m/s時(shí),才會(huì)發(fā)生起沙.起沙量使用Gillette的機(jī)制模型:其中u*為模式計(jì)算的摩擦速度,ut*為臨界摩擦速度,dx、dy為水平格距,soil為網(wǎng)格內(nèi)起沙單位時(shí)間內(nèi)的起沙量.C′為常數(shù),取(1.4±0.1)*10-15g·s2·cm-6.其中地表類型所對(duì)應(yīng)的臨界摩擦速度見文獻(xiàn).1.2參數(shù)化擴(kuò)散系數(shù)這里C是沙塵濃度,V是格點(diǎn)上三維風(fēng)速矢量,Ke是用于次網(wǎng)格湍流參數(shù)化的擴(kuò)散系數(shù),E是起沙通量,(?C?t)wet(?C?t)wet和(?C?t)dry(?C?t)dry分別是由于云過(guò)程、降水過(guò)程和干沉降造成的濃度變化率.其中干沉積計(jì)算采用的計(jì)算方法.1.3粒子半徑的劃分根據(jù)觀測(cè),沙塵氣溶膠粒子譜為0.1～1000μm.研究表明半徑較大的粒子主要存在于起沙源附近,其中大于1.8μm的粒子可以達(dá)到60%,但是這些粒子在大氣中的停留時(shí)間很短,對(duì)長(zhǎng)距離輸送沒有意義,全球范圍內(nèi)沙塵氣溶膠的柱濃度主要由半徑在0.6～1.8μm之間的粒子決定,而大于1.8μm的粒子只有20%的貢獻(xiàn).本文在不考慮大于10μm的粒子的前提下,將粒子半徑劃分為5段:小于1μm,1～2μm,2～4μm,4～8μm,8～10μm.中心半徑分別取為0.50、1.0、2.0、4.0、8.0μm.各譜段沙塵氣溶膠起沙質(zhì)量占總沙量的百分比根據(jù)Tegen和Lacis的研究結(jié)果,近似取17%、51%、25%、5%、2%.1.4質(zhì)量消光系數(shù)的計(jì)算沙塵氣溶膠的消光效率、單次散射反照率、非對(duì)稱因子取之于Tegen與Lacis使用MIE散射程序的計(jì)算結(jié)果.質(zhì)量消光系數(shù)由消光效率計(jì)算得到,即:其中Kext是質(zhì)量消光系數(shù),Qext是消光效率,rn是第n檔粒子的有效半徑,ρ為粒子濃度.1.5初場(chǎng)模擬氣象資料采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)1998年3月、4月、5月,1°×1°再分析平均氣象資料()作為模式模擬的初始場(chǎng),側(cè)邊界采用NCEP資料外強(qiáng)迫方法,每6h更新一次.模式積分時(shí)間為3個(gè)月,積分結(jié)果6h輸出一次.模擬區(qū)域中心為(107°E,30°N),南北方向取55個(gè)格點(diǎn),東西方向取65個(gè)格點(diǎn),格距為60km.其中氣候模式垂直為16層,頂部氣壓為100hPa.2氣溶膠柱濃度及光學(xué)厚度分布一般來(lái)說(shuō),由于春季氣旋活動(dòng)頻繁,地面風(fēng)速較大,導(dǎo)致一年中春季起沙量最大.起沙率模擬結(jié)果如圖1a所示,表明春季中國(guó)沙塵源區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古西部的騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠,南疆塔克拉瑪干沙漠的東部,河西走廊地區(qū)、青海的柴達(dá)木盆地附近以及蒙古國(guó)中南部的戈壁.與觀測(cè)比較接近.這些地區(qū)的起沙率都在5μg/(s·m2)以上.其中內(nèi)蒙古的巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠起沙率最大,起沙面積也最大.圖1b是春季沙塵氣溶膠的平均柱濃度分布.沙塵柱濃度大值區(qū)主要集中在西北地區(qū),塔克拉瑪干沙漠地區(qū)柱濃度最大,最大值達(dá)到550mg/m2以上.黃河中下游地區(qū)的柱濃度在100mg/m2以上.長(zhǎng)江中下游地區(qū)的柱濃度在50mg/m2以上.對(duì)比起沙源地的分布,可以看到西北地區(qū)的沙塵柱濃度主要是本地起沙的貢獻(xiàn),其它地區(qū)因?yàn)闆]有本地沙源的貢獻(xiàn),主要來(lái)自于上游地區(qū)沙塵氣溶膠的傳輸.結(jié)果與國(guó)內(nèi)外其他研究相近圖1c是1998年NASA的TOMS氣溶膠指數(shù)(AI)分布,春季AI大值區(qū)主要集中在西北地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū),AI指數(shù)都在1.0以上,在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)AI指數(shù)可以達(dá)到2.4.對(duì)比圖1b,西北地區(qū)AI高值區(qū)與柱濃度分布吻合的很好,但是在南方及環(huán)渤海地區(qū)AI值較高,而沙塵氣溶膠柱濃度較低,這是因?yàn)锳I指數(shù)是整個(gè)氣溶膠柱濃度的一個(gè)量度,還包含了其它氣溶膠如硫酸鹽、黑碳?xì)馊苣z的貢獻(xiàn).圖1d是春季平均的沙塵氣溶膠在0.55μm的光學(xué)厚度分布.春季光學(xué)厚度平均值的分布與柱濃度的分布比較一致,其中塔克拉瑪干地區(qū)光學(xué)厚度值可達(dá)0.5以上,西北以及環(huán)渤海地區(qū)光學(xué)厚度在0.2以上,華北大部分地區(qū)都在0.1以上,江淮地區(qū)在0.05～0.1之間,長(zhǎng)江以南地區(qū)則在0.05以下.2.3大氣輻射強(qiáng)迫2.3.1地面輻射強(qiáng)迫太陽(yáng)輻射受到沙塵氣溶膠的吸收和散射,使到達(dá)地面的短波輻射減少.圖2a給出了整個(gè)春季地面晴天短波輻射變化的平均分布.其中最大值仍然在塔克拉瑪干沙漠,地表短波輻射強(qiáng)迫為-35W/m2左右;甘肅西北部、騰格里沙漠短波輻射減少在20W/m2以上.西北其它地區(qū)的短波收入也都減少了10W/m2以上;長(zhǎng)江以南的大部分地區(qū)短波收入春季平均變化則在5W/m2左右.可見沙塵氣溶膠對(duì)于短波輻射的消光作用十分明顯.白天沙塵氣溶膠的吸收和散射,使得到達(dá)地表的太陽(yáng)總輻射減少,地面溫度較平時(shí)降低,地面向上輻射因之減弱,另一方面沙塵氣溶膠層吸收太陽(yáng)輻射,使得大氣溫度增加,大氣向下長(zhǎng)波輻射增強(qiáng).兩者同時(shí)作用使得地面的長(zhǎng)波凈輻射增加.夜間地面溫度大于平時(shí),向上長(zhǎng)波輻射增強(qiáng),但是遠(yuǎn)小于大氣向下長(zhǎng)波輻射的增幅,致使長(zhǎng)波凈輻射增加明顯,圖2b給出了地面晴天長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的平均值分布.塔克拉瑪干沙漠是最大的正強(qiáng)迫地區(qū),長(zhǎng)波輻射增加可達(dá)7W/m2.甘肅、青海、陜西部分地區(qū)地面長(zhǎng)波輻射收入增加了3W/m2以上.總的來(lái)說(shuō)沙塵氣溶膠對(duì)長(zhǎng)波輻射的影響遠(yuǎn)小于對(duì)短波輻射的影響.地面長(zhǎng)波收入增加,短波收支減少,但是短波減少的幅度要大于長(zhǎng)波的增加值,兩者共同作用,地面總的凈輻射強(qiáng)迫為負(fù)值.圖2c是春季地面晴天凈輻射平均值的分布.春季地面凈輻射減小的地區(qū)主要在中國(guó)的西北、華北大部.最大變化區(qū)在柴達(dá)木、塔克拉瑪干沙漠,平均減少了30W/m2左右.西北其它地區(qū)的減少都在12W/m2以上,華北地區(qū)的凈輻射減少在5W/m2以上.沙塵氣溶膠柱濃度最大的塔克拉瑪干地區(qū)春季地面凈輻射強(qiáng)迫也是最大負(fù)值中心.圖2d是考慮了云的作用以后的凈輻射強(qiáng)迫,與晴天相比,二者的分布以及量值大體一致,沒有明顯變化.2.3.2大氣輻射強(qiáng)迫沙塵氣溶膠的吸收特性使得白天大氣對(duì)短波輻射收入有明顯的增加,圖3a給出了春季大氣短波輻射(晴天)收入的分布情況.塔克拉瑪干地區(qū)的大氣短波輻射收入在30W/m2左右;說(shuō)明沙塵氣溶膠柱濃度越高的地區(qū)相應(yīng)的短波吸收也最強(qiáng).河西走廊地區(qū)是次高值地區(qū),在20W/m2附近;陜甘寧其它地區(qū)的大氣短波輻射收入在10W/m2左右;華北大部分地區(qū)也都在5W/m2以上;南方地區(qū)的地區(qū)短波輻射收入則在5W/m2以下.圖3b給出了春季大氣長(zhǎng)波輻射(晴天)收入的分布情況,可以看出長(zhǎng)波輻射基本為負(fù)值,大部分地區(qū)小于-5W/m2,這是因?yàn)榇髿獾拈L(zhǎng)波收入主要來(lái)自于地面,地面凈輻射強(qiáng)迫為負(fù)值,導(dǎo)致大氣長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫為負(fù)值.而其中塔克拉瑪干地區(qū)的大氣長(zhǎng)波輻射減少的最多,達(dá)到4W/m2左右;西北其他地區(qū)減小都在1W/m2以上,而東部地區(qū)大氣長(zhǎng)波輻射則有少量增加.沙塵氣溶膠的吸收作用一方面使得白天大氣短波輻射收入有明顯的增加,另一方面又使得長(zhǎng)波輻射有較大的支出,其中短波輻射收入增加要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長(zhǎng)波輻射的支出.夜間大氣沒有短波收入,大氣紅外輻射支出大于收入,使得輻射收支減小.圖3c是大氣凈輻射(晴天)春季平均值的分布,和短波情況類似.塔克拉瑪干地區(qū)的大氣輻射收入在30W/m2左右;河西走廊地區(qū)在20W/m2附近;西北其他地區(qū)的大氣輻射收入在10W/m2左右;華北其它大部分地區(qū)也都在5W/m2以上;南方地區(qū)的地區(qū)輻射收入則在5W/m2以下.圖3d是考慮了云的影響后的大氣凈輻射,與晴天相比,大值區(qū)分布基本一致,但是量值有所降低.沙塵氣溶膠使得到達(dá)地面的輻射有較大的減少,從而會(huì)導(dǎo)致地面溫度隨之下降.圖4a給出了加入沙塵氣溶膠后整個(gè)春季地面溫度的平均變化.全國(guó)大部分地區(qū)地面氣溫都有一定的減少,其中在塔克拉瑪干沙漠降溫幅度最大,達(dá)到-1.80K,西北廣大地區(qū)以及山東、四川部分地區(qū)地面氣溫下降在0.60K以上,中國(guó)東部其它地區(qū)地面氣溫變化也都在-0.30～-0.60K之間.整個(gè)模擬區(qū)域平均地面氣溫降低了0.21K,西北地區(qū)(105°E以西,30°N以北)地面降溫幅度達(dá)到0.40K,整個(gè)北方地區(qū)(30°N以北)地面氣溫降低了0.34K,南方地區(qū)(30°N以南)降溫0.10K.圖4b圖是春季累積降水量變化的模擬結(jié)果.整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)平均累計(jì)降水為30.75cm,加入沙塵氣溶膠后區(qū)域降水減少了0.61cm.具體結(jié)果如表1所示,表中區(qū)域劃分為:華北地區(qū)(105°E以東,30°N以北);西北地區(qū)(105°E以西,30°N以北);華南地區(qū)(105°E以東,30°N以南);西南地區(qū)(105°E以西,30°N以南).表1表明沙塵氣溶膠對(duì)于小雨(12h降水量小于5mm)的影響比較大,全區(qū)域小雨累計(jì)降水10.31cm,加入沙塵氣溶膠后降水量減少了2.07cm,減幅達(dá)到20%,其中華北地區(qū)影響最大,小雨累計(jì)降水為9.30cm,加入沙塵氣溶膠后小雨降水量減少了30%,達(dá)到2.82cm,其次是華南地區(qū),小雨降水量減小了27.8%,西北和西南地區(qū)影響較小,小雨降水量減少了10%左右.對(duì)于中、大雨,沙塵氣溶膠的影響使得降水量增加,但是降水增加率明顯減小,影響最大的華南地區(qū)降水量增加了10%,華北地區(qū)影響最小,降水量只增加了3.5%.將上述兩種情況綜合考慮,全區(qū)域降水量減少了2%左右,分區(qū)域來(lái)看,華北地區(qū)減少最大,達(dá)到13.8%,其他地區(qū)影響很小,華南地區(qū)減少了2.6%,西南地區(qū)減少了0.6%,西北地區(qū)降水量有所增加,增加了0.4%.總的來(lái)說(shuō)沙塵對(duì)于降水的影響主要體現(xiàn)在對(duì)小雨的影響上,另一方面,華北地區(qū)降水受沙塵氣溶膠影響最大.由于沙塵氣溶膠的輻射效應(yīng)在地面和高空影響不同,使得沙塵氣溶膠在不同高度對(duì)于氣溫也有不同的影響.圖5a、b分別是整個(gè)區(qū)域和西北地區(qū)平均氣溫變化的垂直廓線,從中可見,在對(duì)流層下層,沙塵氣溶膠使得氣溫降低,地面氣溫下降幅度最大,西北地區(qū)由于沙塵氣溶膠柱濃度較大,氣溫下降高于全區(qū)域平均.隨著高度的增加,氣溫降低的幅度逐漸減小,在西北地區(qū),沙塵氣溶膠在低層的垂直輸送較強(qiáng),因此在邊界層內(nèi)氣溫下降比較均勻,在全區(qū)域內(nèi)氣溫下降幅度隨高度迅速減小.對(duì)全區(qū)域而言,大約在650hPa附近,大氣輻射收入為正值,氣溫有所增加,在500hPa高度,氣溫增加最大,隨著高度的增加,增溫幅度越來(lái)越小,在300hPa左右為零,之后繼續(xù)減小到負(fù)值,在250hPa左右有極小值,然后又有所增加,在100hPa附近趨于零.西北地區(qū)沙塵氣溶膠使大氣增溫的高度大約在550hPa,比全區(qū)域平均值高.3不同地區(qū)含量高效沙氣溶膠的影響本文通過(guò)對(duì)1998年春季我國(guó)沙塵氣溶膠分布和輻射效應(yīng)的模擬,主要得到以下結(jié)論:(1)春季中國(guó)沙塵源區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古西部的騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠,中部的渾善達(dá)克沙地,南疆塔克拉瑪干沙漠東部,河西走廊地區(qū)以及青海的柴達(dá)木盆地附近.這些地區(qū)的起沙率都在5μg/(s·m2)以上.(2)整個(gè)春季的沙塵氣溶膠柱濃度分布向東、由北向南減小,大值區(qū)主要集中在西北地區(qū),塔克拉瑪干沙漠柱濃度最大,最大值達(dá)到550mg/m2以上;黃河中下游地區(qū)的柱濃度在100mg/m2以上;長(zhǎng)江中下游地區(qū)的柱濃度在50mg/m2以上.春季光學(xué)厚度平均值的分布與柱濃度的分布比較一致,主要在西北地區(qū),光學(xué)厚度在0.2以上,塔克拉瑪干地區(qū)光學(xué)厚度值可達(dá)0.40以上,長(zhǎng)江以北的地區(qū)都在0.05以上,長(zhǎng)江以南地區(qū)則在0.05以下.(3)沙塵氣溶膠的存在使得白天到達(dá)地表的短波輻射明顯削弱,導(dǎo)致地面氣溫的降低,向上長(zhǎng)波輻射減弱,同時(shí)大氣向下長(zhǎng)波輻射增大,地面長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫為正