青藏高原地区沙尘气溶胶对流层向平流层输送的数值模拟研究

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利用NCEP/FNL客观分析资料及卫星观测资料,采用中尺度化学模式WRF-Chem以及耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF-Dust对2007年4月17日发生在高原北侧塔克拉玛干沙漠地区的一次沙尘事件进行了模拟研究,分析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的传输特征和机制以及不同粒径沙尘粒子在传输中的差异,探讨了高原地形对沙尘传输的影响,并进一步利用模式分析了干沉降、粒子碰并、云下清除等过程在沙尘传输中的作用。主要结论如下:(1)利用中尺度化学模式(WRF-Chem)模拟了发生在塔克拉玛干沙漠地区的一次沙尘个例。模拟结果表明:沙尘粒子的垂直传输高度与背景水平风场的垂直分布特征密切相关。在没有云微物理过程参与的情况下,当高原上空出现深厚的南北风交汇形成穿透对流层顶的对流时,源于塔克拉玛干沙漠地区的沙尘气溶胶粒子,能到达高原上空,在辐合上升运动的作用下传输至下平流层,且具有明显的倾斜向上传输的特征。这一结果表明,到达平流层下层的沙尘在空间上并不与地面沙尘源的位置相匹配。研究结果也表明,不同粒径沙尘粒子的传输表现出不同的特征,粒径小的沙尘气溶胶粒子更易于在上升气流的作用下传至下平流层,而粒径大于8.0μm的沙尘粒子则由于重力沉降作用无法到达下平流层。(2)利用中尺度化学模式(WRF-Chem)进行的相关数值敏感性试验结果表明:将模式中高原地形高度减低30%和50%后,高原地区的沙尘粒子的传输特征与真实状况相比发生了显著变化。由于高原地形的降低,促使高原北侧的纬向风增大,导致沙尘粒子向南和向上的传输减弱。另外,通过控制地面的沙尘排放源使模式在整个模拟区域内在起始时刻以相同的通量向大气中输送沙尘粒子,发现地形较高的天山山脉地区、喜马拉雅山脉地区以及高原南坡地区沙尘粒子更容易上传至下平流层。(3)利用WRF-Dust对青藏高原附近区域沙尘气溶胶粒子的传输特征模拟结果显示:尽管WRF-Dust模式没有涉及沙尘的辐射效应和云微物理过程,但该模式还能较好地模拟出沙尘动力传输的基本特性。受低压槽影响,高原上空南北风交汇区域内的气流辐合上升,使得青藏高原地区存在一个强的从对流层向平流层输送的通道。WRF-Dust模式模拟的垂直方向的平流和湍流扩散对沙尘的传输影响十分明显,从而导致平流层下层和对流层上层的沙尘分布特征基本一致。粒子碰并、干沉降以及云下清除等物理过程不显著改变沙尘浓度的分布特征,但可以在较大程度上减小对流层上层沙尘粒子的浓度。去除粒子碰并、干沉降以及云下清除等不同物理过程的试验结果显示,粒子碰并过程对沙尘的总浓度不会产生影响;干沉降过程对沙尘气溶胶粒子清除起主要作用;云下清除过程在近地面对沙尘气溶胶粒子的清除影响不大,但在上对流层和下平流层起着重要作用,其对沙尘浓度的影响在量级上与干沉降过程相当。
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