作为大气气溶胶的重要组成部分，沙尘气溶胶不但直接影响着人类的生存环境，而且与气候系统间存在着复杂的相互作用，因此沙尘起沙、输送及其气候环境效应已成为现阶段地球系统研究的重要科学内容。本论文以沙尘起沙过程及其参数化方案为切入点，分析比较了国际现有的不同起沙机制及其参数化方案，实现了不同起沙方案在WRF-Chem模式中的耦合，并通过多组数值模拟试验，评估了不同起沙方案对沙尘收支及沙尘天气过程模拟的影响;基于上述不同方案的比较评估结果，在NCAR地球系统模式(CESM)中引入具有较好物理基础、且模拟性能较优的Shao04起沙参数化方案，并对东亚地区典型强沙尘暴个例进行了数值模拟，考察耦合了新起沙方案的地球系统模式对强沙尘暴天气过程模拟的改进;随后基于多年数值模拟试验结果，系统评估了耦合了不同起沙方案的CESM对全球沙尘循环的模拟能力及其差异，并初步考察了CESM中不同起沙方案对沙尘直接辐射强迫模拟的影响。本论文取得的主要研究成果可归纳如下:　　 (1)在比较国际上现有的沙尘起沙机制及其参数化方案的基础上，实现了五种沙尘起沙参数化方案在中尺度气象-化学模式WRF-Chem中的耦合，建成了包含有六种起沙方案（包括模式原有的GOCART起沙方案）的中尺度气象-化学耦合模式系统(WRF-Chem-New)。利用该模式系统对2002年3月14～25日东亚地区沙尘暴过程进行了数值模拟试验，结果表明，不同起沙方案的数值试验均能比较合理地模拟出中国北方和蒙古地区的沙尘源地，以及观测沙尘天气的主要空间分布特征;但区域沙尘收支的模拟则存在很大的不确定性，不同起沙方案模拟的沙尘起沙量、沉降量以及地面沙尘浓度均存在显著的差异，最大差异可达一个量级。　　 (2)鉴于Shao04起沙方案具有更好的物理基础，分别利用耦合了Shao04以及GOCART起沙方案的WRF-Chem模式对2002年3月19～22日发生在我国的强沙尘暴过程进行了数值模拟。与观测比较的结果表明，采用Shao04方案能合理地模拟出本次沙尘过程的主要起沙区域及起沙强度的时空演变，也基本抓住了源地附近及下游地区观测站点沙尘浓度的时间变化特征，与采用GOCART方案的模拟结果相比性能更优。这与Shao04方案对沙尘起沙物理机制的认识和表述更为合理紧密相关，此外还由于Shao04方案采用了更为准确的地表GIS信息，包括其中给出的潜在沙尘源地更接近真实。　　 (3)在NCAR地球系统模式(CESM)中引入了Shao04起沙参数化方案，然后分别利用耦合了Shao04起沙方案以及模式原有的Zender03起沙方案的CESM地球系统模式对2010年3月19～22日发生在东亚地区的一次典型沙尘暴天气过程进行了模拟试验，并将模拟结果与多种观测资料进行了比较。分析结果表明，采用Shao04方案模式能较合理地模拟出沙尘的起沙区域及起沙强度的时间变化，模式模拟的沙尘天气演变过程、以及源地附近及下游地区测站沙尘浓度的量值及其时间变化特征与观测较为接近;从模式模拟的沙尘浓度的空间分布及时间变化来看，Shao04方案下的模拟结果均明显优于模式原有的Zender03方案下的模拟结果。进一步分析表明，采用Shao04方案模拟性能改善的原因主要有:一是Shao04方案较充分考虑了土壤湿度和植被覆盖对临界摩擦速度的影响，临界摩擦速度的量值更为合理，因而也能相对较好地刻画起沙的发生及持续过程;二是Shao04方案主要是基于轰击体积的起沙物理机制并根据不同土壤类型特征计算起沙通量，比Zender03方案考虑有效轰击率与粘土呈指数关系的经验方法更合理;三是Shao04方案采用的潜在沙尘源地分布比Zender03方案中的风蚀度指数更为合理。　　 (4)分别利用耦合了Shao04起沙方案以及Zender03起沙方案的CESM地球系统模式进行了多年数值模拟试验，系统评估了模式对全球沙尘循环的模拟能力及不同起沙方案对模拟结果的影响。分析结果表明，采用两种方案均能较好地模拟出全球主要的沙尘分布带以及起沙源地，但不同区域对全球沙尘收支的相对贡献则有所不同;此外Shao04方案模拟的全球起沙量为3367.1Tgyr-1，比Zender03方案模拟的3242.4Tgyr-1要多124.7Tgyr-1，从沙尘的粒径分布来看，Shao04方案模拟的0.1～1μm沙尘粒子占总起沙量的比例为4.6％，而Zender03方案下0.1～1μm沙尘粒子所占比例为3.2％，相比略小。与全球地面气象台站观测、卫星观测以及站点观测资料的详细比较结果表明，虽然采用Shao04和Zender03方案模拟的地面沙尘浓度、沙尘沉降和AOD均与站点观测值整体比较接近，但总体说来，采用Shao04方案的模拟结果要略优于采用Zender03方案的结果。因而耦合了新起沙方案的地球系统模式已具备了开展全球沙尘过程及其与气候相互作用模拟的能力。　　 (5)应用上述耦合了Shao04方案和Zender03方案的CESM模式，本文还开展了沙尘气溶胶直接辐射强迫的初步研究。5年的气候态积分试验结果表明，在大气顶，采用Shao04和Zender03方案模拟的全球平均的沙尘短波辐射强迫分别为-0.029W m-2和0.024 W m-2，在符号上都不同，且要远远弱于国际上大多数模式模拟的结果;对于沙尘长波辐射强迫，采用两种方案的模拟结果分别为0.118 Wm-2和0.097 W m-2，则较为接近。在地表，沙尘气溶胶的短波辐射强迫分别为-1.585Wm-2和-1.301Wm-2，沙尘长波辐射强迫则分别为0.476Wm-2和0.428Wm-2，两者相对比较接近。上述初步分析结果说明地球（气候）系统模式中沙尘起沙的参数化方案对沙尘气溶胶直接辐射强迫的模拟也有一定的影响。