模拟区域气候模式riems20中的粉尘气溶胶输送及辐射效应

模拟区域气候模式riems20中的粉尘气溶胶输送及辐射效应

沙气溶胶是重要的流畅液中的一个重要成分。据估计，世界每年进入大气的沙气溶胶达到10.20亿吨，占总气溶胶总量的一半以上。气候沙气溶胶主要来自干燥或半干旱沙漠、戈壁和沙漠土地，它们对基质和气候条件的影响很大。在世界范围内，主要来源是北非的撒哈拉沙漠和中亚的塔克拉玛干沙漠。东亚地区的沙区主要由中亚和中国西北部的沙漠和洛杉矶高原组成。春天，中国北方裸露的牧场和耕地也成为沙源区。通过分散和吸收太阳辐射，吸收和释放红外辐射，直接影响地气系统的辐射能量收支，影响该地区和世界的气候变化。自20世纪70年代以来,国内外许多学者对撒哈拉、美国西南部、阿拉伯半岛及中亚等沙漠地区沙尘气溶胶的产生、远程输送,大气沙尘气溶胶的物理化学特性及辐射气候效应已有不少的观测与研究.其中,Westphal等利用撒哈拉沙漠的观测资料建立了二维沙尘气溶胶模式,并对沙尘气溶胶的长距离输送做了研究.Tegen和Fung利用一个全球传输模式,详细模拟了全球的起沙源地、输送以及光学厚度分布.其后Tegen和Lacis又利用(generalcirculationmodel,GCM)具体模拟了沙尘气溶胶中不同半径的粒子对辐射的影响,发现沙尘粒子的谱分布和垂直分布会严重影响沙尘气溶胶的辐射强迫.Claquin等研究了不同光学参数对于沙尘气溶胶辐射强迫的影响,发现沙尘气溶胶折射指数的虚部的变化会导致辐射强迫的计算有±40%的误差;粒子谱的分布会严重影响沙尘气溶胶的光学特性,另外温度和沙尘气溶胶的垂直分布对长波辐射强迫的计算影响也很大,从而使得沙尘气溶胶的辐射计算有很大的不确定性.Lunt和Valdes使用一个GCM驱动的离线沙尘模式,模拟了全球沙尘气溶胶柱浓度分布的季节变化;并且详细研究了不同物理参数对沙尘柱浓度的影响.黄美元、王自发在比较国内外相关起沙机制模型的基础上,结合中国北方大量气象台站的有关起沙过程的观测资料,提出了一个适合我国北方的用于黄沙输送模拟与预报的新的起沙机制模型.采用此起沙模型,通过对黄沙输送过程中的干沉降过程、降水清除过程的参数化处理,并考虑了黄沙的分谱机理及可能的微物理过程,建立了适合东亚地区的分谱的黄沙输送模式.王宏、石广玉在中国西北部沙漠地区进行了气溶胶采样,经过成分分析和理论计算,得出了该地区沙尘气溶胶的主要光学特性.将其作为中国和东亚地区沙尘气溶胶光学模型的代表,模拟了东亚-北太平洋地区2001年春季平均辐射强迫,模拟估算的2001年春节东亚-北太平洋地区大气顶净辐射强迫为-0.94W/m2,地面-5.45W/m2.吴涧等在区域气候模式RegCM3中加入起尘方案、建立矿物尘气溶胶输送模式,并将其辐射过程加入区域气候模式的辐射方案.通过对2001年3月-2002年3月的模拟发现东亚地区气溶胶大气顶直接辐射强迫基本呈现大陆上为正、海洋上正负均有的分布特征,区域平均辐射强迫在春、夏、秋、冬分别为1.08,0.88,0.37,0.40W/m2.黄建平等人利用现有资料讨论了沙尘气溶胶对云的影响,发现沙尘气溶胶的存在可以明显减弱云对地气系统的冷却作用,同时沙尘气溶胶加热云层,使云中水滴的蒸发增强,从而降低云的含水量,并导致降水的减少.总之,目前的研究表明沙尘气溶胶的作用机制极为复杂,对气候的影响有很大的不确定性.本文利用区域气候模式RIEMS2.0耦合沙尘气溶胶输送模式分别模拟了1998年春季中国的沙尘气溶胶源区和沙尘气溶胶的光学厚度,并与同期卫星资料进行了比较.然后估算了中国地区的辐射强迫,以及对地面温度和降水的影响.1riems2.0与mm3的比较本文中的区域气候模拟是中国科学院大气物理研究所东亚中心在MM5V3基础上发展起来的新版本RIEMS2.0模式,与原来的MM5V3相比,RIEMS2.0增加了植被-气候相互作用的陆面过程,水文过程和CCM3的辐射方案以及大气化学-气溶胶模式,在其大气化学-气溶胶模式中,主要考虑了硫酸盐气溶胶、沙尘气溶胶和黑碳气溶胶及其辐射效应.1.1地表起沙量的计算沙尘气溶胶从源地起沙是在一定的气象条件下发生的.在模式中当摩擦速度大于临界摩擦速度及地面风速大于6.5m/s时,才会发生起沙.起沙量使用Gillette的机制模型:其中u*为模式计算的摩擦速度,ut*为临界摩擦速度,dx、dy为水平格距,soil为网格内起沙单位时间内的起沙量.C′为常数,取(1.4±0.1)*10-15g·s2·cm-6.其中地表类型所对应的临界摩擦速度见文献.1.2参数化扩散系数这里C是沙尘浓度,V是格点上三维风速矢量,Ke是用于次网格湍流参数化的扩散系数,E是起沙通量,(∂C∂t)wet(∂C∂t)wet和(∂C∂t)dry(∂C∂t)dry分别是由于云过程、降水过程和干沉降造成的浓度变化率.其中干沉积计算采用的计算方法.1.3粒子半径的划分根据观测,沙尘气溶胶粒子谱为0.1～1000μm.研究表明半径较大的粒子主要存在于起沙源附近,其中大于1.8μm的粒子可以达到60%,但是这些粒子在大气中的停留时间很短,对长距离输送没有意义,全球范围内沙尘气溶胶的柱浓度主要由半径在0.6～1.8μm之间的粒子决定,而大于1.8μm的粒子只有20%的贡献.本文在不考虑大于10μm的粒子的前提下,将粒子半径划分为5段:小于1μm,1～2μm,2～4μm,4～8μm,8～10μm.中心半径分别取为0.50、1.0、2.0、4.0、8.0μm.各谱段沙尘气溶胶起沙质量占总沙量的百分比根据Tegen和Lacis的研究结果,近似取17%、51%、25%、5%、2%.1.4质量消光系数的计算沙尘气溶胶的消光效率、单次散射反照率、非对称因子取之于Tegen与Lacis使用MIE散射程序的计算结果.质量消光系数由消光效率计算得到,即:其中Kext是质量消光系数,Qext是消光效率,rn是第n档粒子的有效半径,ρ为粒子浓度.1.5初场模拟气象资料采用美国国家环境预报中心(NCEP)1998年3月、4月、5月,1°×1°再分析平均气象资料()作为模式模拟的初始场,侧边界采用NCEP资料外强迫方法,每6h更新一次.模式积分时间为3个月,积分结果6h输出一次.模拟区域中心为(107°E,30°N),南北方向取55个格点,东西方向取65个格点,格距为60km.其中气候模式垂直为16层,顶部气压为100hPa.2气溶胶柱浓度及光学厚度分布一般来说,由于春季气旋活动频繁,地面风速较大,导致一年中春季起沙量最大.起沙率模拟结果如图1a所示,表明春季中国沙尘源区主要集中在内蒙古西部的腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠,南疆塔克拉玛干沙漠的东部,河西走廊地区、青海的柴达木盆地附近以及蒙古国中南部的戈壁.与观测比较接近.这些地区的起沙率都在5μg/(s·m2)以上.其中内蒙古的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠起沙率最大,起沙面积也最大.图1b是春季沙尘气溶胶的平均柱浓度分布.沙尘柱浓度大值区主要集中在西北地区,塔克拉玛干沙漠地区柱浓度最大,最大值达到550mg/m2以上.黄河中下游地区的柱浓度在100mg/m2以上.长江中下游地区的柱浓度在50mg/m2以上.对比起沙源地的分布,可以看到西北地区的沙尘柱浓度主要是本地起沙的贡献,其它地区因为没有本地沙源的贡献,主要来自于上游地区沙尘气溶胶的传输.结果与国内外其他研究相近图1c是1998年NASA的TOMS气溶胶指数(AI)分布,春季AI大值区主要集中在西北地区和环渤海地区,AI指数都在1.0以上,在塔克拉玛干沙漠地区AI指数可以达到2.4.对比图1b,西北地区AI高值区与柱浓度分布吻合的很好,但是在南方及环渤海地区AI值较高,而沙尘气溶胶柱浓度较低,这是因为AI指数是整个气溶胶柱浓度的一个量度,还包含了其它气溶胶如硫酸盐、黑碳气溶胶的贡献.图1d是春季平均的沙尘气溶胶在0.55μm的光学厚度分布.春季光学厚度平均值的分布与柱浓度的分布比较一致,其中塔克拉玛干地区光学厚度值可达0.5以上,西北以及环渤海地区光学厚度在0.2以上,华北大部分地区都在0.1以上,江淮地区在0.05～0.1之间,长江以南地区则在0.05以下.2.3大气辐射强迫2.3.1地面辐射强迫太阳辐射受到沙尘气溶胶的吸收和散射,使到达地面的短波辐射减少.图2a给出了整个春季地面晴天短波辐射变化的平均分布.其中最大值仍然在塔克拉玛干沙漠,地表短波辐射强迫为-35W/m2左右;甘肃西北部、腾格里沙漠短波辐射减少在20W/m2以上.西北其它地区的短波收入也都减少了10W/m2以上;长江以南的大部分地区短波收入春季平均变化则在5W/m2左右.可见沙尘气溶胶对于短波辐射的消光作用十分明显.白天沙尘气溶胶的吸收和散射,使得到达地表的太阳总辐射减少,地面温度较平时降低,地面向上辐射因之减弱,另一方面沙尘气溶胶层吸收太阳辐射,使得大气温度增加,大气向下长波辐射增强.两者同时作用使得地面的长波净辐射增加.夜间地面温度大于平时,向上长波辐射增强,但是远小于大气向下长波辐射的增幅,致使长波净辐射增加明显,图2b给出了地面晴天长波辐射强迫的平均值分布.塔克拉玛干沙漠是最大的正强迫地区,长波辐射增加可达7W/m2.甘肃、青海、陕西部分地区地面长波辐射收入增加了3W/m2以上.总的来说沙尘气溶胶对长波辐射的影响远小于对短波辐射的影响.地面长波收入增加,短波收支减少,但是短波减少的幅度要大于长波的增加值,两者共同作用,地面总的净辐射强迫为负值.图2c是春季地面晴天净辐射平均值的分布.春季地面净辐射减小的地区主要在中国的西北、华北大部.最大变化区在柴达木、塔克拉玛干沙漠,平均减少了30W/m2左右.西北其它地区的减少都在12W/m2以上,华北地区的净辐射减少在5W/m2以上.沙尘气溶胶柱浓度最大的塔克拉玛干地区春季地面净辐射强迫也是最大负值中心.图2d是考虑了云的作用以后的净辐射强迫,与晴天相比,二者的分布以及量值大体一致,没有明显变化.2.3.2大气辐射强迫沙尘气溶胶的吸收特性使得白天大气对短波辐射收入有明显的增加,图3a给出了春季大气短波辐射(晴天)收入的分布情况.塔克拉玛干地区的大气短波辐射收入在30W/m2左右;说明沙尘气溶胶柱浓度越高的地区相应的短波吸收也最强.河西走廊地区是次高值地区,在20W/m2附近;陕甘宁其它地区的大气短波辐射收入在10W/m2左右;华北大部分地区也都在5W/m2以上;南方地区的地区短波辐射收入则在5W/m2以下.图3b给出了春季大气长波辐射(晴天)收入的分布情况,可以看出长波辐射基本为负值,大部分地区小于-5W/m2,这是因为大气的长波收入主要来自于地面,地面净辐射强迫为负值,导致大气长波辐射强迫为负值.而其中塔克拉玛干地区的大气长波辐射减少的最多,达到4W/m2左右;西北其他地区减小都在1W/m2以上,而东部地区大气长波辐射则有少量增加.沙尘气溶胶的吸收作用一方面使得白天大气短波辐射收入有明显的增加,另一方面又使得长波辐射有较大的支出,其中短波辐射收入增加要远远大于长波辐射的支出.夜间大气没有短波收入,大气红外辐射支出大于收入,使得辐射收支减小.图3c是大气净辐射(晴天)春季平均值的分布,和短波情况类似.塔克拉玛干地区的大气辐射收入在30W/m2左右;河西走廊地区在20W/m2附近;西北其他地区的大气辐射收入在10W/m2左右;华北其它大部分地区也都在5W/m2以上;南方地区的地区辐射收入则在5W/m2以下.图3d是考虑了云的影响后的大气净辐射,与晴天相比,大值区分布基本一致,但是量值有所降低.沙尘气溶胶使得到达地面的辐射有较大的减少,从而会导致地面温度随之下降.图4a给出了加入沙尘气溶胶后整个春季地面温度的平均变化.全国大部分地区地面气温都有一定的减少,其中在塔克拉玛干沙漠降温幅度最大,达到-1.80K,西北广大地区以及山东、四川部分地区地面气温下降在0.60K以上,中国东部其它地区地面气温变化也都在-0.30～-0.60K之间.整个模拟区域平均地面气温降低了0.21K,西北地区(105°E以西,30°N以北)地面降温幅度达到0.40K,整个北方地区(30°N以北)地面气温降低了0.34K,南方地区(30°N以南)降温0.10K.图4b图是春季累积降水量变化的模拟结果.整个模拟区域内平均累计降水为30.75cm,加入沙尘气溶胶后区域降水减少了0.61cm.具体结果如表1所示,表中区域划分为:华北地区(105°E以东,30°N以北);西北地区(105°E以西,30°N以北);华南地区(105°E以东,30°N以南);西南地区(105°E以西,30°N以南).表1表明沙尘气溶胶对于小雨(12h降水量小于5mm)的影响比较大,全区域小雨累计降水10.31cm,加入沙尘气溶胶后降水量减少了2.07cm,减幅达到20%,其中华北地区影响最大,小雨累计降水为9.30cm,加入沙尘气溶胶后小雨降水量减少了30%,达到2.82cm,其次是华南地区,小雨降水量减小了27.8%,西北和西南地区影响较小,小雨降水量减少了10%左右.对于中、大雨,沙尘气溶胶的影响使得降水量增加,但是降水增加率明显减小,影响最大的华南地区降水量增加了10%,华北地区影响最小,降水量只增加了3.5%.将上述两种情况综合考虑,全区域降水量减少了2%左右,分区域来看,华北地区减少最大,达到13.8%,其他地区影响很小,华南地区减少了2.6%,西南地区减少了0.6%,西北地区降水量有所增加,增加了0.4%.总的来说沙尘对于降水的影响主要体现在对小雨的影响上,另一方面,华北地区降水受沙尘气溶胶影响最大.由于沙尘气溶胶的辐射效应在地面和高空影响不同,使得沙尘气溶胶在不同高度对于气温也有不同的影响.图5a、b分别是整个区域和西北地区平均气温变化的垂直廓线,从中可见,在对流层下层,沙尘气溶胶使得气温降低,地面气温下降幅度最大,西北地区由于沙尘气溶胶柱浓度较大,气温下降高于全区域平均.随着高度的增加,气温降低的幅度逐渐减小,在西北地区,沙尘气溶胶在低层的垂直输送较强,因此在边界层内气温下降比较均匀,在全区域内气温下降幅度随高度迅速减小.对全区域而言,大约在650hPa附近,大气辐射收入为正值,气温有所增加,在500hPa高度,气温增加最大,随着高度的增加,增温幅度越来越小,在300hPa左右为零,之后继续减小到负值,在250hPa左右有极小值,然后又有所增加,在100hPa附近趋于零.西北地区沙尘气溶胶使大气增温的高度大约在550hPa,比全区域平均值高.3不同地区含量高效沙气溶胶的影响本文通过对1998年春季我国沙尘气溶胶分布和辐射效应的模拟,主要得到以下结论:(1)春季中国沙尘源区主要集中在内蒙古西部的腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠,中部的浑善达克沙地,南疆塔克拉玛干沙漠东部,河西走廊地区以及青海的柴达木盆地附近.这些地区的起沙率都在5μg/(s·m2)以上.(2)整个春季的沙尘气溶胶柱浓度分布向东、由北向南减小,大值区主要集中在西北地区,塔克拉玛干沙漠柱浓度最大,最大值达到550mg/m2以上;黄河中下游地区的柱浓度在100mg/m2以上;长江中下游地区的柱浓度在50mg/m2以上.春季光学厚度平均值的分布与柱浓度的分布比较一致,主要在西北地区,光学厚度在0.2以上,塔克拉玛干地区光学厚度值可达0.40以上,长江以北的地区都在0.05以上,长江以南地区则在0.05以下.(3)沙尘气溶胶的存在使得白天到达地表的短波辐射明显削弱,导致地面气温的降低,向上长波辐射减弱,同时大气向下长波辐射增大,地面长波辐射强迫为正