沙尘气溶胶的辐射反馈对天气系统发展演变的数值模拟研究

沙尘暴是我国西北地区一种严重的自然灾害。沙尘暴过程中产生的沙尘气溶胶通过散射和吸收太阳辐射直接影响地表的辐射平衡和能量平衡，对该地区天气尺度系统的结构及其发展和演变产生重要影响；天气系统的发展和演变又为沙尘暴的发生和沙尘输送提供非常重要的气象条件。本项目选取我国西北地区的强沙尘暴典型个例，以耦合了起沙和沙尘输送的中尺度数值模式WRF为研究工具，在模式中考虑沙尘气溶胶粒子的辐射特性，利用沙尘暴监测资料、卫星观测资料，常规观测资料、T213资料以及NCEP资料，模拟、诊断分析沙尘暴形成和发展过程中沙尘气溶胶对天气系统结构及发展的辐射反馈作用。以期加深对沙尘暴过程中沙尘气溶胶的辐射效应的理解，为沙尘暴的预测提供理论基础。

沙尘暴过程中产生的沙尘气溶胶通过散射和吸收太阳辐射对天气尺度系统的结构及其发展和演变有重要影响。本项目首先对2007年3月27-28日和2010年3月19-20日的强沙尘暴过程进行了数值敏感性数值试验，结果表明：(1)耦合了起沙模块和沙尘气溶胶粒子辐射特征的WRFV2.2模式能够较好地再现沙尘暴过程形成和发展特征；(2)考虑了沙尘气溶胶粒子辐射效应的数值敏感性实验结果与Aqua卫星探测的SSF辐射通量资料的对比分析表明：不考虑沙尘气溶胶粒子的辐射效应时模拟的我国西北地区辐射通量与SSF观测结果有较大差异，考虑了该效应时的结果与观测结果的形态分布更为接近；(3)辐射收支的估算显示，沙尘气溶胶粒子吸收的短波辐射为27.644 ，大气中有净加热效应，沙尘气溶胶粒子直接短波辐射效应改变地面和大气层顶的短波辐射通量分别为-38.592和10.948 ；保持有关气象要素场不变的情况下引入沙尘气溶胶粒子的辐射特征，模式仅积分一步，估算的沙尘气溶胶粒子的直接辐射效应显示沙尘气溶胶粒子对大气辐射有明显影响；（4）不考虑沙尘气溶胶辐射效应（EXP1）和考虑了该（EXP2）的数值试验表明，模拟中考虑沙尘辐射效应后地面的沙尘浓度会有所减少，近地层风场的辐合特征明显； 700hPa高度上 EXP1与EXP2模拟位势高度的差在沙尘浓度高值区表现为高压环流增强的特征，风场矢量差的辐散特征明显，同时水汽含量会有所减少；(5)基于风沙两相流的相互作用和气块质量变化的观点，给出了闭合的沙尘大气物理约束方程组，分析表明沙尘云要比基于被动标量的方程组模拟出的内部结构更复杂对流更强，边界处夹卷更活跃，其水平运动更迟缓；(6)针对Lu和Shao等体积模型的不足，通过分析沙床受到冲击后应力的传递规律，类比电子跃迁模型，提出了冲击起沙的跃迁模型；(7)将基于两相流和质量变化的沙尘大气物理约束方程组引入非静力中尺度模式，理想实验结果表明显示相比于将沙尘视作被动标量的方式，两相流的模拟结果更贴近实际沙尘天气过程中的复杂结构。（8）民勤自动气象站观测的2004～2006年夏季5 min一次的气温与沙尘PM10浓度资料的统计结果表明，气温与沙尘PM10浓度之间存在降温、升温和混合型3 种对应关系；气温及其变化与沙尘PM10浓度及其变化呈现出非常显著的正相关关系；日平均气温变化与沙尘PM10浓度变化呈显著负相关。