青藏高原地区沙尘循环及其对高原热源影响的高分辨率数值模拟

Dust is an important component of atmospheric aerosols，and has a great effects on land-atmosphere radiation balance and hydrology. There is a big controversy about whether the plateau is or is not an important dust source region, so the degree of dust aerosol effects, originated from the TP, on the thermal condition of the TP is still unknown. However, the thermal condition of the TP is considered as an important factor impacting the Asian monsoon and received wide attention. Unfortunately, there is less high-resolution simulation research currently about dust cycle over the TP and its radiative effects on the thermal condition of the TP, so this project aims to carry out high-resolution simulation (20 km) around the TP through double-nest dynamical downscaling using the latest regional climate mode version 4 (RegCM4) coupled with a dust module developed at the International Center for Theoretical Physics (ICTP, Italy). On one hand, through several closing different dust sources sensitive experiments to figure out where the dust aerosol comes from over the TP. On the other hand, through two numerical experiments by closing and opening the dust cycle above the TP to evaluate the dust aerosol effects originated from the TP on the thermal condition of the TP, and to provide certain reference for deep-understanding the establishment of the Asian monsoon and change of rainfall in eastern China.

沙尘是大气气溶胶的重要组分，对地-气辐射平衡和水汽循环有重要影响。高原地区是否是一个重要的沙尘源区仍存在较大争议，因而高原自身源区产生的沙尘气溶胶对高原热源影响的程度仍不明确，而高原热源的异常受到了广泛的重视，由于它被公认为是影响亚洲季风的一个重要因子。目前针对高原地区沙尘循环及气候效应的高分辨率模拟较少，本项目拟利用意大利国际理论物理研究中心（ICTP）发展的耦合沙尘模块的区域气候模式RegCM4/Dust，利用二次嵌套动力降尺度对高原地区进行20 km的高分辨率模拟。通过一系列关闭不同源区的敏感性试验，弄清高原上空沙尘气溶胶的主要来源。通过关闭和打开高原地区沙尘循环的两个数值试验，评估高原自身源区产生的沙尘气溶胶对高原热源的影响，为深入理解亚洲季风的建立和中国东部地区降水的变化提供参考。

大量研究表明低海拔沙尘源区（包括塔克拉玛干和戈壁沙漠）排放的沙尘对亚洲气候有重要影响，但对青藏高原上沙尘的排放水平及其气候效应的认识不足。高原上排放的沙尘能够影响高原“热泵”效应，进而影响亚洲气候。因此，本项目利用一个耦合沙尘模块的区域气候模式，通过打开和关闭高原上沙尘排放的敏感性试验，探索了高原上沙尘的排放水平及其对高原热源和东亚气候的影响。模拟发现高原上是一个重要的沙尘源区，沙尘年平均排放约为262.56±57.38 mg–1 m–2 day–1。高原上的沙尘载荷与东亚夏季风强度之间存在负相关（r=-0.46）。当高原上沙尘载荷增多（减少）时，东亚夏季风减弱（增强）。在强沙尘排放年，高原上的沙尘释放增多。沙尘强冷却效应在高原对流层中层引起一个强冷中心异常，进而减弱了高原热源，使得海陆热力差异缩小。该冷中心在高原对流层低层激发出的反气旋异常减弱了东亚夏季风，使东亚夏季季风区降水减少了27 %。与以往研究对比发现，高原排放的沙尘主要通过减弱高原热源，缩小海陆热力差异来减弱东亚夏季风。该成果不仅为沙尘减弱东亚夏季风这一现象提供新的机制解释，而且对评估高原上气溶胶物理化学组分和排放水平有重要参考价值。本项目还开展了高原地形的变化对高原上与周边源区沙尘排放及其气候效应影响的研究。模拟表明青藏高原北部的隆升不仅加剧了塔克拉玛干和戈壁沙漠的干旱化和沙尘排放，而且也增强了高原上沙尘的释放。沙尘强冷却效应通过减弱高原热源，进而推迟东亚夏季风爆发1–2候，使东亚夏季降水减少。该成果为新生代以来构造隆升加剧亚洲内陆干旱化和沙漠化这一地质事实提供了一些机制上的解释。最后，本项目还研究了沙尘对东亚冬季风的影响。模拟发现冬季沙尘通过减少到达地表的短波辐射，降低东亚地面气温，使冬季海陆热力差异扩大，增强了东亚冬季风。由于冬季东亚大陆上干冷空气增强，导致中国华北和长江中游地区冬季降水减少了10–30 %左右。该成果添补了沙尘对东亚冬季风影响研究的空缺。