浑善达克沙地起沙率和起沙量的估计

利用起沙通量模式和地面起尘半经验方案,估算了浑善达克沙地春季地表的临界起沙风速及沙尘天气期间的起沙通量,以及地面尘排放总量及其平均年增长率。计算结果表明,浑善达克沙地2001年春季地表临界起沙风速为5.61 m.s-1,沙尘天气期间平均起沙通量为4.40×10-7g.cm-2.s-1;1999年该沙区起尘量约占我国北方起尘总量的2.4%,春季起尘占全年的57%;1986年和1999年起沙总量分别为3.73×105t.a-1和4.87×105t.a-1,其平均年增长率为2.07%。

同沙丘堆积形态对近地面起沙量影响的模拟分析

考虑气固两相间动量交换、升力等,利用欧拉双流体模型,建立了一个三维气固两相流动数学模型,以研究不同的近地面形状对起沙量的影响。采用Fluent流体力学软件,进行数值计算。对四种不同近地面沙粒堆集形状进行了模拟计算,验证了本模型和计算方法的正确性。研究区域高20m、长200m、宽20m,近地面风速廓线采用对数式。结果表明,沙粒堆集高度对沙粒质量流量有显著影响;当堆集高度相差不大时,各个近地面几何要素对起沙量有影响。此外,湍流对不同类型近地面形状的起沙量和沙粒相云图影响存在明显不同,需要进一步分析原因。

沙漠地区边界层高度的提高与尘卷风起沙量的变化

在YSU(Yonsei University)边界层参数化方案的基础上,采用一种经验修正边界层RYSU(Revised YSU)方案,其模拟的边界层高度与观测相吻合.同时利用尘卷风起沙方案,获得了2019年腾格里沙漠夏季尘卷风起沙量的时空分布,结果表明,在08:00~18:00时,RYSU方案模拟的整点尘卷风瞬时起沙量和起沙范围均高于YSU方案,前者的起沙量和范围最大的时刻是15:00时,较后者迟1h,它与腾格里沙漠观测的尘卷风出现频率更接近.采用RYSU方案6~8月研究区每日的总起沙量几乎是采用YSU方案的3倍左右,RYSU方案估算的最大瞬时起沙量比YSU方案更接近用观测的边界层最大高度计算的值.

沙尘天气、尘卷风对沙漠地区起沙量的贡献

降尘量能很好地反映整层沙尘气溶胶的信息。基于WRF/Chem沙尘暴模式及大气边界层的观测资料,获得了包括尘卷风起沙过程的日、月和年总起沙量,进而分析它们与自然降尘量之间的关系。结果表明:(1)半定量的沙尘天气日数与逐月降尘量呈极显著的正相关,但无法更精细地量化降尘量的来源;(2)模式量化计算的沙尘天气起沙量与降尘量的变化大体一致,它对总起沙量的平均贡献率为76%;(3)尘卷风对总起沙量的贡献达到了24%,在无沙尘天气的时段,降尘量100%来自尘卷风的起沙量;(4)沙尘天气和尘卷风构成的总起沙量和降尘量在月、年变化都有极其显著的正相关,均通过了0.001极显著检验。

柴达木盆地尘卷风的时空分布特征

沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,其通过辐射效应和对云的形成及降水过程影响全球天气和气候变化,而尘卷风对全球沙尘气溶胶排放的贡献不容忽视。青藏高原北部的柴达木沙漠为高原尘卷风的发生提供了沙源。为研究柴达木盆地尘卷风的发生条件及其时空特征,本文利用1991-2020年ERA5再分析资料评估了尘卷风发生的热力学阈值,分析青藏高原尘卷风发生时数(PDDP_(hours))和柴达木盆地尘卷风起沙量的时空分布特征,探究了1991-2020年近地面温度递减率(LR)、对流比(w*/u*)和PDDP_(hours)的变化趋势。利用2016-2020年德令哈国家基本气象站的地面降水数据、德令哈空气质量监测站的细颗粒物PM_(2.5)和PM_(10)数据以及Aura卫星臭氧监测仪的紫外吸收性气溶胶指数(UVAI)数据,分析柴达木盆地夏季尘卷风对PM_(2.5)和PM_(10)的可能贡献。结果表明,w*/u*和LR是影响尘卷风形成的关键因素,不同热力条件下PDDP_(hours)均具有单峰日变化特征,在12:00-16:00(北京时)达到峰值。结合柴达木盆地PDDP_(hours)累计贡献的日变化特征,确定尘卷风发生的热力学阈值是w*/u*>5和LR>10 K·m^(-1)。分析表明,青藏高原夏季北部的柴达木盆地和西南部PDDP_(hours)较大。柴达木盆地夏季尘卷风的起沙量最大,起沙范围也较大,平均起沙量可达1.28×10^(5)t,占全年平均起沙量的69.8%。1991-2020年柴达木盆地LR呈现明显的减小趋势,w*/u*呈增加趋势,导致PDDP_(hours)有明显的减小趋势。虽然夏季德令哈降水明显较其他季节多,但夏季UVAI较大,说明夏季除沙尘暴外尘卷风可能对该地区PM_(2.5)和PM_(10)有重要贡献。

塔克拉玛干沙漠北缘沙尘天气起沙量的贡献研究

文中利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘地区2009-2017年气象、沙尘天气(沙尘暴、扬沙、阵性风)强化观测试验期间风速等资料,并结合Gillette起沙估算模型,定量给出了研究区沙尘天气起沙量的贡献。结果表明:1)研究区年均沙尘暴起沙时间(116.8h)>扬沙(95.9h)>阵性风(27.3h),且季节分布显著,春季占比最大,分别占48.3%、47.9%、51.6%;夏季次之,占45.3%、41.6%、45.8%。2)2009-2017年沙尘天气起沙量总体呈波动递减趋势,递减率为0.4t/a,且沙尘暴起沙量(13.1t/km^(2))>扬沙(8.2t/km^(2))>阵性风(1.1t/km^(2));此外,沙尘暴、扬沙、阵性风起沙量呈显著季节分布特征,春季占比最大,占51.1%,夏季次之,占45%,秋、冬季最小,仅占3.5%。3)风速对沙尘暴起沙影响最大,相关系数r为0.96,两者呈幂函数相关;其次为扬沙天气,相关系数r为0.95,两者呈正线性相关;阵性风最小,相关系数r为0.93,且均通过了0.01的显著性检验。

全球沙尘气溶胶源汇分布及其变化特征的模拟分析

根据全球沙尘气溶胶气候模式GEM-AQ/EC模拟的1995~2004年的沙尘起沙量和干湿沉降量,分析了沙尘气溶胶源汇的全球时空变化特征.全球沙尘起沙量集中在各个主要沙漠地区,北非对全球沙尘气溶胶贡献最大为66.6%.沙尘气溶胶沉降的高值区分布在沙漠源区及其紧临的下风地区.最大净沙尘气溶胶接收主要分布在沙漠周围地区并形成净接收量大于10t/(km2·a)的位于0°N^60°N之间的北非、欧亚大陆、西太平洋、北印度洋、北美和大西洋的带状分布.在北非、阿拉伯半岛、中亚、东亚和澳大利亚5个主要沙漠地区中,起沙量和沉降量都存在明显的季节变化,除中亚其他4个区域干湿沉降量和起沙的季节变化基本一致;东亚地区沙尘气溶胶起沙量和总沉降量的季节变化最为明显,而北非沙漠起沙量和总沉降量的季节变化最小,其他3个区域的季节变化幅度基本相同.中亚起沙峰值和阿拉伯半岛起沙次峰值出现在夏季,其他区域的峰值均出现在春季.10年间全球陆地年平均起沙量为(1500±94)Mt,保持略微上升趋势.以北非沙漠起沙量年际变化率最低(6.3%),而以东亚(28.3%)和澳大利亚(45.0%)起沙量年际变化最为明显;全球陆地的沙尘气溶胶沉降量以约9.9Mt/a的速率递减,全球海洋的沙尘气溶胶沉降递增.

东亚沙尘分布、源汇及输送特征的模拟研究

采用全球气溶胶模式(GOCART)模拟结果,讨论了东亚地区沙尘气溶胶时空分布、排放与沉降以及区域输送特征.结果表明,中国境内沙源主要位于塔克拉玛干沙漠、河西走廊及河套地区.排放强度春季最大,夏季和秋季逐渐减小,冬季最弱,且强度逐年减弱,区域年平均排放为581Tg/a.模拟的沙尘光学厚度(AOD)分布与卫星观测具有很好的一致性,其中塔克拉玛干沙漠AOD大值与沙尘暴活动密切相关,其出现时间最早,持续时间最长.区域平均而言,干沉降和湿沉降可以分别清除77%和22%的沙尘排放,其中沙尘源区干沉降起主导作用,远离源区的东北及西北太平洋,湿沉降更加重要.沙尘大粒子主要通过重力干沉降移出,而湿沉降对小粒子贡献超过60%.重力干沉降全年(特别是春季)起主导作用,对流降水湿沉降在夏季作用显著增强,总体来说,沙尘总沉降速率逐年减小.东亚沙尘气溶胶通过3条输送带自西向东传输,可以影响我国华北、华中和华南.对散度的研究表明,气溶胶平流项对沙尘源区气溶胶辐散作用较大,沙尘排放显著影响该地区沙尘的输送和AOD;而塔里木盆地西侧沙尘辐合中心是风场辐合辐散项导致的,说明地形和风场对该地区沙尘输送和AOD很重要.

尘卷风对沙尘气溶胶的贡献及其与太阳辐射的关系

利用塔克拉玛干沙漠及周边地区观测资料,依据尘卷风热力学理论和方法,估算出在塔克拉玛干沙漠地区尘卷风对沙尘气溶胶贡献的年平均量为4.0×106t,年最大量为5.0×106t,与该地区沙尘暴的沙尘气溶胶年均贡献量相当.依赖于太阳辐射强度季节变化,尘卷风的起沙量具有与地面温度同步的季节变化规律.

边界层高度时间演变及尘卷风对总沙尘量的贡献

采用干绝热曲线法,计算了敦煌地区每日最大对流边界层高度(简称:CBL_(max))并分析了可能的影响因子,在此基础上计算出尘卷风对大气年沙尘气溶胶的贡献.结果表明:CBL_(max)具有非常显著的年变化特征,呈单峰分布,12月最低,5月最高.年平均高度为2.2km,极端时出现接近6km.热力因素对CBL_(max)的贡献具有决定性,云量的多寡可影响CBL_(max)的变化.尘卷风的起沙量对大气年均沙尘气溶胶总量的贡献至少在54.4%以上.

京津冀一次沙尘天气的多源资料分析

利用常规气象观测资料、卫星资料、ERA5再分析资料、微波辐射计资料及激光雷达资料,分析2021年3月15—17日京津冀地区的大范围沙尘天气,结果表明:在蒙古国前期异常干旱、高温的气候背景下,蒙古气旋快速发展东移南下,配合地面冷锋,形成京津冀第一阶段的区域性沙尘天气,部分地区达到沙尘暴强度;后期受较强偏南风影响,出现了第二阶段的回流型沙尘天气,强度弱于第一阶段;逆温层的消失时间,以及不稳定层结建立的时间与沙尘开始沉降时间一致,水平螺旋度负值区的东南方向出现沙尘概率较大,垂直螺旋度上负下正的区域与沙尘落区重合,且与卫星云图上的沙尘暴区大致相同,可用于沙尘落区的预报。