粉尘气溶胶辐射效应对气象场的反馈及气候变化的影响

粉尘气溶胶辐射效应对气象场的反馈及气候变化的影响

中国是受荒漠化天气影响的地区。近年来，由于严重影响的春季强沙事件频繁发生，特别是对荒漠化天气发生的性质、物理机制和气候预测的深入研究。早期的研究多利用观测和统计分析的手段来分析沙尘天气粒径分布、传输特征、环境影响及与之相关的特征气候因子。杨兴华等、朱好等、岳平等分别利用站点观测数据计算了塔中和西北不同沙源地区的起沙风速阈值。王金艳等将观测的春季沙尘暴资料与气温、降水、相对湿度等多个气候因子进行相关分析,指出了显著因子及其空间差异。郎咸梅利用ENSO、南极涛动、北极涛动等7个气候因子通过回归分析针对中国华北春季沙尘天气频次建立了预测模型。近几年国内外各类沙尘暴天气模式的发展使数值模式已成为研究和预报沙尘天气过程不可替代的重要工具。大部分沙尘预报模式重点关注天气尺度上沙尘天气的源、汇和输送过程,模式构建上多采用中尺度天气模式单向驱动沙尘模型的方式。最近的研究表明,沙尘能够通过改变大气的辐射平衡以及影响云的核化及光学特性而对天气及大尺度环流产生深远的影响。陈霞等、王宏等分别从观测和数值模拟的角度分析发现沙尘辐射效应对短波辐射传输、沙尘暴-浮尘天气各个阶段气温和风速等都有显著影响。吴涧等、Zhang等、韩永翔等、陈丽等、刘红年等和韩永翔等也从气候变化的角度分析了沙尘气溶胶辐射强迫对大尺度环流及东亚季风气候变化的影响,研究发现沙尘气溶胶是非常重要的气候强迫因子,在研究中长期气候变化时有必要考虑沙尘气溶胶与地-气系统的相互作用。天气-沙尘单向耦合方式构建的预报模式的不足也日益受到重视。林彩燕等研究发现沙尘模式中存在的模拟性能不确定性主要来源于模式内部物理机制不足。陈勇等的研究发现将沙尘辐射效应反馈回气象模式可以显著改善沙尘天气后期气象场的海平面气压、地面气温日变化和气温垂直分布,对中低层风速和起沙、沉降量的模拟也有所改善。现有的沙尘天气模式有必要进一步完善物理机制,加入沙尘气溶胶对天气气候特征的反馈作用。这不仅是提高沙尘天气业务预报预测水平的要求,也是气候变化领域研究沙尘气溶胶直接、间接气候效应的前提。近几年研究人员尝试将高分辨率区域气候模式与沙尘模型相耦合来模拟研究沙尘气溶胶的长距离输送及其辐射强迫、云内效应等科学问题。由于耦合模式考虑了大气与沙尘气溶胶的互反馈过程,包含的物理过程更完整,在中长期气候尺度上使用区域气候模式能够对沙尘天气进行更具有动力学意义的预测。Nickovic等,Zakey等首先将沙尘过程引入区域气候模式Eta/NCEP和RegCM之中,并尝试对沙尘事件进行了气候预测。赵伟等在区域气候模式RIEMS2.0中引入沙尘气溶胶起沙输送模式,并分析了沙尘气溶胶对辐射传输的影响。Gong等在沙尘观测网的基础上,对中国沙源分布进行了分析和订正,利用气溶胶区域气候模式对沙尘排放量和输送进行了数值模拟研究。李建云等将区域气候模式RegCM3耦合了起沙模型MEDM,分析了2000年春季中国地区沙尘气溶胶短波辐射气候效应。这些区域气候沙尘耦合模式的发展和模拟在一定程度上研究了不同沙尘天气传输特征及其辐射强迫等,分别从不同的侧重方面得出了很多有意义和可借鉴的成果,但针对中国沙尘天气起沙、传输特征的系统性分谱模拟研究较少,对不同时间尺度上沙尘天气传输路径的描述也较为欠缺。研究基于一个考虑了沙尘起沙和传输机制、干湿沉降、辐射强迫等完整物理过程的区域气候模式RegCM3.1,并对沙尘粒子进行较细致的分档。在考虑大气模式和沙尘模式的互反馈机制下对2001年中国北方典型沙尘天气进行数值模拟,将模拟结果与观测值对比,分析了模式对中国沙尘天气的源地、不同粒径沙尘颗粒的时空分布特征以及主要沙尘传输路径等物理特征的模拟性能,为利用区域气候模式开展沙尘气溶胶气候效应和未来情景下沙尘天气爆发特征的预测等研究奠定基础。1传输及辐射反馈本研究所用的模式是意大利国际理论物理中心(ICTP)发展的区域气候-化学耦合模式RegCM3.1。该模式在第三代区域气候模式RegCM3.0的基础上加入了气溶胶传输及辐射反馈模块,可用于研究沙尘、硫酸盐、含碳气溶胶等多种气溶胶物种单独和共存条件下在大气中的输送及辐射效应等科学问题。模式中辐射传输方案考虑了部分温室气体(NO2、CH4等)、气溶胶(包含沙尘)和云冰的辐射效应,包含的物理过程中更为完整,实现了沙尘、大气气溶胶与气象要素变量的互反馈过程。模式考虑的气溶胶输送相关物理过程包括地表源排放(起沙机制)、水平和垂直平流输送、湍流扩散、积云对流输送、重力沉降(干沉降)、大尺度和对流降水清除(湿清除)以及部分气溶胶成分的物理化学转化过程等。1.1显式时间差分显式方案的筛选RegCM3.1中的大气模型采用MM4的动力框架,是一个可压缩的静力平衡模式。垂直方向采用σ坐标,为了减少陡峭地形的水平扩散,增加了可分离-显式时间差分方案,耦合了BATS1e陆面模型、CCM3辐射传输方案、Holtslag行星边界层方案、并有多种大尺度显式水汽输送方案和积云对流参数化方案可供选择。现有的较多研究都证明该模式是一个比较理想的区域气候模式,对东亚季风气候特征有较好的模拟性能,较全球大气环流模式更适合用于东亚季风区区域气候变化的数值模拟。1.2模式沙源地的土壤类型及质量特征耦合模式中沙尘起沙方案的计算依赖于3类参数,土壤质地、地表动态参数和近地面气象要素。其中土壤质地是反映地表土壤颗粒大小和成分的静态数据;地表动态参数包括地表粗糙度、土壤含水量以及植被覆盖指数,由气候模式中陆面模型在积分过程中实时提供;近地面气象要素包括近地面风、大气温度和密度,由气候模式中大气模型提供。起沙量的计算基于土壤团聚物的水平跃移、破碎以及垂直起沙等物理过程的参数化方案。在模式中起沙量的主要计算过程可大致分为3个步骤:首先由土壤特征数据集得到沙源地沙尘粒径的谱分布特征;其次由临界摩擦速度与实际风速比较来判断其是否起沙,并计算土壤团聚物的风蚀量和沙尘水平跃移通量;最后计算直接来源于水平跃移过程、大颗粒碰撞破碎后产生的小颗粒垂直输送通量。现分别对其进行简单介绍:1.2.1沙尘粒径的谱分布为表征全球不同粒径、不同土壤类型构成的土壤团聚体转化为沙尘的可侵蚀性高低,首先需要引入不同土壤团聚体性质及组成成分分布(SAD,Soilaggregatedistribution)的分类标准。笔者采用的SAD是美国农业部(USDA,UnitedStatesDepartmentofAgriculture)提供的土壤团聚体质地的分类标准,该标准按照国际土壤学会的机械组成分类法将土壤颗粒根据粒径大小分为沙粒、粉粒和黏粒3级,根据各级含量比例的高低将全球土壤分为12类质地。假设每种级别土壤颗粒按直径大小都符合概率正态分布,并分别定义每一种质地土壤的质量中值半径、所占的比例和正态分布标准偏差,再由半经验公式得到土壤粒子中不同颗粒物的谱分布。本模拟结果计算沙尘起沙量所需的静态地表土壤类型资料取自美国国立橡树岭实验所的Zobler总结的全球土壤特征数据集。在模式运行前的前处理过程中将该数据集按照USDA标准重新分类,得到模拟区域不同级别土壤颗粒成分按粒径的质量分布。由该特征数据集可以发现,东亚地区下垫面为可起沙土壤的地区主要位于中国境内的西北以及河西走廊一带,与站点观测的沙尘源地分布基本一致。这些地区表层土壤主要以沙漠和堆积黄土为主,是影响中国大部分地区沙尘天气的主要源地。1.2.2临界摩擦速度和水平跃移通量对于土壤颗粒半径为Dp的可起沙表面,可根据其植被覆盖状况、土壤成分以及含水量等地表特征参数计算出在该表面发生起沙过程所需的最小风速,并将其定义为临界摩擦速度u*t(Dp)。所用模式沙尘模块中判断起沙与否采用的临界摩擦速度计算方案是基于Marticorena半经验理论,该理论首先在理想状态下风洞试验结果的基础上建立起来半经验公式,然后根据沙源地实际状况分别加入地形、植被和土壤湿度对临界摩擦速度的订正。沙尘粒子水平跃移总质量通量由不同粒径大小粒子组水平跃移量积分得到,其大小由地表土壤可侵蚀率、实际风速和土壤团聚体结合能共同决定。1.2.3垂直起沙量地表垂直起沙量主要来自于土壤颗粒物水平跃移过程,由水平跃移通量中的部分小颗粒物和大颗粒碰撞破碎后产生的小颗粒两部分组成。其中直接来自于水平跃移通量的小颗粒通量按水平跃移总量的经验比例来得到,而破碎分量的值由沙尘粒子实际动能和土壤颗粒结合能的相对大小计算得到。2气溶胶模拟研究研究设计试验模拟区域采用Lambert投影,格点数为112×101个,中心点位于(100°E,35°N),水平分辨率为50km。模式的垂直方向为非均匀18层,顶层气压为5hPa。辐射传输方案采用NCARCCM3方案,行星边界层方案选择为Holtslag方案,积云对流参数化方案采用Anthes-Kuo方案,侧边界采用指数松弛法,海表通量方案采用Zeng方案。模式初始场和每6h输入一次的侧边界场由NCAR/NCEP再分析数据提供,海温强迫使用美国海洋大气局(NOAA)的OISST资料。2001年中国共出现了22次沙尘天气过程,是21世纪以来年沙尘天气过程最多的一年。其中4月6\_9日发生的沙尘暴天气过程被认为是近20a来最强的一次沙尘远程输送过程之一,它横扫蒙古中西部和中国北方大部分地区,具有持续时长、强度大、影响范围广等特征。现有许多研究工作针对2001年的沙尘天气进行多角度的分析,有助于与本研究内容互相印证。数值试验模拟时间从2000年12月1日开始积分,至2001年12月31日结束,连续积分13个月,2000年12月1日到12月31日作为区域气候模式的spin-up以及气溶胶充分扩散的时间,其模拟结果予以舍弃,仅分析2001年1月1日至12月31日的模拟结果。根据中国沙漠土壤粒径分布的观测结果,将模式中沙尘气溶胶粒子分为4档,粒子直径分别为0.01~1μm(D1),1~2.5μm(D2),2.5~5μm(D3),5~20μm(D4)。3模拟结果与讨论3.1日起沙量特征张凯等利用地面观测数据详细分析了北方多个测站2001年全年沙尘天气的源地。指出位于河西走廊的戈壁沙地,巴丹吉林沙漠,腾格里沙漠是2001年沙尘天气最主要的源地。此外,古尔班通古特沙漠以及乌兰布和沙漠、浑善达克沙漠也是重要的沙源地区。图1给出了模式模拟的2001年中国主要沙源地区的空间分布及其总起沙量的季节变化特征。从图中可以看到,模式模拟的2001年中国境内沙尘天气的主要源地包括新疆塔里木盆地、河西走廊以及华北河套地区,中国境外沙源主要位于西亚北部地区。将沙源位置的空间分布对比中国主要沙漠的分布可以发现,大气中沙尘主要来源是塔克拉玛干沙漠、华北的巴丹吉林、腾格里沙漠及毛乌素沙地以及纬度较高的古尔班通古特沙漠。这与观测的结果基本一致,说明模式能够较真实地反映沙尘的源地。对比不同季节的起沙量可以发现,在冬季和春季,中国发生起沙现象的地区包括境内110°E以西的沙漠、沙地,以及与中国西北地区接壤西亚北部地区和高原西侧一线。在夏季和秋季,随着环流场特征的改变,主要沙源地区起沙现象较为显著的地区也大为减少,仅在110°E以西的沙漠及沙地的中心地区以上的分析可以发现,各沙源地区季节平均的起沙量存在着显著的季节变化特征。下面将对不同沙源地区对沙尘天气中沙尘含量的相对贡献的差异,以及总起沙量中不同直径大小的粒径含量的区别进行进一步的分析。首先,参考中国境内主要沙源地区总起沙量的空间分布特征,在每个主要沙尘源区选取特征区域进行区域平均,从而给出中国境内主要沙源地区不同粒径组沙尘粒子侯平均起沙量随时间的演变特征。从前面的分析可以看到,中国华北的巴丹吉林、腾格里沙漠及毛乌素沙漠半沙漠地区均位于100°\_110°E之间,地理位置较为接近,起沙量的大小以及季节变化特征也较为一致,为简化考虑,将这3个沙漠统称为腾格里沙漠进行处理。主要沙尘源区的特征空间区域采用如下取法:塔克拉玛干沙漠(80°\_88°E,33°\_40°N);古尔班通古特沙漠(80°\_95°E,42°\_50°N);腾格里沙漠(100°\_110°E,35°\_45°E)。3.2气溶胶粒径分布的垂直分布以上对沙尘气溶胶水平分布特征的分析发现,不同沙尘源地对起沙总量的贡献有所差异。为进一步分析沙尘气溶胶粒子不同沙源地区垂直方向分布的差异,图4给出了2001年强沙尘暴天气发生频率最高的3月两个主要沙尘源地所在区域纬向平均沙尘浓度的垂直剖面分布。图中左列为新疆中西部的塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠所在的80°\_90°E纬向平均4个粒径组浓度垂直分布,右列为腾格里沙漠所在的100°\_110°E纬向平均。不同粒径气溶胶垂直方向分布特征较为一致,主要集中在850hPa以下的对流层中下层。沙尘含量在模式第一层最大,向上浓度逐渐降低。比较两个主要源区不同大小粒径组沙尘对总含量分布的贡献可以发现,大气中沙尘气溶胶含量与其粒径大小并不成正比例。由图上可以看到,两个主要源区D2和D3粒径组的含量均较低。而粒径最小的D1和粒径最大的D4粒径组的垂直分布则有显著差异。在850hPa以上塔克拉玛干沙源地区D1粒径组含量要高从上面的分析可以发现,在沙尘天气频发的春季,塔克拉玛干沙漠和腾格里沙漠受近地层大风夹带进入大气的沙尘气溶胶粒径特征尺度较为一致,均以D1细小粒子和D4较大粒子为主。D1粒径组比其他粒径较大的沙尘粒子能够被气流垂直输送得更高。这两个主要沙源地区上空不同粒径组沙尘气溶胶垂直分布并不一致。塔克拉玛干沙源对850hPa以上对流层中高层沙尘气溶胶浓度贡献较大,950hPa附近对流层中下层的沙尘总含量受腾格里沙漠起沙量的影响更大。沙尘气溶胶这样的垂直分布特点可能是与不同沙源地下垫面土壤粒子特征以及沙源地区的地形有关。塔克拉玛干沙漠下垫面以粒径较小沙粒为主,受塔里木盆地地形的影响,较大粒径的沙尘粒子较难以水平跃移的方式进入大气,这是塔克拉玛干沙源地区近地层大粒子沙尘含量较低而中高层小粒子含量较高的原因。位于河西走廊的内蒙古和甘肃等地的腾格里沙漠,地表土壤颗粒既包括粒径较小的颗粒,也包括粒径较大的土壤颗粒聚合体,地形以有利于起沙过程的平坦地形和黄土高坡为主,这也是该沙源地区对近地层大粒径沙尘粒子贡献较大的主要原因。3.3沙源区及土地起沙与沙源区起沙量关系分析模式对沙尘传输路径的模拟研究对沙尘天气中沙尘源地的确定、沙尘天气影响范围的确定以及进一步的沙尘天气的防控工作有着重要意义。张凯等总结的2001年沙尘天气主要移动路径可以概括为4条:从青海东部、河西走廊等地经过兰州、西安南下到江浙入海;另一条则为从新疆北部经腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、毛乌素沙地加强后经黄土高坡东向传输影响山东等地,这也是强沙尘暴天气最多的输运路径;新疆东部经河西走廊,横跨内蒙古到影响东北3省,沙尘粒子来源于内蒙古西部的沙漠、半沙漠化土地,并且途中会有新的粒子不断补充;最后一条是从蒙古国中部入境主要影响东北地区。为检验模式对沙尘天气主要源地以及输送路径的模拟能力,给出了各地区沙尘柱含量与3个主要沙尘源区起沙量的相关分析。考虑到沙尘天气持续时间较短,一般持续时间最长不超过5d。因此,图5将2001年全年模拟区域侯平均沙尘柱含量与3个主要沙源区起沙量进行同期相关分析。样本长度为72侯,阴影部分为相关系数超过0.6的区域。由图5A可以看到,塔克拉玛干沙漠起沙的主要影响区域为高原地区,高原以西的中东部大部分地区相关系数都在0.3以下。古尔班通古特沙源区主要影响区域为新疆北部以及河西走廊地区,而腾格里沙尘源区起沙与中国北方大部分地区沙尘浓度的增加呈显著的正相关,从图5C来看,30°N以北的华北、东北以及西北地区等受沙尘天气影响较大的地区沙尘含量与腾格里沙源区起沙量关系显著,相关系数都在0.6以上。沙源区所在地相关系数更是达到0.9以上。不难理解,位于沙尘输送路径上的地区其沙尘浓度与沙源的相关性较周围地区应该更高,离沙尘源区越远其相关系数也越低。从图上可以看到,塔克拉玛干源区向盆地外面的输送路径不显著,古尔班通古特沙源主要存在两条主要沙尘输送途径:一条是从古尔班通古特沙漠地区沿高原北侧边缘向河套地区输送,中心相关性系数在0.7以上;另一条为从古尔班通古特沿内蒙古北部向东北北部地区输送。腾格里沙源地区输送路径主要存在3条:一条是从河套地区沿高原东侧南下影响南方地区;其次为从源区东向传输影响河南、山东等地区;另外一条是从源区向东北方向输送,主要影响内蒙古和东北地区。为进一步分析模式对沙尘天气起沙及中远距离输送过程的特征,将3个主要沙源区逐侯起沙量与落后1侯的沙尘柱含量求落后相关分析(图6)。与同期(图5)相关结果相比较可以发现,塔克拉玛干沙漠(图6A)相关系数在0.6以上的区域集中在沙漠西南部,可见源于塔克拉玛干沙漠的沙尘天气持续5d以上时间的较少,较难越过盆地产生长距离输送。同期相关中源于古尔班通古特沙漠(图6B)的两条主要传输路径中内蒙古北部向东北地区的输送路径上在滞后相关的分析中相关系数均低于0.4,因此,该条路径上沙尘天气一般持续时间较短。持续时间在5d以上的主要传输路径为沿高原东侧往河西走廊方向,在腾格里沙源处得到加强,其滞后相关性均超过0.6,但其影响范围局限在长江中上游25°N以北的区域。3个沙源比较来看,持续时间较长的沙尘天气大多源于腾格里沙漠,且主要路径为两条,除上述的沿高原东侧南下的路径外,另一条路径为腾