【摘 要】
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塔克拉玛干沙漠作为我国沙尘气溶胶的主要源区,存在沙尘气溶胶滞空的独特浮尘天气现象,其对空气质量、天气和气候变化有着重要影响。大气边界层结构、天气形势的演变,以及深盆地地形对塔里木盆地浮尘天气过程形成和维持具有重要影响,这些重要机制的研究对环境和气候变化具有科学意义,对浮尘过程的准确模拟及预报也具有应用价值。本文主要研究内容和结论如下:1.浮尘气溶胶对沙漠大气边界层结构影响的昼夜差异及作用机理利用2
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塔克拉玛干沙漠作为我国沙尘气溶胶的主要源区,存在沙尘气溶胶滞空的独特浮尘天气现象,其对空气质量、天气和气候变化有着重要影响。大气边界层结构、天气形势的演变,以及深盆地地形对塔里木盆地浮尘天气过程形成和维持具有重要影响,这些重要机制的研究对环境和气候变化具有科学意义,对浮尘过程的准确模拟及预报也具有应用价值。本文主要研究内容和结论如下:1.浮尘气溶胶对沙漠大气边界层结构影响的昼夜差异及作用机理利用2016年7月塔克拉玛干沙漠腹地每日4次强化探空和地面气象观测数据,对比分析了夏季塔克拉玛干沙漠晴日和浮尘日的大气边界层结构变化及地表辐射收支差异,揭示了浮尘气溶胶对大气边界层结构影响的昼夜差异及作用机理。结果表明:夜间晴日和浮尘日稳定边界层高度分别为270m和360m。晴日稳定边界层逆温强度达到3.1K·100m-1,强于浮尘日的1.6K·100 m-1。白天晴日对流边界层高度接近3600m,浮尘日仅达2700m。夜间浮尘气溶胶的向下长波辐射削弱了地表辐射冷却,抬升稳定边界层高度并减弱其稳定度。白天晴日较强的太阳短波净辐射加热沙漠地表,其强烈的感热作用形成了超高对流大气边界层。浮尘气溶胶明显减少了地表短波辐射和感热加热,降低了白天对流边界层高度。塔里木盆地独特的浮尘气溶胶辐射效应对沙漠地区大气边界层结构具有昼夜相反的影响。2.天气环流对塔里木盆地浮尘滞空的调制作用筛选塔里木盆地2011-2020年出现大范围浮尘滞空的日数。利用PCT客观分型方法,对塔里木盆地浮尘滞空日地面、500h Pa及700h Pa环流形势进行客观分型,确定浮尘滞空发生时影响塔里木盆地的高低空天气系统配置,并分析典型浮尘滞空过程,厘清天气系统与沙尘气溶胶排放与输送的关系。结果表明:浮尘滞空日地面天气型概括为高压前部型,高压底部型,均压场型。高空500h Pa和700h Pa位势高度场均可概括为平直纬向型,高压脊型,西风槽后型。高低空天气系统配置500h Pa和700h Pa为平直纬向型最多,占比达43%。地面及高低空天气系统配置500h Pa和700h Pa为平直纬向型,地面为均压场最多占比达17%。对2016年4月30-5月6日一次浮尘天气个例进行分析表明:当地面西伯利亚冷高压东移南下,高空槽后伊朗副热带高压控制,沙尘天气明显加重。当地面均压场,无明显气压系统活动,高空为平直纬向环流时,转为扬沙、浮尘。3.塔里木盆地地形对沙尘气溶胶时空变化的影响程度及作用机理利用WRF-Chem模式开展2015年春季一次典型浮尘过程,进行填塞塔里木深盆地的敏感性模拟试验,以揭示盆地地形作用对沙尘气溶胶时空变化的影响程度及作用机理。塔里木深盆地地形效应使盆地地面沙尘气溶胶浓度增加幅度高达240-1100μg·m-3。青藏高原北部沙尘气溶胶浓度显著下降,达360-800μg·m-3。地形作用使盆地区域整体大气边界层上部沙尘气溶胶浓度大幅增加,最高超600μg·m-3,自由对流层盆地东部及南部沙尘气溶胶减少120-400μg·m-3。对于整个盆地区域,地形效应使盆地4.6km以下的中低层大气沙尘气溶胶浓度大幅增加,近地表增幅最大,达278μg·m-3。而到达4.6km以上自由对流层高度,沙尘气溶胶浓度下降。塔里木盆地独特的近地面风场特征显著影响了地表沙尘气溶胶的排放。冷空气灌入盆地时,受地形狭管效应作用,形成穿谷急流,穿谷急流在下坡风的作用下使近地面风速在盆地沿帕米尔高原一带、盆地沿天山一带及盆地东北部开口地区增大。近地面风速的增大加剧了地表沙尘气溶胶的排放。盆地内垂直环流对沙尘气溶胶的输送与扩散起决定性作用。盆地中低层在东北气流作用下驱动沙尘气溶胶向高原输送。受高原地形阻挡,大量沙尘气溶胶堆积在盆地内。仅有少量沙尘气溶胶能够抬升到自由对流层高度,在中纬度西风气流作用下向下风方我国及东亚地区输送。
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