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兰州地区一次沙尘过程的观测与数值模拟研究

作　者: 赵世强
导　师: 张镭
学　校: 兰州大学
专　业: 大气物理与大气环境
关键词: 沙尘气溶胶短波辐射效应边界层 WRF-CHEM 数值实验
分类号: P445.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

沙尘气溶胶作为最主要的气溶胶成分之一,对全球以及局地的辐射能量的收支产生影响,因而对气候变化产生一定的强迫作用。同时大风沙尘天气会对自然环境和人类产生危害。因此,深入分析沙尘过程气溶胶及其辐射效应,对气候变化研究具有重要科学意义,对沙尘天气危害的预报预警具有应用价值。本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2007年3月的一次强沙尘过程多种观测资料、MODIS卫星遥感图像等资料,以及和HYSPLIT-4模式,较为深入地分析了这次沙尘过程；采用WRF-CHEM模式,以NCEP分析资料作为初始场和边界条件,采用三重嵌套对沙尘过程进行了模拟分析,探讨了沙尘气溶胶直接辐射强迫和由此产生的对地面气象场的影响。(1)在沙尘过程到来之前地面多为西北风控制,风速从4m/s增大到8m/s,空气干燥,相对湿度10%。沙尘过程中PM1o浓度与污染气体NO2,SO2浓度变化趋势相反,说明沙尘事件与人为污染事件不同,并且沙尘过程影响气体污染物的扩散和生成。受沙尘的影响,地面短波辐射通量的最大值差别可达200 w m-2。(2)沙尘过程对应特殊的大尺度背景场,高空存在明显的锋区,上游地区多处存在急流,地面冷高压在高空西北气流引导下移动,高空冷平流作用使得地面冷高压进一步加强发展。沙尘天气产生需要有高低空温度场、高度场、气压场有利配置。(3)利用HYSPLIT-4模式对沙尘过程期问气流来向进行后向追踪。从低层看,此次沙尘主要来源于青藏高原青海附近和新疆塔克拉玛干沙漠两个地区。高层气流基本为西北气流,与天气图实况较为一致。(4)对比沙尘过程前后MODIS可见光卫星图像可以看出,沙尘到来之前图像能清晰反映地表状况,而有沙尘影响时地表模糊。沙尘与云层的区别是沙尘是随地形变化并沿着地形扩散,而云层由于高度较高受到地形影响较小。(5)利用WRF-CHEM和相应两种沙通量计算方案Model 1和Model 2的模拟结果显示,Model 1能更好地反映此次沙尘过程的基本特征。700hPa PM10浓度的变化特征与地面基本相同,但浓度较小。500hPa PM10浓度的变化特征与地面和700hPa的不同,出现两个峰值,一个峰值可能是源地高层远距离输送影响,另一个峰值可能是低层沙尘向上传输的结果。(6)从两组数值模拟的控制实验(CTL)与沙尘短波辐射反馈实验(RAD)结果看出,时间变化上沙尘使2m高处温度冷却最大值2℃,短波辐射减少最大值200Wm-2,感热通量减少最大值约100Wm-2；空间变化上PM 10浓度的分布决定着对地面气象场的影响,PM10浓度大值区对应2m温度和感热通量差异的大值区域,而且随着浓度中心改变后二者的大值区也随之移动变化。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章绪论  11-18
  1.1 沙尘气溶胶的研究意义  11-12
  1.2 国内外沙尘气溶胶的研究进展  12-14
  1.3 本文主要研究内容  14-15
  参考文献  15-18
第二章研究区域及模式介绍  18-33
  2.1 观测站点  18
  2.2 观测仪器  18-19
    2.2.1 边界层气象观测系统  18
    2.2.2 空气质量监测系统  18
    2.2.3 辐射观测资料  18-19
  2.3 WRF和WRF-CHEM模式介绍  19-28
    2.3.1 WRF简介  19
    2.3.2 WRF模式的结构和动力框架  19-21
    2.3.3 模式的物理模块和参数化  21-26
    2.3.4 WRF-CHEM简介  26-27
    2.3.5 沙尘气溶胶模块  27-28
  2.4 小结  28-29
  参考文献  29-33
第三章模式设计和检验  33-47
  3.1 天气背景  33-38
    3.1.1 大尺度天气背景  33-35
    3.1.2 后向轨迹模式对沙尘来源分析  35-38
  3.2 实验方案设计  38-40
    3.2.1 模拟时间  38
    3.2.2 模拟区域和输入资料  38-40
  3.3 WRF模拟结果分析  40-45
    3.3.1 近地层水平风场分析  40-42
    3.3.2 近地层垂直速度分析  42-43
    3.3.3 模拟近地面温度、相对湿度与观测结果比较分析  43-45
  3.4 小结  45-46
  参考文献  46-47
第四章沙尘期间观测与模拟  47-62
  4.1 沙尘期间观测资料分析  47-49
  4.2 沙尘前后卫星图像对比分析  49-51
  4.3 模拟与观测结果对比分析  51-53
  4.4 数值模拟实验设计  53
  4.5 数值模拟结果分析  53-59
  4.6 小结  59-61
  参考文献  61-62
第五章总结与讨论  62-65
  5.1 总结  62-63
  5.2 主要创新点  63
  5.3 讨论  63-65
在学期间研究工作  65-66
致谢  66

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