青藏高原吸收性气溶胶的来源及输送机制

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青藏高原被称为“亚洲水塔”,是中纬度拥有冰川量最多的地区。由于特殊的地理位置,其强大的动力和热力作用对亚洲天气和气候具有重要的调节作用。近年来,大量观测指出青藏高原受到了外源污染物的影响,一些污染物浓度呈现出增加的趋势,以黑碳和沙尘气溶胶较为明显。由于对太阳光具有强烈的吸收性,传输到高原的吸收性气溶胶会改变高原大气热力结构,加速积雪消融,因此也是高原显著增温的原因之一。因此,厘清青藏高原吸收性气溶胶的来源,对于维护我国生态安全屏障,预测未来高原天气和气候变化具有重要意义。本文利用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting Model coupled with chemistry)模式进行了长时间模拟,结合多种观测手段分析了青藏高原沙尘和黑碳气溶胶的潜在来源及输送机制,主要研究结果如下:(1)与地面气象站观测资料相比,模式较好地再现了模拟区域温度和降水的时空变化特征,与站点观测的相关系数超过了0.96;与卫星和AERONET(Aerosol Robotic Network)站点观测相比,模式也抓住了塔克拉玛干沙漠、印度北部、青藏高原地区、中国东部和北部的气溶胶光学厚度的逐日变化和高原附近气溶胶的垂直结构特征,在一些站点与观测的相关系数高达0.65;通过与前人对高原黑碳气溶胶的采样结果相比,模式较为合理地展现了高原地面黑碳气溶胶浓度的分布。但是模式低估了印度和孟加拉国附近的气溶胶光学厚度,这可能与南亚地区排放清单的不确定性、忽略了排放清单的年变化特征以及参数化方案的不确定性有关。(2)对春夏两季塔克拉玛干沙漠沙尘在各个方向的传输特征进行了分析,结果表明,夏季高原北部的沙尘与塔克拉玛干沙尘的经向输送有关。青藏高原和塔克拉玛干沙漠夏季的起沙通量低于春季,但是从整个大气层的柱浓度来看,青藏高原北部和天山地区夏季的沙尘柱浓度显著高于春季,差值可达90 mg m-2。卫星观测和数值模拟也表明,夏季塔克拉玛干的沙尘粒子聚集在青藏高原北坡至天山一线3-8 km的高度处,浓度比春季高30μg m-3。进一步分析塔克拉玛干沙尘在东南西北四个方向的输送通量发现,经向输出仅次于塔克拉玛干沙尘的东向输出,特别是在夏季。从春季到夏季,东向输出通量由总输出量的74%减少至61%,而南向输出由21%增加至30%。春季冷空气较强,高原和塔克拉玛干沙漠起沙较高,但是由于高空强西风气流的影响,沙尘主要向东输送。而在夏季,西风急流北移减弱导致沙尘东向输出减少。伴随沙漠地区强的地表感热加热,沙尘粒子很容易抬升到3-8 km的高度并聚集。由于夏季高原近地表是一个强的辐合中心,塔克拉玛干沙尘在偏北风和地形抬升的作用下辐合进入高原并抬升,进一步影响高原热源。(3)研究了冬季高原黑碳气溶胶的来源及输送机制。结果表明,高原东坡是青藏高原地区黑碳气溶胶逐日变化最为显著的区域。当高原东坡黑碳气溶胶偏高时,东亚大气环流表现为:高原南侧西风气流增强,北侧西风气流减弱,东亚大槽东移。在这种情况下,来自印度的黑碳一方面会在对流层中层沿平直西风气流到达高原东部;另一方面在对流层低层伴随增强的南支西风气流到达高原南部。同时在中国西南地区强的西南气流会将源自四川盆地的黑碳气溶胶向青藏高原东北部输送。在边界层内,冷高压前增强的东北气流使得来自中国中部和东部的黑碳向高原东坡输送。与此同时,高原北侧减弱的西风气流和高原东坡异常强的上升气流有利于黑碳气溶胶的抬升,从而使得高原东坡至中国中部存在一个高浓度的黑碳气溶胶带。另一个环流形式与上述环流形式相反,导致高原黑碳气溶胶浓度偏低。两种大气环流模态可能与东亚低层经向温度梯度异常有关,这是因为冬季低层大气经向温度梯度的变化会通过瞬变涡反馈影响上层大气环流。
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