| 作者： | 李耀辉 |
| 专业： | 大气物理学与大气环境 |
| 导师： | 吕世华 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 关键词： | 西北沙尘暴;动量下传机制;位涡原理 |
| 摘要： | 从学科来讲，沙尘暴形成机制主要涉及大气科学和风沙物理学，前者侧重于天气背景、中尺度动力和热力特征等大气运动的宏观情况；后者则关注沙尘粒子如何受力、移动、悬浮等微观物理特性。首先，沙尘暴发生其动力来源是大气异常运动：大气环流调整，冷空气爆发，引起地面大风；然后大风吹起地表沙尘颗粒，造成起沙进而形成沙尘暴。所以研究从宏观尺度的大气运动转化为微观尺度的地表起沙而形成沙尘暴的动力过程，是研究沙尘暴机制的重要环节。为此，本论首先研究了基于卫星遥感和沙尘数值模式的西北沙尘暴预警技术，分析了沙尘暴发生动量因素的事实特征，然后围绕沙尘暴形成的动量下传机制，利用位涡理论研究高层和低层大气动量传输、交换的过程特征。主要内容如下： 1.发展了包含起沙、传输与沉降等沙尘暴形成主要物理过程的沙尘数值模式GRAPESSDM，以利用模式输出的时间、空间高分辨率的动力协调资料来捕捉快变的沙尘暴发生发展的机理和特征。为了使沙尘模式具有较好的性能，能够准确模拟沙尘浓度分布，针对模式存在的主要问题，对GRAPESSDM中的土壤湿度和土地覆盖类型(LANDUSE)进行了发展与改进。围绕模式改进，先利用EOS／MODIS资料反演了我国北方真实的LANDUSE，用可以业务获取的常规气象观测资料反演了模式所需的土壤湿度；在这一基础上对模式原有的土壤湿度和LANDUSE进行了改进。通过模拟结果的分析表明，GRAPESSDM能够比较准确模拟出沙尘分布范围，改进以后明显提高了模式对沙尘暴形成阶段起沙时间、大气环流特征等的模拟能力，有效抑制了沙尘浓度偏大的缺陷，使其更接近于实际。同时研发了基于MODIS资料的沙尘暴卫星遥感监测技术，以此获取沙尘暴真实信息，来验证沙尘模式输出结果的准确性。 2.沙尘暴形成的动量下传是高层、低层大气相互作用的一种机制，首先要掌握动量在高层和低层大气中的表现形式和存在事实。为此，分析了沙尘暴发生发展过程中的动能表现和低空急流特征，以明确动量的事实特征。事实分析证明，沙尘暴天气中能量过程活跃，尤其在高层，动能消耗首先从对流层高层开始，逐渐向低层传播；沙尘暴过程通过动能消耗来启动和发展，能量来源在于高空的动能转化。强沙尘暴的发生发展与低层700hPa急流的演变有密切联系，一旦低空急流发展，沙尘暴随即出现，急流越强，沙尘暴强度越大。从沙尘暴高、低层动量特征的事实分析中归纳出了沙尘暴形成与发展动量下传机制的可能线索。 3.利用位涡理论，在相关学者关于位涡理论研究基础上，用GRAPESSDM输出资料，诊断研究了沙尘暴动量下传机制的过程特征。结果表明，造成沙尘暴天气的冷空气首先活跃于高层大气，高值位涡是冷空气范围、活动的重要表征量。此时等熵面(等θ面)从对流层高层向低层倾斜伸展，强冷空气表现为等熵面上好像黏性流体堆的高位涡堆，伴随高空急流沿着倾斜而陡峭的等熵面从高层向低层迅速下滑，根据位涡性质，随着高值位涡下滑到大气低层，低层大气(700hPa)急流生成和气旋涡度发展，促使地面大风出现而发生起沙，进而形成沙尘暴。通过位涡原理，将沙尘暴形成发展的动量下传机制比较清晰地展现出来。 |