科研进展

JGR-A: 沙尘颗粒物不规则度对输送模拟影响研究取得新进展

  大气沙尘具有极强的气候辐射效应,大气化学输送模式中对沙尘颗粒物的模拟普遍采用球形假设,起沙和输送机制也未考虑沙尘不规则形貌的影响,这是导致目前模式对于大气沙尘承载量的估计不确定性的重要原因之一,为此大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的潘小乐研究团队对2018年春季东亚地区大气单颗粒物退偏性质进行了长期观测研究,总结了大气沙尘颗粒物的形貌特征,评估沙尘颗粒物不规则度对沙尘气团输送模拟的影响。

  研究发现,春季输送到中国东部城市地区的粗模态颗粒物的横纵比约为1.7±0.2。污染沙尘通常形成于沙尘过程后期,风速减小、大气湿度增大,有典型二次污染物生成的情况下,高相对湿度和高二次污染物占比是污染沙尘形成的必要条件。在有典型污染沙尘颗粒物形成的个例中,5μm沙尘颗粒物的δ值可下降达到39%,若采用椭球模型进行估算,由于不断地混合和吸湿过程,可使沙尘颗粒物的体积增加约6%。通过建立颗粒物形貌、粒径与沉降速度之间的数学模型,基于以上观测结果,修正NAQPMS沙尘输送模型中沙尘沉降速度,评估采用不规则的椭球模型对模式模拟结果的改进效果。结果显示,在模式中使用典型沙尘横纵比(λ=1.7)时的沉降速度后,会导致大气中沙尘质量浓度增加约3%。对于粗模态(>5μm)影响尤其明显,不规则度会导致大气中沙尘承载量增加达到10%,尤其是在沙尘源地附近。

  由于东亚地区是世界上第二大沙尘源区,自然沙尘在向东输送过程中可能会经历老化、吸湿等过程,导致形貌和混合状态的不断改变,在模式中采用统一的球形模型显然不再合适,考虑动态的沙尘颗粒物重力沉降机制对于大气沙尘承载量的准确模拟,以及评估沙尘气溶胶的局地环境效应和全球气候效应极为重要。上述研究成果已在Journal of Geophysical Research: Atmospheres和Science of the Total Environment上发表,得到国家自然科学基金面上项目(41675128)资助。

图1. 考虑沙尘颗粒物不规则度并采用椭球模型对模式大气沙尘颗粒物承载量模拟效果的影响  

  Tian Yu, Wang Zhe, Pan Xiaole, Li Jie, Yang Ting, Wang Dawei, Liu Xiaoyong, Liu Hang, Zhang Yuting, Lei Shandong, Sun Yele, Fu Pingqing, Uno Itsushi, Wang Zifa, Influence of the morphological change in natural Asian dust during transport: A modeling study for a typical dust event over northern China. Science of the Total Environment, 2020. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139791

  Tian Yu, Pan Xiale, Wang Zhe, Wang Dawei, Ge Baozhu, Liu Xiaoyong, Zhang Yuting, Liu Hang, Lei Shandong, Yang Ting, Fu Pingqing, Sun Yele, Wang Zifa, Transport Patterns, Size Distributions and Depolarization Characteristics of Dust Particles in East Asia in Spring 2018. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2020, 16, (125). https://doi.org/10.1029/2019JD031752

 
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