【青年学者说】沙尘气溶胶数值模式与资料同化的研究进展、问题与展望

科技   2024-09-20 17:47   甘肃  




揭秘沙尘气溶胶
数值模式与资料同化研究进展





沙尘暴,这一自然现象不仅影响着我们的日常生活,还对全球气候变化、生态环境保护以及人类健康产生深远影响。中国科学院的科学家们通过数值模式与资料同化技术,为我们揭开了沙尘气溶胶的神秘面纱。

研究内容


沙尘气溶胶,作为大气中的重要干气溶胶,对地球的气候系统、生态环境以及人类健康都有着不可忽视的影响。据估计,全球每年沙尘排放量高达500至4000吨。这些沙尘主要来源于干旱和半干旱地区,如沙漠和戈壁,当风速达到一定程度时,地表颗粒物被卷起,形成沙尘气溶胶。

沙尘起动机制示意图
数值模式:沙尘研究的利器
数值模式作为研究沙尘气溶胶的有效工具,能够模拟沙尘的起动、传输、扩散及清除等过程。然而,由于起沙参数化方案的不完整及模式输入场的不确定性,数值模式的模拟结果存在较大误差。为了提高模拟的准确度,科学家们不断改进参数化方案,结合不同观测资料,对化学初始场和沙尘排放源进行同化,以降低不确定性。




观测手段:多角度捕捉沙尘
沙尘气溶胶的观测手段主要包括地基观测、机载观测和卫星遥感观测。地基观测虽能实现长期连续观测,但空间分辨率有限。机载观测和卫星遥感观测则能覆盖更广区域,提供高时空分辨率的数据,但存在连续观测的局限性。




资料同化:提升预报精度的关键
资料同化技术将观测资料引入模式,为模式数值积分提供准确的初始场,从而改善预报结果。近年来,随着多方位沙尘气溶胶观测系统的完善,沙尘资料同化研究得以发展。同化卫星资料在沙尘预报研究中成为主流,显著提升了预报能力。



存在问题与展望
存在问题

观测系统:空间覆盖有限、时间分辨率不足、观测手段互补性不完善以及观测参数不全面。
起沙参数化:当前的起沙参数化方案难以精确刻画自然界内的起沙过程,存在一定的误差,尤其是针对热力起沙的参数化方案,目前尚缺乏足够验证,动力起沙与热力起沙的整合也处于起步阶段。
沙尘资料同化:多源沙尘气溶胶数据联合同化较匮乏,不同类型沙尘源的同化中考虑因素不足。包括如何实现不同尺度的数据融合,同化过程如何体现人类活动对沙尘源的贡献以及浓度初始场与排放源协同同化如何开展等。
未来展望
沙尘气溶胶研究需要在观测系统、数值模式、起沙机制、初始场与排放源同化等多个方面持续深化和拓展。未来的研究将更加注重跨学科合作,尤其是机器学习与数值模式的结合,以实现沙尘气溶胶的全方位研究。



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《地球科学进展》是由中国科学院西北生态环境资源研究院和国家自然科学基金委员会地球科学部联合主办的综合性、学术性刊物,主编傅伯杰院士。期刊多年被国家科技部评为中国精品科技期刊,2023年入选中国地学领域高质量科技分级目录T1区,被《中文核心期刊要目总览》《中国科学引文数据库核心版》(CSCD)、Scopus、GEOBASE、EBSCO、美国化学文摘(CA)等国内外重要数据库收录。发文领域涉及:地质科学、大气科学、海洋科学、地理科学、环境科学、地球化学、地球物理学和空间科学等。


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