中文摘要：

在目前天气及气候模式中,起沙方案仅能反映较大尺度天气系统下地面强风的沙尘暴过程并没有考虑大气边界层内次网格尺度起沙机制。观测事实表明次网格尺度的热对流及尘卷风等边界层过程具有和沙尘暴相当的气溶胶贡献。在起沙方案中准确地反映次网格尺度起沙通量，解决大气边界层起沙过程参数化的难题是这一研究的主要目标。在大气边界层热对流和尘卷风及湍流阵风的研究基础上，通过西北沙漠地区大气边界层起沙过程,尤其是对热对流和尘卷风、湍流阵风的观测,结合大涡模拟研究,依照边界层参数化理论和方法，1)在现有起沙方案,加入边界层过程相关参数修正地表摩擦速度与起沙临界值的统计关系,2)导出对流边界层内决定热对流和尘卷风形成的参数和次网格尺度起沙通量的经验公式，建立边界层起沙参数化新方案。将改进的热对流和尘卷风及阵风起沙参数化方案引入天气和气候模式，对气溶胶过程进行模拟，进而探讨沙尘气溶胶对天气及气候的影响。

结论摘要：

目前气溶胶模式的起沙方案仅反映了大尺度天气系统下地面强风的沙尘暴过程并没有考虑大气边界层起沙机制。观测表明大气边界层的热对流及尘卷风等边界层过程具有和沙尘暴相当的气溶胶贡献。解决大气边界层起沙过程的难题是这本课题的主要目标。2014和2015年年7月，利用新的数字光学方法（DOM）在塔克拉玛干沙漠进行尘卷风及大气边界层外场观测。观测表明，尘卷风多发生在正午且是地气温差一般在15 ℃以上；动量通量和热量通量可达0.54 kg？m-1？s-2 和 327 W？m-2；风切变指数不超过0.15，近地层大气处于极不稳定状态，导致尘卷风的发生和发展。一个生命期较长的典型过程进行分析，其2m高度以下的不透明度在0.43-0.84, 垂直起沙通量在4.81×10-5-9.56×10-5 kg？m-2？s-1, 平均值分别为 0.57 和 7.95×10-5 kg？m-2？s-1。观测尘卷风不透明度随着高度增加逐渐减小，且中心部位变化小，两侧变化大；底层水平方向尘卷风不透明度由中心部位向两侧呈先增大后减小趋势，但同一高度两侧的尘卷风不透明度不同。水平方向尘卷风不透明度的双峰分布。提出了一种将尘卷风不透明度2D图像转换为3D结构的新方法。在大气边界层热对流和尘卷风的研究基础上，利用塔克拉玛干沙漠及周边地区观测资料,依据尘卷风热力学理论和方法,建立了大气边界层起沙过程参数化方案。估算出在塔克拉玛干沙漠地区尘卷风对沙尘气溶胶贡献的年平均量为4.0×106t,年最大量为5.0×106t,与该地区沙尘暴的沙尘气溶胶年均贡献量相当.利用观测资料对对流边界层参数化方案进行了验证与比较。依照边界层参数化理论和方法，建立边界层起沙参数化新方案。应用了全球气溶胶气候模式CAM和GEM-AQ/EC对全球沙尘气溶胶进行一系列多年模拟1）气候模式CAM5.1的20年（1991-2010）全球沙尘气溶胶的模拟用于分析全球主要沙漠地区气溶胶起沙及传输气候特征；2）利用GEM-AQ/EC进行了10年（1995-2004）模拟研究东亚沙尘气溶胶的源汇分布及垂直结构；3）应用全球气溶胶气候模式CAM3.1针对青藏高原潜在的沙漠化对全球大气气溶胶贡献进行2年（2002-2003）敏感性模拟试验，4）对2002—2003年去除东亚沙漠的敏感性模拟试验来分析北非、阿拉伯和中亚地区沙漠区的沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输对东亚地区