中國東部地區(qū)的粉塵天氣數(shù)值模擬與研究

中國東部地區(qū)的粉塵天氣數(shù)值模擬與研究

在干旱和半干旱地區(qū)，每年在特定的天氣條件下，大量的砂酸鹽酸鹽向大氣中注入一定的天氣條件。隨著沙氣候變化的影響，灰塵顆粒在氣候條件下的影響，以及環(huán)境、交通、海洋生態(tài)（沙氣候損失后）和酸雨核化。此外，沙氣顆粒吸收和散射的太陽輻射和單相流的長距離輸送，改變了土氣輻射的平衡，加熱或冷卻，改變了氣的溫度場，對短期氣候變化和長期氣候變化產(chǎn)生了重要影響[4.11]。正確預(yù)測和預(yù)測沙氣候的發(fā)生和發(fā)展過程不僅是對災(zāi)害氣候的要求，也是評估砂氣凝膠及其直接和間接天氣及氣候影響的前提和基礎(chǔ)。包括沙塵排放、輸送以及沉降等物理過程的數(shù)值模式在研究和預(yù)報沙塵天氣過程中扮演著重要角色.全球大氣環(huán)流模式和區(qū)域氣候模式在描述沙塵粒子在大氣中的循環(huán)過程以及其區(qū)域或全球氣候效應(yīng)方面具有其特有的優(yōu)勢[12~16].但是,由于全球模式在時間、空間分辨率以及物理過程精細程度等方面的限制,制約了它對局地沙塵事件的預(yù)報和描述能力,而沙塵天氣本身是一種中尺度天氣現(xiàn)象.就特定地區(qū)沙塵天氣的預(yù)測、預(yù)報而言,中尺度模式在描述天氣系統(tǒng)演變、預(yù)報時空精細程度、實時資料的應(yīng)用等方面具有全球模式不可比擬的優(yōu)勢.20世紀80年代末期開始,一些科學(xué)家開始嘗試利用中尺度數(shù)值模式來研究和預(yù)測撒哈拉和澳大利亞沙塵天氣[17~19],針對東亞地區(qū)沙塵天氣的研究開展比較晚[20~26].但是,近年來的研究表明,源于中國西部、北部和中蒙邊界沙漠、戈壁和被破壞耕地的東亞沙塵在全球沙塵的排放中占有重要地位.這一地區(qū)沙塵的年排放估算為8億噸,與全球沙塵年排放量10~30或10~50億噸相比,所占份額相當可觀,對全球大氣中沙塵載荷的貢獻明顯大于撒哈拉沙漠,特別是對于北半球中緯度(25°~40°N)大氣中的沙塵載荷的貢獻非常顯著,對于下游的韓國、日本、太平洋北部甚至美國西海岸的影響更是引起了人們的普遍關(guān)注.從20世紀末到21世紀初,這一地區(qū)多次發(fā)生沙塵的遠距離輸送事件,越來越引起社會和地球科學(xué)界的重視.目前,相對于地球上的其他沙漠源區(qū)而言,專門針對東亞地區(qū)沙塵天氣數(shù)值模式的研究還亟待提高和改進.由于觀測資料的匱乏,從早期模式地表狀況的處理、摩擦速度以及起沙參數(shù)化方案到近年的一些沙塵的光學(xué)特性和輻射參數(shù)的設(shè)置等等,很多方面都直接借鑒了撒哈拉和澳大利亞等沙漠的研究成果.而東亞沙漠源區(qū)的地表狀況復(fù)雜多樣,地表類型涉及沙漠、戈壁、被破壞的耕地,土壤粒子的粒度分布也比較復(fù)雜,而且沙塵天氣出現(xiàn)的季節(jié)和對應(yīng)的天氣系統(tǒng)也與其他沙漠地區(qū)有所不同,直接引用其他沙漠的觀測資料和參數(shù)化方案必然給模式帶來一些不確定性因素近年來,隨著對東亞特別是中國沙漠的大規(guī)模觀測的展開,已經(jīng)積累了豐富的觀測結(jié)果,如何將這些最新的觀測數(shù)據(jù)引入數(shù)值模式以提高模式性能更為精確地預(yù)報和描述發(fā)生在東亞地區(qū)的沙塵天氣是目前東亞沙塵模式研究中非常有意義的課題.本文基于中國新一代全球/區(qū)域同化、預(yù)報系統(tǒng)(GRAPES)的區(qū)域預(yù)報模式(GRAPES_meso),將一個針對東亞地區(qū)的沙塵氣溶膠模型CUACE/dust與之進行雙向耦合,建立了一個針對東亞地區(qū)的中尺度沙塵天氣預(yù)報系統(tǒng),用于預(yù)報和研究發(fā)生在中國和東亞地區(qū)的沙塵暴事件.在該系統(tǒng)中,引用了21世紀中國地區(qū)最新的陸面、土地沙漠化、土壤粒度以及沙塵氣溶膠光學(xué)特性等資料,力求系統(tǒng)對東亞地區(qū)沙塵天氣更具針對性.系統(tǒng)能夠?qū)崟r預(yù)報沙塵氣溶膠的濃度、光學(xué)厚度、起沙量、沉降量等物理量.1新一代氣溶膠模式中尺度沙塵預(yù)報系統(tǒng)(GRAPES-CUACE/Dust)的主體框架包含兩個部分:中尺度天氣預(yù)報模式和沙塵氣溶膠模型.驅(qū)動氣溶膠模型的天氣模式采用中國氣象局開發(fā)研制的中國新一代全球/區(qū)域同化、預(yù)報系統(tǒng)(GRAPES)的區(qū)域預(yù)報模式GRAPES_Meso[28~30].沙塵氣溶膠模型采用中國氣象科學(xué)研究院大氣成分中心研發(fā)的CUACE/Dust氣溶膠模式本文的主要工作是對以上兩個模塊進行了在線嵌套并在此基礎(chǔ)之上,對模式的輸送、垂直擴散等方案根據(jù)GRAPES_meso的動力框架和物理過程進行了改進,從而建立了新一代沙塵天氣預(yù)報系統(tǒng)(GRAPES-CUACE/Dust).有關(guān)這部分的詳細工作將在下面兩個小節(jié)分別進行介紹.1.1水氣溶膠特性分析中國新一代全球/區(qū)域同化、預(yù)報系統(tǒng)GRAPES模式采用了多尺度統(tǒng)一的動力框架,即水平分辨率可調(diào),垂直運動靜力近似和非靜力近似方案可選.GRAPES_Meso的核心部分為三維變分資料同化系統(tǒng)、預(yù)報模式動力框架以及經(jīng)過優(yōu)化和改進的物理過程參數(shù)化方案.GRAPES_Meso是按照中尺度預(yù)報的要求設(shè)置,水平分辨率一般設(shè)置比較高,垂直采用非靜力近似方案.模式的時間離散采用半隱式-半拉格朗日時間平流方案.模式網(wǎng)格采用經(jīng)緯度格點劃分,水平空間離散采用Arakawa_C格點變量分布和二階精度的中央差分格式.為克服球面坐標下高緯度地區(qū)拉格朗日軌跡的計算誤差,垂直坐標采用兼有自然高度坐標性質(zhì)的地形追隨坐標,垂直離散采用有助于提高垂直氣壓梯度力運算精度的CharneyPhillips垂直隔層變量放置.GRAPES-CUACE/Dust沙塵氣溶膠的輸送項(包括水平和垂直輸送項)由GRAPES_Meso動力框架計算,在模式的每個網(wǎng)格點上采用QMSL半隱式半拉格朗日方案,沙塵總量在整個計算中保持守恒.半拉格朗日方案的穩(wěn)定性和質(zhì)量守恒的軌跡追蹤計算在沙塵的輸送項的計算中具有其特有的優(yōu)勢.模式積分過程中,每一個網(wǎng)格點上第n+1個時步的沙塵濃度按照如下的軌跡差值得到:其中,C代表沙塵氣溶膠的質(zhì)量濃度,n+1和n表示第n+1和n個時步,i表示12檔沙塵粒子中的第i檔,S和D分別為沙塵的源、匯項,帶*的項為上游點項,α表示上游點和計算點的權(quán)重系數(shù),?t為時間步長.以沙塵天氣預(yù)報為目的,在對中國以及東亞地區(qū)中尺度預(yù)報模式物理過程方案進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,充分考慮我國受東亞季風(fēng)影響的天氣氣候特點,通過大量的數(shù)值試驗和對比分析,我們對GRAPES-CUACE/Dust物理過程方案進行了優(yōu)化和選擇.目前模式物理過程包含積云對流、微物理、邊界層、輻射和陸面等物理過程.本文云降水方案采用了經(jīng)過中國氣象科學(xué)院科學(xué)家改進的包含冰相過程的降水方案,許多數(shù)值試驗的結(jié)果表明,采用該方案模式在中國大陸的降水強度更接近觀測結(jié)果.輻射方案采用的是ECWMF輻射方案,該方案在模擬青藏高原地表輻射場與地形,500hPa形式以及降水場的相互關(guān)系反映地非常細致合理.邊界層方案的選取直接影響沙塵氣溶膠的垂直擴散,進而影響沙塵的輸送和時空分布,數(shù)值試驗的結(jié)果表明,MRF邊界層方案計算沙塵粒子的垂直擴散優(yōu)于其他邊界層方案.計算垂直擴散項的公式為其中,Ci沙塵氣溶膠濃度,t表示時間,z為高度,Kh為由MRF邊界層方案計算的熱量渦流擴散系數(shù),γc是局地湍流對GRAPES_Meso大尺度湍流擴散通量的貢獻.有關(guān)該模式水平和垂直輸送等動力框架特點、邊界層擴散等物理過程以及模式性能等更為詳細介紹,請參照文獻.1.2氣溶膠輻射參數(shù)化模塊本文所用沙塵氣溶膠模型CUACE/Dust是由中國氣象科學(xué)研究院大氣成分中心研發(fā)的氣溶膠模式的沙塵氣溶膠部分.該模型包含了氣溶膠的源、輸送、干、濕沉降、云中和云下清除等詳細的氣溶膠過程,并顯式地計算了氣溶膠和云的相互作用.氣溶膠的質(zhì)量平衡方程為:方程右邊第一項為氣溶膠的輸送項,包括平流輸送、次網(wǎng)格的湍流擴散和對流過程,該項的計算在本系統(tǒng)的動力框架中完成.第二項表示氣溶膠的源項,一方面包括自然源和人為因素的源排放過程,同時也考慮了氣溶膠的二次形成過程.第三項為清潔大氣過程,包括核化、凝結(jié)、聚合等過程.第四項為干沉降(dry)過程,包括氣體和氣溶膠粒子的干沉降.第五項為云內(nèi)清除過程,主要包括云滴活化,氣溶膠、云和雨滴粒子之間的相互作用以及云化學(xué)過程.最后一項為云下清除過程,指的是云層以下到地面之間的降水清除.在目前沙塵氣溶膠的預(yù)報系統(tǒng)中,被激活的主要氣溶膠過程有:沙塵起沙(源)、輸送、凝結(jié)、聚合、干沉降、和云下清除幾個部分.根據(jù)中國沙漠土壤粒徑分布的觀測結(jié)果,將模式中沙塵氣溶膠粒子分為12檔,粒子直徑分別為0.01~0.02,0.02~0.04,0.04~0.08,0.08~0.16,0.16~0.32,0.32~0.64,0.64~1.28,1.28~2.56,2.56~5.12,5.12~10.24,10.24~20.48和20.48~40.96μm.該模型已與美國NCAR的中尺度模式MM5耦合,成功地模擬了東北亞地區(qū)的沙塵暴過程.為了能夠?qū)崟r計算沙塵氣溶膠的光學(xué)厚度等輻射參數(shù),也作為進一步計算沙塵輻射效應(yīng)的準備工作,在上述工作的基礎(chǔ)上,本文作者在GRAPES-CUACE/Dust中加入了詳細的氣溶膠輻射參數(shù)化模塊.輻射參數(shù)化模塊最基本的因素是折射指數(shù)資料的選取,它直接影響光學(xué)厚度等參數(shù)的計算,最新研究表明,中國地區(qū)沙塵氣溶膠的折射指數(shù)與撒哈拉沙漠等具有明顯差異,因此本文選用了最新的中國沙漠沙塵氣溶膠的復(fù)折射指數(shù)(圖1)來計算光學(xué)厚度等輻射參數(shù).這一計算方案的主要思路為:首先參照GRAPES-CUACE/Dust沙塵粒子的尺度譜分布,假設(shè)粒子為球型,根據(jù)MIE散射理論利用折射指數(shù)計算得出沙塵氣溶膠的主要光學(xué)特性,包括隨波長和粒子半徑變化的消光效率,單次散射反照率和非對稱因子.然后再根據(jù)這3組參數(shù)和模式預(yù)報的沙塵濃度計算模式網(wǎng)格點上隨波長和粒子半徑變化的質(zhì)量消光系數(shù)、光學(xué)厚度,最后利用對所有粒子檔加權(quán)平均的方法計算代表整個沙塵氣溶膠的隨波長變化的光學(xué)厚度、單次散射反照率和非對稱因子.具體的計算公式請參照文獻.1.3氣溶膠模型起沙方法影響模式起沙和干沉降的主要地面參數(shù)有地面風(fēng)速、土地覆蓋、土壤粒度、土壤濕度和雪蓋等物理參數(shù),土地覆蓋狀況是決定起沙是否準確的最基本因素之一.目前模式考慮了15種土地覆蓋情況,計算這15種土地覆蓋的地表粗糙度采用的是生物圈-大氣傳輸計劃(BATS)1km×1km的陸面土地利用資料,但在中國地區(qū),采用了目前最新的反應(yīng)了20世紀80年代到21世紀初中國土地沙漠化進程的中國沙漠覆蓋地圖.考慮到起沙過程對土壤濕度資料非常敏感,土壤濕度的細微變化就可能引起模式起沙通量計算的顯著差異,本文氣溶膠模型起沙方案計算需要0~10cm土壤的體積含水量(wv).大量的數(shù)值模擬和對比分析的結(jié)果表明,NCEP1°×1°再分析資料中的0~10cm質(zhì)量含水量(wg)資料在本模式中預(yù)報具有持續(xù)、穩(wěn)定的預(yù)報效果.wg和wv的換算公式為其中,ρs為根據(jù)每一個網(wǎng)格點上的土壤類型加權(quán)平均得到土壤密度.目前,土壤濕度資料在模式開始積分時輸入,在模式積分的過程中保持不變.理論上,這樣處理沒能考慮模式預(yù)報過程中因降水等因素所造成的土壤濕度的變化,會給模式預(yù)報造成一定誤差.但是,考慮到中國到東亞地區(qū)的主要沙塵源區(qū)集中在海拔1500m以上中緯度沙漠地帶,年降水量非常低,該地區(qū)沙塵天氣的爆發(fā)呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特點,大部分沙塵天氣都出現(xiàn)在干燥少雨的春季,而且GRAPES-CUACE/Dust的預(yù)報時效一般只考慮72h,在此期間因土壤濕度造成的誤差影響不會太大.春季開始,中國中緯度地區(qū)的冬天的積雪開始逐漸融化,適時雪蓋資料的輸入對提高模式的預(yù)報精度至關(guān)重要,本文同時引用了NOAA1km×1km中國地區(qū)的衛(wèi)星遙感雪蓋資料.模式初始氣象場和每6h一次的側(cè)邊界條件采用了NCEP1°×1°再分析資料.2區(qū)域動態(tài)風(fēng)速模型GRAPES-CUACE/Dust為等網(wǎng)格模式,本文研究所采用的水平分辨率為0.25°×0.25°,從地面到30km共設(shè)31個垂直層,模式模擬區(qū)域取70°~140°E,15°~60°N.這一區(qū)域包含了蒙古國南部、中國和下游的韓國、日本以及太平洋西部部分地區(qū)等東亞沙塵源地和受其影響的主要區(qū)域.從2006年3月1日到5月31日,GRAPES-CUACE/Dust開始進行了業(yè)務(wù)試運行.模式每天運行兩次,初始運行時刻分別采用格林威治時間00時和12兩個時次,預(yù)報時效為72h.本文研究選用了其中發(fā)生沙塵天氣最為頻繁的4月1~30日一個月00時的實時預(yù)報結(jié)果.首先進行了模式的質(zhì)量守恒檢驗,然后將模式預(yù)報72h之內(nèi)的沙塵濃度、光學(xué)厚度與地面觀測、TOMS氣溶膠指數(shù)(TOMSAI)進行了對比以檢驗?zāi)Ｊ叫阅?在此基礎(chǔ)之上分析了2006年4月7次典型沙塵天氣發(fā)生期間起沙、輸送和沉降等沙塵的時空分布及其特征.2.1累計起沙能力的積分如前所述,GRAPES-CUACE/Dust輸送方案為半隱式半拉格朗日方案,該方案的正定保型性的優(yōu)勢在于積分過程中能夠很好保持輸送物質(zhì)量的質(zhì)量守恒.按照質(zhì)量守恒的原則,模式側(cè)邊界流入量與模擬域內(nèi)的起沙累計量之和應(yīng)該與從模式邊界的流出總量、累積沉降總量與大氣中懸浮沙塵總量之和相等.由于本模式只考慮了模擬域內(nèi)的沙塵源,所以模式邊界沒有沙塵流入量,因此,本文對2006年4月共30天模式積分72h之內(nèi)累計起總沙量(噸)與干濕沉降總量(噸)、飄浮在大氣中的沙塵總量(噸)以及沙塵從模式邊界的累計流出總量(噸)三者之和進行了計算,通過累計起沙總量與累計沉降總量、浮塵總量和累計流出總量三者之和進行對比(圖2)發(fā)現(xiàn),在72h的積分過程中,兩者之差保持在5%之內(nèi),考慮到計算物質(zhì)總量過程中體積計算等造成的誤差,這一結(jié)果表明模式在積分過程中的保持了很好的質(zhì)量守恒.2.2模式起沙與沙區(qū)的對比分析對2006年春季沙塵天氣的研究表明,2006年4月東亞地區(qū)共有3次典型強沙塵暴(SDS)過程,分別發(fā)生于4月5~7日(SDS1)、9~12日(SDS2)、16~18日(SDS3)和4次沙塵暴(DS)過程,分別發(fā)生于4月8日(DS1)、21~23日(DS2)、24~25日(DS3)以及28~30日(DS4).這幾次沙塵天氣對中國乃至東亞地區(qū)造成了重要影響.以下主要針對這7次沙塵天氣的預(yù)報結(jié)果進行了檢驗和分析.光學(xué)厚度代表了沙塵粒子對地面到大氣頂?shù)恼麑哟髿獾南鈴娙?為了檢驗?zāi)Ｊ綄ι硥m天氣過程中沙塵大氣柱含量的總體預(yù)報能力,本文分別計算了上述7次典型沙塵暴天氣過程平均的隨波長變化的光學(xué)厚度.理論上認為波長在0.55μm處的光學(xué)厚度能夠代表氣溶膠在整個短波譜段的消光情況,所以本文選擇波長為0.55μm處的AOD為代表,與TOMSAI氣溶膠指數(shù)進行了對比(圖3).需要注意的是,模式計算的AOD代表了從地面到30km大氣中沙塵氣溶膠對大氣的總體消光效應(yīng).而TOMSAI對地面到2km之內(nèi)氣溶膠的探測有一定的局限性,而且TOMSAI對吸收性大氣氣溶膠的探測更為敏感沙塵氣溶膠散射作用相對比較強,特別是源于東亞地區(qū)沙漠的沙塵粒子的散射性比其他沙漠地區(qū)更強,這是兩者含義的不同之處.但是,考慮到沙塵天氣爆發(fā)時,沙漠以及鄰近的下游地區(qū),大氣氣溶膠中沙塵的含量可以達到70%以上,TOMSAI仍然在很大程度上代表了沙塵氣溶膠的大氣中整體的消光效應(yīng),距離沙塵源地越近,這種代表性越強.因而在東亞地區(qū),模式預(yù)報的沙塵光學(xué)厚度與TOMSAI還是具有很好的可對比性.通過對2006年4月7次沙塵暴天氣過程平均光學(xué)厚度(以0.55μm)和同一時段TOMSAI對比分析,可以看出,在東亞以及鄰近的西太平洋地區(qū),模式模擬的光學(xué)厚度和TOMSAI顯示了非常好的一致性.模式模擬AOD和TOMSAI數(shù)據(jù)都顯示,SDS3是2006年4月強度最大和輸送距離最遠、影響區(qū)域最大的一次強沙塵暴過程.這次強沙塵暴天氣對蒙古國南部、內(nèi)蒙古北部和東北部、中國中東部以及以東到日本島地區(qū)造成重要影響.就整個沙塵天氣過程平均狀況來看,包括北京在內(nèi)的中國東部地區(qū)的沙塵光學(xué)厚度超過了3,日本島南部及以西地區(qū)沙塵氣溶膠的光學(xué)厚度也達到1,這些地區(qū)AOD與TOMSAI的區(qū)域和中心具有比較好的一致性.同時,分析SDS3和DS4我們發(fā)現(xiàn),在中國西部的塔克拉瑪干沙漠地區(qū),模式模擬的沙塵光學(xué)厚度中心偏弱的現(xiàn)象非常明顯,而TOMSAI在該地區(qū)卻表現(xiàn)了一個較強的大值中心,由于該地區(qū)為沙漠源區(qū),而且遠離中國內(nèi)陸地區(qū),受其他類型氣溶膠影響的可能性很小,地面天氣現(xiàn)象觀測(圖4)結(jié)果表明,該次沙塵暴過程期間該地區(qū)一直持續(xù)長時間的浮塵天氣,并沒有出現(xiàn)揚沙和沙塵暴天氣.結(jié)合TOMSAI和地面觀測兩者的結(jié)果分析,該地區(qū)氣溶膠的垂直高度偏高,不是本地起沙造成,TOMSAI大值中心可能是從中國境外上游的中亞沙漠地區(qū)的輸送而來,而并非本地起沙.由于GRAPES-CUACE/Dust的模擬區(qū)域沒有包含中亞地區(qū)沙漠,可能是導(dǎo)致中國西部塔克拉瑪干浮沉天氣漏報的主要原因,而不是模式本身起沙機制的問題.SDS2的模擬結(jié)果進一步證明了模式起沙方案在塔克拉瑪干地區(qū)的有效性,對于這次強沙塵暴過程而言,模式模擬AOD中心與TOMSAI氣溶膠指數(shù)大值區(qū)一致表明塔克拉瑪干沙漠是沙塵氣溶膠消光效應(yīng)最強的地區(qū).地面觀測結(jié)果(圖4)也顯示4月9~10日期間,該地區(qū)多個站點首先出現(xiàn)了沙塵暴和強沙塵暴天氣,模式模擬的過程平均垂直起沙通量(圖6)分析也表明,塔克拉瑪干地區(qū)是這次強沙塵暴天氣最為重要的沙塵源地,進一步說明模式起沙方案在這一地區(qū)是適用地.就起沙量和沙塵暴強度而言,SDS2與SDS3相當,但與SDS3相比,SDS2對下游地區(qū)的影響顯著偏弱,輸送的距離也比較短.其主要原因在于,塔克拉瑪干沙漠位于盆地之中,周圍都是海拔3000m以上的山脈,該地的沙塵越過高山向下游傳播的難度較大DS2的情況與SDS2有類似之處,但是強度比SDS2明顯偏弱,模式模擬光學(xué)厚度和TOMSAI同樣一致顯示了塔克拉瑪干沙漠是該次沙塵暴過程的主要源地和影響中心,這進一步表明,對于發(fā)生于塔克拉瑪干地區(qū)的較弱的沙塵暴過程,模式仍然具有很好的模擬能力.模式模擬的SDS1,DS1,DS3,DS4(圖3)4次沙塵天氣過程平均的AOD與TOMSAI同樣表現(xiàn)出了非常好的一致性.由此可見,對于強沙塵暴和強度相對弱一些的沙塵暴過程GRAPES-CUACE/Dust對其時間和空間尺度上的整體描述都與觀測比較吻合,模式預(yù)報結(jié)果是可以接受的.由于如上所述TOMSAI對近地層氣溶膠探測的限制,也因為人們對模式近地面沙塵天氣的預(yù)報能力以及預(yù)報時效的準確性更為關(guān)心.我們將模式預(yù)報2006年4月7次沙塵暴過程72h之內(nèi)的地面沙塵濃度和每隔3h一次的地面天氣現(xiàn)象觀測進行了詳細的對比分析,在此,為了更為詳細地說明模式對沙塵暴天氣開始、加強、輸送過程和路徑以及逐漸減弱直至消失這一過程的預(yù)報和描述能力,本文以2006年4月最強的一次沙塵暴SDS3為主進行分析(圖4).從圖4中可以看出,4月16日上午格林威治時間03時,該次強沙塵暴天氣開始于95°~110°E的蒙古南部、中蒙邊界和內(nèi)蒙古中北部地區(qū),模式對沙塵暴過程開始的時間和出現(xiàn)的區(qū)域均做出了準確預(yù)報,在隨后的03~12時內(nèi),沙塵天氣逐漸加強并向下游輸送,09時蒙古國南部、中蒙邊界和內(nèi)蒙北部的多個臺站地面天氣觀測為沙塵暴和強沙塵暴天氣,模式預(yù)報地面的沙塵濃度也在這一時間達到最大,而且大于5000μg/m3的區(qū)域與觀測的強沙塵暴地區(qū)吻合得非常好.12時以后,受到地面風(fēng)場日夜變化的影響,地面觀測顯示沙塵天氣明顯減弱,區(qū)域縮小.模式模擬16日18時到17日00時地面沙塵濃度也比16日白天明顯降低、沙塵覆蓋區(qū)域縮小,表明模式的起沙和沉降過程能夠跟隨動力過程一起很好地描述沙塵天氣的日夜變化,16日夜間沙塵暴在減弱的同時繼續(xù)向東南方向輸送,17日00時模式預(yù)報和觀測都顯示沙塵天氣已經(jīng)輸送到中國東部地區(qū),中國中、東部部分地區(qū)出現(xiàn)了浮塵和揚沙天氣.17日白天,觀測顯示,沙塵天氣又有所加強,中國中部部分地區(qū)出現(xiàn)了沙塵暴和揚沙天氣.模擬結(jié)果在這些區(qū)域的地面沙塵濃度也于17日白天有所加強,觀測和模擬均顯示沙塵輸送至中國東部沿海和朝鮮半島的西部.17日夜間到18日,沙塵天氣繼續(xù)向東輸送,18日03時到06時,朝鮮半島和日本島均出現(xiàn)浮塵天氣,模式預(yù)報200μg/m3的沙塵區(qū)也到達該地區(qū).通過以上對比分析可以看出,模式很好地預(yù)報了2006年4月16~18日這次沙塵暴過程發(fā)生、發(fā)展、向下游輸送以及減弱直到逐漸消失的過程.模式預(yù)報沙塵天氣的時效、輸送路徑和晝夜周期變化都與觀測非常一致.對于其他幾次沙塵天氣,我們同樣對比了模式模擬地面沙塵濃度和地面觀測,得到了與2006年4月16~18日相似的結(jié)果.從地面沙塵預(yù)報來看,72h之內(nèi)GRAPES-CUACE/Dust對沙塵天氣預(yù)報與觀測具有非常高的一致性,模式預(yù)報性能良好.同時,我們也應(yīng)該注意到,無論是與TOMSAI氣溶膠指數(shù)的對比還是與地面天氣觀測的對比,都顯示模式存在如下方面的不足之處.首先,模式對中國西部地區(qū)的浮塵天氣存在漏報,這種漏報現(xiàn)象在模式啟動早期其他地區(qū)也偶有出現(xiàn)(圖略),表現(xiàn)為與TOMSAI氣溶膠和地面觀測的對比光學(xué)厚度在該地區(qū)明顯偏小.由于目前模式沙塵濃度初始場為零,在模式起報的時候如果某些地區(qū)已經(jīng)或正處于浮塵天氣,這些浮塵天氣就會漏報.對這種情況的改進和處理實際上就是如何給定合理的沙塵濃度初始場的問題.利用衛(wèi)星反演的沙塵指數(shù)同化沙塵濃度是解決該問題的一個合理方案.有關(guān)這部分工作,我們將在下一篇文章中給出詳細的討論和效果檢驗.其次,為了提高模式的定量預(yù)報精度,我們還應(yīng)該在模式預(yù)報地面濃度與PM10定量對比以及與雷達資料對比沙塵的垂直分布兩方面作更多工作.2.3東亞地區(qū)不同地區(qū)的沙門排放源分析按照所在地理位置和對下游的影響,可將東亞地區(qū)的主要沙塵源區(qū)分為3部分,即蒙古國南部、中蒙邊界和內(nèi)蒙古中部的戈壁沙漠地區(qū)(沙塵源1)、新疆塔克拉瑪干沙漠(沙塵源2)和內(nèi)蒙古東北部的渾善達克沙地附近地區(qū)(沙塵源3)(圖5).這些地區(qū)的海拔高度和周邊地區(qū)地形差異都比較大.中蒙邊界及附近地區(qū)海拔高度在1000~2000m之間,周邊為開闊的草原、戈壁,這一地區(qū)位于蒙古氣旋的主要生成地和移動路徑上,是東亞地區(qū)最重要的沙塵源地.塔克拉瑪干沙漠面積遠大于中蒙邊界沙漠,位于新疆盆地,海拔高度比較低,且周邊都是海拔在3000~5000m的高山,只有東北部地勢略低,有一條狹窄的通道與下游相通.這樣的地形限制了沙塵向下游地區(qū)輸送.與以上兩個沙塵源相比,渾善達克沙地是面積最小的沙漠,它距離下游地區(qū)最近,雖然海拔高度也僅在1000m左右,但是與下游地區(qū)的地形高度落差很大,加之該沙漠位于西北和偏北路徑冷空氣的交叉處,很容易起沙,給下游地區(qū)造成顯著影響.本文計算了2006年4月7次沙塵天氣過程平均的垂直起沙通量(圖6).從中可以看出,7次沙塵暴和強沙塵暴天氣中,SDS1,SDS3,DS1,DS3和DS4等5次沙塵天氣的主要源區(qū)均為沙塵源1,表明2006年4月,位于蒙古國、中蒙邊界和內(nèi)蒙古的沙漠戈壁是東亞地區(qū)的主要沙塵排放源.過程平均的氣溶膠指數(shù)和光學(xué)厚度(圖1)也一致顯示這幾次沙塵天氣對下游地區(qū)的影響也都非常大,說明沙塵源1不僅是最為重要的沙塵源地,而且源于該地區(qū)的沙塵對下游的影響也最為嚴重.從圖6中可以看出,強沙塵暴SDS2的沙塵源區(qū)是沙塵源1和沙塵源2共同組成.從過程平均的起沙通量來看,對這次塵暴過程沙塵源2的貢獻明顯大于沙塵源1,沙塵源3對這次沙塵暴過程也有部分影響.從起沙強度考慮,雖然這次沙塵暴的強度和SDS1相當,但是由于該次塵暴最主要的沙塵排放源位于塔克拉瑪干沙漠,由于四周山脈阻擋了沙塵向下游地區(qū)輸送,地面觀測到的強沙塵暴天氣(圖4)、TOMSAI氣溶膠指數(shù)和模式預(yù)報的氣溶膠光學(xué)厚度(圖3)的大值區(qū)都一致集中在塔克拉瑪干沙漠.與SDS1相比,SDS2對下游地區(qū)的影響相對較小.值得注意的是,位于內(nèi)蒙古東北部的渾善達克沙地(沙塵源3),雖然它的面積很小,但它對SDS1,SDS2,SDS3三次強沙塵暴和DS2與DS4兩次沙塵暴過程的沙塵排放都有貢獻,而且起沙強度比較大.由于它與中國東部下游地區(qū)的距離很近,對下游的影響不可忽視.從模式對這7次沙塵暴過程平均起沙通量的分析來看,3次強沙塵暴過程,其中兩次沙塵過程的主要排放源是沙塵源1,一次沙塵過程沙塵源1和沙塵源2是共同的源地.沙塵源3雖然面積很小,但對3次強沙塵暴過程的起沙量都有一定貢獻.為了進一步評估2006年4月東亞地區(qū)沙塵的排放情況以及3個沙塵源區(qū)對2006年4月7次主要沙塵天氣的貢獻,本文計算了這3個地區(qū)7次沙塵天氣累計起沙通量以及它們各自所占整體沙塵排放量的百分比,結(jié)果表明,2006年4月東亞地區(qū)的主要沙漠共向大氣中注入沙塵總量約為2.25億噸,考慮春季是全年沙塵天氣爆發(fā)的主要季節(jié),而4月又是春季沙塵天氣發(fā)生最為頻繁和嚴重的時段,這一估算值與文獻中對同一地區(qū)8億噸每年排放量的估算結(jié)果相比,比較一致.在2006年4月的2.25億噸沙塵排放量中,蒙古國、中蒙邊界和內(nèi)蒙古的沙漠、沙地向大氣中排放的沙塵量最大,為1.53億噸,大約占總排放量的68%,塔克拉瑪干沙漠第二,約為3800萬噸,占排放總量的17%,渾善達克沙地排放最少,約1500萬噸,占7%.其他地區(qū)沙漠和廢棄的耕地等僅占排放總量的8%.由此可見,無論從沙塵天氣發(fā)生的頻率還是沙塵排放總量來看,位于中國北部及中蒙邊界的沙塵源區(qū)都是東亞地區(qū)最為重要的沙塵源地,而且該地區(qū)剛好位于引起塵暴天氣的蒙古氣旋的移動路徑上,是西北和偏北路徑的冷空氣必經(jīng)之地,加之與下游地區(qū)的地形落差,源于此地的沙塵粒子很容易伴隨冷空氣東移南下,造成中國中東部甚至更遠的下游地區(qū)的沙塵天氣,是中國乃至東亞地區(qū)最為重要的沙塵排放源.塔克拉瑪干作為世界第二大沙漠,中國和東亞地區(qū)的第一大沙漠,2006年4月向大氣中排放的沙塵量只占東亞地區(qū)沙塵排放總量的17%,可能是由于該地區(qū)盆地地形的影響,冷空氣爆發(fā)的頻率低、強度比較弱,地面風(fēng)速也比較小,特別是該地區(qū)以及周邊地形不利于沙塵向下游輸送,發(fā)生在該地區(qū)的沙塵天氣主要是對新疆盆地及其附近地區(qū)造成較大影響,只有當天氣系統(tǒng)能夠?qū)⑸硥m粒子輸送到3000m以上的高空,沙塵粒子才可能越過其東部的山脈,影響到下游地區(qū).在本文分析的3個沙塵源中,渾善達克沙地的沙塵排放量最低,僅為沙塵總排放量的7%,但是其起沙的頻率很高,從起沙通量來看,起沙強度大,排放總量低的主要原因是因為它的沙漠面積小,考慮該地位于偏北和東北冷空氣移動路徑的交叉口,且與下游地區(qū)的距離近,地形落差大,對下游地區(qū)特別是中國東部的影響應(yīng)該引起重視.2.4區(qū)域降水現(xiàn)狀及趨勢沙塵沉降量表示沙塵粒子在一定時間和區(qū)域內(nèi)從大氣中沉積到地面的狀況.它最為直接地體現(xiàn)了沙塵天氣對近地面大氣層的影響和沙塵粒子在大氣中的輸送距離,是最受關(guān)注的物理量之一.但是,由于各種技術(shù)上的原因,目前的觀測和模擬都很少描述東亞地區(qū)沙塵沉降的整體情況以及其時空分布概念.氣溶膠的沉降過程包括干沉降、云中清除和降水沖刷(濕沉降)兩部分.有關(guān)這部分氣溶膠過程詳細計算方案的描述,請參照文獻[25,35].本文計算了模式模擬域內(nèi)2006年4月7次主要沙塵天氣干、濕沉降和沉降量的總和,并分析了它們的空間分布特征希望籍此對東亞地區(qū)沙塵天氣發(fā)生最為頻繁的4月的沙塵沉降給出一個初步的概念模型.計算結(jié)果表明,2006年4月在70°~140°E,15°~60°N的東亞地區(qū),沙塵沉降總量為1.36億噸,其中干沉降為1.27億噸,大約占總沉降的94%,濕沉降量只有800多萬噸,僅占沉降總量的6%左右.可見,干沉降基本能夠代表沉降總量的分布狀況.分析干沉降的空間分布圖(圖8(a))發(fā)現(xiàn),中國和東亞地區(qū)的沙塵絕大部分集中沉降在3個主要的沙塵源地,在中國中東部以及近海地區(qū)也具有比較明顯的沉降,中國海以東地區(qū)的沉降非常小.進一步對不同地區(qū)的沉降量計算表明(圖(9)),3個沙塵源地的沉降總量為1.35億噸,占到了沉降總量的78%左右,其次,120°E以西沙塵源地以外的中國大陸地區(qū),沉降量為200多萬噸,占沉降總量的16%,只有大約85萬噸的沙塵在120°~140°E之間的中國東部沿海、韓國日本,以及太平洋西部洋面沉降,僅占模擬域內(nèi)沉降總量的6%左右.由此可見,2006年4月,大約94%的沙塵粒子沉降在120°E以西的中國大陸地區(qū),東亞沙塵對120°E以東下游地區(qū)和洋面的影響相對比較小.由于4月中國北方大部分地區(qū)正好處于春季干旱季節(jié),云量和降水都非常小,特別是沙漠及其附近地區(qū),大部分地區(qū)月降水總量不足1mm,所以與干沉降相比,濕沉降量非常小,僅占沉降總量的6%左右.濕沉降與干沉降呈現(xiàn)出完全不同的分布特點(圖8(b)),出現(xiàn)兩個濕沉降中心,一個位于中國東北部到朝鮮半島以及日本以西海面,這主要是因為這一地區(qū)比北部沙漠源區(qū)空氣濕度大,云量相對周邊地區(qū)偏多,而且