基于參數(shù)化方法的起沙模擬分析

基于參數(shù)化方法的起沙模擬分析

近年來(lái)，世界灰塵日益嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境、生產(chǎn)生活產(chǎn)生了重大影響。目前對(duì)于沙塵暴的研究主要包括:沙塵暴的氣候特征,沙塵暴成因,沙塵暴變化特征,氣候因素對(duì)沙塵暴的影響,微觀(guān)沙塵帶電等方面,并相繼建立了一些沙塵暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng),也出現(xiàn)了很多沙塵暴的預(yù)測(cè)系統(tǒng)。但是現(xiàn)有的研究已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要,需要建立更為準(zhǔn)確的沙塵預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),才不僅能定性,同時(shí)也可以定量的預(yù)測(cè)沙塵天氣發(fā)生的范圍和程度,為防災(zāi)減災(zāi)提供有效地服務(wù)。沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)是沙塵起沙模擬結(jié)合大氣數(shù)值模式而發(fā)展起來(lái)的。迄今已形成了區(qū)域沙塵模式(如CFORS、COAMPS、DREAM、CEMSYS5等)以及全球沙塵模式(GOCART、DEAD、MASINGAR)等多個(gè)沙塵預(yù)報(bào)模式。沙塵模擬是在多學(xué)科的基礎(chǔ)上建立的,其中最為關(guān)鍵的地表沙塵垂直通量基于風(fēng)沙物理學(xué)的研究成果,為沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供邊界條件。因此,沙塵數(shù)值模式模擬的準(zhǔn)確性依賴(lài)于沙塵釋放通量的準(zhǔn)確計(jì)算。目前,地表沙塵通量的計(jì)算模型比較多,Shao等將參數(shù)化方案分為α-方案、β-方案和γ-方案3類(lèi)。其中,α-方案用最早使用的,其地表通量表達(dá)為F~un*(u*為摩擦速度),主要依賴(lài)風(fēng)速和地表狀況,該方案不是譜方案,只能計(jì)算單一粒徑。以Zender建立的DEAD為代表的β-方案雖然能夠?qū)⒘椒纸M,但其地表沙塵垂直通量F~αQ(Q表示水平沙通量)的形式過(guò)于簡(jiǎn)單,并且需要已知全球的沙塵排放,這就給模式的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大的不確定性;γ-方案是依據(jù)風(fēng)蝕物理過(guò)程的譜方案,并考慮了3種起沙機(jī)制(空氣拖曳力的夾卷、沙粒躍移轟擊和集合粒子的分裂),Shao由此提出了基于3種起沙機(jī)制以及粒徑譜分布的沙塵通量參數(shù)化方案,從這一意義上說(shuō),Shao的參數(shù)化方案是目前考慮因素較為全面的起沙模型之一,基于這一起沙方案的沙塵模式也被廣泛的應(yīng)用,如中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所2005年將該方案耦合到MM5V3.7中開(kāi)發(fā)了IAPS2.0沙塵天氣數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng);Shao等利用CEMSYS5成功的模擬了2002年和2003年春季東亞地區(qū)的沙塵天氣。但是,即使目前正在應(yīng)用中的模式,對(duì)沙塵天氣預(yù)報(bào)的不確定性也很大。尤其,起沙通量公式中的關(guān)鍵參數(shù)如:土壤塑性壓力P和cy的取值范圍大,可能會(huì)造成對(duì)沙通量的錯(cuò)誤估計(jì),進(jìn)而影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。本研究根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的比較,首先分析了P與cy對(duì)起沙通量模擬結(jié)果的影響。并基于Kang等耦合了5個(gè)起沙方案的WRF/Chem沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng),利用NCEP再分析氣象資料作為驅(qū)動(dòng)場(chǎng),模擬了2007年3月27\_28日發(fā)生在中國(guó)西部地區(qū)的一次沙塵過(guò)程。在氣象初始場(chǎng)相同的條件下,比較了土壤參數(shù)對(duì)沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式輸出的沙塵范圍與濃度的結(jié)果,檢驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)地表參數(shù)的敏感性。1模型參數(shù)的確定地表沙粒受到作用其上的力包括:空氣拖曳力fa、重力fg以及顆粒間相互作用力fi,這些力的大小都與粒徑有關(guān),可以簡(jiǎn)單的描述為:fg~d3,fa~d2,fi~d3(1)fg~d3,fa~d2,fi~d3(1)Gillette的研究表明,沙塵釋放是由地表較大的躍移沙粒的沖擊引起的,Shao等根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提出F∝αQ(2)F∝αQ(2)式中:Q為水平沙通量;α為一系數(shù)。Owen根據(jù)觀(guān)測(cè)給出Q與摩阻風(fēng)速u(mài)*的關(guān)系,指出當(dāng)摩阻風(fēng)速大于起動(dòng)摩阻風(fēng)速,水平沙通量可表示為Q=cρa(bǔ)gu3?(1?u*tu?)[1+(u*tu?)2](3)Q=cρa(bǔ)gu*3(1-u*tu*)[1+(u*tu*)2](3)式中:c為系數(shù);ρ為空氣密度;g為重力加速度;u*,u*t分別為摩阻風(fēng)速和臨界摩阻風(fēng)速。(2)式僅能給出沙塵垂直通量的總量,且轉(zhuǎn)換系數(shù)α的確定很難。實(shí)際應(yīng)用中還要關(guān)注釋放沙塵的粒徑分布。為了能夠描述其與粒徑之間的關(guān)系,Shao引進(jìn)兩種極端條件下的粒徑分布,記為粒徑的全分布pf(d)和粒徑的最小分布pm(d),即p(d)\?pm(d),u?\?u*tp(d)\?pf(d),u?\?∞(4)p(d)\?pm(d),u*\?u*tp(d)\?pf(d),u*\?∞(4)同時(shí)指出:產(chǎn)生沙塵的機(jī)制除了躍移沙粒的轟擊以外還應(yīng)包括:空氣拖曳力夾卷和集合粒子的分裂。因此,將沙塵通量表達(dá)為3部分之和的形式F=Fa+Fb+Fc(5)F=Fa+Fb+Fc(5)式中:Fa,Fb,Fc分別為空氣應(yīng)力夾卷、沙粒轟擊和集合粒子分裂所產(chǎn)生的沙塵通量?；谶@種認(rèn)識(shí),Shao給出了由粒徑為ds的沙粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粒徑為di的沙塵通量的表達(dá)式:f(i,j)=cy[(1?γ)+γpm(dj)pf(dj)]Qs(i)gu2?(1+σm)(6)f(i,j)=cy[(1-γ)+γpm(dj)pf(dj)]Qs(i)gu*2(1+σm)(6)式中:cy為比例系數(shù),cy越大表示轟擊產(chǎn)生的土壤粒子能最終揚(yáng)起的比例越大,Qs為粒徑為ds沙粒的水平通量。γ為一權(quán)重使得p(d)=γpm(d)+(1?γ)pf(d)(7)γ=exp[?(u??u*t)3](8)p(d)=γpm(d)+(1-γ)pf(d)(7)γ=exp[-(u*-u*t)3](8)變量σm可以理解為有效轟擊率。根據(jù)Lu等可表達(dá)為:σm=12u2?ρsp(1+14u?ρsp??√)(9)σm=12u*2ρsp(1+14u*ρsp)(9)圖2給出了不同土壤類(lèi)型下不同cy的取值對(duì)沙塵通量F的影響?？梢钥闯鰧?duì)于計(jì)算的4種土壤類(lèi)型,不同的cy的取值直接影響了垂直沙通量,(6)式中垂直沙通量的值與cy呈線(xiàn)性正比關(guān)系,同時(shí)cy也是表示轟擊產(chǎn)生的土壤粒子能最終揚(yáng)起的比例系數(shù),因此,cy取值越大,垂直沙通量也就越大。2模型區(qū)域的選擇及模型驗(yàn)證基于WRF/Chem沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要包括WRF/Chem以及Kang耦合的5個(gè)起沙方案兩部分,其中的天氣模式是新版本的WRF中尺度天氣預(yù)報(bào)模式(WRFV3.0),WRF模式移植性強(qiáng)、易維護(hù)、效率高等特性,并集合了先進(jìn)的數(shù)值方法、改進(jìn)的物理過(guò)程以及資料同化技術(shù),作為新一代的天氣預(yù)報(bào)模式被人們廣泛的應(yīng)用。采用基于WRF/Chem沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)中Shao的起沙方案,選取2007年春季發(fā)生在中國(guó)北方地區(qū)的一次沙塵(暴)天氣過(guò)程,并將模擬結(jié)果與地面測(cè)站的觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較,給出起沙參數(shù)cy和P取值對(duì)沙塵暴預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。模式區(qū)域的中心取在(35°N,105°E),模式的水平分辨率為30km,緯向共有200個(gè)格點(diǎn),經(jīng)向有150個(gè)格點(diǎn),垂直方向分為27層。模擬的范圍主要包括蒙古國(guó)、內(nèi)蒙古以及華北和東北地區(qū)。氣象模式的初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)均采用1°×1°分辨率的NCEP再分析數(shù)據(jù),模式模擬過(guò)程每6h更新一次側(cè)邊界場(chǎng),2007年3月26日00時(shí)模式開(kāi)始積分,到28日12時(shí)結(jié)束,選取的沙塵天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間為3月27日\(chéng)_3月28日。2.1冷鋒后關(guān)于砂區(qū)的地面天氣形勢(shì)分析2007年3月27-28日,內(nèi)蒙古西部、甘肅河西地區(qū)和東部、寧夏大部、陜西北部、山西西南部等地的部分地區(qū)出現(xiàn)了揚(yáng)沙。其中內(nèi)蒙古西部的部分地區(qū)以及甘肅河西地區(qū)、寧夏東部、陜西西北部的局部出現(xiàn)了沙塵暴或強(qiáng)沙塵暴,沙塵天氣過(guò)程為冷鋒過(guò)境造成的沙塵暴,部分地區(qū)的風(fēng)力達(dá)到7級(jí),最小能見(jiàn)度為0.3km。據(jù)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心監(jiān)測(cè),27日下午17時(shí)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)到內(nèi)蒙古西部地區(qū)和甘肅中部出現(xiàn)了沙塵天氣,影響面積約為5萬(wàn)km2,夜間空中浮塵范圍向東擴(kuò)展,3月28日早晨的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)圖像顯示,甘肅中南部、寧夏大部、陜西中北部出現(xiàn)了大范圍塵霾覆蓋區(qū)。圖3通過(guò)對(duì)NCEP資料的再分析,給出了此次沙塵天氣系統(tǒng)的演變過(guò)程。從850hPa高度場(chǎng)可以看出,27日08時(shí)低壓中心位于(42°N,100°E),鋒區(qū)位于甘肅的中北部、內(nèi)蒙古西部地區(qū),受地面天氣圖上河套地區(qū)冷鋒影響,上述地區(qū)產(chǎn)生沙塵天氣,對(duì)應(yīng)上圖的沙塵區(qū)域。到28日500hPa的氣旋中心消散,有鋒消的過(guò)程,系統(tǒng)減弱,預(yù)示著本次的沙塵天氣過(guò)程的結(jié)束。2.2粉沙和黏土土壤類(lèi)型的變化通常土壤粒徑可以粗略的分為4種類(lèi)型:沙礫(2000μm<d<2m)、沙子(63<d<2000μm)、粉沙(4<d<63μm)和黏土(d<4μm),土壤性質(zhì)可以通過(guò)其粒徑分布的不同加以區(qū)分,美國(guó)農(nóng)業(yè)部根據(jù)沙子、粉沙和黏土的百分?jǐn)?shù)將土壤分為12類(lèi),WRF-Chem中提供了16種土壤類(lèi)型1,模擬時(shí)采用Shao等根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部的土壤類(lèi)型給出的新的12種土壤類(lèi)型,如表2所示。根據(jù)表2的土壤類(lèi)型給出了中國(guó)及周邊地區(qū)土壤類(lèi)型分布(圖4)。3對(duì)于預(yù)報(bào)結(jié)果的誤差模式中黏土項(xiàng)包含了3,4,5,7,8五種土壤類(lèi)型,因此,黏土項(xiàng)參數(shù)的不確定性會(huì)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果造成較大誤差,同時(shí),根據(jù)表1所給出的土壤塑性壓力值,對(duì)于黏土的不確定性更大,其取值從500~50000Pa。因此,我們首選粉沙黏土項(xiàng)(黏土)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),調(diào)整p和cy對(duì)此次沙塵天氣進(jìn)行模擬。3.1不同黏土項(xiàng)黏土的cy和p值對(duì)模擬結(jié)果的影響3.2不同ph值對(duì)全覆蓋面沙門(mén)氏菌群的影響4地表土壤條件對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響通過(guò)對(duì)比分析不同參數(shù)化方案,通過(guò)敏感性試驗(yàn)并與觀(guān)測(cè)值對(duì)比,發(fā)現(xiàn)因子cy和土壤塑性壓力p確為地表起沙通量模擬的敏感因子。p的取值越大,表明沙粒的轟擊產(chǎn)生的土壤粒子體積越小,因此,沙塵通量越小,cy越大,表示轟擊產(chǎn)生的土壤粒子能最終揚(yáng)起的比例越大,沙塵通量越大。通過(guò)對(duì)2007年3月27\_28日發(fā)生在我國(guó)西北地區(qū)沙塵天氣的模擬以及與測(cè)站結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn):當(dāng)p的取值為5000Pa,cy取為1×10-5時(shí)可以獲得與民勤測(cè)站符合的預(yù)報(bào)結(jié)果。隨著p的增大,預(yù)報(bào)的沙塵最大值減小,同時(shí)模擬發(fā)生沙塵天氣的范圍略微減小,這是因?yàn)殡S著p值的增大,土壤的塑性壓力增大,土壤緊密度增加,導(dǎo)致地表轟擊作用產(chǎn)生的沙塵粒子減少;隨著cy的增大,模擬PM10的濃度值增大,但模擬的沙塵分布范圍卻沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。這表明地表土壤類(lèi)型和狀況對(duì)起沙有決定性的作用。此外,對(duì)比比例系數(shù)cy和土壤塑性壓力p對(duì)模擬結(jié)果的不確定性得出:土壤塑性壓力p的不確定性更大,對(duì)模擬結(jié)果的影響表現(xiàn)在模擬濃度的準(zhǔn)確性,以及模擬中心濃度的位置上,這也更加說(shuō)明了土壤類(lèi)型和狀況在模擬過(guò)程中的重要作用。完整的沙塵預(yù)測(cè)系統(tǒng)包含地理信息系統(tǒng)、大氣模式、風(fēng)蝕過(guò)程、陸面過(guò)程以及沙塵的傳輸過(guò)程等,他們之間的相互作用是復(fù)雜,影響沙塵天氣過(guò)程預(yù)測(cè)的不確定性也不是單一的,模擬的沙塵濃度與觀(guān)測(cè)的是否一致,依賴(lài)于準(zhǔn)確的地理信息系統(tǒng),還受到摩擦速度、空氣密度、