蒙古氣旋暴風(fēng)雨中粉塵傳輸?shù)臄?shù)值模擬分析

蒙古氣旋暴風(fēng)雨中粉塵傳輸?shù)臄?shù)值模擬分析

沙漠是形成于沙漠源區(qū)域的人為氣候變化過程。隨著時(shí)間系統(tǒng)的移動(dòng)，沙子的天氣可以擴(kuò)展到下游地區(qū)，或在上升的沙子到達(dá)自由大氣后，隨著強(qiáng)大的高壓上升到下游地區(qū)，沙的影響區(qū)域和影響區(qū)域顯著擴(kuò)大。因此,沙塵傳輸問題是人們了解沙塵暴、研究沙塵暴危害必須把握的重要問題。近些年,隨著人們對(duì)于環(huán)境問題關(guān)注度的提高,研究者也針對(duì)沙塵傳輸問題開展了研究。韓永翔等利用我國(guó)近40a沙塵暴歷史資料研究了我國(guó)的沙塵暴分布及遠(yuǎn)距離傳輸特征。張志剛等利用沙塵暴歷史資料研究了影響北京地區(qū)沙塵暴的沙塵源及沙塵傳輸規(guī)律。蒙古國(guó)和我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)是影響我國(guó)沙塵暴天氣的一個(gè)重要的沙塵源地,形成于這一地區(qū)的沙塵暴天氣過程往往能夠?qū)ξ覈?guó)北方及東部地區(qū)產(chǎn)生較大的影響。而蒙古氣旋是導(dǎo)致該地區(qū)沙塵暴天氣過程的重要天氣系統(tǒng),特別是20世紀(jì)末以來,蒙古氣旋導(dǎo)致的沙塵暴天氣過程明顯增多,根據(jù)張小曳等對(duì)2006年影響我國(guó)的沙塵天氣過程的統(tǒng)計(jì),在17次形成于蒙古國(guó)和我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)的系統(tǒng)性沙塵暴天氣過程中,有16次都是由蒙古氣旋引發(fā)的。而針對(duì)蒙古氣旋沙塵暴過程傳輸問題的研究目前還不是很多,筆者等通過對(duì)蒙古氣旋沙塵暴過程的研究發(fā)現(xiàn),在沙塵向南傳輸過程中,至少形成兩個(gè)優(yōu)勢(shì)傳輸帶,分別位于行星邊界層中和700hPa附近。但針對(duì)蒙古氣旋沙塵暴過程的傳輸方向、強(qiáng)度特點(diǎn)的有關(guān)研究還不夠系統(tǒng)。因此,筆者將針對(duì)影響我國(guó)北方的一次蒙古氣旋強(qiáng)沙塵暴過程,研究沙塵傳輸?shù)母叨?、?qiáng)度、方向等特點(diǎn),以期初步揭示蒙古氣旋沙塵暴過程中的一些基本沙塵傳輸規(guī)律。1蒙古氣旋東移及風(fēng)坡下風(fēng)坡的形成天氣過程為2002年3月18—22日蒙古氣旋型強(qiáng)沙塵暴過程。影響地區(qū)包括西北、華北、東北及山東、河南、湖南、湖北及四川省部分地區(qū)。本次過程中,蒙古氣旋于19日08時(shí)在蒙古東部薩彥嶺山地背風(fēng)坡形成,同時(shí)揚(yáng)沙和沙塵暴開始出現(xiàn)在該地區(qū)。19日20時(shí),蒙古氣旋加強(qiáng)并略有東移,沙塵暴開始擴(kuò)展至我國(guó)內(nèi)蒙古西部及西北地區(qū)。20日,蒙古氣旋繼續(xù)東移并迅速增強(qiáng),氣旋冷鋒掃過我國(guó)北方大部地區(qū),并引發(fā)大范圍強(qiáng)烈沙塵天氣。21日,氣旋東移加快,沙塵暴區(qū)也推進(jìn)至東北地區(qū)。之后,氣旋逐漸減弱,沙塵暴也隨之逐漸結(jié)束。為了揭示蒙古氣旋過程中沙塵傳輸?shù)膹?qiáng)度和演變特點(diǎn),采用了高時(shí)空分辨率的數(shù)值模擬輸出結(jié)果,模式為程叢蘭等開發(fā)的沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式,其中,天氣模式為中尺度模式MM5V3,與之耦合的沙塵模塊包含起沙、傳輸、沉降等動(dòng)力過程,該模式目前在北京城市氣象研究所開展業(yè)務(wù)化運(yùn)行。2結(jié)果分析2.1內(nèi)蒙古西部地區(qū)模式對(duì)本次過程進(jìn)行了較成功的模擬,這在文獻(xiàn)中有著較詳細(xì)的描述,在此不在贅述。由于42°N大約為蒙古國(guó)和我國(guó)內(nèi)蒙古的交界區(qū),為了分析沙塵傳輸特點(diǎn)隨緯度的變化,設(shè)計(jì)了地面起沙敏感試驗(yàn)。圖1A為控制試驗(yàn)地面起沙系數(shù),整個(gè)蒙古國(guó)、我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)均能夠起沙;圖1B則去掉我國(guó)境內(nèi)內(nèi)蒙古及其以西寧夏、陜西等地的地面起沙。圖2(見圖版Ⅲ)分別給出了地面起沙敏感試驗(yàn)和兩試驗(yàn)差值地面沙塵濃度的演變,其中,地面起沙敏感試驗(yàn)主要反映了薩彥嶺山地及蒙古地區(qū)的起沙的傳輸情況(青藏高原一帶的起沙的傳輸相對(duì)孤立);而兩試驗(yàn)差值則反映了內(nèi)蒙古西部等地起沙的傳輸情況。從圖中可以看到,19日20時(shí)(圖2A)沙塵區(qū)局限在薩彥嶺山地及蒙古地區(qū),而圖2B則局限在內(nèi)蒙古中西部及以南地區(qū),沙塵區(qū)與沙塵源區(qū)吻合,表明該階段處于沙塵暴形成階段。20日08時(shí),可以看到(圖2C)沙塵主體向東擴(kuò)展,到達(dá)內(nèi)蒙古中東部偏南地區(qū),而向南的分支明顯較弱。而圖2D中,沙塵區(qū)明顯分為強(qiáng)度相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)分支,向東的分支同樣到達(dá)內(nèi)蒙古中東部偏南地區(qū),而向南的分支明顯強(qiáng)于圖2C,并到達(dá)青藏高原東北側(cè)至黃土高原一帶,表明源于內(nèi)蒙古西部地區(qū)的起沙向南的傳輸明顯增強(qiáng)。至20日20時(shí),可以看到(圖2E)源于薩彥嶺山地和蒙古地區(qū)的起沙減弱明顯,且仍然局限在40°N以北內(nèi)蒙古中東部偏南地區(qū)一帶;而圖2F中,沙塵區(qū)主體產(chǎn)生更明顯的向南擴(kuò)展,到達(dá)華北大部地區(qū),沙塵區(qū)前沿更是到達(dá)了長(zhǎng)江以北地區(qū)?？梢?源于內(nèi)蒙古西部地區(qū)的起沙能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的向南的擴(kuò)展,而源于薩彥嶺山地、蒙古地區(qū)的起沙則局限在40°N以北地區(qū)。之后的沙塵傳輸延續(xù)了這一特征(圖略),至21日20時(shí),源于薩彥嶺山地、蒙古地區(qū)的起沙仍然局限在40°N以北地區(qū)并逐漸減弱,而源于內(nèi)蒙古西部地區(qū)的起沙在減弱的同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展至四川等地。以上分析了地面沙塵濃度的演變特點(diǎn),為了分析不同高度的沙塵傳輸情況,圖3(見圖版Ⅳ)類似于圖2給出了700hPa的沙塵傳輸情況?？梢钥吹?與地面類似,在19日20時(shí)(圖3A),薩彥嶺、蒙古等地起沙沿42°N向東傳輸,而圖3B中內(nèi)蒙古西部起沙其中一支向東傳輸,另外明顯出現(xiàn)向南方向的分支。到20日20時(shí)(圖3C,D),沙塵區(qū)明顯減弱,但向東的傳輸距離明顯增大,已經(jīng)輸送至東北地區(qū)。比較圖2和圖3,可以看到不論是薩彥嶺、蒙古等地起沙還是內(nèi)蒙古地區(qū)起沙,700hPa沙塵向東的傳輸強(qiáng)度(圖3)均明顯強(qiáng)于地面,特別是在20日02時(shí)?？梢?700hPa沙塵向南的傳輸明顯減弱,而向東的傳輸明顯增強(qiáng),傳輸?shù)木嚯x明顯增大。為了進(jìn)一步分析沙塵傳輸在不同高度的特點(diǎn),圖4(見圖版Ⅴ)類似圖2、圖3給出了沿43°N和113°E的緯向和經(jīng)向剖面圖。首先,對(duì)比圖4A,B緯向剖面圖可以看到,源于蒙古國(guó)的沙塵主體在19日20時(shí)出現(xiàn)在108°E以西,而源于內(nèi)蒙古西部地區(qū)的沙塵則到達(dá)112°E附近,表明后者向東擴(kuò)展較為明顯。另外,從圖4B可以看到,隨著高度的增加,沙塵區(qū)向東的擴(kuò)展明顯增強(qiáng),在700hPa到達(dá)117°E附近,而圖4A在同樣高度僅僅到達(dá)114°E附近?？梢?源于內(nèi)蒙古地區(qū)的沙塵向東的擴(kuò)展強(qiáng)度明顯強(qiáng)于來自蒙古國(guó)的沙塵,同時(shí),高度越高,向東的擴(kuò)展越強(qiáng)。綜上可見,在蒙古氣旋沙塵暴過程中,沙塵傳輸?shù)姆较?、距離隨緯度、高度的改變表現(xiàn)出明顯的變化,即:緯度越高(越偏北),則沙塵向東的傳輸越強(qiáng),緯度越低(越偏南),則向南(東南)的傳輸越強(qiáng);同時(shí),高度越高,沙塵向東的傳輸越強(qiáng),距離越遠(yuǎn),高度越低,向南(東南)的傳輸越強(qiáng)。2.2蒙古氣旋概況本次過程中蒙古氣旋形成于薩彥嶺山地背風(fēng)坡,形成之后基本上向東移動(dòng),因此,氣旋中心大約在48°N附近(圖5),并沿105°E—125°E一線移動(dòng)。在這種情況下,42°N基本上是蒙古氣旋的底部區(qū)域,42°N以北屬于氣旋區(qū),因此該區(qū)域?qū)α鲗又械蛯訛闅庑叫D(zhuǎn)的氣流,即自西向東逐漸從西北氣流變?yōu)槠鳉饬髦敝廖髂蠚饬?。因此源?2°N以北薩彥嶺山地的起沙必然首先沿山地下坡方向(西北—東南)擴(kuò)展,在大約到達(dá)氣旋底部區(qū)域42°N附近之后,轉(zhuǎn)為向東傳輸,而到達(dá)內(nèi)蒙古中東部之后再轉(zhuǎn)為向東北方向傳輸。而同樣源于42°N以北蒙古地區(qū)的起沙由于其位置偏東,因此其傳輸方向首先是向東傳輸,然后逐漸轉(zhuǎn)為向東北方向傳輸。因此,總的來說薩彥嶺山地和蒙古地區(qū)的起沙都受到氣旋式氣流控制,向東傳輸較強(qiáng)。對(duì)于內(nèi)蒙古西部的起沙,由于其位置基本上在42°N以南,因此受氣旋區(qū)氣旋式氣流控制較弱,同時(shí)隨著緯度降低逐漸脫離氣旋區(qū)控制,因此,該區(qū)域沙塵傳輸方向基本上受到地形影響。需要指出,由于在青藏高原東北側(cè)對(duì)流層中低層存在強(qiáng)大的西北—東南方向的地形強(qiáng)迫繞流(圖5),因此能夠?qū)е?0°N以南的沙塵產(chǎn)生較強(qiáng)的向東南方向傳輸?shù)内厔?shì),從而導(dǎo)致前文內(nèi)蒙古地區(qū)起沙向南傳輸較強(qiáng)的結(jié)果?？梢?蒙古氣旋的位置特點(diǎn)及在青藏高原東北側(cè)的地形強(qiáng)迫導(dǎo)致緯度越高,沙塵向東傳輸越強(qiáng),緯度越低,向南傳輸越強(qiáng)。需要指出,由于蒙古氣旋為薩彥嶺山地背風(fēng)坡氣旋,因此本次過程中氣旋中心的出現(xiàn)位置及移動(dòng)方向具有一定的普遍性。從圖5可以看到,薩彥嶺山地緯度范圍在45°N—52°N,因此,氣旋中心基本上出現(xiàn)在48°N附近,同時(shí),由于受到西風(fēng)氣流的引導(dǎo),其移動(dòng)方向也基本上是自西向東移動(dòng)。而導(dǎo)致上述結(jié)果的根本原因是自然地理因素,因此上述結(jié)論具有較大的普遍性。沙塵傳輸方向隨高度的變化也是由于蒙古氣旋的特點(diǎn)導(dǎo)致的。蒙古氣旋過程中沙塵區(qū)主要出現(xiàn)在氣旋冷鋒區(qū)域。就對(duì)流層低層氣旋冷鋒鋒區(qū)的結(jié)構(gòu)來看,冷空氣嵌入暖空氣的下方:在鋒區(qū)上方,氣流沿鋒面爬升;鋒區(qū)下方,氣流沿鋒面下沉(鋒面正環(huán)流)。而蒙古氣旋冷鋒鋒區(qū)下方沿鋒面下沉的氣流常表現(xiàn)為圖5西北—東南向的特點(diǎn)(鋒后冷空氣爆發(fā)方向)。其形成原因在于:由于薩彥嶺山地的背風(fēng)坡效應(yīng),蒙古氣旋形成初期氣旋中心往往位于45°N—48°N附近,同時(shí)由于薩彥嶺山地對(duì)低層冷空氣的阻塞使其經(jīng)歷從緩慢堆積到劇烈爆發(fā)的過程,這就決定了低層冷空氣的爆發(fā)方向必然是沿著西北—東南方向(從薩彥嶺山地沿西北—東南方向到達(dá)內(nèi)蒙古西部為下坡地形,也加劇了冷空氣爆發(fā)的強(qiáng)度),即氣旋冷鋒為東北—西南走向(圖5),這樣在氣旋冷鋒掃過蒙古南部、內(nèi)蒙古中西部時(shí)必然沿著西北—東南方向。由于這一冷空氣爆發(fā)的特定路徑,以及由于在氣旋冷鋒附近冷空氣嵌入暖空氣下方,因此高度越低,冷空氣范圍越大,沙塵向南(東南)傳輸越強(qiáng)。對(duì)于冷鋒鋒區(qū)上方沿鋒面爬升的氣流而言,在其爬升過程中將遭遇到環(huán)境氣流并逐漸被環(huán)境氣流改變。對(duì)于蒙古氣旋冷鋒而言,這支爬升氣流所遇到的環(huán)境氣流為氣旋區(qū)氣旋式旋轉(zhuǎn)的氣流,因此,這支攜帶沙塵的次天氣尺度爬升氣流將逐漸匯入天氣尺度的氣旋區(qū)氣流中,最終的歸宿是沿著氣旋區(qū)氣流的運(yùn)行方向進(jìn)行傳輸,即逐漸變?yōu)闁|西向直到西南—東北向。由于高度越高,暖空氣范圍越大,因此沙塵傳輸特點(diǎn)必然是高度越高,向東(東北)傳輸越強(qiáng)。以上的分析也可以進(jìn)行如下的簡(jiǎn)單解釋,在氣旋冷鋒所在的區(qū)域?yàn)槊黠@的冷平流,根據(jù)熱成風(fēng)原理,地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向隨高度逆轉(zhuǎn),因此,當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)時(shí),則隨著高度升高逐漸變?yōu)槠黠L(fēng)或西南風(fēng),因此沙塵傳輸方向由向南傳輸變?yōu)橄驏|和東北傳輸。即高度越高,向東和東北傳輸越強(qiáng),反之,向南傳輸越強(qiáng)。那么,什么位置是一個(gè)明顯的分界區(qū)呢?從鋒面的特點(diǎn)來看,由于鋒面為空氣密度的不連續(xù)面,因而客觀上制約了沙塵粒子穿越鋒面的運(yùn)動(dòng),鋒面上、下方氣流只能沿著鋒面進(jìn)行爬升或下沉,因此并沒有明顯的穿過穿越鋒面的氣流,鋒面基本上作為一個(gè)分界區(qū),其上方沙塵傳輸最終轉(zhuǎn)為向東或東北傳輸,而其下方則基本上向南或東南傳輸。3地面起沙傳輸特點(diǎn)本文基于沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式針對(duì)不同區(qū)域地面起沙的敏感性試驗(yàn)結(jié)果,分析并討論了蒙古氣旋沙塵暴過程中沙塵傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及形成原因,結(jié)果表明:1)蒙古氣旋沙塵暴過程的沙塵傳輸特點(diǎn)之一為:沙源區(qū)緯度越高(越偏北),