區(qū)域動(dòng)力粉塵模式模擬我國(guó)一次典型的粉塵天氣過程

區(qū)域動(dòng)力粉塵模式模擬我國(guó)一次典型的粉塵天氣過程

第二層氣溶膠是流量損失的主要來(lái)源之一，在地氣生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。通過區(qū)域污染指數(shù)的增加，全球光學(xué)厚度的顯著增加，影響了全球沙子的運(yùn)輸。中國(guó)西北部屬于中亞沙帶的一部分，是中亞沙帶的主要礦區(qū)。也是世界上唯一的汗流量高于中緯度（35.45n）的地區(qū)。由高原向中國(guó)東部、韓國(guó)、日本、美國(guó)夏威夷和西岸的沙帶系統(tǒng)發(fā)送者，對(duì)農(nóng)業(yè)、交通和人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生了重大影響。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)荒漠化天氣的發(fā)生、荒漠化的起源、荒漠化氣候特征、影響沙氣候和沙害進(jìn)行了許多研究。截止目前,對(duì)沙塵源、匯、大氣載荷及其與氣候系統(tǒng)反饋機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍有不足,缺乏沙塵氣溶膠物理和光學(xué)等特性的高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料是一個(gè)重要原因.數(shù)值模式是認(rèn)識(shí)沙塵氣溶膠時(shí)空分布、了解其環(huán)境和氣候效應(yīng)的一種有效工具.Wang等發(fā)展了一個(gè)用于模擬東亞地區(qū)沙塵輸送的數(shù)值模式,Shao等根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)展了具有風(fēng)蝕物理學(xué)基礎(chǔ)的起沙和輸送模式,并且進(jìn)一步將其應(yīng)用于東北亞沙塵天氣的數(shù)值模擬.近期一些研究結(jié)果表明,WRF-Dust模式適用于沙塵及其影響模擬.Zhao等的研究表明WRF-Dust模擬整體上能捕捉北非礦物沙塵的分布及其輻射特性.Bian等利用WRF-Dust成功模擬了我國(guó)2010年3月的一次嚴(yán)重沙塵暴事件.2011年5月初影響上海的連續(xù)4d沙塵過程是較為少見的達(dá)到長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的沙塵事件,形成該過程氣象條件復(fù)雜.本文應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力/沙塵模式(WRF-dust)對(duì)該沙塵的起源及輸送過程進(jìn)行了模擬,通過與觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析評(píng)估了模式對(duì)風(fēng)場(chǎng)、沙塵發(fā)生發(fā)展過程、重點(diǎn)城市地面顆粒物濃度的模擬能力,最后分析了模擬的偏差及其原因,探討了提高模式能力的可能途徑.本研究有助于加深對(duì)影響長(zhǎng)江三角洲地區(qū)沙塵的源地和輸送過程的科學(xué)理解,為沙塵的主觀和客觀預(yù)報(bào)提供借鑒,并為改進(jìn)沙塵模式的能力提供參考.1大環(huán)境沙門氏原螯蝦5月2日受高空槽東移南下以及蒙古氣旋影響,從2011年4月28日傍晚開始,蒙古氣旋后部的偏北大風(fēng)造成蒙古國(guó)中部、甘肅、寧夏、陜西中北部、山西、內(nèi)蒙古中西部等地相繼出現(xiàn)大范圍沙塵暴或揚(yáng)沙(圖1a).伴隨蒙古氣旋繼續(xù)向東發(fā)展,30日14:00,蒙古氣旋移至內(nèi)蒙古與吉林交界處,大風(fēng)造成北京、天津及內(nèi)蒙古中東部的沙塵暴及揚(yáng)沙(圖1b).5月1日14:00,沙塵向東南擴(kuò)展(圖1c),影響朝鮮半島、黃海、東海及華東大部.1日早晨開始上?？諝庵械念w粒物濃度急劇上升,截止中午11:00,全市平均空氣污染指數(shù)(API)已達(dá)到365.1日白天,弱高壓東移入海,上海主導(dǎo)風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為東到東南風(fēng),衛(wèi)星遙感(圖2)及地面觀測(cè)資料都表明,東海、黃海及朝鮮半島存在大范圍沙塵區(qū).5月1日20:00起,上海850hPa以下轉(zhuǎn)為東北到東風(fēng),上海鄰近的長(zhǎng)三角地區(qū)也有相似的風(fēng)向轉(zhuǎn)變.5月2日早晨開始,上海東北部海洋上空的沙塵在偏東氣流的作用下對(duì)上海有回流輸送,這種回流輸送一直持續(xù)至5月3日20:00.因此,本文中將5月2日02:00(含)之前的沙塵稱為直接影響,將其之后稱為回流影響.2基于wrf-dust的二次起沙機(jī)制WRF由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)、美國(guó)國(guó)家海洋大氣局(NOAA)等單位共同開發(fā),包括多個(gè)動(dòng)力核、3維變分同化系統(tǒng).WRF-Chem是一個(gè)以WRF為框架構(gòu)建的在線(online)區(qū)域化學(xué)/傳輸模式,它的化學(xué)和氣象同步計(jì)算,避免了離線模式由于對(duì)氣象場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間插值而帶來(lái)的化學(xué)場(chǎng)計(jì)算偏差.WRF-Dust模式是在WRF-Chem框架下,通過引入GOCART(GeorgiaTech/GoddardGlobalOzoneChemistryAerosolRadiationandTransport)模式構(gòu)建了的.它對(duì)沙塵進(jìn)行分檔計(jì)算,將沙塵粒子按有效半徑分為0.73,1.4,2.4,4.5,8μm5擋.每檔粒子的起沙通量為:其中:C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),這里使用0.8μg·s2/m5;αp為土壤粒子在p擋的比例;Er為土壤侵蝕因子;Vs為地表風(fēng)速(10m風(fēng)速);Vt為風(fēng)蝕最低風(fēng)速,由粒子尺度、密度和土壤濕度決定.根據(jù)WRF-Dust的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和在上海的模擬試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)WRF-Dust進(jìn)行了改進(jìn),微調(diào)了沙塵粒子的比例并增加二次起沙機(jī)制.第二擋比例上調(diào)5%,同時(shí)第五擋比例下調(diào)5%.根據(jù)Bian等的研究和個(gè)例試驗(yàn)結(jié)果,確定了二次起沙方案:1)當(dāng)近地層沙塵濃度超過400μg/m3時(shí),可能發(fā)生二次起沙;2)除林地、草地和水面外,其他地表類型可能發(fā)生起沙;3)是否發(fā)生二次起沙由近地面風(fēng)速?zèng)Q定,當(dāng)Vs>Vt時(shí)發(fā)生二次起沙.結(jié)合沙漠和戈壁的分布和上海地理位置,設(shè)置了以(40°N,100°E)為中心、300×300網(wǎng)格、水平分辨率24km的模擬框架,模擬區(qū)域超過我國(guó)全境.采用NCEPFNL再分析資料作為模擬的氣象初始條件和邊界條件,該資料分辨率為1°×1°、垂直26層(1000至10hPa)、時(shí)間間隔為6h.模擬時(shí)主要物理和化學(xué)設(shè)置見表1.模擬時(shí)段為4月26日20:00至5月3日20:00,時(shí)間步長(zhǎng)是2min.由于此次沙塵過程經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng),模擬時(shí)分為兩段,29日20:00重新啟動(dòng),使用前一段的模擬結(jié)果作為新一段模擬的沙塵初始場(chǎng)..盡管存在一定的缺陷,即當(dāng)日平均濃度超過600μg/m3時(shí)API將無(wú)法正確反映,但以往研究表明,API仍然能夠作為反映沙塵過程的重要指標(biāo).本文中,由API計(jì)算得到的PM10濃度記為EPM10,浦東站觀測(cè)的PM10日平均值記為SPM10.3結(jié)果與討論3.1地面風(fēng)場(chǎng)模擬整體而言,模式較好地模擬了此次沙塵過程的整體風(fēng)場(chǎng)特征,模擬的高低壓環(huán)流、風(fēng)向與觀測(cè)均比較接近,但局部區(qū)域風(fēng)速有較明顯的偏小.沙塵影響上海前24h(4月30日08:00,圖3a、b),模擬的風(fēng)場(chǎng)分布與觀測(cè)比較一致,準(zhǔn)確模擬了內(nèi)蒙古東部的低壓環(huán)流以及山東半島-安徽北部-湖北-四川的輻合帶,但對(duì)蒙古國(guó)中部至內(nèi)蒙古中部的偏北風(fēng)風(fēng)速模擬明顯偏弱,從而可能造成30日內(nèi)蒙古中東部及華北北部地區(qū)的起沙量比實(shí)況偏小.對(duì)于5月2日沙塵回流過程的風(fēng)場(chǎng)模擬,20:00地面風(fēng)場(chǎng)與實(shí)況整體較為一致(圖3c、圖3d),但是上海以東海面區(qū)域有較明顯的偏差,模擬的上海以東海面的高壓環(huán)流較實(shí)況偏西、偏南;模擬的風(fēng)場(chǎng)顯示上海受偏東氣流控制,而實(shí)況上海為東南風(fēng),二者的風(fēng)向略有差異,且模擬的風(fēng)速偏小(模式2m/s,實(shí)況4m/s),輸送偏弱,也是造成模式未能模擬沙塵回流過程的原因之一.3.2模式與模擬結(jié)果的比較模擬區(qū)域約有1200個(gè)常規(guī)氣象觀測(cè)站,其觀測(cè)資料能較好地反映沙塵天氣影響區(qū)域的空間分布和時(shí)間演變,可用于定性評(píng)估模式的模擬能力.整體上,模式對(duì)此次沙塵的演變過程模擬在4月30日及其以前與實(shí)況較為一致.圖4顯示了5月1~2日實(shí)況地面天氣現(xiàn)象(橢圓形區(qū)域內(nèi)為主要低能見度區(qū),包括沙塵、浮塵和霾,對(duì)應(yīng)符號(hào)分別為“S→”,“S”和“∞”)和模擬的地面沙塵PM10濃度分布.對(duì)比5月1日08:00沙塵實(shí)況與模擬結(jié)果(圖4a、圖4b),模擬的沙塵移動(dòng)偏快,模式對(duì)北京、天津及遼寧地區(qū)的浮塵未能模擬或模擬值偏小,其原因可能為模式對(duì)于蒙古氣旋后部偏北風(fēng)風(fēng)速模擬偏小,從而造成內(nèi)蒙中東部及華北北部起沙量偏少.5月1日20:00(圖4c、d),模擬的地面PM10大值區(qū)已經(jīng)整體移至長(zhǎng)江流域至朝鮮半島南部到日本南部,地面觀測(cè)的天氣現(xiàn)象在相應(yīng)地區(qū)為浮塵或霾,但朝鮮半島中北部的浮塵天氣模式未能模擬,原因可能為模式模擬30日內(nèi)蒙古中東部及華北北部起沙量偏小,并且在輸送過程中沉降較快.而對(duì)陜西甘肅等西北地區(qū)的沙塵出現(xiàn)了過高模擬,原因在于模式對(duì)該地區(qū)的天氣系統(tǒng)模擬存在偏差(實(shí)況有降水).5月2日20:00(圖4e、圖4f),模式未能模擬華東地區(qū)-朝鮮半島-日本南部一帶的浮塵天氣,因此不能形成對(duì)長(zhǎng)三角沿海地區(qū)的沙塵回流,而對(duì)華中地區(qū)的地面PM10濃度存在過高模擬.整體上,模式成功地模擬了這次沙塵天氣的前期過程(4月29日20:00至5月2日02:00),模擬的沙塵PM10濃度分布范圍與觀測(cè)的低能見度天氣范圍一致.結(jié)合模擬的地面風(fēng)場(chǎng)(圖3),4月30日在蒙古國(guó)與內(nèi)蒙古東部形成了氣旋環(huán)流.模擬低壓中心與實(shí)況一致,風(fēng)速大值區(qū)也與模擬的高沙塵濃度的位置、范圍一致.可見,WRF-Dust模式具有模擬此次沙塵天氣及描述天氣系統(tǒng)演變過程的能力.但由于對(duì)蒙古氣旋后部的偏北大風(fēng)風(fēng)速模擬偏小(28~30日,蒙古國(guó)中西部、內(nèi)蒙古中西部、河套地區(qū)及華北北部地區(qū)),可能造成相應(yīng)區(qū)域起沙量偏小,尤其是對(duì)30日內(nèi)蒙古中東部及華北北部起沙量的模擬明顯偏小,從而造成5月1~2日朝鮮半島及東海上空沙塵含量明顯偏低,東風(fēng)時(shí)的沙塵回流輸送不明顯,造成2~3日長(zhǎng)三角沿海地區(qū)及以東海上沙塵天氣未能準(zhǔn)確模擬,該地區(qū)的模式沙塵濃度明顯偏低.3.3模式比較分析為進(jìn)一步分析模式對(duì)沙塵輸送過程的模擬能力,選擇了西寧、蘭州、上海等8個(gè)受沙塵過程影響較大的城市進(jìn)行了模擬和觀測(cè)的PM10日平均濃度對(duì)比分析.由圖5(a)可知,模式在西寧和蘭州,模式模擬效果相對(duì)較差,在28~29日均低估了PM10的日平均濃度,可能是地表風(fēng)速模擬偏小引起的起沙量偏小所致,30日蘭州模擬值與EPM10較為接近.模式在呼和浩特和太原(圖5b),較準(zhǔn)確地反映了沙塵過程前后PM10濃度的逐日變化趨勢(shì),捕捉到了4月28~30日PM10濃度的上升趨勢(shì),但是模式模擬的濃度峰值有1d的滯后,特別是29日,模式低估了PM10的濃度,這也印證了模擬的該地區(qū)附近的地表風(fēng)速偏小,低估了沙塵的產(chǎn)生.模式對(duì)連云港(圖5c)4月30日和5月1日的PM10日均濃度模擬值偏高,而對(duì)5月2~3日回流過程模擬值偏低.模式較合理地模擬了位于長(zhǎng)江下游的鎮(zhèn)江、寧波(圖5c、圖5d)等城市PM10濃度的逐日變化,捕捉到了5月1~2日這兩個(gè)城市的沙塵過程,仍然存在對(duì)5月1日的過高模擬和5月2日的過低模擬.從圖5(d)可見,模式在上海地區(qū)對(duì)于5月1日的PM10濃度模擬合理的反映了沙塵氣溶膠到來(lái)前后PM10濃度的逐日變化情況,捕捉到5月1日的浮塵天氣過程.而對(duì)于5月2~3日沙塵回流過程的影響未能準(zhǔn)確模擬.綜合上述城市的對(duì)比分析結(jié)果,模式能較好地反映沙塵的移動(dòng)和影響過程.但沒有能夠很好地反映出長(zhǎng)江三角洲城市2~3日受到的沙塵回流過程的影響.其原因主要在于兩個(gè)方面,一是模式低估了30日內(nèi)蒙古中東部及華北北部地區(qū)的起沙量,造成其后續(xù)影響地區(qū)的沙塵濃度較觀測(cè)明顯偏低;二是沙塵回流區(qū)的風(fēng)場(chǎng)存在一定的偏差,造成沙塵回流的影響區(qū)域也存在一定的偏移.3.4到達(dá)極限時(shí)段的時(shí)間由圖6(a)可見,浦東站顆粒物濃度在5月1日11:00開始上升,至當(dāng)日20:00達(dá)最大濃度550μg/m3,5月2日02:00顆粒物濃度降低到100μg/m3以下,沙塵影響基本結(jié)束.與浦東站觀測(cè)結(jié)果(圖6b)相比,模式模擬的上海地區(qū)顆粒物濃度上升時(shí)間與實(shí)況觀測(cè)一致,5月1~2日濃度峰值接近,到達(dá)峰值時(shí)刻也較一致;5月2日顆粒物濃度下降階段模式模擬與實(shí)況接近一致,模式對(duì)直接影響(5月1日11:00至5月2日02:00)上海的沙塵天氣過程模擬較好,能夠在時(shí)間及濃度值上較好刻畫.直接影響階段浦東站PM10觀測(cè)與模擬值平均值分別為318.4,306.4μg/m3.表明模式對(duì)此次沙塵過程直接影響上海階段的模擬能力非常好.然而,對(duì)于5月2~3日的顆粒物濃度較高過程(回流影響),模式未能準(zhǔn)確模擬.與此同時(shí),從觀測(cè)結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)在沙塵到達(dá)上海之前也有一定的顆粒物濃度,而且PM2.5和PM10濃度值較為接近,說(shuō)明其它過程也形成了一定量的顆粒物,而且沙塵影響期間PM2.5仍然保持較高的濃度,由此可以推斷沙塵影響期間可能也存在一定的非沙塵顆粒物.根據(jù)前面的分析,模式對(duì)沙塵過程后期的模擬略偏快,且模擬的回流風(fēng)速偏低,風(fēng)向也有所差異,從而造成回流前沙塵區(qū)域略偏東;另外,模式?jīng)]有模擬出4月30日內(nèi)蒙古中東部及華北北部地區(qū)的沙塵過程,從而缺少該部分沙塵的回流作用.這也說(shuō)明模式對(duì)沙塵的模擬能力還有待于進(jìn)一步提升.3.5朝鮮半島及東海上沙門含量前述分析表明,盡管WRF-Dust模式比較準(zhǔn)確地模擬了此次沙塵過程的形成和輸送的整體特征,并對(duì)上海的直接影響階段的沙塵濃度和影響時(shí)間模擬的比較準(zhǔn)確,但模擬的風(fēng)場(chǎng)和地面PM10濃度仍存在一定的偏差,并且在某些區(qū)域和某些時(shí)段表現(xiàn)得尤為突出.以上海為例,回流造成的5月2~3日的沙塵影響模式未能模擬.綜合起來(lái),對(duì)此次沙塵過程模擬的主要偏差有以下兩點(diǎn):一是8日20:00至30日20:00,模式模擬的蒙古氣旋后部(蒙古國(guó)中西部、內(nèi)蒙古中西部、河套及華北北部地區(qū))的偏北風(fēng)風(fēng)速均比實(shí)況明顯偏小,風(fēng)向上也略有偏差(模擬結(jié)果偏北向).因而造成相應(yīng)地區(qū)和時(shí)段的起沙量偏小,向南輸送偏強(qiáng)而向東的輸送偏弱,引起5月1日上午北京、天津及遼寧一帶的沙塵量偏小,進(jìn)而使得未能模擬出朝鮮半島中北部1日下午的浮塵天氣,造成5月1~2日朝鮮半島及東海上空沙塵含量明顯偏低;同時(shí),由于向南的輸送偏強(qiáng),造成5月1日華中及華東部分地區(qū)的地面沙塵濃度存在過高模擬.二是底層回流過程模擬的偏差.模擬的上海以東海面的高壓位置偏西南,造成模擬的風(fēng)向(偏東風(fēng))較實(shí)況(東南風(fēng))偏東向,風(fēng)速也偏低.因而使得2~3日沙塵的東風(fēng)回流輸送作用減弱,沙塵影響區(qū)域也有一定的偏移,同時(shí)由于模擬的東海上空沙塵量偏少,造成長(zhǎng)三角地區(qū)沿海城市2~3日沙塵濃度明顯偏低,回流的沙塵天氣未能準(zhǔn)確模擬.此外,對(duì)天氣現(xiàn)象的模擬也有一定的偏差,如模式未能模擬出5月1日陜西、甘肅等地區(qū)的降水,未能反映出雨水對(duì)沙塵的清除作用,造成上述地區(qū)沙塵出現(xiàn)了過高模擬.上述偏差的存在也表明了影響模式模擬準(zhǔn)確性的幾個(gè)方面原因:1)模式起沙機(jī)制方面(影響沙塵的產(chǎn)生的參數(shù)),從起沙方程可知,下墊面參數(shù)(土地類型、土壤濕度和土壤的粒子譜)和不同下墊面類型的侵蝕因子都會(huì)引起起沙量的變化,因此需要獲取準(zhǔn)確的沙源地的實(shí)時(shí)特性(如土壤濕度),這一點(diǎn)目前非常困難.2)提高模式氣象場(chǎng)的準(zhǔn)確性,氣象條件不僅通過地表風(fēng)速影響起沙量、源地沙塵的抬升,而且影響沙塵的輸送過程.沙塵的輸送過程決定了沙塵的影響區(qū)域和影響時(shí)間,也在一定程度上決定其嚴(yán)重性.提高氣象場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性可以通過提高模式分辨率、改進(jìn)模式的物理過程等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn),在預(yù)報(bào)中還經(jīng)常使用氣象觀測(cè)資料同化的方法.3)沙塵同化方面,即利用地面顆粒物監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)改進(jìn)模式系統(tǒng)的沙塵要素初始場(chǎng),矯正模式前期模擬偏差,以達(dá)到改進(jìn)模擬準(zhǔn)確性的目的.趙建華等的個(gè)例模擬試驗(yàn)結(jié)果表明同化可以在一定程度上提高沙塵模式對(duì)沙塵天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性.為評(píng)估模式分辨率的影響,設(shè)計(jì)了12km分辨率試驗(yàn),覆蓋區(qū)域與24km分辨率相當(dāng),其他設(shè)置保持不變.試驗(yàn)結(jié)果表明,提高模式分辨率對(duì)風(fēng)場(chǎng)具有較明顯的改進(jìn).與原模擬結(jié)果(圖3和圖4)相比,較高分辨率對(duì)30日08:00的蒙古國(guó)中南部、內(nèi)蒙古中西部、河套及華北北部地區(qū)(圖7a)及2日20:00(圖7b)長(zhǎng)江三角洲沿海地區(qū)近地面風(fēng)場(chǎng)的模擬都有更高的準(zhǔn)確性,上述區(qū)域的風(fēng)向和風(fēng)速都更接近于實(shí)況.風(fēng)場(chǎng)的改進(jìn),使沙塵的起沙和輸送過程更為準(zhǔn)確,使得上海地區(qū)的顆粒物濃度變化也與實(shí)況更為接近(圖8).當(dāng)然,提高分辨率也有其局限性,12km分辨率的結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)(圖6b)相比仍