衛(wèi)星觀測與地理信息系統(tǒng)在粉塵天氣預(yù)報中的應(yīng)用

衛(wèi)星觀測與地理信息系統(tǒng)在粉塵天氣預(yù)報中的應(yīng)用

1從預(yù)報系統(tǒng)到職業(yè)教育的改變在研究沙害天氣方面存在許多困難問題，但最重要的是要理解沙害天氣形成的物理機(jī)制，定量預(yù)測沙害的分布、強(qiáng)度、傳輸和沉降。沙塵天氣的形成是一個復(fù)雜的物理過程,涉及到大氣運動與地表狀況等諸多因素。國內(nèi)外對沙塵天氣,特別是對起沙、輸送與沉降等物理過程的深入分析和數(shù)值模擬都起步較晚,用于沙塵天氣的預(yù)報系統(tǒng)還處于發(fā)展初期。因此,沙塵天氣的預(yù)報在目前是一個有難度的課題。沙塵天氣預(yù)報中的一個突出問題是對沙源,特別是對地表沙塵通量的定量預(yù)報。那么,起沙模式的物理基礎(chǔ)是什么?近年來,陸續(xù)有起沙模式的文章發(fā)表,有些模式形式簡單,但物理含義不清楚,缺乏一般性;而有些模式則過于復(fù)雜,不便于實際運用。為了解決沙塵天氣的預(yù)報問題,我們發(fā)展了以數(shù)值預(yù)報為核心、以衛(wèi)星觀測與地理信息系統(tǒng)為資料背景的沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng),并對2002年春季的沙塵天氣進(jìn)行了預(yù)報。分析表明,該預(yù)報系統(tǒng)有能力預(yù)報沙塵的源地,大氣中的沙塵濃度,沙塵的輸送以及沉降。與地表觀測和衛(wèi)星云圖的比較表明,預(yù)報系統(tǒng)對2002年的多次沙塵天氣的預(yù)報是成功的。本文將扼要地介紹沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng),特別是起沙模式的物理基礎(chǔ),并討論預(yù)報結(jié)果與地面觀測的比較。最后,文章將探討存在的問題和今后的研究方向。2綜合總結(jié)沙帶氣候的系統(tǒng)2.1信息子系統(tǒng)的作用沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng)包括區(qū)域大氣模式、陸面過程模式、風(fēng)沙模式(包括風(fēng)蝕、輸送和沉降模式)和地理信息系統(tǒng)。大氣模式為風(fēng)沙模式提供風(fēng)速、降水等物理場;陸面模式預(yù)報土壤水分、摩擦速度等物理量,也為風(fēng)蝕模式提供其他參數(shù);風(fēng)沙模式主要預(yù)報沙塵的源地、濃度、沉降與傳輸;地理信息系統(tǒng)提供土壤類型、植被覆蓋、植被類型、葉面積指數(shù)等參數(shù),為大氣、陸面與風(fēng)沙模式提供必須的輸入?yún)?shù)。預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2最佳起沙機(jī)制的提出沙塵顆粒大小不一,它們在空氣中的運動與粒徑有關(guān)。Bagnold指出,沙塵在空氣中的運動形式可分為懸浮、跳躍與滾動。這些運動形式取決于顆粒在空氣中所受的力,包括空氣拖曳力和重力。小顆粒在空氣中所受的重力較小,易于懸浮,因而可被大氣環(huán)流遠(yuǎn)距離地輸送。粒徑小于60μm的顆粒常稱為塵,粒徑大于60μm的顆粒常稱為沙。大顆粒在空氣中所受的重力較大,它們的運動多為跳躍或滾動。起沙模式所需解決的問題是預(yù)報沙塵的垂直通量F。F的量綱是ML-2T-1。沙塵粒子在地表所受的力包括空氣拖曳力fa、重力fg、及顆粒間的相互作用力fi。這些力都與粒徑大小有關(guān)。如Shao所述,它們與粒徑的關(guān)系可以簡單地描述為由圖2可見,當(dāng)d大時,fg?fa,空氣拖曳力無法將粒子從地表卷起。當(dāng)d較小時,fi?fa,空氣應(yīng)力亦難將粒子從地表卷起。圖2的另一種表達(dá)是臨界摩擦速度u*t,當(dāng)d較大或d較小時,u*t都大于一般氣象條件下的摩擦速度u*。那么,沙塵天氣中常見的大量塵埃是怎樣產(chǎn)生的呢?Gillette意識到,產(chǎn)生塵埃的主要機(jī)制可能是沙粒的躍動。Shao等的風(fēng)洞實驗正說明了這一點。Shao等提出了的表達(dá)式。式中,Q是水平沙通量,α為一系數(shù)。Shao等同時提出了粘合能量ψ(BindingEnergy)的概念,并指出α與ψ成反比。Marticorena和Bergametti、Shao等以及Alfaro等隨后提出了α的經(jīng)驗表達(dá)式。式(1)的含義很清楚:塵埃的產(chǎn)生是因為沙粒的轟擊(SaltationBombardment)。沙粒的臨界摩擦速度小,容易被空氣卷入大氣邊界層,產(chǎn)生跳躍運動。沙粒打擊地表時克服小顆粒之間的相互作用力,將它們帶入大氣邊界層,并由湍流將它們擴(kuò)散到大氣中。觀測顯示,Q與成正比。Owen指出,其中,c為系數(shù),ρ為空氣密度,g為重力加速度。何謂一粒沙子?何謂一粒塵埃?粒徑的大小與顆粒在自然界中的存在形式有關(guān)。在自然條件下,小顆粒一般依附在沙粒上,或與其他小顆粒組合成較大的集合粒子。在風(fēng)蝕的條件下,這些集合粒子又可分裂為小顆粒(見圖3)。因此,我們引進(jìn)兩種極端條件小的粒徑分布,分別記為,pf(d)和pm(d),即在Shao等工作的基礎(chǔ)上,Lu和Shao和Shao發(fā)展了起沙譜模式,用于預(yù)報不同粒徑的垂直通量。Shao認(rèn)為,產(chǎn)生塵埃的機(jī)制有3種:(1)空氣拖曳力的夾卷;(2)沙粒的轟擊;(3)集合粒子的分裂。由此,塵通量可表達(dá)為其中,Fa、Fb和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)生的塵通量。Shao給出了由粒徑為ds的沙粒運動產(chǎn)生的粒徑為di塵通量的表達(dá)式:其中,cy為系數(shù),ηi是粒徑為di的比質(zhì),Qs是粒徑為ds沙粒的水平通量,σp和σm定義為其中,m是粒徑為ds沙粒的質(zhì)量,mΩ是由于該沙粒的轟擊而被卷入空氣中的塵土質(zhì)量;γ為一權(quán)重使得變量σm可理解為有效轟擊率。根據(jù)文獻(xiàn),σm可以表達(dá)為其中,ρb為沙土的比重,常取為1000kgm-3,p為土壤的阻尼壓力。我們可以比較上述起沙模式與Gillette的觀測資料。由圖3可見,起沙模式較好地描述了觀測的水平沙通量和垂直塵通量。在與Gillette沙地資料比較時,我們選擇了cy=3e-5和p=1500Pa;而在與Gillette壤地資料比較時,我們選擇了cy=3e-5和p=400Pa(圖4)。2.3預(yù)報系統(tǒng)在大氣框架中的應(yīng)用沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng)和中國國家氣象中心的T213全球模式嵌套運行。T213模式的分析和預(yù)報結(jié)果為該預(yù)報系統(tǒng)提供初始場和側(cè)邊界資料。我們發(fā)展了一個前處理接口程序,用于讀取T213的預(yù)報場庫資料,并進(jìn)行處理和格式轉(zhuǎn)換。前處理程序?qū)213模式的輸出水平插值到區(qū)域大氣模式的預(yù)報范圍內(nèi),并將其等壓面的信息插值到區(qū)域大氣模式的σ面上。預(yù)報系統(tǒng)的運行涉及一些地面參數(shù),包括植被類型、植被葉面積指數(shù)、植被高度、植被側(cè)面積指數(shù)、植被反照率、植被覆蓋率、植被最小氣孔阻力、植物根系分布、地表粗糙度、粗糙物側(cè)面積指數(shù)、土壤質(zhì)地類型以及陸地和海洋的分布。導(dǎo)出這些參數(shù)的最基本資料是土壤類型、植被類型與葉面積指數(shù)。在對地面參數(shù)的反演與準(zhǔn)備過程中,我們使用了地理信息與遙感資料。土地利用、植被類型、土壤類型、土壤質(zhì)地以及地形分布等資料由地理信息系統(tǒng)提供。地理信息系統(tǒng)的高效存儲、空間可視化、綜合分析、投影轉(zhuǎn)換,能將大范圍的地面資料轉(zhuǎn)化為所需要的參數(shù)。地表植被資料,如葉面積指數(shù),是通過氣象衛(wèi)星的遙感資料(NOAAAVHRR)或?qū)Φ赜^測衛(wèi)星的遙感資料(MODIS)歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)獲得的。NDVI與葉面積指數(shù)相對于某種植被存在著對應(yīng)關(guān)系,我們用它來反演葉面積指數(shù)。2.4關(guān)于砂體質(zhì)量變化的測量沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng)模擬風(fēng)沙天氣的全過程并預(yù)報大氣、地表與風(fēng)沙的物理量,以描述形成風(fēng)沙天氣的天氣系統(tǒng),風(fēng)沙源地的分布與強(qiáng)弱,大氣中的沙塵含量、輸送與沉降。模式輸出的物理量眾多,在此,我們僅介紹一些描述沙塵天氣的主要物理量。沙塵源地:描述沙塵源地的主要物理量是沙塵在地表面的垂直通量F,其量綱為ML-2S-1,即單位時間、單位面積的質(zhì)量通量。例如,它可以用來表征每日、每平方公里面積上的起沙量為多少噸。F隨時間與空間的變化即是沙塵源地隨時間與空間的變化。沙塵含量:描述大氣中沙塵含量的物理量是單位體積中沙塵的質(zhì)量C,其量綱為ML-3,如kgm-3。濃度的變化是由質(zhì)量守恒方程決定的,受平流與擴(kuò)散等輸送過程和風(fēng)蝕與沉降過程的影響。因為這些物理過程與沙塵粒徑有關(guān),所以一般把沙塵顆粒按粒徑大小分成許多種,如d<2μm、2μm≤d<11μm、11μm≤d<22μm,…等,再對不同大小粒子在大氣中的含量進(jìn)行計算。沙塵沉降:描述沙塵沉降的物理量是由于沉降作用所引起的沙塵在地表的垂直通量D,與F一樣,它的量綱為ML-2S-1,即單位時間、單位面積的質(zhì)量通量,如tkm-2d-1。沙塵移動路徑:集成預(yù)報系統(tǒng)可以分析各種天氣形勢下,沙塵的移動和路徑。沙塵空間分布:集成預(yù)報系統(tǒng)也可以用于分析沙塵在空間的分布結(jié)構(gòu),如在不同高度上的沙塵濃度分布。3理論預(yù)報與觀測結(jié)果對比2002年3～4月,東亞沙塵天氣活動頻繁,多數(shù)與蒙古氣旋有關(guān)。我們用沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報了2002年的沙塵天氣過程。模擬區(qū)域為(5～65°N,0～180°E),空間分辨率為50km,數(shù)據(jù)分析區(qū)域為(5～53°N,72～148°E)。下面,我們以2002年3月和4月的兩次重大沙塵天氣過程為例,對數(shù)值預(yù)報的結(jié)果進(jìn)行討論并與地面觀測進(jìn)行比較。所用地面資料為常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)和9個位于中國和日本的站點采樣觀測。模擬的區(qū)域約有1200個常規(guī)氣象觀測站,其觀測資料能較好地反映沙塵天氣的空間結(jié)構(gòu)和時間演變,適合用于鑒定系統(tǒng)的定性預(yù)報功能。圖5a、b、c分別為2002年3月19日24h、48h和72h預(yù)報的地表沙塵含量。觀測的沙塵濃度由能見度轉(zhuǎn)換而來。圖5顯示,預(yù)報與觀測的沙塵天氣的空間分布和強(qiáng)度一致。例如,模式成功地預(yù)報了中蒙邊界中心位于(105°E,42°N)的強(qiáng)沙塵暴,24h、48h和72h的預(yù)報也基本一致。圖6為2002年3月15日至24日連續(xù)10天的預(yù)報結(jié)果。以3月19日為例,在蒙古國南部、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、北京出現(xiàn)了沙塵天氣。3月20日,沙塵天氣系統(tǒng)向東移動,范圍擴(kuò)大。北京地面在3月20日受到了強(qiáng)沙塵暴的襲擊,其濃度達(dá)到了1mgm-3以上。比較圖中觀測和預(yù)報的地面沙塵濃度,可以看出,模式成功地預(yù)報了這次沙塵天氣的全過程,預(yù)報的沙塵濃度分布范圍與觀測結(jié)果一致。圖7給出了預(yù)報的地面風(fēng)場。3月20日在蒙古國與內(nèi)蒙古有一片大風(fēng)區(qū)域,并形成了強(qiáng)烈的氣旋環(huán)流。地面風(fēng)速達(dá)20ms-1。模擬大風(fēng)中心與實況一致,大風(fēng)區(qū)也與模擬的高沙塵濃度的位置、范圍一致。3月21日,大風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)在內(nèi)蒙古和朝鮮半島,在這兩個地區(qū)分別形成了氣旋環(huán)流系統(tǒng),該系統(tǒng)與模擬的高沙塵濃度位置一致。圖8為2002年4月6～15日連續(xù)10天的預(yù)報結(jié)果及其與地面觀測結(jié)果的比較。由圖5、6、8可見,集成沙塵天氣預(yù)報系統(tǒng)具有預(yù)報沙塵天氣及描述沙塵天氣系統(tǒng)演變過程的能力。圖9比較了預(yù)報的地面沙塵濃度和在9個站點的采樣觀測。采樣的站點位于中國的敦煌、沙坡頭、北京、合肥、青島和日本的福岡、名古屋、筑波、那哈。這些站點都位于東亞沙塵原地的下游?？梢?預(yù)報與采樣觀測的定量比較也很好。4建立與完善信息化系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報定量檢驗本文簡要地介紹了一個沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng),特別是系統(tǒng)中的起沙模式。我們用該系統(tǒng)預(yù)報了2002年的沙塵天氣,并用地面天氣觀測和采樣觀測對預(yù)報效果進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明,預(yù)報系統(tǒng)能定性預(yù)報沙塵天氣的空間分布與時間演變,也能較好地定量預(yù)報沙塵含量。雖然模式的預(yù)報功能隨時間的遞增而減退,72h的預(yù)報仍有較高的可信度。由于產(chǎn)生沙塵天氣的機(jī)制復(fù)雜以及集成預(yù)報系統(tǒng)是一種新的嘗試,尚待解決的問題很多,主要的方面可以概括如下:建立與完善地理信息系統(tǒng);數(shù)值沙塵預(yù)報的定量檢驗;陸面過程的數(shù)值同化。(1)模式所需要的物理性質(zhì)目前我們使用的地表資料存在一些問題。地理信息資料的可信度對預(yù)報的準(zhǔn)確性有較大的影響,2002年的研究證明了這一點。地理信息的物理量化,即將描述性的信息和代碼轉(zhuǎn)化為模式所需要的物理量,是有待解決的問題。例如給定土壤類型后,土壤水文學(xué)參數(shù)應(yīng)該怎樣給定;給定植被類型后,葉面積指數(shù)應(yīng)如何從遙感資料反演。諸如此類的例子很多,發(fā)展一套完整的可用于地表和風(fēng)沙模擬的地理信息系統(tǒng)是下一步工作要解決的問題之一。風(fēng)沙模式中所需要的有些資料在國內(nèi)外都不完整,比如,不同類型土壤粒徑分布的資料在全球范圍內(nèi)幾乎沒有,而該資料對預(yù)報大氣中塵埃的粒徑分布的影響很大。如能對沙源地區(qū)的土壤采樣,并對粒徑分布完整的分析,將有利于沙塵預(yù)報的準(zhǔn)確性。(2)數(shù)值模式與衛(wèi)星監(jiān)測的比較沙塵天氣數(shù)值預(yù)報的定量問題有待進(jìn)一步的改進(jìn)。數(shù)值模擬的定量問題是要通過與衛(wèi)星觀測和地表觀測的比較,對模式的某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以提高預(yù)報的精度。需要指出的是,數(shù)值模式與衛(wèi)星監(jiān)測的有機(jī)結(jié)合不僅僅是風(fēng)沙研究的一個重要課題,而且也將會在解決許多其他環(huán)境問題時發(fā)揮重要作用,它將成為一種重要的研究手段。在風(fēng)沙研究中,數(shù)值模式與衛(wèi)星監(jiān)測的比較主要是通過各光學(xué)物理量,光學(xué)厚度與能見度等的比較來實現(xiàn)。我們的預(yù)報系統(tǒng)有較好的模擬輻射的能力,但是在2002年的研究中,尚未將模式計算與衛(wèi)星監(jiān)測所獲得的光學(xué)物理量進(jìn)行比較。使用衛(wèi)星資料對一些光學(xué)物理量的反演計算,如大氣光學(xué)厚度,也還需要進(jìn)一步的理論研究。(3)集成預(yù)報系統(tǒng)中的風(fēng)能模式數(shù)值天氣預(yù)報中使用的同化技術(shù)提高了數(shù)值天氣預(yù)報的成功率。目前,海洋模式中也開始使用同化技術(shù)。但在陸面模式中,同化問題還沒有得到解決。集成預(yù)報系統(tǒng)中的風(fēng)沙模式是陸面模式的一部分。與天氣預(yù)報中使用的同化技術(shù)不同的是陸面模式的同化問題所需要的是遙感資料,因為,地面觀測的陸面資料在空間中的差分比較困難。這也進(jìn)一步說明了衛(wèi)星監(jiān)測與數(shù)值模擬相互配合的重要性。在下一步的研究中,我們希