基于dem的中國東部地區(qū)兩次主要風(fēng)沙過程模擬的不確定性分析

基于dem的中國東部地區(qū)兩次主要風(fēng)沙過程模擬的不確定性分析

1泥沙模式的研究近年來，中國北方環(huán)氧氣候頻繁發(fā)生。沙塵暴,尤其是特強沙塵暴,是一種危害極大的災(zāi)害性天氣。沙塵氣溶膠可影響光學(xué)特征、改變輻射平衡、影響區(qū)域和全球氣候,在長距離輸送過程中會夾帶大量的污染物,對周遭的空氣質(zhì)量乃至全球生物化學(xué)循環(huán)都有著重要的影響(Duce,1995;石廣玉等,2003)。因此,需要建立準(zhǔn)確的沙塵暴預(yù)報系統(tǒng),對沙塵暴來臨前進行準(zhǔn)確的預(yù)報,為防災(zāi)減災(zāi)提供服務(wù)。關(guān)于沙塵暴的監(jiān)測和數(shù)值模擬國內(nèi)外已有較大的發(fā)展。國內(nèi)外建立了不少觀測網(wǎng)來研究沙塵氣溶膠的物理化學(xué)特性(Murayamaetal.,2001;Sugimotoetal.,2002;Zhangetal.,2003)。觀測能客觀地記錄真值,但其時空分布不規(guī)則,且觀測數(shù)量仍相當(dāng)有限。由于數(shù)值模擬可以得到規(guī)則時空分布的結(jié)果,而且其時空分布密度較大,因而成為不可替代的預(yù)報和研究的工具。許多國家也發(fā)展了各自的數(shù)值模式(包括區(qū)域尺度和洲際尺度的)研究沙塵的形成、輸送、沉降等等(Wangetal.,2000,2001;Songetal.,2001;Unoetal.,2001;Shao,2001;Gongetal.,2003;Parketal.,2003;Liuetal.,2003;Shaoetal.,2003;Hanetal.,2004;邵亞平,2004;趙琳娜等,2004;孫建華等,2004),部分模式已經(jīng)投入到業(yè)務(wù)預(yù)報。然而,沙塵暴數(shù)值模式也存在自身的不足之處:由于對物理過程認識的偏差,模式預(yù)報仍然存在多方面的不確定性,如氣象場、起沙和沉降的不確定性等。近來,幾個區(qū)域沙塵模式應(yīng)用到ACE-Asia觀測期間,試驗結(jié)果(Huebertetal.,2003)發(fā)現(xiàn):雖然各個模式從源區(qū)開始有著相似的輸送形式,但是預(yù)報的地面沙塵濃度差別很大,有時可以差別兩個量級以上;而起沙量也相差甚大。如此大的差異表明模式在以下方面存在很大的不確定性:起沙方案、干沉降方案、輸入資料(陸面資料、源強、氣象場等)和數(shù)值近似。另外,沙塵模式比較計劃(DMIP)(Unoetal.,2006)的結(jié)果顯示:源區(qū)的風(fēng)速有很大的不確定性,起沙量區(qū)別很大,而模式的輸送和清除過程對于中國下游(如日本)的沙塵預(yù)報影響比較大。此外,我們之前的沙塵資料同化研究表明,只是改進模式的初始場對沙塵的預(yù)報并沒有太大影響,而主要的影響還是來源于模式的不確定性。因此,較準(zhǔn)確估計沙塵模式的不確定性不僅對沙塵數(shù)值模式的發(fā)展,而且對沙塵資料同化的應(yīng)用發(fā)展都至關(guān)重要,分析其來源則是準(zhǔn)確估計不確定性的重要前提。各個沙塵模式的不確定性來源有些相似之處,但是各主要過程的不確定性具體有多大,不同區(qū)域的不確定性的差異又是多少,這方面的研究相對較少,值得進一步探討。由于沙塵模式主要包括起沙、輸送和沉降這三個過程,本文利用王自發(fā)等(Wangetal.,2000)開發(fā)的沙塵輸送模塊和國家環(huán)境保護部的PM10資料,主要分析了沙塵源強、干沉降速度以及風(fēng)場的不確定性,并指出不同過程的不確定性對模式模擬結(jié)果的影響。2模型和數(shù)據(jù)的介紹2.1中國u2004模式模式是一個區(qū)域的沙塵輸送模式,采用地形追隨的球坐標(biāo)方程,包括起沙、輸送、擴散和清除過程,已經(jīng)被成功應(yīng)用于東亞大氣示蹤氣體和顆粒物如沙塵、SOx、O3、酸雨等的研究(Wangetal.,2000,2002;Uematsuetal.,2003)。模式區(qū)域覆蓋整個中國地區(qū)(16°N～59°N,75°E～145°E)(如圖1所示),水平1°×1°,垂直為18層的σ坐標(biāo):σ(θ,φ)=z-h(θ,φ)Η(θ,φ)-h(θ,φ),σ(θ,φ)=z?h(θ,φ)H(θ,φ)?h(θ,φ),其中,H(θ,φ)為對流層高度,h(θ,φ)為松弛高度,z是位勢高度,底層高度相當(dāng)于30m,頂層相當(dāng)于10km左右。詳細部分請參見Wangetal.,(2000)。2.1.1動態(tài)沙源釋放強度計算模式中的起沙機制是通過詳細分析中國北方約300個氣象站的氣象條件、地形和氣候條件,設(shè)計的一個新機制(黃美元等,1998;Wangetal.,2000)。沙塵粒子分為9檔進行模擬[其粒徑分布請參見Wangetal.(2000)表5],主要考慮了地表摩擦速度、濕度的影響、天氣系統(tǒng)如冷鋒的影響,其沙塵釋放強度Qi,j,l計算公式如下Qi,j,l=C1C2u*i,j,l2(1-u*0i,j,l/u*i,j,l)Wi,j,lRi,j,l,(1)Qi,j,l=C1C2u?i,j,l2(1?u?0i,j,l/u?i,j,l)Wi,j,lRi,j,l,(1)其中,C1為不同植被類型下墊面對應(yīng)的沙塵含量的權(quán)重因子,相當(dāng)于潛在沙源或源強(如圖1陰影所示),C2是經(jīng)驗常數(shù)2.9×10-2。u*i,j,l為瞬時摩擦速度,u*0i,j,l為臨界摩擦速度(0.4m/s),Ri,j,l為第L檔沙塵氣溶膠在起沙量中所占比例,Wi,j,l為第L檔沙塵氣溶膠的濕度因子。而沙塵起沙時的抬升高度約為505m(相當(dāng)于模式第6層)。2.1.2模型材料vd影響沙塵干沉降的因子主要有重力作用和湍流作用。湍流作用采用計算一般氣溶膠的考慮地表狀況及天氣穩(wěn)定度的干沉降速度的阻力模型,重力作用則主要考慮下降末速度。對于模式最底層和其他層,沙塵粒子的干沉降速度可分別表示(黃美元等1998)為Vd=Vg+1ra+rb+rc,模式底層(2)Vd=Vg,其他層(3)其中,ra和rb為阻力項,ra=ln(z/z0)-Ψcku*,Ψc={-5.0zL,(0≤z/L＜1)e[0.598+0.21ln(-z/L)],(-1≤z/L＜0)rb=ASc2/3u*,Vg=2(ρp-ρ)r2g9γ,z0為地面粗糙度,z為模式最底層高度,L為Monin-Obukov長度,u*是摩擦速度,k是vonKarman常數(shù)(0.4),Sc是Schmit數(shù),A為經(jīng)驗常數(shù)取為5.0(Weseleyetal.,1997)。rc是轉(zhuǎn)換阻尼項(rc在多數(shù)情況下觀測表明數(shù)值很小,一般忽略)。Vg為重力沉降速度,ρp是粒子密度(2.5g/cm3),ρ空氣密度,r為粒子半徑,γ是大氣粘性系數(shù)。2.2關(guān)于氣象現(xiàn)象的質(zhì)量控制模式的氣象場輸入資料來自NCEP的再分析資料。用于分析的資料是國家環(huán)境保護部提供的2002年3月15～25期間觀測的地面PM10日均值資料[前一天的04時(國際協(xié)調(diào)時,下同)到當(dāng)天的03時的平均],其站點分布如圖1粉紅色圓點所示。用于PM10觀測質(zhì)量控制的是2002年3月15～24日地面3小時的天氣現(xiàn)象資料。由于PM10觀測可能來自于沙塵的貢獻也可能來自于人為污染的貢獻,為此首先需要進行質(zhì)量控制,把那些主要貢獻不是來自沙塵的PM10觀測去掉,以分析較大沙塵事件時模式的不確定性來源。根據(jù)中國氣象局地面觀測站(記為觀測站A,每3小時一次觀測)觀測到的沙塵天氣現(xiàn)象(浮塵記為1、揚沙為2、沙塵暴為3和強沙塵暴為4),若PM10地面觀測站(記為觀測站B)周圍一個經(jīng)緯度范圍內(nèi)至少有一個觀測站A一天至少觀測到三次浮塵,或一次浮塵和一次揚沙,或一次沙塵暴現(xiàn)象,則該觀測站的PM10日均值被認為主要是來自沙塵的貢獻,記為沙塵有效觀測站,否則全部剔除。經(jīng)過控制以后有的天數(shù)沒有觀測,如3月15日、19日、24日沒有觀測。以下分析模式不確定性時所用的PM10觀測來自以上的有效觀測站(主要分布在中國東部)。3區(qū)域比較及干沉降速度參數(shù)設(shè)置由于影響我國的沙塵源區(qū)主要有境外的蒙古共和國東南部戈壁荒漠區(qū)和哈薩克斯坦東部沙漠區(qū)及我國西北地區(qū)的巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、塔克拉瑪干沙漠、烏蘭布和沙漠和黃河河套的毛烏素沙地周圍。尤其塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠是我國沙塵天氣的主要沙塵源區(qū)。這些沙源區(qū)的源強和干沉降速度的參數(shù)設(shè)置對于沙塵的模式預(yù)報起著關(guān)鍵的作用:沙塵源區(qū)的潛在源強C1影響著起沙量的大小,從而影響輸送到下游的沙塵濃度;而干沉降速度的大小影響著沙塵的沉降量,尤其是上游沉降量的大小直接影響著能夠被輸送到下游的沙塵濃度。因此,我們首先根據(jù)張小曳等(1996)給出的中國北方沙漠的3個分區(qū)將模擬范圍分為三個區(qū)域(如圖2所示),然后比較不同區(qū)域的源強和干沉降速度的參數(shù)設(shè)置對預(yù)報的影響。這三個區(qū)域為西部區(qū)域(簡稱I):95°E以西,主要包括古爾班通古特沙漠、塔克拉馬干沙漠和庫姆塔格沙漠以及蒙古國南部戈壁荒漠;中部區(qū)域(簡稱II):95°E～110°E,主要包括巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和毛烏素沙漠;東部區(qū)域(簡稱III):110°E以東,主要包括渾善達克沙地和科爾沁沙地等。沙塵源區(qū)潛在源強C1的敏感性試驗設(shè)置如表1所示,在潛在源強C1乘上一個系數(shù)α,得到一個新的源強C1,new=αC1。其中,當(dāng)α=1時為控制試驗,而敏感性試驗則是對整個區(qū)域以及三個不同區(qū)域分別進行。試驗11:對整個區(qū)域取α=α0;試驗12:對西部區(qū)域取α=α1,其他兩個區(qū)域取α=1;試驗13:對中部區(qū)域取α=α2,其他兩個區(qū)域取α=1;試驗14:對東部區(qū)域取α=α3,其他兩個區(qū)域取α=1。對α不等于1的區(qū)域取α>1或0<α<1。對于干沉降速度的敏感性試驗設(shè)置類似于源強C1的試驗設(shè)置,在舊的干沉降速度基礎(chǔ)上乘上一個系數(shù)β,得到新的干沉降速度Vd,new=βVd(如表2所示)。其中,當(dāng)β=1時為控制試驗,而敏感性試驗則是對整個區(qū)域以及三個不同區(qū)域分別進行。試驗21:對整個區(qū)域取β=β0;試驗22:對西部區(qū)域取β=β1,其他兩個區(qū)域取β=1;試驗23:對中部區(qū)域取β=β2,其他兩個區(qū)域取β=1;試驗24:對東部區(qū)域取β=β3,其他兩個區(qū)域取β=1。對β不等于1的區(qū)域取β>1或0<β<1。其中試驗22、試驗23和試驗24對不同區(qū)域的干沉降速度進行敏感性試驗時,不考慮重力沉降的改變,原因?qū)⒃谙乱还?jié)的結(jié)果分析中具體說明。由于中高層風(fēng)場對于沙塵的輸送起著引導(dǎo)作用,而地面風(fēng)場直接影響摩擦速度的計算,從而影響起沙通量和干沉降速度。因此,對于風(fēng)場的不確定性分析,分地面(k=1)和中高層(k≥2)考慮。試驗設(shè)置如表3所示,其中,當(dāng)γ=1時為控制試驗,即原來的風(fēng)場,而敏感試驗取γ>1或者0<γ<1。試驗31:對于整層風(fēng)場取γ=γ0;試驗32:對地面風(fēng)場取γ=γ1,中高層風(fēng)場取γ=1;試驗33:對中高層風(fēng)場取γ=γ2,地面風(fēng)場取γ=1。4結(jié)果與討論4.1分配對中國東部地面的砂子對2002年3月15～24日期間的沙塵進行模擬,分析整個區(qū)域的源強影響時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)α>1時,模式預(yù)報的沙塵濃度日均值(d<10μm,以下的模式預(yù)報結(jié)果均為d<10μm)和觀測的PM10日均值的均方根誤差(RMSE)基本都是隨著α的增大而增大的(圖略);當(dāng)α<1,RMSE基本都是隨著α的減小而減小的(如圖3所示),即預(yù)報結(jié)果更接近觀測,并且當(dāng)α=0.4左右,整體RMSE最小,對于3月20日的強沙塵事件,RMSE從原來的1.685mg/m3減小到0.668mg/m3(減少了60%左右)。從上面的分析可知源強C1增大時預(yù)報結(jié)果更遠離觀測,因此下面對不同區(qū)域的影響進行分析時就不考慮系數(shù)α大于1的情況。不同區(qū)域的試驗發(fā)現(xiàn)西部的源強對于中國東部地面的沙塵預(yù)報結(jié)果沒有什么影響(圖4a);東部的源強有一點影響,但是也很小,RMSE有略微的減小(圖4c);而中部的影響很大,幾乎包括源強的總體影響,RMSE的減小量與圖3的相當(dāng)(如圖4b所示)。由于北京是人們比較關(guān)注的非源區(qū)的點,并且在這兩次沙塵過程中都受到較大影響,因此以下的單點分析均選北京為例。圖5是北京觀測的PM10和試驗13模式模擬結(jié)果的對比?？梢钥闯隹刂圃囼灥哪M結(jié)果(黑色粗實線)比觀測的(紅色的實心圓點)基本都有偏大的傾向。當(dāng)潛在源強C1減小到原來的0.4倍左右(藍色粗實線),模擬的結(jié)果總體上更接近于觀測。另外,從圖5中還可以看出,中部區(qū)域不同的源強所得到的模式預(yù)報結(jié)果的離散度是比較大的,沙塵越強時越大。因此,模式對于中國東部的沙塵模擬的不確定性,一部分主要來自源區(qū)潛在源強的不確定性,且是源強的高估,其中中部的影響最大。這是由于潛在源強在模式中是估計的固定值,而事實上,一次沙塵過后源區(qū)的很多沙子已被吹走,對于緊跟其后的沙塵過程,源區(qū)的源強也應(yīng)有相應(yīng)的改變。另外,由于這次沙塵過程主要是通過西北路徑影響中國東部的,因此中部源區(qū)的影響會最大。4.2重力沉降的影響模式模擬期間同樣為2002年3月15～24日,從對整個區(qū)域的敏感試驗分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn),當(dāng)β<1時,模式預(yù)報與觀測PM10的RMSE基本都是隨著β的減小而增大的(圖略);而當(dāng)β>1時,RMSE基本都是隨著β的增大而減小的,并且當(dāng)β>1.8以上RMSE的減小量就很小了(如圖6所示)。并且,與圖3的結(jié)果相比發(fā)現(xiàn)干沉降速度的影響要比源強的影響小得多:如3月20日,減小源強為原來的0.4時,RMSE從原來的1.685mg/m3減小到0.668mg/m3(減少了60%左右),而把干沉降系數(shù)增大到1.8倍時RMSE才減小到1.212mg/m3(減少了28%左右)。另外,當(dāng)分別考慮重力作用和湍流作用(以下簡稱湍流沉降)的影響時,發(fā)現(xiàn)對于較強沙塵暴時重力沉降對模式底層預(yù)報的影響比較小,大約占干沉降總影響的25%(圖略)。由于重力沉降主要跟粒子大小有關(guān),并且前面的分析結(jié)果也顯示重力沉降的影響比較小,因此在進一步考慮不同區(qū)域干沉降速度的影響時不改變重力沉降,只是改變湍流沉降。從圖7a和圖7c的結(jié)果可以看出,改變西部和東部的湍流干沉降速度對中國東部的地面沙塵模擬結(jié)果并沒有多大改變,尤其是西部的干沉降速度對結(jié)果幾乎沒有影響。而增大中部的湍流沉降顯然對預(yù)報有明顯的改善(如圖7b所示),使得RMSE減小,尤其是對于沙塵比較強的時候(如3月20日)。而且,與圖6相比可以發(fā)現(xiàn),增大中部的湍流沉降使得RMSE的減小量和考慮整個區(qū)域的干沉降(圖6)所減小的RMSE相差不太大,說明中部的干沉降尤其是由湍流作用引起的干沉降對于下游的地面沙塵預(yù)報起著重要的作用。圖8是北京觀測的PM10和試驗23模式模擬結(jié)果的對比?？梢钥闯鲈龃蟾沙两禃r,模式模擬的結(jié)果有向觀測靠近,但是靠近的程度很小,遠不如試驗13的結(jié)果(圖5)。另外,從圖8中還可以看出不同的湍流沉降所得到的模式預(yù)報結(jié)果的離散度報的沙塵濃度偏大;而中高層的風(fēng)場主要是起著輸送作用,風(fēng)速偏小就不利于當(dāng)?shù)厣硥m氣溶膠輸送出去,也會導(dǎo)致當(dāng)?shù)仡A(yù)報的濃度過大。另外,進一步對中高層不同層次風(fēng)速影響進行分析發(fā)現(xiàn)高層風(fēng)速(k>15,相當(dāng)于6km以上)對于中國東部的沙塵模擬結(jié)果幾乎沒有影響(圖略)。圖11是地面風(fēng)速減小或者中高層風(fēng)速增大時,模式模擬北京地區(qū)的沙塵濃度和觀測的PM10的對比,可以看出當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速減小或者中高層風(fēng)速增大時,模擬的結(jié)果更接近觀測。另外,從圖11中還可以看出不同地面風(fēng)速所得到的模式預(yù)報結(jié)果的離散度很大,沙塵越強時離散度越大,說明地面風(fēng)速的不確定性很大;而中高層不同風(fēng)速對預(yù)報結(jié)果的離散度較小,即不確定性較小。5對模式運行結(jié)果的比較通過對2002年3月15～24日的沙塵模擬的不確定性研究發(fā)現(xiàn):(1)中國東部沙塵的不確定性一部分主要來源于對中部區(qū)域的源強C1和干沉降的估計,而其他兩個區(qū)域影響比較小,這可能與這段時期的沙塵過程主要是通過西北路徑影響中國東部地區(qū)有關(guān)。并且,該不確定性主要來源于對中部區(qū)域源強C1的高估或干沉降的低估,同時發(fā)現(xiàn)對于強沙塵時(如3月20日)源強C1高估的影響要比干沉降低估的影響大一倍左右。另外,從北京的單點分析也可以看出,源強的不確定性要遠大于干沉降的不確