WRF/Chem模式中两种起沙参数化方案对东亚地区一次强沙尘暴过程模拟的影响

利用耦合了GOCART和Sha004两种起沙参数化方案的WRF／Chem模式对2002年3月19-22日发生在东亚地区的强沙尘暴过程进行模拟，着重考察了不同起沙方案对沙尘暴过程模拟的影响。结果表明，耦合了两种不同方案的wRF，Chem总体上均能较合理地模拟出主要的起沙区域、起沙强度的变化以及沙尘浓度的时空演变特征，模式对沙尘源地附近及下游地区地面沙尘浓度时间变化特征的模拟与站点观测结果也十分接近。但总体说来Shao04方案对沙尘起沙的发生以及强度变化过程具有更好的模拟能力，该方案模拟的沙尘浓度与观测更为一致，整体性能要优于GOCART方案。进一步分析发现，由于GOCART方案中采用的临界起沙风速偏小，导致该方案下模拟的沙尘分布范围偏大；另外该方案忽略了蒙古东南部和内蒙古中东部的潜在沙尘源地，从而使得耦合了GOCART方案的模式未能模拟出上述区域的起沙过程，使得该区域及下游地区模拟的沙尘浓度也偏小。但在塔里木盆地，Shao04方案计算的起沙通量偏小，这可能与Sha004方案未能考虑风速较小情况下空气拖曳力夹卷作用对起沙的影响有关，也可能与该方案中采用的土壤质地数据不准确有关。

沙尘气溶胶数值模式与资料同化的研究进展、问题与展望

沙尘气溶胶对气候变化、生态环境和人类生命健康均会产生严重影响,亟待对其进行系统性研究。数值模式是研究沙尘气溶胶的有效工具,能够模拟沙尘的起动、传输、扩散及清除等过程。然而,由于起沙参数化方案的不完整及模式输入场的不确定性,导致数值模式的模拟结果存在较大误差。以此为立足点,论述沙尘气溶胶观测方式、数值模式发展历程、起沙参数化方案进展以及资料同化研究进展。并基于目前的研究现状,分析现阶段利用数值模式进行沙尘气溶胶研究过程中存在的问题,进一步提出未来的发展方向。通过全面回顾沙尘气溶胶数值模拟的研究进程,以期为相关领域研究提供参考和启发。

中国北方地区尘卷风时空分布的数值模拟

尘卷风是沙尘气溶胶的重要来源,它可能对全球和区域环境、气候有重要的影响。为了获得尘卷风起沙量的时空特征,通过利用尘卷风起沙参数化方案并将其耦合到WRF(Weather re⁃search andforecastingmodel)模式中,模拟了中国北方尘卷风的日月时空变化特征。结果表明:(1)在10:00—14:00(北京时),每日空间分布从东往西尘卷风逐渐出现且强度逐渐增强,然后在14:00—20:00,尘卷风区域从东逐渐向西收缩且强度逐渐减弱。月空间分布从3月起逐渐在塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠和柴达木盆地出现了尘卷风中心,然后逐渐扩展到所有沙漠并在6月达到峰值。7月以后尘卷风出现区域与强度急剧下降,到10月已经没有尘卷风出现。(2)塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠的尘卷风日变化均呈单峰分布,从早晨09:00开始出现,到14:00—15:00达到峰值,之后快速下降。其月变化趋势大体均呈单峰分布,从3月开始尘卷风出现并且强度增加,到6月达到峰值,然后快速下降,9月底尘卷风消失,巴丹吉林沙漠尘卷风波动幅度大于塔克拉玛干沙漠。(3)模拟与观测的尘卷风日、月时间变化特征在细节上略有不同,但二者的趋势是大体一样,表明尘卷风起沙参数化方案具有较高的适用性。这一研究成果将有助于我们对沙尘气溶胶的来源、环境和气候变化的深入理解。

两次典型沙尘的WRF-Chem数值模拟:不同起沙方案模拟效果的评估

为探寻更适用于中国沙尘过程数值模拟的起沙方案,利用WRF-Chem模式分别耦合GOCART、AFWA和Shao04 3种不同起沙参数化方案对2017年5月3–5日和2018年3月26–29日发生在我国西北地区的2次典型沙尘过程进行数值模拟,并综合多种地面和卫星观测资料对模拟结果进行评估。结果表明:通过3种起沙方案计算得到的起沙量差距较大,其中GOCART方案在0~6μm粒径的起沙量最大、Shao04方案最小。从近地面PM浓度来看,3种方案均能反映出2次事件中典型城市PM浓度的变化特征,Shao04方案模拟的PM浓度和观测相关性最高;从气溶胶光学厚度(AOD)来看,通过与AERONET、MODIS和CALIPSO的观测资料综合比较,发现模拟结果对AOD存在系统性低估,GOCART方案与观测结果最近似,其次为Shao04方案,最后为AFWA方案。综合考虑认为,GOCART起沙方案相对更适用于我国西北地区的沙尘模拟。

起沙方案及Nudging对中国西北沙尘模拟的影响

利用耦合了AFWA和Shao04起沙参数化方案的WRF-Chem模式结合Nudging方法,对2020年4月9~11日发生在我国西北地区的一次沙尘天气过程进行模拟,结合地面及卫星观测数据,对模式模拟沙尘的能力进行了初步验证,分析了不同起沙方案及其结合Nudging方法后对模式模拟结果的影响。结果表明,2种起沙方案均有能力再现此次沙尘天气过程,开启Nudging后2种方案模拟出的沙尘分布结果都有所改进。对于地面沙尘模拟,在沙尘源区不开Nudging的模式模拟结果更接近观测,在沙尘影响区开启Nudging后的模拟结果更优。整体而言,结合了Nudging方法的Shao04起沙方案对我国西北地区的沙尘过程具有更好的模拟能力。Nudging方法对模式模拟风场的能力改进较为明显,从而提高了模式对沙尘的模拟能力。

起沙方案对西北地区沙尘过程模拟的影响

研究利用耦合了GOCART、AFWA、Shao01、Shao04和Shao11 5种起沙参数化方案的WRF-Chem模式对发生在西北地区的强沙尘过程进行了模拟,找出了对西北地区沙尘过程模拟更为合理的起沙方案。研究发现,WRF-Chem模式模拟结果较好地再现了气象场的演变特征,耦合了5种不同方案的模式均较合理地模拟出沙尘浓度的时空演变特征、主要的起沙区域和沙尘传输过程。但Shao01、Shao04和Shao11 3种方案下模拟的沙尘分布和起沙过程较符合实际情况。沙尘源地附近和下游兰州市PM_(10)和PM_(2.5)质量浓度时间变化特征的模拟与观测结果也十分接近,Shao1 1方案对PM_(10)和PM_(2.5)质量浓度的模拟结果要优于GOCART、AFWA、Shao01和Shao04 4种方案,说明Shao1 1方案对发生在西北地区的沙尘过程具有更好的模拟能力。

干旱半干旱区农田土壤风蚀特征及参数化研究进展

干旱半干旱地区是中国的农业后备战略基地,然而近年来该地区农田土壤风蚀现象严重,沙/尘释放量显著增大,威胁农业的可持续发展和生态系统平衡。目前绝大部分的天气和气候模式仅考虑了沙漠地表起沙,忽视退化农田的土壤风蚀起沙,导致起沙通量模拟存在很大的不确定性。对20世纪50年代以来干旱半干旱区农田土壤风蚀起沙特征及参数化做了详细的分析总结,回顾并梳理了干旱半干旱区农田土壤风蚀观测和数值模拟的研究脉络以及存在的问题,为提高农田起沙的模拟精度提供了有效参考,对中国干旱半干旱区农田土壤风蚀防治、土地荒漠化治理以及理解未来土地利用改变对大气污染的影响具有重要意义。

沙尘天气过程临界起沙因子的研究进展

临界起沙摩阻风速u*t或临界起沙风速ut是土壤可蚀性的度量指标之一,是表征沙尘颗粒进入大气的重要因子,也是沙尘暴预报模块中最重要的参数之一。野外实验、模式参数化和统计理论是近年来确定临界起沙摩阻风速u*t或临界起沙风速ut的3种主要方法。利用不同方法获取u*t或ut的结果可以相互校验。野外实验的实测结果可为获取适用的起沙判据、改进起沙阈值的参数化方案提供基础。在回顾利用不同方法获取临界起沙摩阻风速的结果、应用,及其代表性、一致性和差异的基础上,有针对性地提出存在的问题和今后发展的建议。