一次引发华北和北京沙尘(暴)天气起沙机制的数值模拟研究

在对气象背景场进行诊断分析的基础上,集中对一次沙尘（暴）天气的起沙机制进行了数值模拟。具体做法是先将澳大利亚新南威尔土大学（UNSW）邵亚平博士发展的具有清晰物理概念的起沙数值模式（非参数化方案）,与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合。使用该模式系统,根据陆面状况和大气条件。定量模拟出沙尘（暴）起沙的过程。对2000年4月6～7日发生在华北和北京的一次沙尘暴过程的数值试验结果表明,该模式对沙尘天气的起沙过程有较好的模拟能力。

我国春季大气沙尘气溶胶分布和短波辐射效应的数值模拟

利用已建立的区域气候模式与大气化学模式耦和的模拟系统 ,在气候模式中引入了起沙机制 ,同时建立了与气候模式连接的沙尘气溶胶输送模式 ,模拟沙尘的输送、扩散、沉降等过程 .通过对 1 998年 4月的模拟 ,分析得到中国地区沙尘气溶胶的主要源区分布情况、沙尘的浓度分布特点和光学厚度特征 ,并且将一次沙尘暴个例与同期卫星观测的气溶胶指数分布做了对比 .进一步模拟了沙尘气溶胶辐射效应 ,发现沙尘气溶胶能减少地面的辐射净收入 ,使南方的大气辐射收入减少 ,使北方的大气辐射收入增加 .

中国地区沙尘气溶胶输送过程的数值模拟

本文建立了一个包含沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积过程的气溶胶输送扩散模式 ,并和中尺度气候模式RIEMS相连接研究了 1998年 1月、4月、7月和 1997年 10月的沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积的过程。计算 1998年 1月、4月、7月和 1997年 10月气溶胶浓度及其分布 ,并和这四个月份的平均起沙分布以及北京、郑州和南京的实例沙尘分布作了比较 ,结果表明我国起沙多发生在春季 ,同时春季也是我国沙尘强度最大的季节。沙尘在我国西北的沙地和沙漠地区起沙后 ,向我国的东南方向输送 ,在输送过程中沙尘浓度逐渐降低。

一个适用于我国北方的沙尘暴天气数值预测系统及其应用试验

将澳大利亚新南威尔士大学 (UNSW )邵亚平发展的具有清晰风蚀物理学概念的起沙数值模式、输送模式与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合 ,以高精度中国区域的GIS (GeographicInformationSystem)数据为基础 ,建立了一个较完整的沙尘暴起沙和输送过程的预测系统。该预测系统可以预测地面起沙率和大气中沙尘浓度。在此基础上 ,采用该系统对 2 0 0 2年 3～ 4月 3次影响我国北方大部分地区的沙尘 (暴 )天气的起沙和输送过程进行了模拟试验。试验结果表明模拟的沙尘浓度与地面天气现象及卫星云图的沙尘天气范围比较一致 ,预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力。北方上述大范围沙尘天气的沙尘源地为蒙古国的南戈壁省、东戈壁省 ,内蒙古中西部 ,河北省北部 ,山西省东北部 ,甘肃和青海北部等地区。起沙中贡献最大的粒子粒径为 2～ 1 1μm和 1 1～ 2 2 μm ,能够长时间、长距离输送的沙尘也是上述大小的粒子 ,沙尘粒子的垂直输送高度一般在 5 0

一个改进的沙尘天气数值预测系统及其模拟试验

在中尺度气象模式最新版本MM5V3.7的基础上,通过与一个起沙模式的耦合,建立了一个新的中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)沙尘天气数值预测系统(IAPS 2.0)。该系统与IAP原有的沙尘天气数值预测系统(IAPS 1.0)最主要的差异在于气象模式中陆面过程模式的改进。利用改进前后两个版本的预测系统对2002年4月发生在我国北方地区的两次较强沙尘(暴)过程进行了数值模拟,并与观测实况进行了比较,结果表明改进的系统对沙尘天气的预测能力比改进前的版本有显著的改进,这主要是由于新的陆面模式改善了地表土壤湿度的模拟,进而改进了决定起沙与否的关键因子临界摩擦速度的模拟,从而提高了预测系统对起沙范围和强度的模拟效果。总的说来,采用了更为先进的Noah陆面模式的IAP沙尘(暴)天气数值预测系统对中国北方春季沙尘(暴)天气过程具有更好的模拟能力。

近10a西北地区沙尘气溶胶研究综述

沙尘气溶胶对气候的影响效应是目前全球气候变化研究的热点之一。在简单综述近10 a我国西北地区科研人员在沙尘源区的研究、起沙机制、沙尘气溶胶的光、化学特性和辐射气候效应等方面科研成果的基础上,对今后沙尘气溶胶研究中所面临的一些科学问题进行了展望。

湍流相干结构在中蒙中区一次沙尘暴起沙中的作用

起沙机制是沙尘暴天气研究中一个重要问题.本文基于中蒙中区一次沙尘暴天气过程,通过提取沙尘源地涡动相关数据中的湍流相干结构(Coherent structure,简称为CS),研究了CS在起沙中的作用.结果发现:(1)起沙期间存在CS,其典型特征表现为上扬—下扫循环,即暖空气的辐合上升与冷空气的辐散下沉相伴;(2)起沙期间,CS具有频次高、持续时间短、间歇性适中、连发频繁、速度切变大、水平尺度远大于垂直尺度和尺度变化比较大的特点;(3)CS是重要的起沙机制,它可起动粒径在0.1~156μm之间的各种沙粒,起动最多的是粒径低于8μm的粉粒与粘粒,但CS不是唯一的起沙机制;(4)CS的上扬与下扫两过程均可引起起沙,区别在于前者通过暖空气的上升将沙粒向上空输送,后者则是将上空高速冷空气拖带下来引起地表沙粒的起动;(5)CS起沙分为单起式和连发配合式两种形式.单起式是单发CS产生的起沙形式,连发配合式是连发的CS产生的跃移—上扬的配合起沙形式.其中,连发配合式为主要形式;(6)下扫过程对起沙的贡献是上扬过程的1.8~15倍,上扬过程可将下扫过程中起动沙粒的1/3左右向上输送到空中;(7)一般情况下,CS对起沙具有稳定的贡献,其贡献率为51%,当临界起沙风速大于13 m·s-1时,其贡献急剧降低.

一次沙尘暴过程中的地面感热通量分析

利用2016年3月3—5日的气象观测数据分析了一次沙尘暴过程中地面感热通量的变化特征。结果表明:在此次沙尘暴过程中,地面感热通量的日变化曲线呈现一波型。在通常情况下,白天地面感热通量是正值,夜间地面感热通量是负值。在出现沙尘暴的时段内,地面感热通量会发生很大变化。发生在夜间的沙尘暴阻碍地面辐射,减弱地面热量的损失,致使地面感热通量大于零;发生在白天的沙尘暴阻碍太阳辐射,显著消弱地面感热通量。

“3·15”北方强沙尘暴天气成因分析

利用常规气象观测资料、风云4A卫星资料、植被覆盖资料及NCEP FNL再分析资料等,分析2021年3月14—18日席卷我国北方的大范围强沙尘暴天气的形成机制、传输特征以及影响因素等。结果表明:(1)前期干旱少雨、气温偏高及对应的北方大部植被覆盖度偏低,为强沙尘天气的发生提供了很好的沙源条件。(2)此次沙尘天气是在蒙古气旋强烈发展及其后部冷高压共同作用下发生的。(3)沙尘过程分两个阶段:第一阶段由地面冷锋后部的大风过境造成,集中发生在华北、东北等地;第二阶段受前期没有消散的高空沙尘南压扩散及沙尘回流造成,集中发生在西北地区。(4)对水平螺旋度、混合层高度以及垂直速度等物理量的分析表明,我国大部分地区的起沙条件不足,沙尘天气主要受上游沙尘输送影响。我国东部沙尘主要由蒙古国南部区域起沙贡献;而西北地区沙尘主要由蒙古国及其自身产生的沙尘贡献。

新疆沙尘暴研究进展

沙尘暴是风蚀荒漠化中的一种天气现象,既是加速土地荒漠化的重要过程,又是土地荒漠化发展到一定程度的具体体现。新疆地处我国西北干旱、半干旱区,是我国荒漠化土地最多的省区,也是风沙危害最严重的地区之一。重点论述了新疆地区沙尘暴的若干研究进展,从6个方面对沙尘暴的形成及研究现状进行综述,即新疆沙尘暴气候背景、长期变化趋势、分布、沙漠近地层起沙输送机制、沙尘暴监测技术、沙漠大气边界层与陆面过程研究进展、沙尘暴数值预报模式优化及数值模拟研究;并论述了目前面临的问题及短板,提出了沙尘暴科学研究的未来展望。

全球环境大气输送模式(GEATM)的建立及其验证

初步建立了以二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶等作为主要研究对象的全球环境大气输送模式（Global Environmental Atmospheric Transport Model,GEATM）,其水平分辨率为1°×1°,垂直方向分为20层,采用地形追随坐标系,考虑了上述大气化学成分的地面源排放、平流与扩散、化学转化以及干沉降、湿清除等过程.利用NCEP/NCAR再分析资料作为驱动气象场,对2004年进行长期模拟,分析了二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶的浓度分布和输送态势.与观测的比较表明,模式对于大气化学成分分布状况具有较强的模拟能力,在欧洲的Jarczew和Leba观测站,二氧化硫日平均浓度的相关系数分别达到了0.69和0.66;在中国,有47个站点的二氧化硫日平均浓度相关系数高于0.50,其中北京、天津、上海等28个站点的浓度相关系数达到了0.60以上.同时,模拟的沙尘气溶胶总体柱浓度分布状况与卫星观测输出的气溶胶光学厚度具有很好的一致性,体现了气溶胶粒子的输送态势和分布特征.模拟结果显示二氧化硫、硫酸盐、黑碳的浓度高值区主要位于污染排放较大的欧洲、东亚和北美地区,二氧化硫地面最大年均浓度值为1500×10^-12,硫酸盐为500×10^-12,黑碳气溶胶为1000ng/m^3.沙尘浓度与下垫面土壤类型以及地面气象条件关系密切,全球沙尘浓度主要分布在撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、中亚地区、澳大利亚西部以及拉丁美洲南部地区,并且呈现了较为显著的季节变化特征,撒哈拉沙漠输送最强时期是在6～8月,影响范围覆盖了整个赤道大西洋,最西端伸展到了北美的加勒比海地区;阿拉伯半岛沙尘输送最强时期是3～8月,影响范围包括阿拉伯海和孟加拉湾地区;亚洲在3～5月有非常强烈的沙尘东传过程,浓度输送带一直贯穿了整个北太平洋地区.