GRAPES-SDM沙尘模式预报与卫星遥感监测结果对比

GRAPES-SDM沙尘模式和卫星遥感监测是目前沙尘暴监测预报业务中重要的工具。本文使用天气学检验方法,对中国气象局兰州干旱气象研究所目前使用的GRAPES-SDM沙尘模式2012年春季沙尘天气预报情况以及FY-2D卫星遥感产品沙尘指数IDDI的监测效果进行检验评估。结果表明:沙尘模式在西北沙尘暴预报业务中具有很好的预报参考价值,卫星遥感沙尘指数也具有较好的监测效果,但两者均存在一定的问题。沙尘模式对大范围沙尘暴过程有较好的预报能力,但对沙尘强度预报偏强;卫星遥感沙尘指数虽然不能定性地表示沙尘强度,但是在一定程度上能够反映沙尘强度的变化,不过反映沙尘强度的数值及其分布区间还有待于进一步完善。卫星遥感在南疆盆地常会将大片深厚的沙尘气溶胶区域误判为云区,造成对沙尘天气特别是沙尘暴天气未能识别的现象,另外IDDI指数不能用于夜间沙尘监测。

我国今冬和明春气候异常与沙尘气候形势的模式预测初步报告

首次利用气候模式作了跨年度的针对冬季和春季气候异常形势的预测试验。预测结果显示 ,今冬的气候特点为 ,我国北方降水正常 ,南方略偏多 ,气温在我国全境基本为正常 ,因此 ,不会出现暖冬现象 ,而欧亚大陆北部则为明显的暖冬。预测结果还表明 ,明春我国西北、华北、东北降水正常 ,其他地区略多 ,全国气温均较正常 ,因此 ,明春的沙尘暴形势如常 ,不会出现超出常年的春季沙尘暴形势。但由于近些年的气候变化趋势使然 ,明春的沙尘暴仍可能在局部时空段内相当严重。

应用Models-3/CMAQ模式对华北地区一次强沙尘天气的研究初探

根据2002年在ACE-Asia和TRACE-P试验中获得的亚洲区域污染源排放资料,结合由MICAPS能见度观测资料估算而得的颗粒物排放资料,利用美国EPA最新发展的Models-3/CMAQ模式系统,模拟研究了2002年3月华北地区发生的一次强沙尘暴个例。结果表明,(1)模拟的各气态污染物的时空演变及相互关系与已有的观测结果基本一致。(2)颗粒污染物的模拟结果也反映了已有的观测事实,粗细颗粒物呈一致的先降后升日变化趋势;沙尘过程前期,颗粒物污染主要来源于近地面污染源;沙尘期间,颗粒物污染主要源自外界沙尘的高空输送,且粗颗粒物污染是此次过程的首要颗粒污染。(3)该模式系统可用于沙尘气溶胶研究的进一步开发与利用。

沙尘输送模式的不确定性分析

利用一个远距离输送的沙尘模式估计了由于参数化过程(干沉降速度)和输入资料(源强和水平风场)的误差造成沙尘模拟的不确定性。通过对以上参数分别进行敏感性试验,分析了模式对2002年3月15～24日期间中国东部地区两次主要沙尘过程模拟的不确定性。结果显示,源区的潜在源强和气象水平风场的不确定性对模拟结果的影响最大,而干沉降速度的影响相对较小。同时,对不同区域[西部(<95°E)、中部(95°E～110°E)和东部(>110°E)]的潜在源强和干沉降速度参数进行敏感性试验发现,中部区域的参数设置对模拟结果的影响最大,而西部和东部区域的参数变化对模拟结果的影响很小。此外,不同高度的风场影响也不一样:地面风速影响最大,中层的影响较小,而高层(约6km高度以上)的风场几乎没有影响。

基于国际大气化学—气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划(Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP)旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a^(-1),区域年均地表浓度为41±27μg m^(-3),柱浓度为9±4 kg m^(-2),光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m^(-2)、0.7±0.4W m^(-2)和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m^(-2)、1.8±0.9 W m^(-2)和0.2±0.2 W m^(-2)。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。

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。

沙尘暴垂直输运的两相流理论Ⅰ:气块模式

沙尘暴是风蚀荒漠化中的一种天气现象,其形成受到两方面因素的共同影响:(1)自然因素,包括大风、降水减少及沙源;(2)人类活动因素,人类活动因素是指人类在发展经济过程中对植被的破坏以后,导致沙尘暴爆发频率数增加。沙尘暴已经成为中国西北、华北地区严重的气候灾害,而对沙尘的研究主要集中在起沙问题与沙尘沉降的问题,在理论上对前者研究较多,而对后者的研究则比较缺乏。假设空气块中带有沙尘,沙尘颗粒很小,随空气一起运动,可不计沙尘Stockes末速度,这样由空气和沙尘组成两相流。在两相流情况下,分析了均匀环境和非均匀环境条件下沙尘沉降的条件和速率。通过分析得到在均匀背景场下有利于沙尘沉降的条件为大的初始沙尘浓度扰动与小的初始温度扰动。进一步考虑更为真实的环境场,模式给出3种特征沉降区域:(1)速降区,沉降速率较快;(2)缓降区,沙尘先上升后下降,沉降时间较长;(3)波动区,沙尘在空气中不断地上下波动,此时很难判断沙尘何时沉降,取决于地面状况。同时也分析了沙尘不断上扬的背景条件。

沙尘暴垂直输运的两相流理论Ⅱ:气柱挟卷模式

为了改进气块法对沙尘沉降问题的研究,文中利用气柱法,考虑沙尘气体与环境的交换作用以及气柱内湍流交换作用。计算结果表明,均匀场中有利于沉降的条件为较大的初始沙尘浓度扰动与较小的初始温度扰动,而且温度扩散系数越大越有利于沙尘沉降,沙尘浓度扩散系数越大越不利于沙尘沉降,湍流过程在均匀场中对沙尘沉降影响不大。考虑到更真实的环境场,得出在环境的垂直沙尘浓度梯度与温度梯度的参数域中,初始沙尘扰动越大越有利于沙尘沉降,初始温度扰动越大,越不利于沙尘沉降。同时给出4种不利于沙尘沉降的过程:(1)上升浓度变化过程;(2)下沉浓度变化过程;(3)上升温度变化过程;(4)下沉温度变化过程。根据这些过程分析参数对沙尘沉降的影响得到:温度扩散系数越大越有利沙尘沉降;沙尘浓度扩散系数越大不利于沙尘沉降;垂直温度湍流交换系数越大有利于缓降区甚至是非沉降区的上升;垂直沙尘浓度湍流交换系数越大越有利于沙尘沉降。

大气模式差异对沙尘暴模拟结果的影响分析

使用中国科学院大气物理研究所的沙尘模式和澳大利亚新南威尔士大学的沙尘模式对2 0 0 2年和 2 0 0 3年的几个沙尘暴个例进行模拟研究 ,发现在模拟东亚沙尘暴中存在的一些差异。作者比较了模拟的沙尘通量和沙尘浓度的日变化差异 ,以及这种差异与摩擦速度之间的关系 ,并用 50 0hPa和 850hPa的模拟风速与摩擦速度作了比较。通过分析 ,作者认为大气模式中的边界层模式差异对沙尘暴中沙尘浓度的模拟能产生较大影响。

非结构网格空气质量模式对东亚强沙尘暴的初步模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量数值预报模式（NAQPMS）和英国帝国理工学院应用计算与建模小组（AMCG）研制的有限元流体模式（Fluidity）,构建了非结构网格沙尘传输模式（Fluidity-Dust）,并模拟再现了2010年3月19-22日东亚强沙尘暴整个暴发、演变的三维立体动态过程,从整体上对这次沙尘事件有了全新的直观认识和了解。通过利用FY-2D卫星沙尘反演资料及MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）卫星反演的气溶胶光学厚度（AOD）资料,可对模拟结果进行整体上对比验证;同时,利用中国9个城市站点的PM10（空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,即可吸入颗粒物）地面观测资料以及日本多个站点的激光雷达资料,逐一对比分析了不同地区PM10的时空分布以及沙尘传输经过时的垂直分布情况;并与NAQPMS模式的沙尘模拟结果进行了模式间的对比分析。对比结果均表明：该模式具有较好的模拟能力,能很好地模拟再现整个沙尘暴过程,为今后进一步运用自适应变网格技术以实现对沙尘暴的高精度追踪模拟奠定了基础。不同模式比较是量化模拟不确定性的重要方法。以往沙尘输送模式比较研究表明：起沙量模拟的不确定性是沙尘暴数值模拟的最大不确定来源。本文通过两个具有相同起沙方案的模式对同一沙尘事件的模拟,发现不同的平流方案以及不同的沉降计算也会对沙尘过程模拟产生重要影响。

基于模式分析一次沙尘暴过程中沙尘表面非均相化学过程对中国地区污染物浓度的影响

利用戈达德对地观测系统(GEOS)提供的再分析气象场GEOS-5驱动的GEOS-Chem模式,模拟中国地区2009年4月22~29日沙尘暴期间沙尘气溶胶表面非均相化学过程对我国污染物的影响。模拟结果表明,沙尘暴期间,全国平均沙尘硝酸盐和沙尘硫酸盐浓度分别为0.2μg m^(-3)和0.4μg m^(-3),占总硝酸盐(非沙尘硝酸盐与沙尘硝酸盐之和)和总硫酸盐(非沙尘硫酸盐与沙尘硫酸盐之和)的24%和10%。我国西部地区沙尘硝酸盐占比(>80%)要大于其他地区,而西部地区的沙尘硫酸盐占比则要小于下游地区。考虑非均相化学反应后,沙尘暴期间,全国平均的二氧化硫(SO_2)、硝酸(HNO_3)、臭氧(O_3)、非沙尘硫酸盐、总硫酸盐、非沙尘硝酸盐、总硝酸盐、NH_3、总铵盐浓度变化量分别为-7%、-15%、-2%、-8%、3%、-2%、14%、21%、-5%。

WRF-Chem中沙尘天气过程对模式分辨率及边界层方案的敏感性试验

利用数值模式WRF-Chem对兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)所在地区2010年4月10～11日的沙尘天气过程进行了水平分辨率分别为10、3和1 km的模拟分析。在每个试验中分别采用了YSU和MYJ边界层方案。结果表明,3种分辨率的试验都较好地反映了沙尘天气过程中PM10随时间的变化特征,显示出WRF-Chem对沙尘天气过程具有良好的模拟能力,但是在复杂地形区域,模式分辨率的提高并不能相应提高模拟结果的精度。在该试验中,采用MYJ边界层方案对PM10的模拟效果优于YSU方案,反映出在热通量对整个过程不具有决定性影响的情况下,MYJ方案取得了更加接近实际的结果。

基于WRF/chem模式的1961～2015年青藏高原逐日起沙量及对东亚沙尘气溶胶的贡献模拟

青藏高原可能是东亚上空沙尘气溶胶的重要源地。利用WRF/chem模式模拟了1961~2015年逐日青藏高原的起沙量,其结果表明:(1)起沙源区主要分布在高原西部、藏北高原南部、雅鲁藏布江及其支流河谷和柴达木盆地;(2)月起沙量具有双峰型结构,峰值分别出现在4~5月及11~12月;春季及秋冬季排放的沙尘气溶胶大致有以藏北高原为中心向东南方向分布的规律;(3)高原年平均起沙量为(10.13±1.89)Tg,从1961~2015年呈现震荡向上的趋势;(4)青藏高原对东亚(不包含青藏高原)月起沙量的平均贡献率为16%,其中冬季均能达到25%以上,1月最大可以达到48%。这一研究表明青藏高原是重要的沙尘源地。

GMS卫星监测沙尘暴自动化模式之建立

地球同步卫星(GMS-5)不但观测范围可涵盖地球表面的四分之一,且具有每小时的高时间解析观测能力等优点,非常适合于大范围地区沙尘暴之监测。由地表不同物种与沙尘在GMS-5卫星可见光频道(S-VISSR)反射特性之分析中,除了少部分的沙尘与低云或稀云之特性较为接近外,其余均可清楚地辨识。如能适时地建立沙尘暴发生前可见光频道的背景环境,即可侦测出沙尘暴所影响的区域及范围。由本文中之个案测试结果显示,利用GMS-5卫星可见光频道资料侦测沙尘暴具极高之可行性。因此,本文除成功地研究发展出利用卫星资料(GMS-5)监测沙尘暴之监测模式外,并已建立自动化卫星即时沙尘暴监测之作业模式,以及卫星监测沙尘暴结果即时自动上网,提供相关单位在沙尘暴即时信息之查询,对于沙尘暴之侦测及预报方面有莫大的助益。

《亚洲沙尘暴数值模式系统》在新疆的应用及检验评估

2006年底新疆气象局引进了《亚洲沙尘暴数值模式系统》,并对该系统进行本地化试验。2007年初该系统开始业务运行,运行情况良好。为了更好地了解该模式的各种预报指标,提高新疆沙尘天气的预报准确率,本文对2007年春、冬季时节该模式输出的沙尘预报结果分别进行了主、客观检验。并从检验结果可以看到,沙尘模式的预报能力非常强,区域预报有无检验一般60%以上,空报率也比较高,一般都在30%以上。但总的来说该模式对于强冷空气造成的大范围的沙尘天气有很好的预报能力,在新疆尤其是沙尘天气的高发时段,可发挥该模式的作用。本文对其使用的主客观检验方法进行了详尽的描述。

基于HYSPLIT模式的北京两场一次沙尘暴过程探究及气象服务保障分析

利用机场报文、ECWMF-ERA5再分析、北京市环境监测保护中心的PM10浓度等资料,运用HYSPLIT模式对2021年3月15日北京首都机场和大兴机场发生的一次强沙尘过程进行了研究,并结合对航空运行的影响探讨了此次过程的气象服务保障情况。结果表明:此次沙尘过程是由对流层中低层强干冷平流引导蒙古气旋后部冷高压东移南下导致的。冷高压前沿位置偏南,影响大兴机场的沙尘路径也偏南,同时沙尘翻山后受地面偏北气流影响向南扩散,使得大兴机场不仅出现大风天气,还出现了沙暴天气。影响首都机场的沙尘路径偏北,因此首都机场以大风天气为主。此次过程中,各级民航气象部门对大兴机场沙暴天气的预报前期较为乐观,但由于前期对大风的预报结论准确,过程中服务及时有效,此次沙尘过程对首都和大兴机场的航空运行影响相对可控。

RegCM-Dust模式对东亚一次沙尘暴天气过程模拟的效果检验

为检验区域气候模式与沙尘模式耦合模式RegCM Dust的性能,以2006年东亚地区一次沙尘暴过程为例,将模拟结果与观测资料进行对比,以检验模式对沙尘天气过程的模拟能力。结果表明:模式对沙尘暴过程的地面风场特征模拟效果较好,总体上重现了大风区的分布;地面沙尘浓度和沙尘光学厚度模拟结果与观测分布总体吻合。模式虽然是区域气候模式与沙尘模式耦合模式,但由于其内核是建立在中尺度数值模式MM4基础上,因此对天气过程尤其是沙尘天气过程具备较好的把握能力,对于沙尘天气过程预测具有良好的应用前景。

中尺度自适应模式对西北地区一次沙尘暴物理量场诊断分析

利用中尺度自适应模式,以实况资料作初始场,重点对西北地区“2000.4.12”的强沙尘暴的物理量场进行了数值模拟,结果表明:在沙尘暴爆发期间存在一个次级垂直环流,上升区位于锋前的中尺度低压后部,下沉区位于锋后冷高压前部;高空急流对沙尘暴发生区有很好的指示作用,强沙尘暴发生在200hPa高空急流入口区右侧、700hPa正涡度中心附近下方、次级环流的上升运动区内;高空急流发生变异时,导致对流层中下部锋区加强和大气层结不稳定,为沙尘暴的产生提供了有力的大尺度环流背景。

喀什地区灾害性大风沙尘暴天气过程分析及模式检验

利用常规观测资料、高空及地面实况资料,对2015年4月16日喀什地区的一次大风天气进行分析。结果表明:此次大风形势属于不稳定西风槽东移型;地面冷空气沿西南路径翻山进入盆地;16日11:00南疆西部沿山区等压线最密集,对应此时的风最强;喀什站与塔什干压差具有明显的指示意义。

治理沙尘源头,ppp模式大有可为

新中国成立以来,由于土壤沙漠化和草原植被的破坏,北京城一直被来自西北的黄沙、尘暴困扰。为了堵住沙尘的源头,国家在西北沙漠和草原投入了巨资,用于恢复往日的生态环境,但效果并不显著。为了探究其原因,我过去几年对西北很多有代表性的生态治理区域进行了调研,走访了一线治理沙漠化的人士,发现国家拨付的资金大多数并没有被直接地、科学地应用于环境恢复。