基于参数化方法的起沙模拟分析

基于参数化方法的起沙模拟分析

近年来，世界灰尘日益严重，对环境、生产生活产生了重大影响。目前对于沙尘暴的研究主要包括:沙尘暴的气候特征,沙尘暴成因,沙尘暴变化特征,气候因素对沙尘暴的影响,微观沙尘带电等方面,并相继建立了一些沙尘暴监测系统,也出现了很多沙尘暴的预测系统。但是现有的研究已经不能满足需要,需要建立更为准确的沙尘预报系统以及完善的监测系统,才不仅能定性,同时也可以定量的预测沙尘天气发生的范围和程度,为防灾减灾提供有效地服务。沙尘数值预报是沙尘起沙模拟结合大气数值模式而发展起来的。迄今已形成了区域沙尘模式(如CFORS、COAMPS、DREAM、CEMSYS5等)以及全球沙尘模式(GOCART、DEAD、MASINGAR)等多个沙尘预报模式。沙尘模拟是在多学科的基础上建立的,其中最为关键的地表沙尘垂直通量基于风沙物理学的研究成果,为沙尘数值预报模式提供边界条件。因此,沙尘数值模式模拟的准确性依赖于沙尘释放通量的准确计算。目前,地表沙尘通量的计算模型比较多,Shao等将参数化方案分为α-方案、β-方案和γ-方案3类。其中,α-方案用最早使用的,其地表通量表达为F~un*(u*为摩擦速度),主要依赖风速和地表状况,该方案不是谱方案,只能计算单一粒径。以Zender建立的DEAD为代表的β-方案虽然能够将粒径分组,但其地表沙尘垂直通量F~αQ(Q表示水平沙通量)的形式过于简单,并且需要已知全球的沙尘排放,这就给模式的实现带来了很大的不确定性;γ-方案是依据风蚀物理过程的谱方案,并考虑了3种起沙机制(空气拖曳力的夹卷、沙粒跃移轰击和集合粒子的分裂),Shao由此提出了基于3种起沙机制以及粒径谱分布的沙尘通量参数化方案,从这一意义上说,Shao的参数化方案是目前考虑因素较为全面的起沙模型之一,基于这一起沙方案的沙尘模式也被广泛的应用,如中国科学院大气物理研究所2005年将该方案耦合到MM5V3.7中开发了IAPS2.0沙尘天气数值预测系统;Shao等利用CEMSYS5成功的模拟了2002年和2003年春季东亚地区的沙尘天气。但是,即使目前正在应用中的模式,对沙尘天气预报的不确定性也很大。尤其,起沙通量公式中的关键参数如:土壤塑性压力P和cy的取值范围大,可能会造成对沙通量的错误估计,进而影响预报的准确性。本研究根据数值试验模拟结果的比较,首先分析了P与cy对起沙通量模拟结果的影响。并基于Kang等耦合了5个起沙方案的WRF/Chem沙尘集成预报系统,利用NCEP再分析气象资料作为驱动场,模拟了2007年3月27\_28日发生在中国西部地区的一次沙尘过程。在气象初始场相同的条件下,比较了土壤参数对沙尘数值预报模式输出的沙尘范围与浓度的结果,检验预报结果对地表参数的敏感性。1模型参数的确定地表沙粒受到作用其上的力包括:空气拖曳力fa、重力fg以及颗粒间相互作用力fi,这些力的大小都与粒径有关,可以简单的描述为:fg~d3,fa~d2,fi~d3(1)fg~d3,fa~d2,fi~d3(1)Gillette的研究表明,沙尘释放是由地表较大的跃移沙粒的冲击引起的,Shao等根据风洞实验提出F∝αQ(2)F∝αQ(2)式中:Q为水平沙通量;α为一系数。Owen根据观测给出Q与摩阻风速u*的关系,指出当摩阻风速大于起动摩阻风速,水平沙通量可表示为Q=cρagu3∗(1−u*tu∗)[1+(u*tu∗)2](3)Q=cρagu*3(1-u*tu*)[1+(u*tu*)2](3)式中:c为系数;ρ为空气密度;g为重力加速度;u*,u*t分别为摩阻风速和临界摩阻风速。(2)式仅能给出沙尘垂直通量的总量,且转换系数α的确定很难。实际应用中还要关注释放沙尘的粒径分布。为了能够描述其与粒径之间的关系,Shao引进两种极端条件下的粒径分布,记为粒径的全分布pf(d)和粒径的最小分布pm(d),即p(d)\?pm(d),u∗\?u*tp(d)\?pf(d),u∗\?∞(4)p(d)\?pm(d),u*\?u*tp(d)\?pf(d),u*\?∞(4)同时指出:产生沙尘的机制除了跃移沙粒的轰击以外还应包括:空气拖曳力夹卷和集合粒子的分裂。因此,将沙尘通量表达为3部分之和的形式F=Fa+Fb+Fc(5)F=Fa+Fb+Fc(5)式中:Fa,Fb,Fc分别为空气应力夹卷、沙粒轰击和集合粒子分裂所产生的沙尘通量。基于这种认识,Shao给出了由粒径为ds的沙粒运动产生的粒径为di的沙尘通量的表达式:f(i,j)=cy[(1−γ)+γpm(dj)pf(dj)]Qs(i)gu2∗(1+σm)(6)f(i,j)=cy[(1-γ)+γpm(dj)pf(dj)]Qs(i)gu*2(1+σm)(6)式中:cy为比例系数,cy越大表示轰击产生的土壤粒子能最终扬起的比例越大,Qs为粒径为ds沙粒的水平通量。γ为一权重使得p(d)=γpm(d)+(1−γ)pf(d)(7)γ=exp[−(u∗−u*t)3](8)p(d)=γpm(d)+(1-γ)pf(d)(7)γ=exp[-(u*-u*t)3](8)变量σm可以理解为有效轰击率。根据Lu等可表达为:σm=12u2∗ρsp(1+14u∗ρsp−−√)(9)σm=12u*2ρsp(1+14u*ρsp)(9)图2给出了不同土壤类型下不同cy的取值对沙尘通量F的影响。可以看出对于计算的4种土壤类型,不同的cy的取值直接影响了垂直沙通量,(6)式中垂直沙通量的值与cy呈线性正比关系,同时cy也是表示轰击产生的土壤粒子能最终扬起的比例系数,因此,cy取值越大,垂直沙通量也就越大。2模型区域的选择及模型验证基于WRF/Chem沙尘集成预报系统主要包括WRF/Chem以及Kang耦合的5个起沙方案两部分,其中的天气模式是新版本的WRF中尺度天气预报模式(WRFV3.0),WRF模式移植性强、易维护、效率高等特性,并集合了先进的数值方法、改进的物理过程以及资料同化技术,作为新一代的天气预报模式被人们广泛的应用。采用基于WRF/Chem沙尘集成预报系统中Shao的起沙方案,选取2007年春季发生在中国北方地区的一次沙尘(暴)天气过程,并将模拟结果与地面测站的观测结果进行了比较,给出起沙参数cy和P取值对沙尘暴预报结果的影响。模式区域的中心取在(35°N,105°E),模式的水平分辨率为30km,纬向共有200个格点,经向有150个格点,垂直方向分为27层。模拟的范围主要包括蒙古国、内蒙古以及华北和东北地区。气象模式的初始场和边界场均采用1°×1°分辨率的NCEP再分析数据,模式模拟过程每6h更新一次侧边界场,2007年3月26日00时模式开始积分,到28日12时结束,选取的沙尘天气过程持续时间为3月27日\_3月28日。2.1冷锋后关于砂区的地面天气形势分析2007年3月27-28日,内蒙古西部、甘肃河西地区和东部、宁夏大部、陕西北部、山西西南部等地的部分地区出现了扬沙。其中内蒙古西部的部分地区以及甘肃河西地区、宁夏东部、陕西西北部的局部出现了沙尘暴或强沙尘暴,沙尘天气过程为冷锋过境造成的沙尘暴,部分地区的风力达到7级,最小能见度为0.3km。据国家卫星气象中心监测,27日下午17时卫星观测到内蒙古西部地区和甘肃中部出现了沙尘天气,影响面积约为5万km2,夜间空中浮尘范围向东扩展,3月28日早晨的卫星观测图像显示,甘肃中南部、宁夏大部、陕西中北部出现了大范围尘霾覆盖区。图3通过对NCEP资料的再分析,给出了此次沙尘天气系统的演变过程。从850hPa高度场可以看出,27日08时低压中心位于(42°N,100°E),锋区位于甘肃的中北部、内蒙古西部地区,受地面天气图上河套地区冷锋影响,上述地区产生沙尘天气,对应上图的沙尘区域。到28日500hPa的气旋中心消散,有锋消的过程,系统减弱,预示着本次的沙尘天气过程的结束。2.2粉沙和黏土土壤类型的变化通常土壤粒径可以粗略的分为4种类型:沙砾(2000μm<d<2m)、沙子(63<d<2000μm)、粉沙(4<d<63μm)和黏土(d<4μm),土壤性质可以通过其粒径分布的不同加以区分,美国农业部根据沙子、粉沙和黏土的百分数将土壤分为12类,WRF-Chem中提供了16种土壤类型1,模拟时采用Shao等根据美国农业部的土壤类型给出的新的12种土壤类型,如表2所示。根据表2的土壤类型给出了中国及周边地区土壤类型分布(图4)。3对于预报结果的误差模式中黏土项包含了3,4,5,7,8五种土壤类型,因此,黏土项参数的不确定性会对预报结果造成较大误差,同时,根据表1所给出的土壤塑性压力值,对于黏土的不确定性更大,其取值从500~50000Pa。因此,我们首选粉沙黏土项(黏土)的参数进行数值试验,调整p和cy对此次沙尘天气进行模拟。3.1不同黏土项黏土的cy和p值对模拟结果的影响3.2不同ph值对全覆盖面沙门氏菌群的影响4地表土壤条件对预报结果的影响通过对比分析不同参数化方案,通过敏感性试验并与观测值对比,发现因子cy和土壤塑性压力p确为地表起沙通量模拟的敏感因子。p的取值越大,表明沙粒的轰击产生的土壤粒子体积越小,因此,沙尘通量越小,cy越大,表示轰击产生的土壤粒子能最终扬起的比例越大,沙尘通量越大。通过对2007年3月27\_28日发生在我国西北地区沙尘天气的模拟以及与测站结果的比较发现:当p的取值为5000Pa,cy取为1×10-5时可以获得与民勤测站符合的预报结果。随着p的增大,预报的沙尘最大值减小,同时模拟发生沙尘天气的范围略微减小,这是因为随着p值的增大,土壤的塑性压力增大,土壤紧密度增加,导致地表轰击作用产生的沙尘粒子减少;随着cy的增大,模拟PM10的浓度值增大,但模拟的沙尘分布范围却没有发生明显的变化。这表明地表土壤类型和状况对起沙有决定性的作用。此外,对比比例系数cy和土壤塑性压力p对模拟结果的不确定性得出:土壤塑性压力p的不确定性更大,对模拟结果的影响表现在模拟浓度的准确性,以及模拟中心浓度的位置上,这也更加说明了土壤类型和状况在模拟过程中的重要作用。完整的沙尘预测系统包含地理信息系统、大气模式、风蚀过程、陆面过程以及沙尘的传输过程等,他们之间的相互作用是复杂,影响沙尘天气过程预测的不确定性也不是单一的,模拟的沙尘浓度与观测的是否一致,依赖于准确的地理信息系统,还受到摩擦速度、空气密度、