浑善达克沙地对北京风沙天气过程的影响

浑善达克沙地对北京风沙天气过程的影响

沙气团的输送以及砂气团的中、长距离输送是气候、环境和生态环境保护的前哨科学问题。中国北方的大沙气候由强冷空气活动引起，沙气活动与气流活动密切相关。2000年3月至5月，蒙古维持着强烈的西北气流，土壤气候向东南移动，影响着中国。从蒙古到中国北方，形成了13个温带气候的平均值，比几年中的平均值高近1倍。冷空气的频繁入侵是当年春季沙气候恶化的主要原因。4月5日至7日的沙气候是一个漫长的历史进程，影响中国领土的最大面积为55.584.06km2。目前美国、加拿大等国家已具备沙尘暴天气的模拟和业务预报能力,有关沙尘天气和沙尘暴过程的数值模拟,国内也有很多研究工作,但局地沙尘源对下游区域沙尘天气的贡献方面很少被关注过.许多研究已对我国沙尘源地作了分析界定,但浑善达克沙地作为地处东部并靠近北京的一个重要沙尘源,目前还缺少对其作用的定量评估.2000年4月5～7日影响北京的强沙尘暴过程,最初在蒙古国南部沙漠爆发并南下侵入我国,其移动路径正好从浑善达克沙地经过,并在沙地及张北等土地荒漠化严重地区得到加强.本文利用中尺度沙尘传输模式,对2000年4月3～14日的沙尘天气过程进行数值模拟,初步评估浑善达克沙地对北京沙尘天气期间近地面沙尘质量浓度的贡献.1模型建立及仿真结果影响沙尘气溶胶时空分布的因子主要有起沙源强、平流输送、湍流扩散、化学变化和湿干沉降.沙尘浓度时空演变符合如下的连续方程∂C∂t+∂uC∂x+∂vC∂y+∂wC∂z=∇⋅K∇C+P+L,(1)∂C∂t+∂uC∂x+∂vC∂y+∂wC∂z=∇⋅Κ∇C+Ρ+L,(1)其中,C为沙尘质量浓度,u,v,w为风速,K为湍流扩散系数,P为源项,L为汇项.采用地形坐标下球坐标系,沙尘输送方程则为∂∂t(ΔH⋅Ci)+∂Rcosθ∂φ(u⋅ΔH⋅Ci)+∂Rcosθ∂θ(vcosθ⋅ΔH⋅Ci)+∂∂σ(w⋅Ci)=Kφ∂R2cos2θ∂φ(ΔH⋅∂Ci∂φ)+Kθ∂R2cosθ∂θ(ΔH⋅cosθ∂Ci∂θ)+∂∂σ(Kσ∂CiΔH∂σ)+S⋅ΔH−D⋅ΔH−Tw⋅ΔH+Tm⋅ΔH+Ta⋅ΔH,(2)∂∂t(ΔΗ⋅Ci)+∂Rcosθ∂φ(u⋅ΔΗ⋅Ci)+∂Rcosθ∂θ(vcosθ⋅ΔΗ⋅Ci)+∂∂σ(w⋅Ci)=Κφ∂R2cos2θ∂φ(ΔΗ⋅∂Ci∂φ)+Κθ∂R2cosθ∂θ(ΔΗ⋅cosθ∂Ci∂θ)+∂∂σ(Κσ∂CiΔΗ∂σ)+S⋅ΔΗ-D⋅ΔΗ-Τw⋅ΔΗ+Τm⋅ΔΗ+Τa⋅ΔΗ,(2)其中,Ci(i=1,9)为不同粒子谱浓度,S为起沙源项,D为干沉降项及下降末速度项,Tw为降水清除,Tm为微物理项,Ta为非均相化学项,σ为地形坐标σ(θ,φ)=z−h(θ,φ)H(θ,φ)−h(θ,φ)=z−hΔh,(3)σ(θ,φ)=z-h(θ,φ)Η(θ,φ)-h(θ,φ)=z-hΔh,(3)其中,H(θ,φ)为对流层高度,h(θ,φ)为地形高度.在地形坐标下,上下边界条件比较好处理,同时地形坐标下低层水平面是一个地形面,对于讨论污染物的分布是非常方便的.由空气质量守恒方程可得出等效垂直运动速度w:w=ω−uRcosθ(∂h∂φ+σ∂ΔH∂φ)−vR(∂h∂θ+σ∂ΔH∂θ),(4)w=ω-uRcosθ(∂h∂φ+σ∂ΔΗ∂φ)-vR(∂h∂θ+σ∂ΔΗ∂θ),(4)侧边界是单向面,允许物质流出但不许流入.上边界为封闭面,下边界为吸收边界,下边界主要的物理过程为起沙源强和干沉降.起沙模块在借鉴已有起沙机制模型的基础上,进一步考虑了东亚地区起沙的地形、下垫面状况、天气条件及气候背景等因素的影响作用,包括起沙条件和通量计算2部分.起沙条件采用由气象台站资料确定的我国平均临界起沙风速,并结合天气系统、下垫面土壤湿度等因子的影响.陆面输入参数包括下垫面类型及其沙尘含量权重因子、植被类型、植被覆盖率,地表植被分为15类,并考虑了植被及沙尘含量权重因子随季节和纬度的变化,以及沙漠及黄土等不同类型土壤颗粒的粒子谱分布等.传输模式还考虑了沙尘气溶胶在起沙、干沉降、碰撞结合、与云滴碰并和降水清除等物理过程中的粒子分谱和筛选,并将沙尘粒子依尺度大小分为9档(0.5,0.96,1.83,3.5,6.7,12.8,24.5,46.7,90.0μm),每档包括可以碰并增长但不可由水汽凝结增长、凝结增长的气溶胶及两者的混合体.大气模式主要提供高时间分辨率的气象场,沙尘传输模式采用地形坐标,垂直为8层(σ=0.005,0.025,0.075,0.15,0.275,0.45,0.65,0.875).模拟初始场为1°×1°的NCEP资料,模拟区域为71×44(75～146°E,16～60°N),每小时输出1次结果.文中对沙尘传输模式进行了必要的修改,主要涉及地表植被分布、土壤颗粒谱分布等,考虑了浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔等沙地及华北荒漠化土地的影响.其中地表植被和土地利用依据2000年春季沙尘暴过程途经地区的土壤侵蚀(1∶10万)、土壤质地(1∶25万)和土地利用(1∶10万)实地调查及卫星遥感资料进行修改(14,15).浑善达克沙地土壤颗粒的粒谱分布应用外场观测分析结果见图1.2低频大气沙线分析卫星云图和气象资料可知,4月3～9日有3次东北低涡影响我国,均为春季季风冷平流沿低涡后部由贝加尔湖北部侵入我国.西北、青藏高原、山东半岛南部及黄海皆为高压控制,冷空气活动异常活跃,在冷锋经过的地区,包括蒙古高原、内蒙、甘肃、宁夏、陕西、山西、河北及京津地区先后出现沙尘暴天气,其中以5～6日过程影响面积最大.北京位于东北气旋的冷锋西南尾部,而冷锋的西北和东南均为高气压控制,因此冷暖空气交会及辐合异常强烈,当然北京的沙尘天气还与地形条件有关.模拟风场与分析及实际风场的对比表明,大气模块对水平和垂直风场具有较好的模拟能力.图2给出5～6日强沙尘天气期间低层大气中(50m)沙尘质量浓度的模拟场,与同期气象台站的地面天气现象记录,以及卫星拍摄的沙尘云图片比较,不难发现,沙尘质量浓度的模拟场基本上同地面天气现象观测相吻合,尽管卫星云图判识的沙尘云范围、强度及其移动路径是整层大气内沙尘输送和沉降的总效果,但模拟的低层大气沙尘浓度时空分布与卫星监测结果具有较好的一致性.从图2还可以看出,整个沙尘天气过程自5日12时(UTC,下同)开始,至6日15时已基本结束;6日00时沙尘浓度高值区在浑善达克沙地;03时左右,除浑善达克沙地外,张北、丰宁及北京西部与河北省交界处等地出现一个次高值区;06时左右,张北、丰宁、北京及其周边已成为沙尘浓度最高区,浑善达克沙地为次高区,但浓度量值比前期已降低;09时以后,华北地区沙尘浓度逐渐降低,高值区逐渐移向渤海附近,沙尘影响范围也大大缩小.因此,5～6日沙尘天气过程,其前期沙尘源主要在浑善达克沙地及其毗邻农牧交错带,后期沙尘源主要在张北、丰宁、北京西部及河北西部与山西交界处等土地退化及荒漠化严重地区,此结果与卫星监测及赵琳娜模拟结果相同.大气能见度常因沙尘粒子的出现而降低,以朱日和、多伦、丰宁、张北、张家口、北京沙河、北京南苑、唐山、塘沽和静海9站为例,5～6日沙尘天气期间,同时刻大气能见度与低层大气沙尘浓度模拟值的负相关系数均超过0.70,且通过了0.01信度检验(表1);华北及内蒙36站(另增化德、集宁、毕克齐、公庙子、锡林浩特、怀仁、灵丘、定襄、汾阳、承德、平泉、建昌、青龙、遵化、定兴、易县、坝县、保定、石家庄、元氏、刑台、长治、杨村、沧县、故城及临汾)同时刻大气能见度与低层大气沙尘浓度模拟值的负相关性比上述10站整体上有所降低,但沙尘天气严重时仍在0.70以上.另外,5～6日沙尘天气期间,北京近地面沙尘平均浓度的模拟值(5820μg/m3)与同期观测值(5980μg/m3)较为接近.7～14日期间,内蒙及华北地区共出现3次不同强度的沙尘天气过程,低层大气沙尘浓度模拟场与同期气象台站的天气现象观测也基本一致.大气中沙尘粒子浓度越大,其对可见及近红外波段太阳辐射能的衰减越强,同时沙尘气溶胶粒子群的红外热辐射作用也越强.3～14日北京沙尘天气期间,低层大气中沙尘浓度的模拟值与同时刻大气热红外亮温,以及与气溶胶可见波段光学厚度均具有较好的相关性.总之,沙尘传输模式对3～14日的沙尘暴过程具有很好的模拟和再现能力,模拟结果表明,2000年4月沙尘天气主要影响华北、东北、内蒙及华东部分地区,悬浮高空(1500m)的沙尘气溶胶随气流向东进入朝鲜半岛、日本甚至太平洋的上空.3不同气象源高效运行的动态模拟浑善达克沙地是我国四大沙地之一,位于内蒙古高原东部,阴山北麓,东西长450km,南北宽50～300km,总面积为7100810hm2,海拔1000～1400m,西部以半固定沙地为主,并伴有点状分布的流动型沙丘链,东部以固定沙丘为主.其与周边农牧交错带是首都北京北部的生态屏障,也是沙尘暴从北部路径影响北京的主要沙源之一.为初步评估浑善达克沙地在沙尘天气期间对北京近地面沙尘浓度的贡献,文中还利用沙尘传输模式就单纯浑善达克沙尘源进行敏感实验.图3给出5～6日沙尘暴过程中单纯由浑善达克沙地起沙的低层大气沙尘浓度场模拟情况.对比图2不难看出,源于浑善达克沙地的沙尘气溶胶主要影响内蒙东部及东北、华北的部分地区,但浓度高值及影响范围明显比实际沙尘天气缩小.悬浮高空的沙尘气溶胶随气流最远可到达日本海上空.图4给出5～6日北京沙尘天气期间,低层大气中来自浑善达克沙地远程传输的沙尘浓度模拟值与沙尘总浓度模拟值比值随时间的变化,其中沙尘总浓度指所有沙尘源起沙的沙尘浓度模拟值.可以看出,沙尘暴初期来自浑善达克沙尘的质量浓度所占沙尘总浓度的比例随时间增大,而后期其所占比例趋减.表2给出模式模拟的3～14日4次沙尘天气过程中,北京低层大气沙尘总质量浓度中来自浑善达克沙地沙尘所占的百分比,其中平均代表整个沙尘天气期间所有时刻,来自浑善达克沙地的沙尘占沙尘总浓度百分比的平均值;最大为沙尘总浓度最大时刻,浑善达克沙尘所占沙尘总浓度的百分比;最小则为沙尘总浓度最小时刻,浑善达克沙尘所占沙尘总浓度的百分比.可以看出,5～6日沙尘天气期间,来自浑善达克沙地的沙尘平均占到沙尘总浓度的20.9%,沙尘总浓度最大时其占到沙尘总浓度的31.2%,沙尘总浓度最小时其占到1.27%;对于粒径小于2.5μm(含2.5μm)的沙尘粒子,平均百分比高达24.1%,最大浓度时百分比为35.3%;小于10.0μm(含10.0μm)的粒子,平均百分比高达23.6%,最大浓度时百分比为34.7%;大于10.0μm的粒子,平均百分比高达11.0%,最大浓度时百分比为17.8%.相比其它几次沙尘天气过程,5～6日过程中浑善达克沙地对北京低层大气中沙尘含量的贡献最大,这与此过程中浑善达克沙地为主要沙尘源之一有关.地面天气现象记录表明,5～6日沙尘天气过程主要影响浑善达克沙地、外蒙和华北的部分地区,7～8日和10～11日过程主要影响内蒙古中西部、外蒙及西北的部分地区,9日过程则主要影响内蒙古中部和华北大部地区.表3给出3～14日4次沙尘天气期间其它沙尘源对北京近地面平均沙尘总浓度的贡献,包括蒙古国荒漠(110～115°E,45～48°N;105～110°E,43～47°N;100～105°E,43～46°N;97～100°E,43～45°N)、张北及周边农牧交错带(110～115°E,40～42°N;115～120°E,41～42°N)、北京及周边荒漠化土地(115～117°E,39～41°N)及华北退化农田(115～120°E,35～39°N;110～115°E,35～40°N;117～120°E,39～40°N)4个不同的沙尘源.可以看出,在4次沙尘天气期间,北京及周边荒漠化土地的局地起沙对北京低层大气沙尘总浓度的贡献相对较大.就5～6日沙尘暴过程而言,近地面大气中来自张北及周边农牧交错带的沙尘平均占到沙尘总浓度的23.8%,而来自北京局地起沙的沙尘占到沙尘总浓度的42.25%,这一比例远高于浑善达克沙地和张北农牧交错带.从上述模拟结果可以初步认为,局地起沙是沙尘天气条件下北京低层大气中沙尘颗粒物的主要来源,在北向路径沙尘暴影响北京时,浑善达克沙地和北方农牧交错带也是重要的沙尘来源.4其它其它源的影响本文利用沙尘传输模式对2000年4月3～14日的沙尘天气过程进行模拟,并初步估计了浑善达克沙地对北京低层大气沙尘浓度的贡献,获得以下主要结果:(1)沙尘天气过程