基于regcm3的一次强暴风雨数值模拟研究

基于regcm3的一次强暴风雨数值模拟研究

严重的沙带通常是由于强烈的冷梯度过渡时期形成的。土壤砂源区的沙子和土壤颗粒穿过层，随着不稳定大气方向的方向在周围传播，导致空气多云和水平能见度小于500m的恶意天气。中国北方地处内陆干旱、半干旱地区,降水稀少,且分布着塔克拉玛干、古尔班通古特、巴丹吉林等几大沙漠,具有丰富的沙源。同时,春季锋面及气旋活动较多。因此,春季是我国北方沙尘暴活动最频繁的季节。沙尘天气不但使中国北方地区的空气质量急剧下降,而且会对交通运输和人民的生产及生活造成重大影响。2006年是我国沙尘暴活动最频繁的一年,仅4月份就发生了多达7次沙尘暴,其中爆发于4月9~11日的沙尘暴是我国北方22a难遇的一次特大沙尘暴。此次沙尘暴夺去了8人的生命,造成一辆从乌鲁木齐开往北京的特快列车中途严重受损以及内蒙古高速公路上11起交通事故,并且给人民造成了无法弥补的损失。由于本次沙尘暴强度大,波及范围广,因此本次沙尘暴过程受到人们的广泛关注。张加云等研究了本次沙尘暴对中国北方城市空气质量的影响,认为城市大气污染的发生与冷锋过境有关,并按照冷锋过境前后将受到沙尘暴影响的城市划分为两类。任余龙等利用中国气象局的沙尘暴模式(GRAPES-CUACE/Dust)和位涡理论研究了触发本次沙尘暴天气过程的机制,发现高空急流的产生导致地面风速增强而引发此次强沙尘暴爆发。此外,孙建华等利用中国科学院大气物理研究所沙尘暴数值预测系统研究了本次沙尘暴从起沙、传输到沉降等整个过程。目前人们主要通过常规地面观测资料、天气预报模式,遥感以及环境监测来研究沙尘暴活动特征、产生机制、来源、移动路径以及对城市空气质量影响。由于地域的限制,常规的气象站点观测资料无法把握沙尘暴循环的整个过程。同时常规的站点观测和常规的气候模式也难以估算地面沙尘通量、大气沙尘载荷以及沙尘的AOD等。因此,耦合了沙尘模块的高分辨率区域数值模式在研究沙尘暴天气过程,特别是起沙、传输、沉降以及AOD的时空分布等方面发挥着重要作用。Zakey等人最先将沙尘模块耦合于RegCM3中,为利用区域气候模式开展沙尘暴过程以及沙尘气溶胶的气候效应的模拟研究奠定了基础。随后,它分别被用于研究沙尘气溶胶对非洲西部区域降水和季风的影响,撒哈拉大沙漠沙尘暴的爆发过程以及沙尘气溶胶对东亚区域气候的影响,并被证明是研究沙尘暴活动和区域气候的有利工具。沙尘模式的引入使得科技工作者对东亚沙尘暴活动特征的把握更加准确和深入。许多学者应用和发展了不同的沙尘气候模式用于研究东亚沙尘暴活动。由于各种模式的内核、沙尘模块中起沙机制的参数化方案以及模式所使用的下垫面植被类型有差异,因而模拟结果略有不同。邵亚平利用一个沙尘模式预报2002年春季沙尘天气,该模式仅在短时预报有较高可信度。雷航等将一个沙尘模式与MM5V3.7耦合,建立了沙尘天气数值预测系统(IAPS2.0)。该系统采用更为先进的Noah陆面模式,对沙尘天气过程具有更好的模拟能力。周荣卫等将一气溶胶扩散模式与RIEMS耦合用于模拟中国地区沙尘气溶胶输送过程。陈广善等将矿物沙尘释放与沉降模式和全球大气化学传输模式相耦合,建立MATCH-DEAD模式系统并用于研究亚洲大气沙尘时空分布。陈勇等利用一个天气-沙尘双向耦合模式研究了沙尘辐射效应对气象场的反馈作用,并指出考虑沙尘辐射反馈能提高模式对沙尘天气过程的预报水平。王宏等建立了中国沙尘天气预报系统(GRAPES-CUACE/DUST),该系统采用中国地区最新的下垫面以及沙尘气溶胶特性资料,对东亚地区沙尘暴的预报比较准确。而利用RegCM3对亚洲沙尘暴活动的模拟较少,为了检验和改进该区域气候模式对亚洲沙尘暴以及沙尘AOD的时空分布的模拟能力,本文将利用耦合了沙尘模块﹝12﹞的RegCM3/Dust模拟发生于2006年4月9~11日的强沙尘暴爆发过程,对沙尘爆发后沙尘起沙率、柱含量、混合比和AOD做详细的分析,并将模拟结果与其它模式的模拟结果及相关的观测资料进行对比。1亚有一东北-西南走向的长波槽图1给出本次沙尘暴过程500hPa位势高度场。4月9日8时(北京时,下同),一高脊位于乌拉尔山,脊前西伯利亚有一东北-西南走向的长波槽。槽后有强的偏北冷平流,冷空气大量在此堆积并形成一个强的闭合冷空气中心,同时长波槽在冷空气的驱动下迅速向中蒙边境移动。4月10日8时,该槽分裂为两部分:一个继续向东移动,进入中国内蒙、甘肃和蒙古国交界地区;另一部分向南发展,进入印度和巴基斯坦,随高空槽东移入海,高压脊占据了整个东亚地区,天气逐渐好转。2模式与数据处理RegCM3是由意大利国际物理研究中心在区域气候模式RegCM2的基础上发展改进的第三代区域气候模式。该模式耦合的沙尘模块是Zakey等发展的,其中沙尘被划分为4档,包括细颗粒(0.01~1.0μm)、积聚颗粒(1.0~2.5μm)、粗颗粒(2.5~5.0μm)、巨核(5.0~20.0μm)。整个沙尘循环过程包括起沙、传输和沉降。沙尘的传输主要包括水平平流输送、湍流扩散、深对流、重力沉降、干/湿沉降等过程。沙尘起沙的参数化过程是沙尘模块的核心,主要依赖于周围风场、土壤特征和沙尘粒径大小等。计算起沙通量是基于对土壤聚合性跳跃和喷砂过程的参数化。主要计算步骤为:(1)区分模式每个格点上土壤总颗粒的大小分布情况;(2)计算能够触发沙蚀和喷砂过程的临界摩擦速度;(3)计算水平跃迁的沙尘的总质量通量;(4)计算由于沙尘跃迁产生的可移动的沙尘的垂直质量通量,具体过程详见Zakey等的文章。在本文的模拟中,模式水平分辨率设为50km,模拟的中心区域位于(35°N、105°E),水平网格点数为160(东西)×112(南北)。模式所取的范围包括中国、印度及周边地区(图2),垂直方向分为18层,大气顶层高度为10hPa。该模式动力框架基于中尺度模式MM5,辐射方案采用NCAR的CCM3(communityclimatemodelversion3),陆面采用生物圈-大气传输方案(BATS1e),行星边界层采用Holtslag方案,积云对流参数化方案设为Grell方案。模式的初始和边界由美国国家环境预报中心(NCEP)经过再分析处理的水平分辨率为2.5°×2.5°一日4次的格点大气环流数据集得到,海平面温度采用NCEP/NCAR的最优插值海表温度(OISST)资料。植被和土地利用资料选用分辨率为10′分辨率的全球陆地覆盖特征数据。模式在模拟过程中在线耦合运行沙尘模块,积分时间从2006年3月25日~5月13日,其中3月作为模式的初始化(spin-up)时段,不做分析。本文分析时段主要为4月8日到4月12日。TOMS卫星能够在近紫外线处探测沙尘暴,因为在Rayleigh散射的大气中,TOMS卫星能够通过对比紫外光波段进而测量由于气溶胶辐射效应引起的光谱变化。TOMS获得的气溶胶指数(AI)可以近似地指示沙尘荷载、光学厚度以及沙尘的分布,并且被广泛用于检验模式对AOD的模拟能力。因此,本文将利用TOMSAI气溶胶指数检验模式对沙尘AOD分布的模拟能力。此外,还将利用气象站点观测的能见度资料,国家环保局监测的城市空气污染指数(API)定性地检验RegCM3对本次沙尘暴爆发区域的模拟效果。3结果分析3.1空气活动的影响模拟表明,锋面过境和气旋活动产生的强水平切变风和剧烈的垂直运动导致了塔里木盆地、吐鲁番盆地、古尔班通古特沙漠以及河西走廊地区沙尘暴大面积的爆发。4月9日8时(图3a),中国新疆北部受到一强气旋活动的影响,气旋中心位于塔里木盆地北部。塔里木盆地在气旋活动的作用下,其东部和南部分别受到南风和西风的影响。此时,起沙位于塔里木盆地的南部。12h后(图3b),蒙古气旋向东移动,冷空气活动加剧,新疆北部主要受到北风的影响。由于天山的阻挡作用,北风主要分为两部分进入塔里木盆地:一支绕过天山左侧进入塔里木盆地,另一支从新疆东北部经准格尔盆地,穿过吐鲁番进入塔里木盆地;同时塔里木盆地还受到一支东向气流的入侵,强的东风和北风将塔里木盆地的沙尘卷起,沙尘发生的中心区域沙尘起沙率高于3mg·m-2·s-1(图3b、3c)。此外,河西走廊地区,受到蒙古气旋的影响。强西北风在此水平切变,同时蒙古气旋在此产生的剧烈垂直运动导致了蒙古和甘肃交界处也大规模的爆发了沙尘暴(图3c)。4月10日(图3d),锋面过境后,反气旋占据了新疆的中部地区,强的东风气流使得塔里木南部地区仍然有起沙。本研究对这次沙尘暴整个爆发过程及对应地面风场的模拟与孙建华等利用中科院大气所模式模拟的结果大体一致;同时RegCM3模拟的源区起沙率(3mg·m-2·s-1)比王宏利用GRAPES-CUACE/Dust(1mg·m-2·s-1)模拟的沙尘起沙率要大,但比孙建华等模拟的起沙率要小。另外,RegCM3对中国北方沙尘暴爆发源区模拟较好,这都表明RegCM3对本次沙尘暴的模拟是成功的。但RegCM3对外蒙古沙尘排放较少及内蒙古东部无沙尘排放的模拟不足,这可能是由于模式抽取卫星反演的下垫面土地利用和植被类型资料与真实情况有差异造成的。3.2沙区主要气象条件沙尘暴爆发后,中国整个北方地区都被沙尘所笼罩,沙尘柱含量极值中心主要位于沙尘源区。4月10日8时(图4a),沙尘暴爆发于塔里木盆地、吐鲁番盆地、古尔班通古特沙漠和巴丹吉林。受蒙古气旋活动的影响,空气垂直运动显著,沙尘柱含量在沙尘源区高达3000mg/m2。此外,西藏西北部由于受到西南风的影响,沙尘柱含量也很高,介于1500~2500mg/m2。数小时之后,源区沙尘受西北风影响向东部地区扩散,华北地区沙尘柱含量介于500~1000mg/m2,源区沙尘柱含量有所降低(图4b)。分析700hPa风场,发现沙尘的传输主要受到西风作用的影响。锋面过境产生的最大风速超过20m/s的强风和气旋抬升作用为沙尘的传输提供了动力。3.3混合比分布特征模拟结果表明,沙尘的垂直混合比越大表明沙尘源区有气旋作用导致的强烈上升运动。4月10日8时沿40°N沙尘垂直混合比有一个极大值区域,位于新疆塔里木盆地(80°~90°E),沙尘混合率介于20~40kg/kg(图5a)。模拟的混合比分布特征与NCEP观测的气流垂直运动分布特征基本一致(图5b)。NCEP观测的垂直风分量在75°~95°E处从地面到高空均为负值,表明此处为气流上升运动显著区。这证明RegCM3对本次沙尘暴的起沙过程模拟是成功的。3.4不同源区的砂尘治理模拟结果图6给出了RegCM3模拟的本次沙尘暴整个过程沙尘的总排放量与沉降量分布。沙尘排放主要位于中国的西北部,其中新疆北部(古尔班通古特沙漠)、新疆南部(塔里木盆地)及内蒙古西南部(巴丹吉林沙漠)是沙尘排放的主要源区,沙尘总排放量都在50g/m2以上,此模拟结果得到了孙建华等模拟结果的印证。对比孙建华等利用IAP2.0的模拟结果,RegCM3模拟的沙尘沉降区域广泛,覆盖中国的整个北方地区,沙尘可以传输到中国东部沿海,最远可以在日本海附近沉降(图6b)。3.5不同区域和中心值沙尘的光学特性一般用AOD表示,而AOD代表了整个大气柱中的沙尘颗粒对大气的消光程度。RegCM3中的辐射方案采用米散射理论来计算AOD。为了检验模式对沙尘过程中沙尘大气柱含量的模拟能力,我们将沙尘爆发期间模式模拟的AOD与TOMSAI气溶胶指数进行了对比(图7),结果显示模拟的AOD时空分布与TOMSAI在沙尘发生区和其下游能够较好地吻合。4月10日是沙尘暴大规模爆发的第一天,AOD分布由西向东呈递减的趋势,且有两个高值中心。一个位于新疆塔克拉玛干、吐鲁番和古尔班通古特沙漠地区,AOD中心值大于2.5;另一个位于甘肃河西走廊和内蒙古交界地区,AOD中心值介于2.0~2.5。东部地区AOD低于1.0。同时,TOMAI在西北塔里木盆地以及内蒙古中部地区有两个高值中心,与模拟的AOD分布对应,中心值介于1.5~3.0,在华北地区,TOMSAI小于1.5。观测资料也显示当天沙尘源区及沙尘传输的下风方向地面能见度急剧下降(图7a)。4月11日,沙尘暴强度有所减弱,模拟的沙尘源区的AOD与TOMSAI的区域和中心值具有比较好的一致性。源区及附近沙尘能见度与4月10日相比有所下降,但仍然很低(图7b)。此外,随沙尘暴的爆发,中国北方主要城市API指数急剧增加。此次沙尘暴主要爆发于4月10日,而地面沙尘混合比(35°~40°N,95°~110°E)与API指数都在4月10日开始增加并于4月11日达到峰值(图8),其中西安和呼和浩特的API达到300左右,而银川和兰州的API均高达500以上。这表明沙尘暴是造成中国北方城市空气质量恶化的一个主要原因(图8)。RegCM3模拟的AOD分布与王宏等模拟的AOD分布大体一致,同时RegCM3模拟出了中国北方有两块沙尘气溶胶消光效应最大的地区,一个位于新疆塔里木盆地,另一个位于甘肃河西走廊;此外,模拟的AOD与TOMSAI气溶胶指数高值区、能见度下降区域能够较好的吻合,这表明RegCM3较好地模拟出了沙尘源区及下游的沙尘气溶胶的空间分布。4对源区砂沙的影响本文利用耦合了沙尘模块的区域气候模式RegCM3模拟了2006年4月9~11日发生在中国北方的一次强沙尘暴爆发和天气形势,分析了沙尘的起沙过程、柱含量、垂直混合比和AOD分布等。锋面过境造成中国北方大范围强风,强的气旋性切变是引起2006年4月10日沙尘暴爆发的主要原因。通过分析沙尘起沙率发现沙尘暴主要爆发于塔里木盆地和吐鲁番盆地,以及甘肃中部及内蒙古西部地区。蒙古气旋的形成和发展对沙尘暴的爆发传输起主导作用,锋后反气旋活动对塔里木盆地的沙尘暴的维持有一定的作用。沙尘暴爆发后,源区的沙尘柱含量最高,达3000mg/m2。随后,源区的沙尘受到西北风和西南风的影响,被搬运到华北地区,甚至到达朝鲜半岛及日本海。沙尘混合率极大值区域与NC