基于定量监测的沙尘暴定量预报方法

近年来,内蒙古自治区建立了6个沙尘暴监测站,对沙尘天气进行了连续、定量观测,在预报业务工作中可以得到器测能见度、PM10、TSP等定量数据,为沙尘暴的定量分析和预报提供了基础条件.选取了2004-2007年间内蒙古地区10次较强沙尘暴天气过程,利用内蒙古自治区的6个沙尘暴监测站器测资料,结合常规观测资料进行了分析.分析表明:器测数据具有连续、稳定、定量的优势;但器测数据与现行沙尘天气业务标准存在很大差异,需要新的分级标准.在现有数据条件下,初步确定了器测能见度、PM10的沙尘天气分级标准;讨论了沙尘暴形成的定量条件和机制,以沙尘综合指数、摩擦速度等为预报因子建立了器测能见度、PM10的沙尘暴定量预报方程.该预报方法在2008年的业务试用中预报效果较好.     

内蒙古东部春季三类沙尘天气气溶胶散射系数及其与PM10、能见度相关性分析

利用内蒙古东胜、锡林浩特两站2004~2006年春季（3~5月）积分浊度计的观测资料,结合同期PM10质量浓度、大气能见度等资料,分析了背景、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴等不同强度沙尘天气气溶胶散射系数的分布特征,讨论了不同强度沙尘天气过程中散射系数、PM10、能见度的日变化规律,以及不同强度沙尘天气过程中散射系数与PM10质量浓度、散射系数与能见度的相关关系。结果表明:散射系数能够很好地反映沙尘天气强度;随沙尘天气强度增强,散射系数日变化从双峰型向单峰型转变;沙尘天气强度较弱时,PM10与散射系数的日变化不相似,强沙尘暴过程中PM10与散射系数的日变化有一定的相似性;能见度与散射系数日变化趋势相反;散射系数与PM10质量浓度呈正相关性,沙尘天气越强,相关性越好,背景、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴相关系数分别为0.201、0.809、0.898和0.953;散射系数与能见度有指数相关关系,随沙尘天气强度增强二者相关性逐渐增强,背景、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴相关系数分别为-0.773、-0.870、-0.918和-0.940。     

用卡尔曼滤波制作河南省冬春季沙尘天气短期预报

在分析河南省冬春季沙尘天气气候特征的基础上，筛选出T213数值预报产品中与风速和能见度相关性较好的预报因子，采用卡尔曼滤波方法，分站建立了河南省冬、春季的风速和能见度短期预报方程，并利用相应的沙尘天气分级量化标准，在一定程度上实现了河南省冬、春季沙尘天气的短期分站、分级预报。业务运行时，又增加了两条判别指标进行后处理，有效地消除了液滴对能见度预报的影响，提高了沙尘天气预报的准确率。     

亚洲沙尘暴数值预报模式（CUACE—Dust）对吉林省主要城市预报能力检验分析

本文利用亚洲沙尘暴数值预报模式（CuACE—Dust）近地面层沙尘浓度GRADS格式产品和文本格式城市最高浓度和最高沙尘暴等级产品,结合吉林省主要城市长春、白城、延吉地面观测资料,通过有无检验和分级检验两种方式,利用TS评分、预报偏差、预报效率等检验统计量对最终检验数据进行分析,从而得到该模式对吉林省沙尘天气预报能力的结论及相关原因分析,为吉林省沙尘暴天气预报方法试着做出初步探索。     

沙尘天气的数值预报

沙尘天气预报的核心问题是要理解沙尘天气形成的物理机制,并定量地描述风沙的分布、强度、输送与沉降.沙尘天气的形成是一个复杂的物理过程,涉及到大气运动与地表状况等诸多因素.作者介绍了一个以数值预报为核心、以卫星观测与地理信息系统为资料背景的沙尘天气集成预报系统,特别是其中的起沙模式.作者运用该系统预报了2002年春季的沙尘天气,并用天气观测和采样观测资料对预报效果进行了鉴定.分析表明,预报系统不仅能定性预报沙尘天气的空间分布与时间演变,而且能定量预报沙尘源地、大气中的沙尘浓度、沙尘的输送以及沉降.模式72 h的预报仍然有较高的可信度.另外讨论了存在的问题和今后的研究方向.       

沙尘暴天气数值预报系统及其预报效果检验

沙尘暴天气数值预报系统包括区域大气模式、陆面过程模式、风沙模式(包括风蚀、输送和沉降模式)和地理信息系统。用该系统对2002年3月20日和4月7日2次沙尘天气进行了预报试验,利用地面观测资料和卫星观测资料对模式输出的主要沙尘天气预报产品进行了对比分析。分析结果认为,沙尘暴天气数值预报系统对沙通量、尘通量和垂直积分质量有很好的预报能力,但仍需改进陆面参数和沙尘气溶胶的初始值。     

河西走廊夏季强沙尘暴数值模拟试验

影响我国的沙尘暴灾害性天气多发生在春季,很少在夏季发生。文章利用我国科学家自主研发的GRAPES-DAM沙尘气溶胶模式对2005年7月一次罕见的影响河西走廊地区的群发性强沙尘暴进行了数值模拟,对夏季小概率强沙尘暴灾害天气的可预报性进行了个例研究。试验结果表明:模式对此次过程的地面大风、沙尘暴的范围、移动等均能做出较好的模拟;对于夏季群发性强沙尘暴过程,基于数值预报方法的沙尘气溶胶模式在天气模式预报准确的条件下,可以对这种小概率事件做出有应用意义的预报结果。     

2009年4月北方一次强沙尘暴过程的特征分析和数值模拟

利用观测资料对2009年春季4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素(气温、气压、风速)变化和PM10进行分析.结果表明:蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴的主要影响系统;沙尘暴过程前后温、压和风速有剧烈变化;PM10的强度能较好地反映沙尘暴强度.在观测资料分析基础上,利用沙尘暴数值预报系统对此次过程进行了模拟,采用模拟结果对地面沙尘浓度和起沙进行了分析.结果表明:模式能较好地模拟出这次沙尘天气的时间和空间演变特征,模拟沙尘浓度大值区与强沙尘暴的范围较为一致,比较白天早间和下午的沙尘浓度分布,发现其具有日变化;这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是南疆塔里木盆地、甘肃、内蒙古的西部及蒙古国南部,垂直沙通量超过50 mg·m2·s-1;沙尘浓度垂直输送的高度在550hPa以下,起沙后的沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离地输送;对不同地区起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同,但是对起沙量贡献最大的是粒径在2μm相似文献   

2006年春季最强沙尘暴过程的数值分析

对2006年春季最强的一次沙尘暴过程(4月9～11日)的影响系统和天气概况进行了分析之后,利用包含较先进的陆面过程方案,具有清晰物理概念的沙尘数值预报系统对该次强沙尘暴过程的地面沙尘浓度、起沙量的空间分布和时间演变进行模拟和分析.该系统能较好复制出这次沙尘天气过程的时间和空间演变特征,沙尘发生、结束的时间以及(在较大范围的)强度变化,也能较好再现沙尘天气的日变化特征.该次大范围强沙尘天气模拟的起沙源在塔里木盆地、吐鲁番盆地、甘肃西北、蒙古南部、内蒙古阿拉善和浑善达克沙地及其毗邻地区.在不同地区起沙过程中贡献最大的粒子粒径在不同的地区有所不同,但主要是粒径为2～22 μm.研究表明,具有风蚀物理学基础的该沙尘数值预报系统,不但物理图像清楚,而且效果也比较好.     

内蒙古科尔沁沙地起沙近地层动力学阈值的试验研究

利用内蒙古科尔沁沙地沙尘暴探测与监测试验站2008年和2009年春季沙尘和近地层观测资料,研究了不同沙尘天气条件下沙尘浓度随摩擦速度的变化规律,对比分析了不同天气(晴天、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)入射短波辐射和净辐射的演变,并利用两层高度沙尘浓度差,区分局地起沙和非局地起沙,有效地避免了沙尘水平输送引起的起沙阈值的低估。结果表明,起沙前,摩擦速度和沙尘浓度数值都较低;临近起沙阶段,摩擦速度迅速增大而沙尘浓度基本保持不变;起沙时,摩擦速度数值较高,沙尘浓度迅速增大;沙尘天气减弱阶段,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性减小。科尔沁沙地春季临界起沙摩擦速度u*t和临界起沙风速ut分别为0.62m.s-1和9.5m.s-1,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气的起沙阈值依次略有增加。与晴天天气相比,沙尘天气到达地面的短波辐射和净辐射明显减少。     

北京沙尘天气与源地积雪变化的关系

主要分析了北京沙尘天气变化规律及沙尘源区积雪变化与北京沙尘日数的关系,并探讨源区积雪变化影响北京沙尘天气的机制.研究表明55年来北京沙尘日数基本呈减少趋势,但1998～2000年又有所增加,沙尘暴日数也在减少,近10年北京没有出现强沙尘暴天气.而沙尘源区积雪深度和积雪面积与北京沙尘存在明显的负相关关系.冬季源区积雪减少(增加),很可能导致春季沙尘日数增加(减少),作者认为冬季积雪变化引起的土壤含水量变化是影响春季北京沙尘天气的原因之一.     

强沙尘暴微气象特征和局地触发机制

强沙尘暴是干旱地区一种破坏性极大的灾害性天气现象。本文分析了1993年5月5日强沙尘暴的微气象特征和各辐射分量特征。并结合这次强沙尘暴大、中尺度过程特征，分析了强沙尘暴和干飑线的形成和发展机制，干飑线发展具有一种沙尘造成的辐射冷却正反馈机制和局地不稳定大气的触发机制。进而根据这些事实建立一个干飑线发展的物理模型。     

Continuous Measurement of Number Concentrations and Elemental Composition of Aerosol Particles for a Dust Storm Event in Beijing

A continuous measurement of number size distributions and chemical composition of aerosol particles was conducted in Beijing in a dust storm event during 21-26 March 2001. The number concentration of coarse particles （ 〉2μm） increased more significantly than fine particles （ 〈2μm） during the dust storm due to dust weather, while the anthropogenic aerosols collected during the non-dust-storm period tended to be associated with fine particles. Elemental compositions were analyzed by using proton-induced X-ray emission （PIXE）. The results show that 20 elements in the dust storm were much higher than in the non-dust-storm period. The calculated soil dust concentration during the dust storm was, on average, 251.8μg m^-3, while it was only 52.1μg m^-3 on non-dust-storm days. The enrichment factors for Mg, A1, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, C1, Cu, Pb, and Zn show small variations between the dust storm and the non-dust-storm period, while those for Ca, Ni and Cr in the dust storm were much lower than those in the non-dust-storm period due to significant local emission sources. A high concentration and enrichment factor for S were observed during the dust storm, which implies that the dust particles were contaminated by aerosol particles from anthropogenic emissions during the long-range transport. A statistical analysis shows that the elemental composition of particles collected during the dust storm in Beijing were better correlated with those of desert soil colleted from desert regions in Inner Mongolia. Air mass back-trajectory analysis further confirmed that this dust storm event could be identified as streaks of dust plumes originating from Inner Mongolia.     

2000年4月5～7日浑善达克沙地沙尘暴天气过程分析

利用内蒙古浑善达克沙地11个代表站的观测资料以及NCEP再分析资料，对2000年4月5－7日发生在我国华北地区的扬沙、沙尘暴天气过程进行 气象要素分析、环流特征分析以及物理量诊断分析，力图为今后沙尘暴的预报研究提供一定的科学依据。     

山西沙尘天气的相关气候因子分析及预测模型的建立

对山西沙尘天气与蒙古国的降水、我国北方积雪日数、青藏高原积雪日数和表征气候异常变化信号的大气-海洋环流因子SOI指数的关系进行了分析,揭示了全球准周期性变化对沙尘天气趋势的主导性作用.得出蒙古国西部前一年降水对山西省的沙尘天气具有较好的指示性;青藏高原前一年冬季积雪日数和山西省的年沙尘日数呈较好的负相关性;当前冬青藏高原积雪日数多时,山西省少沙尘,反之,多沙尘.就我国北方特别是山西省上游地区的积雪日数而言,指示性比较强的区域分布在内蒙古、甘肃、新疆.这些区域内某些站点前一年冬季的平均积雪日数多时,山西省少沙尘,反之,多沙尘.此外,山西沙尘还与SOI指数有显著的滞后2 a的正响应关系,与SOI有滞后两年正相关的站点主要分布在中东部和东北部.在要素相关分析的基础上,综合各类因子制作了山西省沙尘预测模型,以期为沙尘天气的短期预测工作提供一些参考依据.     

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。     

利用静止气象卫星红外通道遥感监测中国沙尘暴

气象卫星的红外窗区通道 (8~12 μm) 对于通常大气气溶胶几乎没有响应, 但对于较大颗粒且浓度较强的沙尘气溶胶, 尤其是沙尘暴有明显的信号反应。空气中的沙尘在红外分裂窗通道表现出两个特征:一是对地表发射到空间的红外信号产生衰减, 造成卫星探测到的地气系统亮温降低, 这就是所谓的红外差值沙尘指数IDDI; 二是沙尘粒子在红外分裂窗两个通道的比辐射率不同, 11 μm比12 μm的比辐射率低, 从而造成这两个通道的亮温差是负值。基于这两个特征和沙尘多通道光谱聚类法, 针对静止气象卫星观测数据进行了沙尘暴卫星遥感监测业务算法开发, 输出沙尘暴监测产品和红外差值沙尘指数产品, 这一算法不仅用于已经退役的GMS-5卫星, 而且应用于正在运行的静止气象卫星FY-2C, 它还为沙尘暴的定量或半定量遥感提供参考借鉴。     

2006年春季我国沙尘天气特征及成因分析

利用全国673个站每日8个时次的地面天气报告资料和T213模式产品,分析了2006年春季我国沙尘天气的主要特征及其成因。结果表明:2006年沙尘暴、强沙尘暴范围偏大、沙尘天气强度偏强;2006年春季我国北方沙尘天气过程(17次)偏多、强沙尘暴过程(5次)是2000年以来最多的一年,其中2006年4月9 11日强沙尘暴天气过程的影响范围和强度为20世纪90年代以来第三位;沙尘多发期长、结束晚。2006年春季北方大部地区气温偏高,致使地表层解冻快,土质疏松;降水偏少,地表干土层增厚,为沙尘天气的发生提供了有利的条件。2006年春季东亚大槽偏强,影响我国的冷空气活动较频繁且势力较强,蒙古气旋活动频繁。前期偏暖少雨与冷空气和蒙古气旋的共同作用,是造成2006年春季我国沙尘强度明显偏强且多发期结束晚的主要原因。     

春季沙尘天气对内蒙古相关城市颗粒物污染影响研究

沙尘天气是造成我国北方春季区域性沙尘型重污染的主要原因,然而目前对此研究并不多见。因此,本文利用中国环保网2014年1月1日-2016年12月31日内蒙古11个城市环境监测站的颗粒物浓度的逐日和逐时资料,首先分析近3年该地区颗粒物污染浓度的年变化特征,然后对比这3年沙尘天气发生的次数及时段,探究颗粒物污染的年变化特征及其与沙尘天气之关系。统计结果表明,近3年春季内蒙古沙尘天气的发生次数是逐年增加的,中西部是沙尘天气频发区,与之相对应,西部颗粒物浓度的年变化高于东部,且造成内蒙古主要城市PM10浓度春季出现全年的最高值,表明沙尘天气频繁发生对当地粗颗粒物污染有显著的影响。对比内蒙古全年3个时间段的PM10浓度值,其排序是：春季沙尘期间＞春季非沙尘期间＞其他季节;即春季沙尘期间PM10浓度比非沙尘期间高69%,比其他季节高101%。有所不同的是,3个时间段平均PM2.5浓度排序则为：春季沙尘期间＞其他季节＞春季非沙尘期间;春季沙尘期间PM2.5的平均浓度比其他季节高16%,比春季非沙尘期间高29%;可见,春季沙尘天气对相关城市PM10浓度的影响明显大于对PM2.5浓度的影响。最后对内蒙古地区典型沙尘暴和扬沙个例进行细致研究, 发现沙尘暴个例中PM10浓度的增加倍数在2.3~15.1之间,而扬沙过程PM10浓度的增加倍数在0.8~5.6之间,两者相比可看出,沙尘暴过程对颗粒物污染的影响显著大于扬沙过程。