沙尘天气定量分级方法研究与应用

利用已有的关于能见度与沙尘浓度统计反演关系的研究成果,对沙尘天气进行了定量分级研究.利用2004、2005年春季3～5月沙尘天气地面气象观测资料,采用沙尘天气的强度分类与反演的沙尘浓度分级的统计方法,建立了不同沙尘天气(扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)对应的沙尘浓度等级,并通过对2006年沙尘天气的实例分析,验证了该种分级方法的可用性.通过由能见度反演的观测结果与沙尘数值预报模式的对比分析,探讨了沙尘数值预报业务模式产品的天气学释用方法,建立了不同强度沙尘天气与沙尘数值模式输出的浓度之间的定量分级关系.     

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   

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.     

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.       

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.     

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。     

一个改进的沙尘天气数值预测系统及其模拟试验

在中尺度气象模式最新版本MM5V3.7的基础上,通过与一个起沙模式的耦合,建立了一个新的中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)沙尘天气数值预测系统(IAPS 2.0).该系统与IAP原有的沙尘天气数值预测系统(IAPS 1.0)最主要的差异在于气象模式中陆面过程模式的改进.利用改进前后两个版本的预测系统对2002年4月发生在我国北方地区的两次较强沙尘(暴)过程进行了数值模拟,并与观测实况进行了比较,结果表明改进的系统对沙尘天气的预测能力比改进前的版本有显著的改进,这主要是由于新的陆面模式改善了地表土壤湿度的模拟,进而改进了决定起沙与否的关键因子临界摩擦速度的模拟,从而提高了预测系统对起沙范围和强度的模拟效果.总的说来,采用了更为先进的Noah陆面模式的IAP沙尘(暴)天气数值预测系统对中国北方春季沙尘(暴)天气过程具有更好的模拟能力.     

2004 年春季一次较强沙尘暴的实时预报与特征分析

首先对2004年春季最强的一次沙尘天气过程进行了简要分析,然后利用业务化的集成沙尘数值预报系统对其进行了数值预报试验,并在检验了预测结果的可用性的基础上,进一步分析了沙尘浓度、起沙量等模式输出结果的特征。结果表明:该预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程预报能力较好;对沙尘天气的发生、发展和消亡过程有预报意义。这次过程的沙尘源地主要是蒙古国南部和中蒙边境沙地,包括毛乌素沙地、腾格里沙漠和浑善达克沙地;起沙和输送过程中各种粒子的贡献随着沙尘天气发生区域的不同而不同,这次过程中起沙量贡献主要是粒径为2~22μm的粒子,在大气中长时间长距离输送的粒子主要是粒径小于11μm的粒子。     

沙尘天气过程沙地下垫面沙尘通量的获取与分析研究

利用浑善达克沙地地区2004年春季沙尘暴和微气象学加强观测实验资料,计算了浑善达克沙地地区不同沙尘天气条件下湍流交换系数、湍流动量通量和感热通量、沙尘浓度通量;研究了沙尘暴过程中湍流作用、沙尘输送特征及起沙条件。结果显示:浑善达克沙地地区非沙尘天气白天近地层热力湍流作用强于动力湍流,湍流交换以感热交换为主;沙尘天气过程中,近地面层湍流动力作用明显增加,湍流动量和感热交换都对湍流输送有主要贡献,感热通量数值有不同程度的降低。较强沙尘暴天气过程中动力湍流强于热力湍流。随着沙尘天气经历起沙、平衡、沉降的演变过程,沙尘通量数值呈现由正值为主,过渡到向上和向下数值相当、向下数值比例增加。非沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气过程的沙尘通量值范围分别是±5μg/(m2.s)、±30μg/(m2.s)和-200—300μg/(m2.s)之间。浑善达克沙地地区,非沙尘天气也存在一定量的沙尘输送,但数值较小。浑善达克沙地地区沙尘通量与摩擦速度的三次方成正比,为F=Cu3*。临界起沙风速和临界摩擦速度分别约为6m/s和0.4m/s。     

陆面过程对2007年淮河流域强降水数值预报的影响分析

基于GRAPES中尺度数值天气预报模式,研究了不同复杂程度陆面过程和不同土壤初始条件对2007年中国夏季淮河流域降水数值预报的影响。重点分析了下垫面非均匀性对造成我国夏季强降水的中小尺度对流系统的启动和发展的影响,探讨了中小尺度对流发生发展中陆气相互作用的可能影响。对2007年7月8日发生在淮河流域的一次对流过程采用两组敏感性试验进行研究,结果表明对流启动对陆面过程有很强的敏感性。Noah陆面模式能合理地模拟出对流的启动,而Slab陆面模式模拟的对流会延迟1～2小时,这与Noah陆面模式能合理描述地表感、潜热通量有关。GLDAS初始土壤资料能更加合理地描述实际土壤温湿的分布状况,有利于更加准确地模拟出对流降水的启动和分布位置。另外,对2007年7月淮河流域的持续性强降水天气过程进行了对比模拟,研究表明:不同复杂程度陆面过程对连续强降水数值预报有明显的影响。使用Noah陆面模式能提高对强降水预报的能力,而且随着模式分辨率的提高,降水的TS评分也在提高,Noah的TS评分总体上高于Slab。     

A Case Study of the Impacts of Dust Aerosols on Surface Atmospheric Variables and Energy Budgets in a Semi-Arid Region of China

The authors present a case study investigating the impacts of dust aerosols on surface atmospheric variables and energy budgets in a semi-arid region of China. Enhanced observational meteorological data, radiative fluxes, near-surface heat fluxes, and concentrations of dust aerosols were collected from Tongyu station, one of the reference sites of the International Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project (CEOP), during a typical dust storm event in June 2006. A comprehensive analysis of these data show that in this semi-arid area, higher wind velocities and a continuously reduced air pressure were identified during the dust storm period. Dust storm events are usually associated with low relative humidity weather conditions, which result in low latent heat flux values. Dust aerosols suspended in the air decrease the net radiation, mainly by reducing the direct solar radiation reaching the land surface. This reduction in net radiation results in a decrease in soil temperatures at a depth of 2 cm. The combination of increased air temperature and decreased soil temperature strengthens the energy exchange of the atmosphere-earth system, increasing the surface sensible heat flux. After the dust storm event, the atmosphere was dominated by higher pressures and was relatively wet and cold. Net radiation and latent heat flux show an evident increase, while the surface sensible heat flux shows a clear decrease.     

北京地区一次强沙尘天气过程的中尺度通量特征

应用大气所325 m铁塔的湍流资料和梯度资料,对2003年3月20～23日影响北京的一次强沙尘天气过程的中尺度通量和湍流通量进行了分析,结果表明:冷空气的影响是从上层开始的.沙尘爆发前,边界层有强逆温存在,动量以中尺度输送为主,湍流很弱.沙尘爆发时,向下的湍流动量通量明显加大.湍流动量通量是沙尘沉降的主要原因,但沙尘爆发前的中尺度过程不能忽略.沙尘爆发前后,感热通量均以小尺度的湍流输送为主,中尺度输送不明显.     

沙尘暴同一化监测模型与灾害评估研究

阐述了将GIS/RS(地理信息系统/遥感)一体化技术应用在沙尘暴灾害的监测与评估工作中的方法,提出利用不同遥感数据源建立同一化的沙尘暴监测模型的方法,将沙尘暴监测由定性研究转变为定量特征参数计算.引入GIS技术建立了可业务使用的沙尘灾害评估模型,通过对下垫面数据的集成与叠合分析,可以快速、机动、准确、可靠和多层次进行沙尘暴的灾后评估.     

一次沙尘暴过程锋生函数和地表热通量的数值诊断

沙尘暴是我国西北地区春季常发生的一种灾害性天气现象。本文利用国家气象中心改进的PSU／NCAR的非静力中尺度模式MM5，对1995年5月16日我国西北地区发生的一次沙尘暴天气个例进行了锋生函数和地表热通量的诊断分析。结果表明，沙尘暴过程是冷锋在移至我国西北地区时产生的一种强烈锋生过程；地表感热通量明显大于地表潜热通量；有无地面热通量对比试验表明，热力因子在沙尘暴产生过程中具有重要作用。     

河西走廊一次特强沙尘暴的热力动力特征分析

使用NCEP再分析资料、高空和地面观测资料对2010年4月24日发生在河西走廊的一次特强沙尘暴天气进行了热力和动力作用诊断分析。结果表明:沙尘暴发生前,感热通量达最大值,湍流运动增强,增加了大气的不稳定性;大风沙尘暴发展和强盛期与动量通量大值区对应,动量通量对沙尘向上输送起了重要作用;在强锋区附近,地转关系被破坏,大风沙尘暴大气主要出现在变压梯度大,即变压风大的区域,变压风是产生地面强风的主要成分;河西走廊这次沙尘暴过程有明显锋生活动,锋生过程使锋面次级环流加强;水平螺旋度负值中心值越大,近地面层风速越大,大风沙尘暴天气主要出现在水平螺旋度负值中心前方与零值线之间;在河西走廊上空,高空急流沿等熵面穿越等位势高度面下滑到2000gpm,形成偏西风低空急流,低空急流的形成和维持在大风沙尘暴过程中起到关健作用。     

NOAA卫星沙尘暴光谱特征分析及信息提取研究

通过对2000—2002年多次沙尘暴过程NOAA卫星AVHRR资料的分析,研究了沙尘、云、沙漠、戈壁、积雪、裸地、植被等不同目标物的光谱特性,发现沙尘暴在AVHRR-2中各通道均有不同程度的反映。1,2通道中沙尘的反射率较高(介于云和沙漠之间);4,5通道的亮温低于晴空地表高于云;在3通道中沙尘表现的很独特,其亮度温度为所有研究目标物中最高的,表明通道3包含较多的沙尘信息,AVHRR-3取代AVHRR-2后对监测沙尘有不利影响。在此基础上提出定量提取沙尘信息的两种沙尘判识指数,并利用沙尘判识指数成功地提取多次沙尘暴过程的沙尘信息。结果表明：利用多通道组合沙尘判识指数能够对沙尘信息进行有效提取。     

西北地区沙尘暴天气监测预警服务业务系统

西北地区沙尘暴天气监测预警服务业务系统由沙尘天气资料库、沙尘天气监测、沙尘天气预报和沙尘天气服务4个子系统构成,是一个具有较好物理基础、较强监测预报服务能力、较高自动化程度并具有西北区域沙尘暴气候特色的综合业务系统,业务试运行期间,在2003、2004年春季几次沙尘暴天气的预报服务中发挥了重大作用,并取得了良好的社会经济效益。该系统为西部大开发气象服务提供了有力的技术保障,为西部地区环境保护和环境监测奠定了基础。     

西北地区一次沙尘暴过程的地表热通量特征

利用NCEP日平均全球再分析网格点资料,对我国西北地区晴天日与沙尘暴日地表感热通量及潜热通量的差异进行了对比分析.结果表明:沙尘暴爆发前和爆发时,地表感热通量迅速增大,潜热通量急剧减小,地面空气处于一种干热状态,为一热源区,有能量的散失.     

1998年4月14～15日强沙尘暴过程分析

利用卫星云图，数值预报产品以及常规气象资料对1998年4月14－15日发生在我国西部地区的沙尘暴天气进行了分析，指出本次过程发生在大气环流形势调整过程中，是由斜压槽及冷锋触发的。也重点分析了两个强沙尘暴中心的成因，发现第一个强沙尘暴区是由加强的冷锋云带造成的，而第二个强沙尘暴区是由三条云带共同作用造成的。强沙尘暴区位于高空急流出口区右侧、500hPa正涡度中心下风方和次级反环流的上升区内，并用动力气象学原理做了初步讨论，为预报沙尘暴提供了新的依据。     

Aerosol Data Assimilation Using Data from Fengyun-3A and MODIS:Application to a Dust Storm over East Asia in 2011

Aerosol optical depth(AOD) is the most basic parameter that describes the optical properties of atmospheric aerosols,and it can be used to indicate aerosol content. In this study, we assimilated AOD data from the Fengyun-3 A(FY-3 A) and MODIS meteorological satellite using the Gridpoint Statistical Interpolation three-dimensional variational data assimilation system. Experiments were conducted for a dust storm over East Asia in April 2011. Each 0600 UTC analysis initialized a24-h Weather Research and Forecasting with Chemistry model forecast. The results generally showed that the assimilation of satellite AOD observational data can significantly improve model aerosol mass prediction skills. The AOD distribution of the analysis field was closer to the observations of the satellite after assimilation of satellite AOD data. In addition, the analysis resulting from the experiment assimilating both FY-3 A/MERSI(Medium-resolution Spectral Imager) AOD data and MODIS AOD data had closer agreement with the ground-based values than the individual assimilation of the two datasets for the dust storm over East Asia. These results suggest that the Chinese FY-3 A satellite aerosol products can be effectively applied to numerical models and dust weather analysis.