“塔克拉玛干沙漠腹地起沙阈值观测及参数化方案验证”项目

<正>一、项目背景地表起沙、输送是全球生物、化学及大气循环的重要组成部分,并且强的地表起沙会给人类带来严重的风沙灾害。临界起沙阈值(临界起沙摩擦速度或临界起沙风速)是界定地表起沙能否发生的关键指标,也是沙尘暴预报模块中最重要的参数之一,直接影响着沙尘释放强度及输送量的计算,也影响着沙尘暴预报的精度。当下,临界起沙阈值的研究应用中多存在以下问题,首先很多研究应用中为单一的定值,其次模式参数化     

沙尘天气过程起沙特征的观测试验和参数化研究进展

沙尘天气过程研究中,起沙过程是沙尘传输和沉降的基础,沙尘模式中的起沙参数化方案决定了能否准确模拟和预报沙尘天气。试验观测和数值模拟是研究起沙过程的重要途径。基于风蚀起沙的物理机制,总结了起沙机制和起沙特征的研究成果,介绍了风蚀起沙的主要影响因子,回顾了起沙关键参数（临界起沙摩擦速度（u*t ）或临界起沙风速（Ut ）、水平跃移沙尘通量（Q）和起沙通量（F））的试验观测及其沙尘模式应用中的参数化方案,并讨论了不同起沙参数化方案的应用与校验。同时,针对目前研究中存在的问题和今后可能的研究方向提出建议。     

塔克拉玛干沙漠腹地一次风蚀起沙观测试验

风蚀起沙对生态环境、人类健康及社会经济等具有很大的负面效应。利用美国Sensit公司生产的H11-LIN型风蚀传感器及贴地层风速梯度探测仪,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区一次风蚀起沙过程进行了监测。结果表明：（1）风蚀起沙与微气象是一个互相影响互相制约的变化过程;（2）在此次观测试验过程中,我们观测到的最小起沙风速为6.0 m/s左右,同时发现起沙风速是一个变化的值,随着时间的延续呈现逐步增大的趋势,最小的起沙风速出现在风蚀开始发生的时候;（3）近地表风速廓线受沙粒运动影响明显,随着起沙量的增加,风速随高度变化的幅度增大,此时的风速廓线已不再遵循对数分布规律;（4）利用风蚀传感器测得塔中地区沙粒的临界起动摩擦速度为0.25 m/s,该值与经验公式估算的0.24 m/s非常接近,表明风蚀传感器在塔中地区具有较好的适用性;夏季塔中地区地表土壤湿度对风蚀起沙的阻碍作用可以忽略不计。 ?     

西北风沙起蚀观测试验及其研究进展

简要阐述了国家自然科学基金“西北沙漠地表沙粒运移特性及动力热力参数研究”支持的“我国西北三大沙漠地表风蚀起沙观测试验”的科学意义、试验方案和科学目标,总结了该试验在前期取得的部分研究进展和研究成果,概括叙述了该项目在地表沙粒跃移特征、起沙风速、沙尘通量等方面的重要发现和一些新的认识。最后,提出并讨论了在沙漠风蚀起沙观测试验方面需要进一步研究和思考的一些重要问题。     

风蚀起沙的影响因子及其变化特征

以敦煌地区的戈壁和绿洲为例,对地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和风蚀起沙过程中地表土壤的粒子尺度分布及其对垂直尘粒通量的影响进行了分析研究。结果表明,地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度随土壤水分含量和植被覆盖度的增大而增大,随粒子尺度的变化是先减小后增大,在中间某一尺度处有一最小值;土壤的人工利用和管理对临界摩擦速度也有着相当大的影响,风蚀起沙过程中,地表土壤的粒子尺度分布随时间发生变化,瞬时的粒子尺度分布不同于平均的粒子尺度分布,利用前者计算得到的垂直尘粒通量对摩擦速度的变化更敏感,利用后者计算得到的垂直尘粒通量偏大。     

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。     

敦煌戈壁地表风蚀起沙量的计算

利用三种不同的计算方案,根据敦煌地区的观测资料,计算了2002年4月8日沙尘天气过程中戈壁地表的风蚀起沙量(垂直尘粒通量)。结果表明:三种方法的计算结果比较接近;在风蚀起沙较严重的时段内,顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量平均值的量级分别为10-4kg·m-1·s-1和10-8kg·m-2·s-1。通过计算结果和观测结果的比较,在地面风蚀起沙物理机制的基础上,讨论了三种计算方案各自的优缺点。     

地表参数对T106模式预报的影响

利用ISLSCP的土壤湿度、植被和NOAA的实时雪盖、海温资料, 通过改变T106模式的地表参数及改进地表通量计算方法, 探讨了地表参数对T106谱模式预报效果的影响.试验表明, 地表参数及地面过程对T106模式的预报结果有较大影响, 试验方案改进了模式的预报效果, 尤其对西太平洋副热带高压的预报, 如对副高特征值588 dagpm线北界和西伸脊点、面积指数和强度指数以及副高整体进退预报都比业务模式更接近实况.     

我国沙尘天气微气象学和湍流输送特征研究进展

基于风蚀起沙的物理机制,从微气象学角度回顾了国内沙尘天气的研究进展,介绍了沙尘天气过程近地面层微气象学特征,以及湍流通量演变规律和湍流作用对沙尘暴过程参数化的影响。同时,结合国外的相关研究,探讨了国内在沙尘天气研究方面存在的不足和今后的研究方向,如:开展沙尘暴过程数值模式湍流参数化方案的分析及与卫星和实验观测结果的比对研究;获取沙尘天气过程近地面层气象要素垂直廓线的精细分布,加深理解不同沙尘天气演变规律及特征;加强不同沙尘源区土壤湿度对起沙阈值影响的研究;开展不同粒径土壤的起沙率以及沙尘通量廓线演变规律的研究等。     

浑善达克沙地起沙率和起沙量的估计

利用起沙通量模式和地面起尘半经验方案,估算了浑善达克沙地春季地表的临界起沙风速及沙尘天气期间的起沙通量,以及地面尘排放总量及其平均年增长率。计算结果表明,浑善达克沙地2001年春季地表临界起沙风速为5.61 m.s-1,沙尘天气期间平均起沙通量为4.40×10-7g.cm-2.s-1;1999年该沙区起尘量约占我国北方起尘总量的2.4%,春季起尘占全年的57%;1986年和1999年起沙总量分别为3.73×105t.a-1和4.87×105t.a-1,其平均年增长率为2.07%。     

东亚地区黄沙长距离输送模式设计

在比较国内外相关起沙机制模型的基础上,结合中国北方大量气象台站的有关起沙过程的观测资料,提出了一个适合我国北方的用于黄沙输送模拟与预报的新的起沙机制模型。采用此起沙模型,通过对黄沙输送过程中的干沉降过程、降水清除过程的参数化处理,建立了适合东亚地区的分谱的黄沙输送模式。模式考虑了黄沙的分谱机理及可能的微物理过程。通过与实测资料的对比,表明模式可以较好地模拟黄沙的输送过程。     

1996—2008年塔中地区的风沙环境特征

对塔中气象站1996—2008年气象数据分析和野外观测试验及理论计算,结果表明:塔中地区地表沙源平均粒径约为2.88φ(136μm),属于细砂、极细砂;年平均风速均在2.5 m·s-1以下,近10年来整体呈下降趋势,风速的年变化呈单峰分布,最大值出现在6—7月,风向与起沙风向以偏东风为主;2 m高度的起沙风速约为4.1 m·s-1;年浮尘、扬沙日数呈波动式上升趋势,年沙尘暴日数呈缓慢下降趋势;年风蚀气候因子平均为28.3。     

内蒙古科尔沁沙地临界起沙阈值的范围确定

临界起沙阈值可表征地表土壤的可蚀性,是风蚀起沙研究中非常重要的物理量之一。基于微气象学方法,将沙尘浓度和垂直沙尘通量均开始增加且至少持续0.5 h所对应的摩擦速度(或风速)确定为临界起沙摩擦速度u_*t(或临界起沙风速U_t)。利用内蒙古科尔沁沙地地区2010-2013年春季大气环境综合观测资料,分析了不同沙尘天气过程(扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)起沙阶段沙尘浓度和垂直沙尘通量随摩擦速度的演变特征,精细确定了该地区临界起沙摩擦速度(u_*t)和临界起沙风速(U_t)的范围分别为0.45±0.20和6.5±3.0 m/s,同时讨论了不同起沙判据对确定临界起沙阈值产生的影响。相比而言,采用的起沙判据尽可能地排除了沙尘输送和沉降过程的影响,适用于不同的沙尘天气类型,使沙尘粒子进入大气的起沙结果更趋于合理,其结果可为建立统一、合理的起沙判据提供参考。     

中国风蚀起沙研究进展

风蚀起沙是开展沙尘气溶胶和沙尘天气研究的基本问题.从风蚀起沙的机制、粒子运动形态、起沙条件、沙尘通量等几个方面,回顾了我国在风蚀起沙方面的主要研究结果,对开展这方面研究的难点问题开展讨论.介绍了计算临界摩擦速度的不同方法,并对不同研究者在不同地点观测到的临界摩擦速度进行比较.针对提高观测精度和观测研究结果的可比较性问题,提出了三点建议:一是要建立比较详细的地理、地貌和土壤信息系统;二是要利用卫星观测的优势,建立地面对比观测系统,标校卫星遥感结果;三是要规范观测方法和流程,充分利用业务化的观测资料,提高观测的可对比性.     

塔克拉玛干沙漠腹地起沙阈值计算解析

临界起沙风速是判别风沙活动能否发生的关键指标,其变化受到地表状况及大气环境的综合影响。为了进一步认识临界起沙风速在野外条件下的变化规律,选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中作为研究区,在综合考虑地表土壤粒径、土壤湿度、空气密度等因素的基础上,利用经验公式计算了该地区每月的临界起沙风速。得出：（1）塔中地区2 m高度的临界摩擦速度值介于0.24～0.36 m/s,均值为0.31 m/s;（2）塔中地区2 m高度的临界起沙风速值介于3.9～5.9 m/s,均值为5.1 m/s;（3）塔中地区起沙阈值,最高值出现在夏季,次高值出现在冬季,春季最小。     

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.       

塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙特征观测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2009-2018年的地面观测资料,细致解析塔中地区的风蚀起沙特征,所得结论如下：(1) 临界起沙风速表现出明显的季节变化特征,夏季＞春季＞秋季＞冬季, 塔中地区的临界起沙风速介于4.47-4.92 m/s,日最大值出现09:00-10:00时。(2) 春夏季是沙尘的多发季节。春、夏季,沙尘水平通量的平均值分别为2638.9 kg/m和3298.9 kg/m,起沙持续时间的平均值分别为291.5 h和336.7 h。(3) 风蚀起沙事件更容易发生在白天, 沙尘水平通的最大值出现在10:00-11:00,起沙持续时间的最大值出现在10:00-13:00。(4)风蚀起沙事件在春季主要集中在偏东方向,在夏季主要集中在偏北方向上。     

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。     

青藏高原土壤温度和湿度对T106模式预报的影响

在Ｔ１０６Ｌ１９谱模式中引入青藏高原土壤温度和湿度新近资料,改进模式听地表物理过程参数化方案,作了中期预报数值试验,结果表明,青藏高原土壤温度和湿度对高原本身及我国东部,东北地区高度场和降水预报有一定影响,改进土壤参数能够有效提高模式的预报结果。     

阿拉山口1957—2007年气候变化特征

根据塔中气象站1996－2008年的气象数据分析、野外观测试验及理论计算,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区近10a来的风沙环境特征进行了初步分析,结果表明：塔中地区地表沙源平均粒径约为2.88φ（136μm）,属于细砂、极细砂;年平均风速均在2.5m·s-1以下,近10a来呈整体下降趋势,风速的月变化呈单峰分布,最大值出现在6—7月,风向与起沙风向以偏东风为主;2m高度的起沙风速约为4.1 m·s-1;年浮尘、扬沙日数呈波动式上升趋势,年沙尘暴日数呈缓慢下降趋势;年风蚀气候因子平均为28.3。