沙尘浓度资料与AMSU辐射率资料同化在GRAPES_SDM沙尘暴模式中的应用

利用GRAPES_SDM沙尘暴模式及GRAPES_3DVAR系统,设计了4种试验,分别为没有同化的CTRL控制试验、仅同化探空资料的noPM试验、同时同化探空和PM10的PM试验和同时同化探空和AMSU辐射率资料的NOAA试验,对2011年4月28日-30日发生在中国北方地区的一次大范围沙尘暴过程进行了分析和对比模拟试验。结果发现：仅同化探空资料时,模式能够反映出沙尘天气系统的发展演变情况,但沙尘天气分布范围和强度的模拟效果没有明显改进;初始场中考虑了PM10沙尘浓度的分布后在很大程度上能够改善GRAPES_SDM沙尘暴模式对沙尘分布范围和强度的模拟效果;同化AMSU辐射率资料后,模式对500 hPa环流形势和200 hPa高空急流均有较好的模拟效果,从而模式对沙尘分布范围的模拟能力也有较好的改善,但对沙尘天气强度的模拟略有增强。这不仅说明PM10和ASMU辐射率资料的使用对于提高沙尘暴过程模拟效果是可行的、必要的,而且也为这两种资料用于沙尘暴预报奠定了一定基础。     

区域气候模式对中国沙尘天气气候特征的模拟研究

现有的沙尘天气数值预报模式多选用中尺度天气模式单向耦合起沙模式的方式,不适合用来模拟沙尘气溶胶的长距离输送过程,也无法研究沙尘气溶胶辐射效应对气象场的反馈及气候变化的影响。利用一个耦合沙尘模式的高分辨率区域气候模式,模拟了2001年中国北方沙尘天气爆发的时空分布特征。模拟结果与站点观测结果对比发现,模式能够较好地模拟出中国北方主要的沙尘源地分布及沙尘天气爆发的季节变率。分析不同粒径沙尘颗粒的垂直分布特征发现,沙源地表土壤粒子特征、地形对起沙颗粒的大小都有影响;直径超过5 μm的大粒子是北方沙尘天气的主要成分,而影响长江以南的沙尘天气主要以1 μm以下的小粒子为主。对沙尘传输路径的模拟结果和实况观测发现,来自于不同沙源的沙尘天气其影响的范围有显著差异,模式能够较好地模拟出中国主要沙尘传输路径。     

民勤与周边土地覆盖变化及对沙尘模拟结果的影响

利用民勤与周边地区2005年的Landsat-5 TM影像和1∶25万的DEM资料,在ArcGIS的支持下,对GRAPES_SDM沙尘模式中原有的20世纪80年代的地面信息进行更新与对比,在此基础上就2010年4月23日至25日的沙尘天气过程进行土地覆盖更新前后的数值模拟对比试验,并结合民勤站的沙尘浓度观测数据对模拟结果进行评价分析。结果表明,与模式中原有的土地覆盖信息相比,民勤及周边地区2005年的沙地、草地、耕地、水体、湿地面积明显减少,城乡用地变化不大;土地覆盖变化影响了模式输出的起沙通量和沙尘浓度的范围与强度。一方面,土地覆盖的更新使得起沙总体上有所减弱,且影响程度随过程的增强而逐渐增大。另一方面,土地覆盖变化对地面沙尘浓度的影响具有初期性、移动性和尺度适应性,同时也显著地改变了沙尘浓度的垂直分布。此外,起沙过程中土地覆盖信息的更新有利于民勤站沙尘浓度模拟值接近观测值,表明沙尘模式中的土地覆盖信息应该具有现势性。     

河西走廊沙尘活动对兰州PM10浓度的影响及其评估

通过分析2001—2005年河西走廊沙尘活动对兰州PM10浓度的影响并对其进行评估,得出如下结论：兰州的PM10浓度具有双峰值特征,两个峰值分别出现在冬半年的12月和3月,河西沙尘发生次数呈单峰型变化,峰值出现在4月,达到9.8次,对比两者的变化可知,河西沙尘活动的峰值对应春季兰州PM10浓度的次高峰。研究认为冬季特殊边界层条件是造成兰州PM10浓度高峰值的主要原因;春季河西沙尘发生次数与同期兰州PM10浓度呈显著正相关,沙尘暴活动的多发对应兰州PM10浓度次峰值。沙尘指数的定量分析认为,兰州年度（3月,4月）PM10浓度的16.4%（32.0%,47.1%）与河西走廊沙尘活动的影响有关系;兰州年度（3月,4月）PM10质量浓度中的8.8%（13.9%,23.1%）是河西走廊沙尘活动向兰州输送PM10颗粒的结果;河西走廊的沙尘活动能使兰州沙尘影响日PM10浓度增加数倍。河西走廊沙尘活动在不同时间段的影响程度不同。     

塔克拉玛干沙漠腹地及周边地区PM10时空变化特征及影响因素分析

利用Thermo RP 1400a对塔克拉玛干沙漠腹地塔中及周边的哈密与和田进行了长达6 a多的沙尘气溶胶PM10连续观测,结合气象资料,分析了该区域沙尘气溶胶PM10的基本特征及影响因素。其结果是:①在哈密、塔中与和田,浮尘、扬沙日数呈上升趋势,沙尘暴日数变化不明显,沙尘天气出现的频率和强度是影响沙漠地区沙尘气溶胶PM10浓度的主要因素。②PM10质量浓度具有明显的区域分布特征,塔克拉玛干沙漠东缘的哈密最低,其次为沙漠南缘的和田,最高的为沙漠腹地的塔中。③每年3—9月是哈密PM10质量浓度的高值时段;塔中与和田PM10质量浓度高值时段分布在3—8月,平均浓度分别在500~1 000 μg·m-3之间变化。④哈密、塔中与和田PM10季节平均浓度变化特征,春季>夏季>秋季>冬季;PM10平均浓度最高的塔中,春季在1 000 μg·m-3左右变化,夏季在400~900 μg·m-3之间,秋冬两季浓度较低基本上在200~400 μg·m-3之间变化。⑤哈密、塔中与和田沙尘暴季节PM10浓度远高于非沙尘暴季节,沙尘暴季节浓度基本上为非沙尘暴季节浓度的两倍以上;塔中2004年和2008年沙尘暴季节平均浓度分别是非沙尘暴季节的6.2倍和3.6倍。⑥沙尘天气过程中PM10质量浓度变化具有以下规律,晴天<浮尘天气<浮尘、扬沙天气<沙尘暴天气。⑦风速大小直接影响大气中PM10浓度,风速越大浓度越高。气温、相对湿度和气压是影响沙尘暴强度的重要因素,也间接影响大气中PM10浓度的变化。     

大连地区一次沙尘过程的激光雷达观测研究

利用激光雷达、PM10观测、地面及探空等综合观测资料,针对大连地区2006年4月7—8日的沙尘过程,基于Fernald积分法反演了沙尘过程气溶胶消光系数,分析了沙尘过程的时空分布特征及沙尘气溶胶的垂直结构,并对沙尘严重影响地面的原因进行了初步探讨。结果表明,激光雷达探测可以精确反映沙尘气溶胶的垂直结构和时空变化信息,并且能弥补人工气象观测的不足;此次沙尘影响高度较低,主体过境时沙尘层中心高度小于0.5 km。沙尘层内消光系数最大达到0.96 km-1;激光雷达反演得到的180 m高度处的气溶胶消光系数与地面PM10浓度吻合较好;沙尘影响地面时,地面PM10浓度增大,相对湿度明显降低。大气低层逆温和近地面风速等气象条件对沙尘影响地面的时间和程度有很大作用。     

起沙系数对沙尘数值模拟影响的研究

通过综合考虑地表条件,如土地利用、土壤类型、植被覆盖与土壤湿度等,定义了起沙系数,用于改进沙尘数值预报模式中的起沙通量,为沙尘数值预报模式提供客观准确的地面起沙条件,提高了沙尘天气分布预报的准确率\.起沙风系数的引入能够对沙尘数值模拟产生较大的影响,若起沙系数中应用较高精度的土壤水分资料与土壤类型,将能更准确地反映起沙系数的作用。     

连续强沙尘天气的发展和时空演变机制的数值模拟

2002年4月6-8日由蒙古气旋和地面冷锋引发了一次连续沙尘暴天气,特别是内蒙古中东部、华北和东北大部分地区沙尘持续影响时间较长,强度大。利用与非静力平衡中尺度气象模式完全耦合的区域沙尘数值模式,模拟研究这次强沙尘天气过程中沙尘浓度的空间分布结构和时间演变趋势。模拟结果与地面天气观测、定点沙尘颗粒物浓度观测资料进行对比和检验。结果表明:沙尘数值模式较逼真地刻画出这次连续强沙尘天气的形成、发展、移动、减弱的全过程;客观地揭示了强沙尘天气过程的垂直分布结构和沙尘浓度的时空演变机制;模拟的强沙尘以及输送至下游的浮尘天气范围、强度和出现时间与实况基本一致,特别是对我国华北和东北沙尘的模拟相当成功。高时空分辨率的数值模式对研究沙尘的发生、发展机制和预报预警有重要意义。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶质量浓度垂直分布特征

 利用Grimm 1.108、Thermo RP 1 400 a以及TSP等仪器于2009年1月至2010年2月对塔克拉玛干沙漠腹地塔中不同高度沙尘气溶胶质量浓度进行连续观测,结合天气资料进行分析。结果表明:①80 m高度PM10质量浓度最高,80 m高度PM2.5和PM1.0质量浓度明显低于4 m高度PM10,80 m高度PM1.0质量浓度最低。频繁的沙尘天气是影响不同粒径的沙尘气溶胶浓度含量的主要因素。②夜间至日出,PM质量浓度逐渐降低,最低基本上出现在08:00,随后质量浓度逐渐增大,18:00前后浓度达到最高值,然后又逐步降低。其规律与风速的昼夜变化完全一致。③TSP月平均质量浓度高值主要集中在3—9月,其中4月和5月浓度最高,随后逐渐减低。3—9月也是PM月平均质量浓度的高值区域,4 m高度PM10月平均质量浓度最高发生在5月,其浓度为846.0 μg·m-3。80 m高度PM10浓度远高于PM2.5和PM1.0浓度,PM2.5和PM1.0浓度相差较小。风沙天气对大气中的不同粒径粒子的浓度含量影响较大,风沙天气越多,粗颗粒含量越高,反之则细颗粒越多。④沙尘天气过程中不同粒径沙尘气溶胶质量浓度变化具有晴天<浮尘天气<扬沙天气<沙尘暴天气的规律。各种沙尘天气中,PM10/TSP表现为晴好天气高于浮尘天气,浮尘天气远高于扬沙和沙尘暴天气。⑤沙尘天气过程中,沙尘气溶胶浓度随着粒径的减小,浓度逐渐降低。不同高度、不同粒径的沙尘气溶胶质量浓度每隔3~4 d形成一个峰值区,与每隔3~4 d出现沙尘天气强度增强过程直接相关。     

北京市可吸入颗粒物的空间分布特征及与气象因子的CCA分析

利用93个不同下垫面上的空气监测网点数据、地统计分析工具和克里格(Kriging)方法,模拟北京市城区2008年夏季PM1.O、PM3.O、PM5.O以及气象因子的空间分布.分析北京市城区大气可吸入颗粒物的污染分布特征,同时采用同期气象资料进行典型相关分析(CCA),比较各气象因子对颗粒物浓度的影响大小.结果发现:实验半变异函数符合具有块金值的球状模型;北京城区空气可吸入颗粒物的污染范围主要集中在西南部,西北次之,城区中心污染程度相对较轻;3种不同粒径的可吸入颗粒物与各影响因子的空间相关性存在差异;气象因子方面,相对湿度为城区可吸入颗粒物浓度的主要影响因子,其次为地表温度,影响最弱的为风速.     

若干风蚀粉尘释放模型述评

粉尘气溶胶对大气、陆地和海洋多方面的影响促进了粉尘释放的模拟研究。Gillette和美国FPA的粉尘释放模型相对地比较简单，主要考虑了摩阻速度和土壤质地对粉尘释放的影响，没有考虑粉尘释放过程的微观机制；邵亚平和Alfaro等人的DPM粉尘释放模型都通过土壤粒度分布、粗糙度和起动摩阻速度等参数表达了地表特征对粉尘释放的影响，且都描述了粉尘释放的微观机制。20多年来粉尘释放的模拟研究取得了重要进展，主要表现在通过室内和野外实验证实了粉尘释放的主要机制为跃移颗粒的冲击，并分别从粉尘的结合能与跃移颗粒动能及跃移颗粒产生的弹坑体积角度来描述这个微观机制。然而所有的模拟工作只是从某一方面反映了粉尘释放过程，对粉尘释放机制还没有完全了解清楚，特别的是目前关于粉尘结合能研究还有很大的不确定性，这也是粉尘释放模型需要改进的地方。     

风蚀事件中农田土壤PM10释放特征

地表风蚀导致的粉尘释放涉及全球变化研究的热点。自然条件下对粉尘释放的观测可以为风洞试验结果提供验证并为开发预测模型提供数据支撑与关键参数。本研究在河北坝上风蚀区,通过观测风蚀事件中农田近地表PM₁₀浓度、垂直通量与流失通量,以及风速和风沙流强度的变化,探讨农田风蚀过程中的粉尘释放特征。结果表明：地表风蚀释尘对近地表粉尘浓度的影响随高度增大而逐渐减弱,各高度的粉尘浓度变化趋势与摩阻风速、输沙率变化趋势相同;粉尘垂直通量和流失通量与摩阻风速呈幂函数关系,与输沙率呈线性关系;农田土壤跃移颗粒的轰击效率α数量级为10^-7m^-1。     

沙尘天气、尘卷风对沙漠地区起沙量的贡献

降尘量能很好地反映整层沙尘气溶胶的信息。基于WRF/Chem沙尘暴模式及大气边界层的观测资料,获得了包括尘卷风起沙过程的日、月和年总起沙量,进而分析它们与自然降尘量之间的关系。结果表明:(1)半定量的沙尘天气日数与逐月降尘量呈极显著的正相关,但无法更精细地量化降尘量的来源;(2)模式量化计算的沙尘天气起沙量与降尘量的变化大体一致,它对总起沙量的平均贡献率为76%;(3)尘卷风对总起沙量的贡献达到了24%,在无沙尘天气的时段,降尘量100%来自尘卷风的起沙量;(4)沙尘天气和尘卷风构成的总起沙量和降尘量在月、年变化都有极其显著的正相关,均通过了0.001极显著检验。     

蒙古气旋引发辽宁沙尘暴天气过程的数值模拟

从一次发生在辽宁,由蒙古气旋引发的沙尘暴过程入手,利用数值模拟手段,结合常规气象观测资料,围绕蒙古气旋的动力、热力特征以及如何促成此次沙尘暴的发生、发展和维持进行探讨。结果表明,高空气流的辐散抽吸是此次过程的主要起沙动力机制,由蒙古国中部向东南方向延伸至韩国南部的副热带西风急流为此次辽宁沙尘暴过程提供了充足的沙源。此外,蒙古气旋内部的垂直环流与控制辽宁地区的冷平流对此次沙尘暴和降温过程具有一定的触发与维持作用。     

中国北方一次沙尘天气过程的数值模拟

选取中国北方地区2012年4月22-24日的一次沙尘天气过程,综合分析了多种地面与卫星观测资料,并在此基础上采用WRF-Chem模式（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）对本次沙尘天气过程的起沙和传输进行数值模拟,并与卫星遥感、地面激光雷达等观测数据进行对比验证。结果表明：此次过程是由地面冷锋和高空短波槽共同作用引起的。WRF-Chem模式模拟结果较好再现了此次沙尘过程的时空分布特征,与地面观测的沙尘天气发生地点基本一致。沙尘天气发生前后,地面观测站各气象要素有明显变化,表现出大风、降温、正变压。WRF-Chem模式模拟的气温和湿度变化趋势与观测基本一致。地面观测得到的PM₁₀质量浓度与消光系数在沙尘过程期间均上升达到高值,模拟能够很好地反映PM₁₀质量浓度的整体变化趋势,但峰值低于观测结果。采用HYSPLIT模式进行后向轨迹模拟,进一步表明本次沙尘过程的源地主要为塔克拉玛干沙漠与古尔班通古特沙漠。前向轨迹模拟结果表明沙尘传输路径自新疆起始,途经内蒙古、甘肃、宁夏、陕西。     

干旱草原地区起沙通量的初步研究

通过宽范围颗粒谱仪WPS以及20 m梯度塔获得的观测资料,计算了朱日和地区沙尘天气下的起沙通量、摩擦速度以及临界摩擦速度,得到以下结论：①起沙通量大小与沙尘天气的强度呈一定的相关关系,随着沙尘天气强度的增大,起沙通量大小也增大。3月26日与4月6日两次沙尘天气下,沙尘暴和扬沙天气的平均起沙通量分别为6.0亿kg·m-2·s-1和4.14亿kg·m-2·s-1。②朱日和地区地表摩擦速度一般都在<1 m·s-1的范围内,n取1或2时,起沙率与Un*线性相关最好。③计算得到了观测粒子段的临界摩擦速度值。临界摩擦速度U*t随着粒径的增加呈先减小后增大趋势。     

降尘过程指示的沙尘循环过程

 大气降尘过程受诸多因素的影响,如沙尘源区的性质、输送距离、降雨量等。利用甘肃省10个城市15 a间(1986—2000年)的降尘监测资料与气象资料,主要分析了沙漠戈壁区与黄土区降尘的差异及原因。结果表明：①西北干旱区的降尘量主要与沙尘事件频次有关;②沙漠戈壁区的大气降尘量大于黄土高原区;③降尘量在强沙尘源区,呈现出显著的高值中心。随着沙尘自西向东输送,降尘通量随输送距离的增加而减少。     

塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风蚀起沙研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的观测资料,对塔中地区春夏季地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和起沙风速进行了分析研究,并计算了2008年4月19日和7月19日两次沙尘暴天气过程沙漠地表的风蚀起沙量。结果表明:塔中地区春夏季地表起沙的临界摩擦速度为0.26 m·s-1;2 m高度的临界起沙风速约为4.1 m·s-1;两次沙尘暴过程的顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量的平均值分别为17.44×10-4 kg·m-1·s-1 、13.8×10-8 kg·m-2·s-1、164.69×10-4 kg·m-1·s-1和799.77×10-8 kg·m-2·s-1;沙尘通量的变化与风速及摩擦速度的变化具有一致性。     

车辆碾压作用下戈壁地表起尘浓度

通过野外观测车辆碾压作用下戈壁地表PM₁₀释放浓度,探讨其主要影响因素。针对戈壁区砾石、砂砾、砂质和砂土4种路面类型,应用TSI粉尘仪多次重复观测车辆碾压产生的PM₁₀浓度,进而阐明碾压次数、车速和地表水分等因素对起尘浓度的影响。结果表明：4种路面的平均起尘浓度依次为5.339、9.089、16.944、50.251 mg·m^-3,是自然状态下的5~50倍;起尘浓度随碾压次数增多而增大,其中砂土路情况下的增长最显著;随土层厚度的增大呈现出幂函数的增长趋势;降雨后路面起尘浓度显著减小,且降雨量会影响降雨后起尘浓度的变化趋势。最后提出了针对性的建议和措施以减弱车辆碾压导致的戈壁地表起尘。