一次强沙尘暴天气过程热力动力场数值模拟分析

本文利用GRAPES模式对2006年4月9日-11日大范围强沙尘暴过程进行了热力动力数值模拟分析,结果表明：整个强沙尘暴天气发生过程中,大气基本上呈稳定层结。西路第一阶段强沙尘暴天气爆发时高值位温下凹区明显下传,西路第二阶段强沙尘暴主要爆发在等位温线密集陡峭的弱稳定层结区域里,其次在高值位温下凹东移区。西北路强沙尘暴爆发时等位温线密集陡峭。暖平流是产生西路第一阶段强沙尘暴的重要热力因子。700hPa冷平流对西北路强沙尘暴的贡献最大,冷平流在河西走廊的骤增对预报西北路强沙尘暴爆发有很好的指示意义。     

中尺度自适应模式对一次沙尘暴天气数值模拟及诊断分析

以实况资料作初始场，利用中尺度自适应模式对西北地区2000年4月12日强沙尘暴的天气形势和风场进行了数值模拟，对此分析得出西部地区沙尘暴的形成、发展机制和中小尺度系统对于沙尘暴发生发展的触发和指示作用。由于模式的输出结果是每3小时一次，比常规资料更能表现出沙尘暴的内在机制及时间和空间尺度较短的系统。结果表明：在沙尘暴发生前河西走廊西部就出现偏西大风，高空急流对沙尘暴发生区有很好的指示作用，强沙尘暴发生在200hPa高空急流入口区右倒，上升运动区内；高空急流发生变异时，导致对流层中下部锋区加强和大气层结不稳定，为中尺度系统的发生、发展和沙尘暴的产生提供了适宜的大尺度环流背景；西北地区干暖舌的形成和维持对沙尘暴的发生区有很好的指示作用，当冷锋过境时，干暖区是沙尘暴发生的最有利的环境。     

一次强沙尘暴和雪暴天气过程的诊断及模拟分析

利用基本气象资料和T213数值预报产品资料,对发生在内蒙古大部分地区的一次强风、强沙尘暴、强雪暴和强降温天气过程进行了动力诊断和模拟分析。结果表明,强冷空气活动是造成多种灾害的主要动力,高空急流是强风的动量来源,蒙古气旋强烈发展造成的气压梯度风加剧了地面大风和沙尘暴。强烈的冷、暖平流空间配置使大风、沙尘暴和降温更为剧烈。散度场的空间配置有利于沙尘暴、暴风雪的发展。高空西风急流对低空西南急流具有耦合和触发作用,低空西南急流的建立和长距离的水汽输送与辐合,成为内蒙古东部产生暴雪的重要条件,低层东风切变带中的正涡度平流的输送,叠加到了较好的水汽输送及辐合区域,加大了降雪。后期低层西北急流的形成,是产生暴风雪的重要原因。数值模拟结果表明,模拟高压、低压中心位置和强度与实况较为吻合,气旋的气压梯度强度与实况较为接近;冷暖平流在分布区域、输送方向、强中心位置上也与实况具有较相似的特征,但是温度平流模拟的结果在量值上略大于实况。     

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。     

一次沙尘暴天气及沙尘输送过程的数值模拟

动用ＭＭ４中尺度动力学模式结合沙尘气溶胶传输模式。模拟分析了１９９２年４月２２日发生的一次沙尘暴天气及沙尘输送过程。     

一次沙尘暴天气过程的中小尺度特征分析

利用高空、地面、物理量、FY-2E及数值预报产品资料,对2015年3月31日格尔木地区巴尔喀什湖冷槽型的沙尘天气过程进行中尺度分析和研究。分析结果表明,这次特强沙尘暴的触发系统主要是冷锋过境,而冷湖中尺度低压系统则起到了激发和加强作用。     

北方一次强沙尘暴过程的诊断分析和数值模拟

利用NCEP再分析资料、地面观测资料和中尺度数值模式MM5V3,对2009年4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素变化特征进行了分析和数值模拟.结果表明,沙尘暴发生前后温、压和风速均出现了剧烈变化;蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴过程的主要影响系统.温度平流、涡度平流、垂直速度及位涡在气旋发展、演变过程中起重要作用.模拟的地面环流形势显示,模式对地面气旋的演变特征及地面大风模拟的较好,并指出地面大风区与沙尘暴有较好的对应关系.     

大气模式差异对沙尘暴模拟结果的影响分析

使用中国科学院大气物理研究所的沙尘模式和澳大利亚新南威尔士大学的沙尘模式对2002年和2003年的几个沙尘暴个例进行模拟研究,发现在模拟东亚沙尘暴中存在谮的一些差异.作者比较了模拟的沙尘通量和沙尘浓度的日变化差异,以及这种差异与摩擦速度之间的关系,并用500 hPa和850hPa的模拟风速与摩擦速度作了比较.通过分析,作者认为大气模式中的边界层模式差异对沙尘暴中沙尘浓度的模拟能产生较大影响.     

青海省一次特强沙尘暴天气过程分析

通过对20013年4月9日青海特强沙尘暴天气前期的增温现象、高空环流特征、自动站资料、卫星云图以及物理量的诊断等分析，找出了特强沙尘暴出现前具备的气候背景、500hPa高空环流形势和对流指数(Ky)以及理查逊数(Ri)等稳定度指数特征，这些分析结果将对今后青海沙尘暴天气的预报、预警研究提供重要的科学依据。     

一次强沙尘暴天气成因分析

应用基本观测资料及我国数值预报产品HLAFS资料，对2002年4月6—8日的一次由蒙古冷涡强烈发展而形成的强沙尘暴天气过程，从天气学成因、动力机制等方面进行了分析和诊断。结果表明，强冷空气的卷入使蒙古冷涡强烈发展，为沙尘暴的发生提供了动力条件；而蒙古冷涡特有的垂直结构提供了动量下传机制，在地面冷锋后部形成了大风区，为沙尘暴的形成创造了基本条件。在此基础上得出了蒙古冷涡沙尘暴的预报着眼点。     

Dust storm ensemble forecast experiments in East Asia

The ensemble Kalman filter (EnKF), as a unified approach to both data assimilation and ensemble forecasting problems, is used to investigate the performance of dust storm ensemble forecasting targeting a dust episode in the East Asia during 23–30 May 2007. The errors in the input wind field, dust emission intensity, and dry deposition velocity are among important model uncertainties and are considered in the model error perturbations. These model errors are not assumed to have zero-means. The model error me...     

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.     

WRF/Chem模式中两种起沙参数化方案对东亚地区一次强沙尘暴过程模拟的影响

利用耦合了GOCART和Shao04两种起沙参数化方案的WRF/Chem模式对2002年3月19~22日发生在东亚地区的强沙尘暴过程进行模拟,着重考察了不同起沙方案对沙尘暴过程模拟的影响。结果表明,耦合了两种不同方案的WRF/Chem总体上均能较合理地模拟出主要的起沙区域、起沙强度的变化以及沙尘浓度的时空演变特征,模式对沙尘源地附近及下游地区地面沙尘浓度时间变化特征的模拟与站点观测结果也十分接近。但总体说来Shao04方案对沙尘起沙的发生以及强度变化过程具有更好的模拟能力,该方案模拟的沙尘浓度与观测更为一致,整体性能要优于GOCART方案。进一步分析发现,由于GOCART方案中采用的临界起沙风速偏小,导致该方案下模拟的沙尘分布范围偏大;另外该方案忽略了蒙古东南部和内蒙古中东部的潜在沙尘源地,从而使得耦合了GOCART方案的模式未能模拟出上述区域的起沙过程,使得该区域及下游地区模拟的沙尘浓度也偏小。但在塔里木盆地,Shao04方案计算的起沙通量偏小,这可能与Shao04方案未能考虑风速较小情况下空气拖曳力夹卷作用对起沙的影响有关,也可能与该方案中采用的土壤质地数据不准确有关。     

Modeling Study of the Impact of Heterogeneous Reactions on Dust Surfaces on Aerosol Optical Depth and Direct Radiative Forcing over East Asia in Springtime

The spatial distributions and interannual variations of aerosol concentrations,aerosol optical depth(AOD) ,aerosol direct radiative forcings,and their responses to heterogeneous reactions on dust surfaces over East Asia in March 2006-10 were investigated by utilizing a regional coupled climate-chemistry/aerosol model. Anthropogenic aerosol concentrations(inorganic+carbonaceous) were higher in March 2006 and 2008,whereas soil dust reached its highest levels in March 2006 and 2010,resulting in stronger aerosol radiative forcings in these periods.The domain and five-year(2006-10) monthly mean concentrations of anthropogenic and dust aerosols,AOD,and radiative forcings at the surface(SURF) and at the top of the atmosphere(TOA) in March were 2.4μg m-3,13.1μg m-3,0.18,-19.0 W m-2,and-7.4 W m-2,respectively.Heterogeneous reactions led to an increase of total inorganic aerosol concentration;however,the ambient inorganic aerosol concentration decreased,resulting in a smaller AOD and weaker aerosol radiative forcings.In March 2006 and 2010,the changes in ambient inorganic aerosols,AOD,and aerosol radiative forcings were more evident.In terms of the domain and five-year averages,the total inorganic aerosol concentrations increased by 13.7%(0.17μg m-3) due to heterogeneous reactions,but the ambient inorganic aerosol concentrations were reduced by 10.5%(0.13μg m-3) .As a result,the changes in AOD,SURF and TOA radiative forcings were estimated to be-3.9%(-0.007) ,-1.7%(0.34 W m-2) ,and-4.3%(0.34 W m-2) ,respectively,in March over East Asia.     

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.     

典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征

选取2009年3月至2010年3月期间观测到的3次典型沙尘天气过程,利用大同国家基准气候站的20m气象梯度塔的风速、气温、相对湿度的观测资料,PM10质量浓度资料以及能见度的部分观测资料,分析了近地层气象要素和PM10质量浓度的演变特征。结果表明:风速在沙尘暴、扬沙的发生、发展过程中均较大,浮尘较小。3种沙尘天气条件下,1m、2m、4m、10m高度与20m高度的风速比大致在0.48~0.84和0.41~0.79范围内,局地扬沙过程中近地层风速梯度较大。在浮尘天气过程中,观测到的近地层气温变率与同一季节的昼夜气温变率有较明显差别,反映了沙尘气溶胶的辐射强迫对局地温度变化速率的影响。在沙尘天气过程中,还观测到相对湿度与气温之间的反常变化,反映了来自于沙漠地区干燥气团的可能影响。总体上,沙尘暴、扬沙、浮尘天气条件下的PM10平均质量浓度水平存在依次递减的趋势,但是沙尘天气的PM10平均质量浓度水平并不唯一与风速大小有关,尤其是在沙尘天气持续发展的后期,随着近地面沙尘颗粒尺度谱性质的改变,PM10质量浓度会出现下降,导致能见度、风速变化与PM10质量浓度变化趋势不相一致。     

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.       

西北地区一次沙尘天气的数值诊断分析

利用实况资料和WRF模式预报场.对2006年4月9～11日西北地区一次大范围沙尘天气进行动力诊断及数值模拟分析.结果表明;此次过程属于蒙古冷槽型,地面强冷空气的爆发直接导致了沙尘天气的发生,沙尘发生在冷锋后及锋面过境时;高空急流的发展、移动对沙尘天气有预示作用;沙尘发生区次级环流在过程发展中有明显变化,下沉气流和上升气流并存;有利的散度场促进了上升及下沉运动的加强;涡度场的变化影响蒙古气旋,对沙尘天气的发生发展有指示意义;稳定的大气层结和近地层较大的垂直风切变是两个特征;WRF模式对此次沙尘天气有较好的模拟能力.     

Direct Radiative Forcing and Climatic Effects of Aerosols over East Asia by RegCM3

The authors used a high-resolution regional climate model(RegCM3) coupled with a chemistry/aerosol module to simulate East Asian climate in 2006 and to test the climatic impacts of aerosols on regionalscale climate.The direct radiative forcing and climatic effects of aerosols(dust,sulfate,black carbon,and organic carbon) were discussed.The results indicated that aerosols generally produced negative radiative forcing at the top-of-the-atmosphere(TOA) over most areas of East Asia.The radiative forcing induced by aerosols exhibited significant seasonal and regional variations,with the strongest forcing occurring in summer.The aerosol feedbacks on surface air temperature and precipitation were clear.Surface cooling dominated features over the East Asian continental areas,which varied in the approximate range of-0.5 to-2°C with the maximum up to-3-C in summer over the deserts of West China.The aerosols induced complicated variations of precipitation.Except in summer,the rainfall generally varied in the range of-1 to 1 mm d-1 over most areas of China.     

次网格坡地辐射参数化对RegCM4.1模式模拟东亚夏季气候的影响

本研究将次网格坡地辐射参数化方案引入到区域气候模式(RegCM4. 1)中,并研究次网格坡地辐射参数化对RegCM4. 1模拟东亚夏季气候性能的影响。结果表明:RegCM4. 1高估了夏季青藏高原的热源作用,模拟低层偏强的西南季风导致了模拟的中国夏季降水量总体偏大。引入次网格坡地辐射参数化方案后,模式模拟的青藏高原夏季地表太阳辐射通量和长波辐射通量减小分别可达5%和12%以上,夏季减弱的青藏高原热源作用使得低层西南季风减弱,从而改善了模式对中国夏季降水的模拟;而且改善程度自东南向西北递减,在东南地区模拟夏季降水的相对均方根误差减小9%,空间相关系数和Taylor评分分别提高0. 14和0. 08。