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。     

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。     

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,分析塔中地区的风蚀起沙特征,结果表明:(1)塔中地区临界起沙风速呈明显的季节变化特征,夏季>春季>秋季>冬季,临界起沙风速介于4.47～4.92 m/s;(2)春、夏季是风蚀事件的多发季节,春、夏季沙尘水平通量的平均值分别为2638.9、3298.9 ...     

中国西北不同沙源地区起沙阈值的对比分析与研究

沙尘粒子进入大气所受到的空气动力因子和阴力因子分别用摩擦速度u,和临界摩擦速度u(?)来定量表示。临界摩擦速度是影响沙尘释放和输送的重要参数。文中利用2004年春季浑善达克沙地和2006年春季黄土高原与戈壁3种不同沙源地区开展的微气象学和沙尘暴观测资料,分析了沙尘天气过程中沙尘浓度随摩擦速度的变化关系,估算了临界起沙摩擦速度u(?),并与不同学者给出的结果进行对比。结果表明:沙尘天气过程中,临近起沙阶段,沙尘浓度较低,摩擦速度增加快,为起沙阶段提供了利的动力条件;起沙阶段,动力和热力湍流混合使得沙尘浓度迅速升高;沙尘天气减弱阶段,由于重力沉隆作用,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性递减关系。以空气中的沙尘浓度大于200μg/m~3作为起沙的判据条件,得到浑善达克沙地和戈壁地区的临界起沙摩擦速度分别为0.6和0.45 m/s。由于受地形及非均匀下垫面的影响,黄土高原的临界起沙摩擦速度与风向有关。西北风反映了来自西北方向毛乌素沙地的影响,u(?)为0.35 m/s,偏南风时对应观测站点南部黄土丘陵沟壑区的起沙特征,u(?)为0.7 m/s。黄土丘陵沟壑区的地表粗糙度值和土壤粒子间的相互作用力较大,从而导致了较大的临界起沙摩擦速度。不同的起沙阈值条件和风速频率分布与沙尘释放能力的不同相对应。     

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。     

几种起沙方案对东亚风蚀起沙模拟的比较

针对源区起沙的不确定性,整理并选取了国际上最具代表性的几种起沙方案,结合中尺度气象模式MM5V3．7输出的高分辨率气象资料,将其应用于东亚地区一次强沙尘暴天气过程的源区起沙模拟研究,利用地面观测实况和卫星监测图像资料,比较了它们对东亚起沙源的模拟效果和差异。结果表明,两种起沙方案的模拟效果较好且性能稳定。     

对流起沙的研究进展

对流起沙是一种由热力对流湍流直接夹卷沙尘进入大气的起沙机制,由于其频繁发生,长期累积的沙尘排放贡献不可忽视。根据国内外研究现状,总结归纳对流起沙的发生机理和影响因素,介绍目前相关的参数化方案,并从发生条件和起沙通量等方面分析对流起沙与跃移起沙、尘卷风的异同。最后,对对流起沙的野外观测和参数化方案改进等方面提出建议：应加强对流起沙潜在活跃区的观测及比较不同沙源地对流起沙的特征,进一步构建土壤湿度、植被覆盖等影响因素的修正函数以提升模式模拟性能。     

一个适用于我国北方的沙尘暴天气数值预测系统及其应用试验

将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平发展的具有清晰风蚀物理学概念的起沙数值模式、输送模式与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合,以高精度中国区域的GIS(Geographic Information System)数据为基础,建立了一个较完整的沙尘暴起沙和输送过程的预测系统.该预测系统可以预测地面起沙率和大气中沙尘浓度.在此基础上,采用该系统对2002年3～4月3次影响我国北方大部分地区的沙尘(暴)天气的起沙和输送过程进行了模拟试验.试验结果表明模拟的沙尘浓度与地面天气现象及卫星云图的沙尘天气范围比较一致,预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力.北方上述大范围沙尘天气的沙尘源地为蒙古国的南戈壁省、东戈壁省,内蒙古中西部,河北省北部,山西省东北部,甘肃和青海北部等地区.起沙中贡献最大的粒子粒径为2～11μm和11～22 μm,能够长时间、长距离输送的沙尘也是上述大小的粒子,沙尘粒子的垂直输送高度一般在500 hPa以下.     

2006年春季一次引起华北地区强沉降的沙尘暴过程的模拟研究

2006年春季是我国北方地区2000年以来强沙尘暴过程最多的一年,浮尘和扬沙天气更是频繁发生.尽管,4月16～17日过程不是2006年春季最强的沙尘暴过程,但其在华北地区引起了严重的沉降,尤其对京津地区影响较大.这是一次由蒙古气旋引发的强沙尘暴过程.利用沙尘天气预测系统(IAPS 2.0)对该次强沙尘暴过程进行了模拟试验,结果表明:该系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力,基本模拟出了这次强沙尘暴的发生和移动;沙尘受对流层中低层偏西风的作用输送到华北地区,并从山东半岛越过渤海湾向东输送;主要的沙尘源地是蒙古国南部和我国西北的内蒙古、新疆西部、甘肃、陕西北部,而起尘最大的地区在蒙古国和内蒙古的沙漠、戈壁地区;沉降最严重的地区是沙尘源区及其附近,可达到50 g*m-2,其他地区的总沉降量在10 g*m-2左右.     

2020年春季中国北方一次扬沙天气过程微气象学与沙尘输送特征

利用内蒙古科尔沁沙地和沈阳地区同步气象要素梯度观测和地面大气颗粒物(PM_2.5和PM₁₀)质量浓度观测资料,分析了中国北方地区2020年5月10日一次大范围扬沙天气过程微气象学和沙尘输送特征。结果表明：受大尺度天气系统影响,此次沙尘天气过程中科尔沁沙地不同高度(<20 m)风速均明显增加,各层相对湿度和浅层地表含水量有所降低,较强湍流动力作用配合干燥的土壤和大气环境有利于沙源地区地表大量的沙尘粒子释放到大气中。此后这些沙尘粒子随较强的西北气流集中在2—3 km以下高度向下游地区输送。受沙尘输送的影响,沈阳地区10日小时平均PM₁₀浓度最高达817μg·m^-3,能见度减小至3.7 km。此外,科尔沁沙地起沙过程中能见度与摩擦速度存在明显的反相关关系(相关系数R²=0.93),与湍流动力学热通量相关性相对较小,表明湍流动力作用在此次起沙过程占主导作用。     

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。