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。     

Seasonal variations in Dustfall and its iron content over North China

Extensive dustfall collections were carried out from April 2001 to May 2002 in North China. The highest level of dustfall occurred in the Gobi deserts and at the margins of sandy deserts in the region. The iron content in dustfall in North China varied from 0.6% to 6.0% and there was significant seasonal variation, which indicates the dust sources differed during the year. Although the iron content in dustfall in North China is higher in the Loess Plateau and arable lands and lower in the Gobi and sandy deserts, the total iron deposition was higher in the Gobi desert regions. If the fine particles （PM10） in dustfall in North China are the major contributors of dust transport to eastern China and western parts of the North Pacific, then the annual deposition rates of iron may have been underestimated in previous studies. Our analysis indicates that iron deposition may reach 1.38 × 10^3 to 2.43 × 10^3 kg km^-2 and that most iron deposition occurs in spring and summer. If the more-coarse fractions （PM50） are considered, deposition rates may reach 2.75 × 10^3 and 6.80 × 10^3 kg km^-2, which would represent a large source of iron deposition in eastern China and the western North Pacific.     

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.     

一次黄沙输送过程的数值模拟研究

运用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10日发生的一次沙尘暴天气及沙尘气溶胶（黄沙）输送过程。得出蒙古气旋冷锋后的大风是沙尘扬起的主要动力,地形抬升、白天混合层内的湍流扩散和锋区强烈的上升气流将沙尘输送到高层。沙尘气溶胶的水平输送主要通过对流层下层和上层两层向下游输送。低层沙尘随冷锋一起向下游输送,移速较慢;高层沙尘主要通过西风气流迅速输送到下游区域。     

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。     

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.     

甘肃省近30年沙尘暴、扬沙、浮尘天气空间分布特征

通过对甘肃省1971－2000年共30年沙尘暴、扬沙、浮尘天气发生日数的分析，给出了年平均和四季的空间分布特征，并分析了沙尘天气形成的原因。分析发现，从武威开始，经景泰、白银、会宁到天水、徽县存在一个沙舌区，是浮尘天气的多发区。该沙舌与甘肃中部至陇南的干舌基本吻合，与青藏高原东北边缘的地形走向基本一致。该沙舌的存在是甘肃省中东部生态环境脆弱、荒漠化进一步发展的重要因素。     

干旱半干旱地区尘卷风研究进展

尘卷风是一种发生在对流边界层的垂直涡旋,多发生在干旱半干旱地区,其旋转过程中强上升气流携带大量沙尘粒子,成为沙尘气溶胶排放的一个重要起沙过程。然而,相对于沙尘暴研究,目前对尘卷风及大气边界层的起沙过程的认知相当有限。从尘卷风发生的时空变化、边界层特征、形成原因和输沙量4个方面对尘卷风当前研究状况进行总结,并指出当前尘卷风研究重点及未来研究方向。     

中国的人为沙漠化因素对亚洲沙尘暴的贡献

以数值模拟与大规模网络观测的对比结果为基础,通过对“去除”已经沙化土地获得的近地面层粉尘浓度的进一步分析,结合已获得的亚洲沙尘暴各源区粉尘释放量结果,提出我国的人为沙漠化因素对亚洲沙尘暴的贡献约为6％的观点。     

2000年4月5～7日浑善达克沙地沙尘暴天气过程分析

利用内蒙古浑善达克沙地11个代表站的观测资料以及NCEP再分析资料，对2000年4月5－7日发生在我国华北地区的扬沙、沙尘暴天气过程进行 气象要素分析、环流特征分析以及物理量诊断分析，力图为今后沙尘暴的预报研究提供一定的科学依据。     

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.       

一次引发华北和北京沙尘(暴)天气起沙机制的数值模拟研究

在对气象背景场进行诊断分析的基础上,集中对一次沙尘(暴)天气的起沙机制进行了数值模拟.具体做法是先将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平博士发展的具有清晰物理概念的起沙数值模式(非参数化方案),与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合.使用该模式系统,根据陆面状况和大气条件,定量模拟出沙尘(暴)起沙的过程.对2000年4月6～7日发生在华北和北京的一次沙尘暴过程的数值试验结果表明,该模式对沙尘天气的起沙过程有较好的模拟能力.     

基于CALIPSO资料的沙尘暴过程沙尘垂直结构特征分析

综合利用CALIPSO星载激光雷达探测资料和MM5数值模拟结果,对2010年3月19—22日强沙尘暴过程不同阶段沙尘垂直分布特征及其动力、热力结构进行了初步分析,结果发现:在沙尘暴成熟阶段,沙尘层分布于2~9 km(850~250 hPa)的几乎整个对流层中,冷锋前抬升和锋后下沉导致的旺盛垂直混合使沙尘呈现相对均匀的垂直分布。在沙尘扩展及远距离传输阶段,沙尘层明显分为两层,分别位于对流层低层(700 hPa以下)和对流层中高层(600~300 hPa)。在沙尘暴各个阶段,弱风速垂直切变和弱位温、相当位温垂直变化始终与沙尘层配合,显示沙尘层维持中性混合层,而两个沙尘层之间则为强风速垂直切变及位温、相当位温锋区。另外,沙尘暴发展过程中,高空急流、位涡、比湿等要素均表明出明显的对流顶折叠和高空位涡下传,且在对流顶较高的区域,沙尘向上的扩展也较高,反之则较低。需要指出,在沙尘暴扩展和远距离传输阶段,在40°N附近,7~9 km沿纬向一线,均出现一小范围孤立沙尘区位于平流层中(或平流层附近),表明沙尘暴过程中能够产生沙尘的对流层—平流层输送,并在平流层中形成持续性的沙尘传输带。这可以成为沙尘气溶胶对流层—平流层输送及其在平流层中传输的一个直接的监测证据。     

沙尘暴研究中的若干科学问题

近年来,中国北方频繁发生的沙尘暴事件引起世人的关注.实际上,沙尘暴不仅影响空气质量、交通,造成土壤风蚀和其他人、畜生命财产等社会、经济损失,作为一种特殊类型的大气气溶胶,沙尘粒子还具有重要的气候和环境效应.作者在简单综述沙尘暴研究的基础上,将重点探讨沙尘暴研究中一些值得注意的科学问题.     

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.     

华北强沙尘暴的数值模拟及沙源分析

首先对2000～2002年春季东亚沙尘天气进行了分析,结果表明有明显的日变化,沙尘暴下午最多,凌晨最少.然后,采用集成的沙尘天气预测系统对2001年4月6～10日、2002年3月19～22日发生的2次强沙尘暴过程进行了预测试验,将沙尘浓度的模拟结果与实况观测进行了对比.对沙源和起沙过程的深入分析表明:2次过程主要的沙尘源地是蒙古国南部,内蒙古中西部、河北北部、山西东北部、甘肃和青海北部等地区;起沙中贡献最大是粒径为2～μm和11～22μm的粒子,华北北部的荒漠化地区2～11μm 和11～22μm的起尘量相当,而内蒙古西部和蒙古国南部沙地附近的起沙以2～11μm为主,总的起尘量中2～11μm粒径组的贡献占90%以上.     

Simulation of Terrestrial Dust Devil Patterns

Introducing the surface properties [initial vortex, ground temperature and surface momentum impact height (SMIH)] for the boundary conditions, dust-devil-scale large eddy simulations (LES) were carried out. Given three parameters of initial vortex, ground temperature and the SMIH based on Sinclair's observation, the dust devil physical characteristics, such as maximum tangential velocity, updraft velocity, pressure drop in the inner core region, and even reverse flow at the top of the core region, are predicted, and are found to be close to the observations, thus demonstrating the ability of the simulation. The physical characteristics of different modeled dust devils are reproduced and compared to the values predicted by Renno et al.' theory. Even for smaller temperature differences or weaker buoyancy, severe dust devils may be formed by strong incipient vortices. It is also indicated that SMIH substantially affects the near-surface shape of terrestrial dust devils.     

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.     

北京沙尘天气与源地积雪变化的关系

主要分析了北京沙尘天气变化规律及沙尘源区积雪变化与北京沙尘日数的关系,并探讨源区积雪变化影响北京沙尘天气的机制.研究表明55年来北京沙尘日数基本呈减少趋势,但1998～2000年又有所增加,沙尘暴日数也在减少,近10年北京没有出现强沙尘暴天气.而沙尘源区积雪深度和积雪面积与北京沙尘存在明显的负相关关系.冬季源区积雪减少(增加),很可能导致春季沙尘日数增加(减少),作者认为冬季积雪变化引起的土壤含水量变化是影响春季北京沙尘天气的原因之一.     

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.