基于起沙系數(shù)的粉塵數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究

基于起沙系數(shù)的粉塵數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究

沙害天氣是風(fēng)暴與干燥土壤或沙害表面聯(lián)合作用的產(chǎn)物。大風(fēng)作為沙塵活動(dòng)的動(dòng)力條件,其強(qiáng)度及風(fēng)場格局主要受大氣環(huán)流及區(qū)域氣候和地貌分布的控制。邊界層中的不同水熱組合及其在不同時(shí)空尺度上的變化也會(huì)影響下墊面表層土壤含水量的狀況和植被的覆蓋狀況,進(jìn)而影響沙塵的揚(yáng)起及傳輸過程。我國北方地區(qū)為沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要源區(qū),其地表土壤質(zhì)地和土地利用類型均復(fù)雜多樣。但是,有關(guān)各種類型地表的沙塵起動(dòng)及輸送機(jī)制,及下墊面表層對大氣中的沙塵貢獻(xiàn)等方面,迄今尚未展開系統(tǒng)的研究。沙塵天氣形成的機(jī)理、天氣氣候特征和預(yù)測、預(yù)報(bào)方法的研究是沙塵暴研究的重點(diǎn)。隨著對沙塵天氣研究的深入,沙塵天氣形成的原因也日漸明晰。沙塵天氣形成一般必須具備兩個(gè)條件:①天氣條件;②地表?xiàng)l件。關(guān)于沙塵暴形成的天氣條件分析已有很多,然而對于下墊面地表的考慮卻很少,一般僅在模式中考慮地表的摩擦速度。事實(shí)上,地表?xiàng)l件,如土地利用、植被覆蓋、土壤類型與土壤濕度等都是影響起沙過程的重要條件。已有部分模式考慮了地理信息數(shù)據(jù),然而由于地理信息是一個(gè)地區(qū)多年信息的統(tǒng)計(jì)平均,因此對于特定時(shí)間、特定地點(diǎn),很多信息不能正確反映該時(shí)段的信息,因此實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)就顯得非常的重要。首先,地表起沙與土地利用有密切的關(guān)系,只有裸露土壤、沙地、具有稀疏植被的土壤或沙地才具備起沙的條件,而城鎮(zhèn)、林地、水體、苔原、濕地、冰雪等不論其摩擦速度如何,它們對于沙塵的起沙通量的貢獻(xiàn)均可認(rèn)為是零,因此土地利用直接作用于起沙過程。有植被覆蓋地區(qū),由于不同植被類型,其植被高度、葉面積指數(shù)、植被覆蓋率等也不同,因此對起沙過程也有一定的影響。植被覆蓋度與風(fēng)速及風(fēng)蝕量的關(guān)系密切,植被蓋度與土壤吹蝕量呈明顯的負(fù)相關(guān)。土壤的類型也與土壤的起沙有關(guān),如砂型土壤具有較大的顆粒,只有風(fēng)速較大時(shí)才能起沙。而干燥的粘性土壤顆粒較小,即使很小的風(fēng)速就能起沙。不同類型的土壤對水分的保持能力也不同,粘性土壤保濕能力最好,其風(fēng)干土土壤含水量最大,而沙質(zhì)土壤保濕能力最差,其風(fēng)干土土壤含水量最小。對于沙質(zhì)土壤,其土壤水分易于蒸發(fā),當(dāng)遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí),極易起沙,而粘土的土壤保濕力強(qiáng),土壤顆粒間結(jié)合緊密,遇到強(qiáng)風(fēng),也不易起沙。表層土壤含水量及地表積雪、積冰狀況與能否起沙關(guān)系密切,吹蝕量隨著濕度的增加而急劇減少,土壤濕度與吹蝕量呈負(fù)相關(guān)。賀大良等研究了降雨與起沙的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)降水與土壤濕度關(guān)系十分密切,而土壤表層水分的增加可減弱直至抑制風(fēng)蝕過程,他在輸沙量與風(fēng)速關(guān)系的幾個(gè)問題研究中,闡明風(fēng)速大小對土壤侵蝕的影響,利用風(fēng)洞研究了土壤含水量與風(fēng)蝕之間的關(guān)系,認(rèn)為土壤含水量是抑制土壤風(fēng)蝕和地表起沙的重要因素。因此,地表狀況強(qiáng)烈決定著沙塵天氣過程中的起沙通量,有必要系統(tǒng)地考慮地面狀況,為沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供客觀準(zhǔn)確的地面起沙條件。本研究通過應(yīng)用地理信息數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù),定義了起沙系數(shù),將其與MM5中尺度沙塵數(shù)值模式的起沙機(jī)制耦合,對2002年3月20日華北地區(qū)的沙塵天氣進(jìn)行模擬,結(jié)果表明,起沙系數(shù)加入后能有效提高沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式對沙塵分布區(qū)域以及沙塵濃度的分布的模擬能力。1學(xué)習(xí)方法1.1不同土壤條件下的土壤類型及植被覆蓋對起沙的影響起沙系數(shù)即為在一定的風(fēng)速條件下,地表能夠揚(yáng)沙的程度。此處,定義其在0-1范圍。如為0,不起沙,不論天氣條件如何都不會(huì)起沙。如為1,在天氣條件允許情況下,起沙不受地表狀況限制。本研究中,土地利用與植被類型采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的30′空間分辨率的資料(表1),土壤類型也采用USGS土壤類型30′資料(表2),對于植被覆蓋則采用極軌氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演獲得,土壤水分通過應(yīng)用累計(jì)降水量考慮它對起沙系數(shù)的影響。顯然,起沙系數(shù)應(yīng)是土地利用,土壤類型,植被覆蓋狀況與土壤水分等的函數(shù),因此,起沙系數(shù)可以表示為:S=f(l,t,c,θ)(1)S=f(l,t,c,θ)(1)式中:S為起沙系數(shù);l為土地利用狀況;t為土壤類型;c為植被覆蓋;θ為土壤濕度。某地土地利用分類表示為n×k的矩陣l,n與k分別為中尺度數(shù)值模式緯向與經(jīng)向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù),同樣,土壤類型、植被覆蓋與土壤濕度也可表示為n×k的矩陣。最終,S為我們所計(jì)算的起沙系數(shù),同樣為n×k的矩陣。根據(jù)上述影響起沙的地面因素,可以計(jì)算得到起沙系數(shù)矩陣S。首先土地利用狀況直接決定起沙系數(shù),土地利用狀況矩陣l中的元素為土地利用類型的代碼,當(dāng)土壤類型代碼為1(城鎮(zhèn)),10(熱帶草原),11(落葉闊葉林),12(落葉針葉林),13(常綠闊葉林),14(常綠針葉林),15(混交林),16(水體),17(草本濕地),18(木本濕地),20(草本苔原),21(木本苔原),22(混合苔原),23(裸露苔原),24(冰雪),不論天氣條件如何,這些地表都不會(huì)對起沙有貢獻(xiàn)。在上述條件下,f1(l)=0,其他情況為f1(l)=1對于土壤類型矩陣t,當(dāng)土壤類型編碼為13(有機(jī)質(zhì)),14(水),15(巖床),這些地表對起沙的貢獻(xiàn)為零。而其他類型土壤認(rèn)為在合適的風(fēng)速下均可起沙。即有:在上述條件下:f2(t)=0,其他情況根據(jù)土壤質(zhì)地與土壤的水力性質(zhì),定義如下表3:對于植被覆蓋率矩陣c,其元素代表地表的植被覆蓋狀況,植被覆蓋范圍從0至1,通常的研究認(rèn)為植被的覆蓋與地表起沙為負(fù)相關(guān),覆蓋越好,越不易起沙。海春興等通過實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)植被蓋度從0到60%變化時(shí),吹蝕量隨著植被蓋度的增加而減少,即植被蓋度與土壤吹蝕量呈明顯的負(fù)相關(guān)。本研究中,認(rèn)為當(dāng)植被覆蓋大于60%,不論其他條件如何,f3(θ)=0,其他情況有如下定義:f3(c)=1-c土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測資料不易取得,此處其信息主要通過前10日累計(jì)降水量來決定土壤水分對起沙系數(shù)的影響。降水距起沙的時(shí)間對起沙當(dāng)日的土壤濕度也影響很大,考慮起來較為復(fù)雜,故此處就考慮前10日的累計(jì)降水量。當(dāng)前10日累計(jì)降水量大于10mm,此處認(rèn)為f(θ)=0,其他情況用下式定義:f4(θ)=(1-0.1Ρ)f4(θ)=(1?0.1P)式中:P為降水量前10日累計(jì)降水量。土地利用、土壤類型隨時(shí)間的變化不明顯,而植被的分布由于受氣候條件的影響,在特定地域也變化不大,可以使用地理信息系統(tǒng)中的信息。然而植被覆蓋卻與氣候條件密切相關(guān),日照、降水、溫度等都對植被覆蓋有很大的影響,尤其是人類的活動(dòng)對生態(tài)條件的破壞,對植被覆蓋影響更大,因此利用實(shí)時(shí)遙感信息資料能夠準(zhǔn)確反映植被覆蓋的變化。植被覆蓋通過應(yīng)用當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星遙感資料反演獲得。土壤水分與氣象條件關(guān)系密切,前10日累計(jì)降水量越大,則相應(yīng)的持有的土壤水分含量越高。通過公式(2)即可計(jì)算出起沙系數(shù)S。1.2動(dòng)態(tài)沙特征及物理意義動(dòng)力模式MM5是高分辨率中尺度模擬系統(tǒng),它是一個(gè)P-σ坐標(biāo)系中的三維流體非靜力方程模式,變量在水平和垂直方向的配置均為跳點(diǎn)格式,采用Brown-Campana時(shí)間積分和Asselin時(shí)間過濾方案。MM5模式中,對于中尺度大氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要的有關(guān)水汽相變,長波短波輻射、行星邊界層和陸面過程等物理過程的考慮,趨于復(fù)雜逼真,可供選擇的參數(shù)化方案增多,是一個(gè)比較理想的中尺度動(dòng)力模式,適合用于中尺度天氣過程的試驗(yàn),文獻(xiàn)模式的詳細(xì)描述。沙塵預(yù)報(bào)和輸送基本方程為:?Ρ*QΚD?t=-m2[?Ρ*uQΚD/Μ?x+?Ρ*νQΚD/Μ?y]-?Ρ*QΚDσ?σ+QΚDDΙV-?ρgQΚDVΚD?σ+Ρ*ΡQΚD+DΚD(3)?P?QKD?t=?m2[?P?uQKD/M?x+?P?νQKD/M?y]??P?QKDσ?σ+QKDDIV??ρgQKDVKD?σ+P?PQKD+DKD(3)式中:σ=-ρ0gp*w-mσp*?p*?xu-mσp*?p*?yν(4)σ=?ρ0gp?w?mσp??p??xu?mσp??p??yν(4)式中:QKD為沙塵分檔濃度;D為沙塵;K為分檔。基本方程的各項(xiàng)物理意義:?Ρ*QΚD?t?P?QKD?t為沙塵變化傾向項(xiàng);P*PQKD為沙塵源項(xiàng);?ρgQΚDVΚD?σ?ρgQKDVKD?σ為沙塵的沉降項(xiàng);[?Ρ*uQΚD/Μ?x+?Ρ*νQΚD/Μ?y][?P?uQKD/M?x+?P?νQKD/M?y]為氣流水平平流作用項(xiàng);?Ρ*QΚDσ?σ?P?QKDσ?σ為氣流垂直平流作用項(xiàng);QKDDIV為質(zhì)量散度項(xiàng);DKD為次網(wǎng)格尺度的擴(kuò)散和通量輻合項(xiàng)。在上述方程中,起沙通量可表示為:F=ΚβSαU4*(4)從(4)式可看出,起沙系數(shù)直接決定沙塵模式是否起沙以及起沙的通量。沙塵模式采用與MM5相同的仿地形坐標(biāo)系,粒子的水平擴(kuò)散、垂直擴(kuò)散以及差分方案和MM5相同考慮。水平方向上沙塵濃度定義在網(wǎng)格的交叉點(diǎn)上,垂直方向定義在半層上。模式結(jié)構(gòu)如圖1所示。2關(guān)于塵天氣的強(qiáng)度模型2002年3月18-22日全國大部分地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的連續(xù)沙塵天氣過程。從18日開始,沙塵天氣出現(xiàn)在西北地區(qū)的甘肅、內(nèi)蒙古西部、蒙古國西部等地方,隨著冷空氣向偏南方向移動(dòng),大風(fēng)經(jīng)過河套、華北、東北一直向南推進(jìn),影響到了北京。北京地區(qū)各氣象站從3月20日下午開始觀測到了揚(yáng)沙、浮塵天氣,個(gè)別觀測站達(dá)到了沙塵暴的強(qiáng)度。從氣象衛(wèi)星對沙塵暴的遙感監(jiān)測圖像和地面氣象觀測記錄表明,此次沙塵暴是沿西北路徑影響北京,并在21日影響到了韓國等地。可見這次沙塵天氣的強(qiáng)度之大,影響范圍之廣(圖2,見圖版Ⅳ)。對北京的影響主要是20日到21日,在模擬時(shí)選用此次比較典型的沙塵過程進(jìn)行試驗(yàn)。用2002年3月19日12時(shí)(世界時(shí))資料作為初始場,模式的中心經(jīng)緯度為(40°N,110°E),采用一重嵌套,格點(diǎn)數(shù)為101×101,水平格距為45km,模式初始場和邊界條件由T106提供預(yù)報(bào)時(shí)效36h,步長90s,沙塵模式與中尺度模式(MM5)耦合,可1h或3h輸出結(jié)果。模擬結(jié)果如圖3(見圖Ⅴ):從模擬結(jié)果可以看出,當(dāng)模式使用起沙系數(shù)后,沙塵的分布區(qū)域和沙塵強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化,加入起沙系數(shù)后,由于考慮地表的特征等的影響,模擬結(jié)果更接近實(shí)際觀測沙塵的分布,起沙系數(shù)在