基于起沙系数的粉尘数值预报方法研究

基于起沙系数的粉尘数值预报方法研究

沙害天气是风暴与干燥土壤或沙害表面联合作用的产物。大风作为沙尘活动的动力条件,其强度及风场格局主要受大气环流及区域气候和地貌分布的控制。边界层中的不同水热组合及其在不同时空尺度上的变化也会影响下垫面表层土壤含水量的状况和植被的覆盖状况,进而影响沙尘的扬起及传输过程。我国北方地区为沙尘暴发生发展的主要源区,其地表土壤质地和土地利用类型均复杂多样。但是,有关各种类型地表的沙尘起动及输送机制,及下垫面表层对大气中的沙尘贡献等方面,迄今尚未展开系统的研究。沙尘天气形成的机理、天气气候特征和预测、预报方法的研究是沙尘暴研究的重点。随着对沙尘天气研究的深入,沙尘天气形成的原因也日渐明晰。沙尘天气形成一般必须具备两个条件:①天气条件;②地表条件。关于沙尘暴形成的天气条件分析已有很多,然而对于下垫面地表的考虑却很少,一般仅在模式中考虑地表的摩擦速度。事实上,地表条件,如土地利用、植被覆盖、土壤类型与土壤湿度等都是影响起沙过程的重要条件。已有部分模式考虑了地理信息数据,然而由于地理信息是一个地区多年信息的统计平均,因此对于特定时间、特定地点,很多信息不能正确反映该时段的信息,因此实时的数据就显得非常的重要。首先,地表起沙与土地利用有密切的关系,只有裸露土壤、沙地、具有稀疏植被的土壤或沙地才具备起沙的条件,而城镇、林地、水体、苔原、湿地、冰雪等不论其摩擦速度如何,它们对于沙尘的起沙通量的贡献均可认为是零,因此土地利用直接作用于起沙过程。有植被覆盖地区,由于不同植被类型,其植被高度、叶面积指数、植被覆盖率等也不同,因此对起沙过程也有一定的影响。植被覆盖度与风速及风蚀量的关系密切,植被盖度与土壤吹蚀量呈明显的负相关。土壤的类型也与土壤的起沙有关,如砂型土壤具有较大的颗粒,只有风速较大时才能起沙。而干燥的粘性土壤颗粒较小,即使很小的风速就能起沙。不同类型的土壤对水分的保持能力也不同,粘性土壤保湿能力最好,其风干土土壤含水量最大,而沙质土壤保湿能力最差,其风干土土壤含水量最小。对于沙质土壤,其土壤水分易于蒸发,当遇到强风时,极易起沙,而粘土的土壤保湿力强,土壤颗粒间结合紧密,遇到强风,也不易起沙。表层土壤含水量及地表积雪、积冰状况与能否起沙关系密切,吹蚀量随着湿度的增加而急剧减少,土壤湿度与吹蚀量呈负相关。贺大良等研究了降雨与起沙的关系,发现降水与土壤湿度关系十分密切,而土壤表层水分的增加可减弱直至抑制风蚀过程,他在输沙量与风速关系的几个问题研究中,阐明风速大小对土壤侵蚀的影响,利用风洞研究了土壤含水量与风蚀之间的关系,认为土壤含水量是抑制土壤风蚀和地表起沙的重要因素。因此,地表状况强烈决定着沙尘天气过程中的起沙通量,有必要系统地考虑地面状况,为沙尘数值预报模式提供客观准确的地面起沙条件。本研究通过应用地理信息数据、遥感数据与气象数据,定义了起沙系数,将其与MM5中尺度沙尘数值模式的起沙机制耦合,对2002年3月20日华北地区的沙尘天气进行模拟,结果表明,起沙系数加入后能有效提高沙尘数值预报模式对沙尘分布区域以及沙尘浓度的分布的模拟能力。1学习方法1.1不同土壤条件下的土壤类型及植被覆盖对起沙的影响起沙系数即为在一定的风速条件下,地表能够扬沙的程度。此处,定义其在0-1范围。如为0,不起沙,不论天气条件如何都不会起沙。如为1,在天气条件允许情况下,起沙不受地表状况限制。本研究中,土地利用与植被类型采用美国地质调查局(USGS)的30′空间分辨率的资料(表1),土壤类型也采用USGS土壤类型30′资料(表2),对于植被覆盖则采用极轨气象卫星遥感数据反演获得,土壤水分通过应用累计降水量考虑它对起沙系数的影响。显然,起沙系数应是土地利用,土壤类型,植被覆盖状况与土壤水分等的函数,因此,起沙系数可以表示为:S=f(l,t,c,θ)(1)S=f(l,t,c,θ)(1)式中:S为起沙系数;l为土地利用状况;t为土壤类型;c为植被覆盖;θ为土壤湿度。某地土地利用分类表示为n×k的矩阵l,n与k分别为中尺度数值模式纬向与经向网格点数,同样,土壤类型、植被覆盖与土壤湿度也可表示为n×k的矩阵。最终,S为我们所计算的起沙系数,同样为n×k的矩阵。根据上述影响起沙的地面因素,可以计算得到起沙系数矩阵S。首先土地利用状况直接决定起沙系数,土地利用状况矩阵l中的元素为土地利用类型的代码,当土壤类型代码为1(城镇),10(热带草原),11(落叶阔叶林),12(落叶针叶林),13(常绿阔叶林),14(常绿针叶林),15(混交林),16(水体),17(草本湿地),18(木本湿地),20(草本苔原),21(木本苔原),22(混合苔原),23(裸露苔原),24(冰雪),不论天气条件如何,这些地表都不会对起沙有贡献。在上述条件下,f1(l)=0,其他情况为f1(l)=1对于土壤类型矩阵t,当土壤类型编码为13(有机质),14(水),15(岩床),这些地表对起沙的贡献为零。而其他类型土壤认为在合适的风速下均可起沙。即有:在上述条件下:f2(t)=0,其他情况根据土壤质地与土壤的水力性质,定义如下表3:对于植被覆盖率矩阵c,其元素代表地表的植被覆盖状况,植被覆盖范围从0至1,通常的研究认为植被的覆盖与地表起沙为负相关,覆盖越好,越不易起沙。海春兴等通过实验表明当植被盖度从0到60%变化时,吹蚀量随着植被盖度的增加而减少,即植被盖度与土壤吹蚀量呈明显的负相关。本研究中,认为当植被覆盖大于60%,不论其他条件如何,f3(θ)=0,其他情况有如下定义:f3(c)=1-c土壤水分的实时监测资料不易取得,此处其信息主要通过前10日累计降水量来决定土壤水分对起沙系数的影响。降水距起沙的时间对起沙当日的土壤湿度也影响很大,考虑起来较为复杂,故此处就考虑前10日的累计降水量。当前10日累计降水量大于10mm,此处认为f(θ)=0,其他情况用下式定义:f4(θ)=(1-0.1Ρ)f4(θ)=(1−0.1P)式中:P为降水量前10日累计降水量。土地利用、土壤类型随时间的变化不明显,而植被的分布由于受气候条件的影响,在特定地域也变化不大,可以使用地理信息系统中的信息。然而植被覆盖却与气候条件密切相关,日照、降水、温度等都对植被覆盖有很大的影响,尤其是人类的活动对生态条件的破坏,对植被覆盖影响更大,因此利用实时遥感信息资料能够准确反映植被覆盖的变化。植被覆盖通过应用当时的卫星遥感资料反演获得。土壤水分与气象条件关系密切,前10日累计降水量越大,则相应的持有的土壤水分含量越高。通过公式(2)即可计算出起沙系数S。1.2动态沙特征及物理意义动力模式MM5是高分辨率中尺度模拟系统,它是一个P-σ坐标系中的三维流体非静力方程模式,变量在水平和垂直方向的配置均为跳点格式,采用Brown-Campana时间积分和Asselin时间过滤方案。MM5模式中,对于中尺度大气系统的发生和发展至关重要的有关水汽相变,长波短波辐射、行星边界层和陆面过程等物理过程的考虑,趋于复杂逼真,可供选择的参数化方案增多,是一个比较理想的中尺度动力模式,适合用于中尺度天气过程的试验,文献模式的详细描述。沙尘预报和输送基本方程为:∂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为沙尘分档浓度;D为沙尘;K为分档。基本方程的各项物理意义:∂Ρ*QΚD∂t∂P∗QKD∂t为沙尘变化倾向项;P*PQKD为沙尘源项;∂ρgQΚDVΚD∂σ∂ρgQKDVKD∂σ为沙尘的沉降项;[∂Ρ*uQΚD/Μ∂x+∂Ρ*νQΚD/Μ∂y][∂P∗uQKD/M∂x+∂P∗νQKD/M∂y]为气流水平平流作用项;∂Ρ*QΚDσ∂σ∂P∗QKDσ∂σ为气流垂直平流作用项;QKDDIV为质量散度项;DKD为次网格尺度的扩散和通量辐合项。在上述方程中,起沙通量可表示为:F=ΚβSαU4*(4)从(4)式可看出,起沙系数直接决定沙尘模式是否起沙以及起沙的通量。沙尘模式采用与MM5相同的仿地形坐标系,粒子的水平扩散、垂直扩散以及差分方案和MM5相同考虑。水平方向上沙尘浓度定义在网格的交叉点上,垂直方向定义在半层上。模式结构如图1所示。2关于尘天气的强度模型2002年3月18-22日全国大部分地区出现了较为严重的连续沙尘天气过程。从18日开始,沙尘天气出现在西北地区的甘肃、内蒙古西部、蒙古国西部等地方,随着冷空气向偏南方向移动,大风经过河套、华北、东北一直向南推进,影响到了北京。北京地区各气象站从3月20日下午开始观测到了扬沙、浮尘天气,个别观测站达到了沙尘暴的强度。从气象卫星对沙尘暴的遥感监测图像和地面气象观测记录表明,此次沙尘暴是沿西北路径影响北京,并在21日影响到了韩国等地。可见这次沙尘天气的强度之大,影响范围之广(图2,见图版Ⅳ)。对北京的影响主要是20日到21日,在模拟时选用此次比较典型的沙尘过程进行试验。用2002年3月19日12时(世界时)资料作为初始场,模式的中心经纬度为(40°N,110°E),采用一重嵌套,格点数为101×101,水平格距为45km,模式初始场和边界条件由T106提供预报时效36h,步长90s,沙尘模式与中尺度模式(MM5)耦合,可1h或3h输出结果。模拟结果如图3(见图Ⅴ):从模拟结果可以看出,当模式使用起沙系数后,沙尘的分布区域和沙尘强度发生了明显的变化,加入起沙系数后,由于考虑地表的特征等的影响,模拟结果更接近实际观测沙尘的分布,起沙系数在