趙文朋，趙 軍，劉筱冉，趙丹丹，祁月基，李金才

(1.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，湖南 長沙 410003；2.國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖南 長沙 410003；3.中國人民解放軍95871部隊，湖南 衡陽 421000；4.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100029；5.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

引 言

沙塵天氣是一種非常復(fù)雜的天氣過程，中國西北地區(qū)是沙塵天氣的高發(fā)地區(qū)。沙塵天氣會極大增加大氣中PM10、PM2.5等的質(zhì)量濃度，降低大氣能見度，造成嚴(yán)重的大氣污染[1]，影響大氣環(huán)境質(zhì)量[2-3]，危害人體健康[4-5]，另外，沙塵氣溶膠對全球及區(qū)域氣候系統(tǒng)也有重要影響[6-10]。迄今為止中國西北地區(qū)已相繼建立了一系列沙塵暴預(yù)報模式系統(tǒng)[11-14]，例如嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報模式系統(tǒng)(NAQPMS)和新一代沙塵天氣預(yù)報系統(tǒng)GRAPES_CUACE/Dust，這些系統(tǒng)對中國西北地區(qū)沙塵暴天氣的起沙、傳輸、范圍等都有較好地模擬和預(yù)報能力，但定量模擬和預(yù)報準(zhǔn)確率仍需進(jìn)一步提高。目前全球沙塵模式有GOCART[15]、DEAD[16]、MASINGAR[17]等，區(qū)域沙塵模式包括COAMPS[18]、CEMSYS5[19]、CFORS[20]、DREAM[21]等。

基于各種起沙參數(shù)化方案的沙塵模式對于沙塵天氣都有一定的模擬能力，都能夠較好地模擬出沙塵天氣，但同時存在較多不確定性[22]。沙塵模式中的起沙參數(shù)化方案是準(zhǔn)確模擬和預(yù)報沙塵暴的關(guān)鍵，而沙塵參數(shù)化方案的關(guān)鍵在于地表垂直沙塵通量的計算，其極大程度上決定了沙塵數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確性。國內(nèi)外不斷提出描述沙粒運(yùn)動的起沙參數(shù)化方案，Shao等[19,23]根據(jù)地表沙塵水平通量的物理意義，將起沙參數(shù)化方案分為α方案、β方案和γ方案3類。其中γ方案考慮了3種起沙機(jī)制(空氣拖曳力的夾卷、沙粒躍移轟擊和集合粒子的分裂)，是依據(jù)風(fēng)蝕物理過程的譜方案。目前為止Shao04方案是考慮因素較為全面的起沙參數(shù)化方案，但是不確定性依然很大[24]，特別是垂直沙塵通量公式中的關(guān)鍵參數(shù)，如土壤塑性壓力P和比例系數(shù)cy[25]，都具有較高的本地化適用性研究價值，通過大量模擬實驗以及與觀測值作對比，找出關(guān)鍵參數(shù)不同取值對起沙的影響，并找到在中國西北地區(qū)最合適的取值，對于提高我國西北沙塵暴監(jiān)測預(yù)報服務(wù)能力具有重大意義。

本文通過耦合Shao04起沙參數(shù)方案的大氣化學(xué)全耦合WRF/Chem模式，研究Shao04方案垂直沙塵通量公式中的風(fēng)蝕權(quán)重因子γ，γ權(quán)重因子表示釋放聚合沙粒的難易程度，取值越大越難釋放，令其取不同值時，分析一次典型沙塵天氣個例的數(shù)值模擬結(jié)果，并與氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測沙塵范圍以及站點(diǎn)顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行對比分析，得出γ對沙塵范圍和垂直沙塵通量模擬結(jié)果的影響，以期找出較適合于我國西北地區(qū)的γ取值。

1 資料、沙塵模式及實驗設(shè)計

1.1 資 料

選取2014年4月23—25日典型沙塵天氣過程西北克拉瑪依、嘉峪關(guān)、金昌、包頭、蘭州和銀川6市多個監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5和PM10逐小時質(zhì)量濃度監(jiān)測資料，將每個城市的多個監(jiān)測站資料求小時平均再求站點(diǎn)平均。

1.2 沙塵模式

Shao[19]于2004年提出了包括陸面過程模式、區(qū)域大氣模式、風(fēng)沙模式(包括風(fēng)蝕、輸送和沉降模式)和地理信息系統(tǒng)的沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng)。但當(dāng)時沙塵天氣集成預(yù)報系統(tǒng)的發(fā)展仍處于初期，尚待解決的問題很多，主要包括建立與完善地理信息系統(tǒng)、數(shù)值沙塵預(yù)報的定量檢驗和陸面過程的數(shù)值同化[26]。隨后出現(xiàn)了改進(jìn)的WRF/Chem沙塵集成預(yù)報系統(tǒng)，其將中尺度預(yù)報模式WRF與大氣化學(xué)過程的化學(xué)模塊Chem相耦合，實現(xiàn)了大氣模式與化學(xué)模塊在時間和空間上的完全在線耦合。WRF/Chem模式V3.0以上版本中考慮了沙塵的起沙、傳輸、沉降等過程，可用于模擬研究沙塵天氣。KANG等[27]將Shao04起沙參數(shù)化方案耦合到WRF/Chem V3.2版本中。基于Shao04方案的WRF/Chem模式便被廣泛應(yīng)用到我國西北地區(qū)沙塵天氣的模擬研究[28-30]，取得了較好的研究效果。本文利用耦合了Shao04起沙參數(shù)化方案的WRF/Chem V 3.6.1版本。

Shao04方案[19]風(fēng)蝕起沙物理學(xué)理論，考慮了空氣拖曳力的夾卷、沙粒躍移轟擊和集合粒子的分裂3種起沙機(jī)制，同時也增加了沙塵粒徑譜分布資料，是依據(jù)風(fēng)蝕物理過程的譜方案。Shao04方案也是目前為止考慮因素最為全面的起沙參數(shù)化方案。

Shao[19]給出的由粒徑di的沙粒運(yùn)動產(chǎn)生的粒徑為dj的垂直沙塵通量如下：

(1)

式中：cy為起沙因子(比例系數(shù))；g是重力加速度；u*是摩擦速度；pm(dj)和pf(dj)分別為粒徑的最小分布和全分布，均是一種理想尺度分布特征[7]。

σm是沙塵粒子有效轟擊率：

(2)

式中：ρb是土壤容重；P是土壤塑性壓力。

Q(di)為粒徑為di的轟擊沙粒水平通量：

(3)

式中：c為與水平沙通量有關(guān)常數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；u*t是臨界摩擦速度。

(4)

p(di)=γpm(di)+(1-γ)pf(di)

(5)

γ=exp[-(u*-u*t)3]

(6)

式中：F是總的垂直沙塵通量；d1和d2分別表示顆粒的最小尺度與最大尺度；p(di)是顆粒的尺度分布函數(shù)；γ為風(fēng)蝕起沙時微風(fēng)風(fēng)蝕所占的權(quán)重，描述釋放聚合沙粒的難易程度，取值越大說明微風(fēng)風(fēng)蝕越強(qiáng)，沙塵越難釋放，當(dāng)γ=1時，p(di)=pm(di)，不考慮較強(qiáng)風(fēng)蝕，對方案進(jìn)行了簡化，其他條件默認(rèn)不變，也就是Shao11方案[31]。

1.3 實驗設(shè)計

首先修改Shao04起沙方案[19]中垂直沙塵通量公式權(quán)重因子γ，使其分別為0、0.5和1。每一次修改都利用WRF/Chem模式模擬此次典型沙塵天氣過程。個例模擬區(qū)域中心點(diǎn)均取在(96°E、40°N)，模式水平分辨率為27 km，緯向共有140個格點(diǎn)，經(jīng)向有80個格點(diǎn)，垂直方向劃分為48層。模擬的范圍主要包括中國西北、華北和華中地區(qū)。氣象驅(qū)動場的初始條件和邊界條件來自NCEP每6 h更新一次的FNL 1°×1°分辨率的全球再分析資料。化學(xué)物質(zhì)的初始和邊界條件來自MOZART-4模式每6 h一次的輸出模擬結(jié)果。實驗總共進(jìn)行3組模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，以每日13:00(北京時，下同)模式模擬圖為例進(jìn)行分析。

2 沙塵天氣環(huán)流場

圖1為2014年4月23—25日12:00 NCEP再分析資料500hPa位勢高度場?？梢钥闯觯?3日12:00低槽位于新疆東北部，受此低槽影響，新疆中東部地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)的同時開始出現(xiàn)沙塵天氣，進(jìn)而影響新疆大部分地區(qū)；24日12:00位于新疆東部的低槽東移至蒙古中部，加深為低渦，低渦中心位于(53°N、105°E)，此時鋒區(qū)位于貝加爾湖以南、蒙古中南部與內(nèi)蒙古北部之間，沙塵區(qū)已由新疆轉(zhuǎn)移至蒙古南部和內(nèi)蒙古北部；25日12:00低渦快速東移，低渦中心位于(55°N、115°E)，鋒面影響范圍已減小，主要起沙區(qū)位于蒙古東南部和內(nèi)蒙古中北部。

圖1 2014年4月23日(a)、24日(b)和25日(c)12:00 NCEP再分析資料500 hPa位勢高度場(單位：dagpm)Fig.1 The 500 hPa geopotential height from NCEP reanalysis data at 12:00 BST on 23 (a), 24 (b) and 25 (c) April 2014 (Unit: dagpm)

3 權(quán)重γ對起沙模擬結(jié)果的影響

風(fēng)蝕起沙過程中，沙塵排放率與地表土壤微粒的尺度分布特征密切相關(guān)，要正確計算地表垂直沙塵通量，首先要弄清楚沙塵在地表隨風(fēng)蝕強(qiáng)度的變化規(guī)律[7]。風(fēng)蝕強(qiáng)度不同會導(dǎo)致聚合微粒破碎的程度不同，從而使地表土壤中可以被輸運(yùn)的微粒尺度分布不同，γ和(1-γ)分別作為微風(fēng)風(fēng)蝕和較強(qiáng)風(fēng)蝕的權(quán)重，描述釋放聚合沙粒的難易程度，理論上γ越大，微風(fēng)風(fēng)蝕所占權(quán)重越大，較強(qiáng)風(fēng)蝕所占權(quán)重越小，越不易起沙。下面以2014年4月23—25日每日13:00模式模擬結(jié)果為例進(jìn)行分析。

3.1 不同γ取值沙塵模擬結(jié)果及衛(wèi)星遙感監(jiān)測沙塵實況

圖2為2014年4月23—25日13:00γ=1、γ=0.5和γ=0時沙塵質(zhì)量濃度模擬值空間分布。可以看出，當(dāng)γ=1時，沙塵主要影響范圍隨著時間推移先擴(kuò)大后減小，23日13:00影響范圍在整個新疆地區(qū)，24日13:00范圍擴(kuò)大至西北地區(qū)，25日13:00范圍則減小至新疆中西部和華北地區(qū)；當(dāng)γ=0.5或0時，隨著時間的推移，沙塵質(zhì)量濃度逐漸增大，沙塵影響范圍也逐漸擴(kuò)大。γ為0，0.5和1時沙塵質(zhì)量濃度中心值都隨時間先減小后略增大，例如當(dāng)γ=1時沙塵質(zhì)量濃度中心值從23日13:00的117 888.3 μg·m-3減小到24日13:00的17 559.45 μg·m-3，25日13:00略微增加到23 927.83 μg·m-3。同一時刻，隨著γ增大，沙塵范圍的整體位置和沙塵質(zhì)量濃度中心值位置沒有變化，但是沙塵模擬范圍略微減小，沙塵質(zhì)量濃度中心值隨之逐漸減小。例如23日13:00，隨著γ增大，沙塵質(zhì)量濃度中心值從166 532.6 μg·m-3減小至137 030.8 μg·m-3，最后減小至117 888.3 μg·m-3，說明沙塵質(zhì)量濃度隨γ值增大而變小。從實驗?zāi)M結(jié)果來看，γ值的改變確實對模擬的沙塵質(zhì)量濃度和范圍有較大影響，尤其是沙塵質(zhì)量濃度。驗證了理論上γ越大，相應(yīng)的微風(fēng)風(fēng)蝕所占權(quán)重越大，而較強(qiáng)風(fēng)蝕權(quán)重(1-γ)越小，地表土壤擾動越小，越不易起沙，沙塵天氣程度也就越弱。

此外，為檢驗不同γ取值下模式模擬的沙塵分布區(qū)域，圖3給出了2014年4月23—25日13:00左右FY-3C氣象衛(wèi)星遙感沙塵范圍監(jiān)測圖?？梢钥闯觯?3日13: 20沙塵主要出現(xiàn)在新疆南部、甘肅西北部地區(qū)。新疆東部的沙塵區(qū)上空有云系覆蓋，經(jīng)估算，衛(wèi)星監(jiān)測總沙塵面積約為12×104km2。24日13:05，沙塵出現(xiàn)在南疆、甘肅西北部以及內(nèi)蒙古西部地區(qū)，其中內(nèi)蒙古西部、甘肅東南部部分地區(qū)的沙塵區(qū)上空有云系覆蓋，經(jīng)估算，衛(wèi)星監(jiān)測沙塵面積約為43×104km2，與23日13:20相比，沙塵區(qū)影響面積有所擴(kuò)大。25日12:45，沙塵出現(xiàn)在新疆西南部、甘肅中部以及內(nèi)蒙古西部地區(qū)，其中內(nèi)蒙古中部、甘肅南部等地的沙塵區(qū)上空有云系覆蓋，經(jīng)估算，衛(wèi)星監(jiān)測沙塵面積約為31×104km2，與24日13:05相比，沙塵區(qū)影響面積有所縮小。結(jié)合模式模擬結(jié)果可以看出，對于不同γ取值，模式模擬的沙塵分布區(qū)域與監(jiān)測的沙塵區(qū)域吻合，模式均能模擬出主要的起沙源地，且能夠很好地模擬出沙塵傳輸過程，充分說明了模式具有很強(qiáng)的沙塵時空分布模擬能力。但從模擬和監(jiān)測的沙塵面積變化上來看，γ=1時模擬情況較符合主要沙塵面積大小，23—25日沙塵范圍先增大后減小。

圖2 2014年4月23日(a、d、g)、24日(b、e、h)和25日(c、f、i)13:00 γ=1(a、b、c)、γ=0.5(d、e、f)和γ=0(g、h、i)時沙塵質(zhì)量濃度模擬值空間分布(單位：μg·m-3)Fig.2 Spatial distribution of simulated dust mass concentration when γ is equal to 1 (a, b, c), 0.5 (d, e, f) and 0 (g, h, i) at 13:00 BST on 23 (a, d, g), 24 (b, e, h) and 25 (c, f, i) April 2014 (Unit: μg·m-3)

圖3 2014年4月23—25日13:00左右 FY-3C遙感監(jiān)測沙塵范圍Fig.3 The scope of dust monitored by FY-3C meteorological satellite remote sensing at around 13:00 BST from 23 to 25 April 2014

3.2 γ對垂直沙塵通量模擬結(jié)果的影響

沙塵數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確性在于起沙參數(shù)化方案的選擇及其垂直沙塵通量的準(zhǔn)確計算，不同γ取值會對垂直沙塵通量的模擬造成影響。圖4為2014年4月23—25日13:00γ=1、γ=0.5和γ=0垂直沙塵通量空間分布?？梢钥闯?，同一γ值下，23日13:00垂直沙塵通量模擬范圍主要分布于新疆中東部；24日13:00模擬范圍東移且達(dá)最大，主要分布于甘肅西北部、蒙古南部和內(nèi)蒙古西北部；25日13:00模擬范圍顯著減小，其整體位置繼續(xù)東移，主要分布于蒙古東南部，中心從新疆中東部已轉(zhuǎn)移至蒙古國東南部。垂直沙塵通量中心值隨著時間推移先減小后增大，如γ=1時，垂直沙塵通量從23日13:00的25 608.93減小到24日13:00的1943.76 μg·m-2·s-1，25日13:00增大到5410.76 μg·m-2·s-1。隨著γ值增大，垂直沙塵通量模擬范圍和整體位置沒有變化，垂直沙塵通量中心值位置也沒有變化，但是垂直通量中心值隨之逐漸減小，如23日13:00垂直沙塵通量中心值從γ=0的6914.194 μg·m-2·s-1減小至γ=0.5的4278.26 μg·m-2·s-1，又減小至γ=1的 1943.755 μg·m-2·s-1。很明顯，γ的不確定性對垂直沙塵通量有較大影響，尤其是沙塵天氣發(fā)生過程中起沙難易程度，γ越大，微風(fēng)風(fēng)蝕的權(quán)重越大，垂直起沙越難。

3.3 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度模擬值與觀測值的對比

圖5是西北6市不同γ值下PM10和PM2.5質(zhì)量濃度模擬結(jié)果與觀測值的對比?？梢钥闯?，3個γ的取值都能很好地模擬出沙塵天氣PM10和PM2.5的變化，包括開始時間、結(jié)束時間和峰值質(zhì)量濃度，模擬效果均較好。當(dāng)γ=1時，模式模擬的PM10質(zhì)量濃度非常接近觀測值，模擬效果較好；當(dāng)γ=0時，模式的模擬效果最差，模擬的PM10質(zhì)量濃度較觀測值普遍偏大6倍左右；當(dāng)γ=0.5時，模擬結(jié)果較觀測值普遍偏大3～4倍。當(dāng)γ=1時，模式模擬的PM2.5質(zhì)量濃度非常接近觀測值，模擬效果較好；當(dāng)γ=0或γ=0.5時，模式模擬的PM2.5質(zhì)量濃度與觀測值差異都十分大。

綜上所述，不同γ值導(dǎo)致模擬結(jié)果的較大差異也說明其確為起沙敏感因子，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的模擬值與實測值在西北6市基本一致，得到的結(jié)論較為可靠。再結(jié)合上文衛(wèi)星遙感監(jiān)測沙塵范圍實況圖與模擬的空間分布圖的對比情況，說明γ=1時，能更好地模擬我國西北沙塵天氣過程，即耦合Shao11方案的WRF/Chem模式模擬結(jié)果與實測值更接近。

圖4 2014年4月23日(a、d、g)、24日(b、e、h)和25日(c、f、i)13:00 γ=1(a、b、c)、γ=0.5(d、e、f)和γ=0(g、h、i)時模擬的垂直沙塵通量空間分布(單位：μg·m-2·s-1)Fig.4 Spatial distribution of simulated vertical dust flux when γ is equal to 1 (a, b, c), 0.5 (d, e, f) and 0 (g, h, i) at 13:00 BST on 23 (a, d, g), 24 (b, e, h) and 25 (c, f, i) April 2014 (Unit: μg·m-2·s-1)

圖5 2014年4月23—25日西北6市不同γ值下PM10(左)和PM2.5(右)質(zhì)量濃度模擬結(jié)果與觀測值的對比Fig.5 Comparison between observation and simulation with different γ for PM10 (the left) and PM2.5 (the right) mass concentration in six cities in Northwest China from 23 to 25 April 2014

4 結(jié) 論

(1)γ取值越大，對模擬的沙塵整體位置和質(zhì)量濃度中心值位置沒有影響，但沙塵模擬范圍略微減小，質(zhì)量濃度中心值也逐漸減小。

(2)γ取值越大，模擬的垂直沙塵通量范圍、整體位置和垂直沙塵通量中心值位置沒有發(fā)生明顯的變化，但垂直沙塵通量中心值逐漸減小。

(3)不同γ取值均能較好地模擬出沙塵天氣PM10和PM2.5的趨勢，包括開始時間、結(jié)束時間和峰值質(zhì)量濃度。但只有當(dāng)γ=1時，即耦合Shao11方案的WRF/Chem模式能夠較準(zhǔn)確地模擬出沙塵天氣過程中PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的變化情況。

(4)Shao04方案中的權(quán)重因子γ對整個沙塵天氣發(fā)生模擬的范圍和沙塵質(zhì)量濃度有較大影響，γ越大越接近微風(fēng)風(fēng)蝕，沙塵影響地區(qū)沙塵質(zhì)量濃度越小，范圍略微減小。其他參數(shù)默認(rèn)的情況下，Shao11方案相比Shao04方案更加適用于我國西北地區(qū)。