沙漠地區(qū)邊界層高度的提高與塵卷風(fēng)起沙量的變化

高雅文,韓永翔*,李嘉欣,陸正奇,秦 沛,劉唯佳,梁 允 (.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 0044；.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,河南 鄭州450000)

沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分之一,它可以通過(guò)直接輻射效應(yīng)和間接輻射效應(yīng)影響氣候和環(huán)境,還可以通過(guò)鐵肥料效應(yīng)對(duì)大氣圈,巖石圈,生物圈之間的相互作用和物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生影響[1-3].沙塵主要來(lái)源于荒漠化嚴(yán)重的干旱和半干旱地區(qū)[4],以動(dòng)力起沙機(jī)制為主的沙塵暴和揚(yáng)沙過(guò)程、以熱力起沙機(jī)制為主的塵卷風(fēng)均是沙塵總量的重要來(lái)源之一[5-6].目前,對(duì)沙塵暴起沙量的研究非常多[7-9],但對(duì)塵卷風(fēng)起沙量的研究則非常薄弱.塵卷風(fēng)起沙量與其熱力學(xué)效率密切相關(guān),而后者根據(jù) Renno等[10]提出的塵卷風(fēng)熱力學(xué)理論,又取決于邊界層高度和地表溫度.大氣邊界層高度是下墊面對(duì)大氣動(dòng)力和熱力的響應(yīng),不同下墊面的邊界層高度也不相同[11].在有植被的地區(qū),邊界層高度大多在2～3km之間[12],邊界層高度的各種參數(shù)化方案也適合這些地區(qū)的[13].然而,在干旱的沙漠地區(qū)夏季晴朗天氣下,觀(guān)測(cè)的邊界層高度能達(dá)到5km[12],甚至有時(shí)可達(dá)6km以上[14].各種邊界層高度的參數(shù)化方案大多能夠反演出邊界層結(jié)構(gòu)的日變化[15],但均難以反演出 4km以上的邊界層高度,如羅等[16]利用 YSU(Yonsei University)邊界層高度參數(shù)化方案在敦煌和民勤兩地模擬的邊界層高度值僅在 2～3km 之間;Mostafa等[17]用 YSU方案在非洲撒哈拉沙漠模擬的邊界層高度也同樣遠(yuǎn)低于觀(guān)測(cè)值.說(shuō)明YSU方案模擬的邊界層嚴(yán)重低估.為了使邊界層高度參數(shù)化方案能夠更好的模擬夏季沙漠的邊界層高度,Mostafa等構(gòu)建了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式,修正了YSU邊界層參數(shù)化方案,從而使模擬的邊界層高度與實(shí)際接近.

湯耀國(guó)[18]根據(jù)塵卷風(fēng)熱力學(xué)理論,構(gòu)建了一個(gè)塵卷風(fēng)起沙方案,使用YSU邊界層參數(shù)化方案,利用WRF-Chem模式(Weather Research and Forecasting Model coupled with Chemistry)模擬了中國(guó)北方塵卷風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間、位置以及塵卷風(fēng)起沙量,但其采用的YSU方案模擬的邊界層遠(yuǎn)低于實(shí)際的邊界層高度.根據(jù)塵卷風(fēng)的起沙量公式,邊界層高度越高,塵卷風(fēng)的起沙量越大[19],也即湯耀國(guó)等模擬的塵卷風(fēng)起沙量可能遠(yuǎn)低于實(shí)際值.

本文選取騰格里沙漠地區(qū),于2019年夏季采用Mostafa等[17]修正的邊界層參數(shù)化方案,同時(shí)利用湯耀國(guó)[18]構(gòu)建的塵卷風(fēng)起沙方案,重新計(jì)算了騰格里沙漠中塵卷風(fēng)的起沙量及其時(shí)空分布,討論了邊界層高度對(duì)塵卷風(fēng)起沙量的影響.

1 方法

1.1 研究區(qū)域概況

騰格里沙漠地區(qū)總面積為4.2萬(wàn)km2,地處東經(jīng)102°20′～106°,北 緯 37°30′～40°,海 拔 約 為 1200～1400m,該地區(qū)大部分地區(qū)無(wú)植被[20],日照充足,干旱少雨,是沙塵暴和塵卷風(fēng)的多發(fā)區(qū)之一.民勤站地處甘肅省河西走廊東北部,與內(nèi)蒙古接壤,地處東經(jīng)103.08E,北緯 38.63N,海拔高度約為 1300m.民勤站位于騰格里沙漠的腹地,緊挨巴丹吉林沙漠地區(qū),全年降雨量小,土地荒漠化嚴(yán)重,是極端干旱地區(qū).

1.2 數(shù)據(jù)資料

探空資料選取騰格里沙漠地區(qū)的民勤站,FNL資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和國(guó)家大氣研究中心(NCAR),時(shí)間分辨率為 6h一次,空間分辨率為 1°×1°.時(shí)間序列統(tǒng)一為 2019 年 6～8 月.

1.3 WRF-Chem模式簡(jiǎn)介和模式參數(shù)化方案選擇

WRF-Chem是在WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式基礎(chǔ)上耦合了大氣化學(xué)-大氣動(dòng)力模式,本文采用的 3.6.1版本,可以用于模擬沙塵的起沙、傳輸、沉降過(guò)程[21-22].模擬時(shí)間為2019年6月1日00:00:00～8月31日18:00:00,采用時(shí)間分辨率為6h,空間分辨率為1°×1°的FNL資料作為初始邊界場(chǎng),每隔 1h輸出一次模擬結(jié)果.模式模擬區(qū)域如圖 1所示,以(104.1E,38.75N)為中心,采用二層嵌套,第一層網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為61×72,網(wǎng)格間距是9km;第二層網(wǎng)格點(diǎn)為111×120,網(wǎng)格間距是 3km,垂直分層為 33層.模式中具體各類(lèi)物理過(guò)程的參數(shù)化方案見(jiàn)表1.

圖1 模式區(qū)域設(shè)置Fig.1 Model area setting

表1 模式中的物理過(guò)程數(shù)參化方案Table 1 Parameterization scheme of physical process in model

1.4 干絕熱計(jì)算邊界層高度

干絕熱曲線(xiàn)法求邊界層高度的原理由hlozworth等提出,又稱(chēng)T-LogP圖法[23-24],能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出日最大邊界層高度(PBLHmax),適用于有探空資料的地區(qū),本文采用 2019年 6～8月每日08:00的騰格里地區(qū)民勤高空站探空資料,利用干絕熱曲線(xiàn)法計(jì)算出民勤站的 PBLHmax,它可視為觀(guān)測(cè)值.具體算法見(jiàn)文獻(xiàn)[25].

1.5 塵卷風(fēng)起沙量計(jì)算

塵卷風(fēng)瞬時(shí)的起沙量(DAEtot)為:

式中:St是發(fā)生塵卷風(fēng)的網(wǎng)格點(diǎn)面積[26-27];單個(gè)塵卷風(fēng)的平均起沙通量 Fd為 0.7g/(m2·s)[28-29];無(wú)量綱機(jī)械能摩擦耗散系數(shù) μ≈12～24;地面到對(duì)流層頂?shù)臍鈮翰?ΔP=ρa(bǔ)irgZCBL;空氣密度 ρa(bǔ)ir=1.29kg/m3;重力加速度 g=9.8m/s2;對(duì)流邊界層有效太陽(yáng)輻射時(shí)間尺度TR≈9×105s,驅(qū)動(dòng)塵卷風(fēng)的熱量流 Fin≈(11±5)W/m2;η為熱力學(xué)效率,絕熱遞減率Γab=10K/km;ZCBL為邊界層高度,m;Th為地面溫度, K.

1.6 Mostafa等修正的YSU參數(shù)化方案

YSU參數(shù)化方案中,邊界層高度為逆溫層中湍流通量最低值所在的高度,其計(jì)算公式為:

式中:Ribcr是臨界里查遜數(shù);U(h)為 h處的水平風(fēng)速,m/s;θva為模式最底層的虛位溫,θv(h)為在高度 h的虛位溫,K;θs為近地表的虛位溫, K;θT是近地表增溫項(xiàng),K;ws是混合層速度;為表面的有效熱流;b為常數(shù),取7.8.由于θT是用于將θs調(diào)整到接近地表溫度的變量.故當(dāng)TSK＞TT時(shí)(TT取40℃),在這項(xiàng)里增加一項(xiàng)[(TSK-TT)/d],式子變?yōu)?

2 結(jié)果分析

2.1 YSU方案模擬的PBLHmax與觀(guān)測(cè)對(duì)比

圖2為YSU方案模擬的2019年夏季民勤每日PBLHmax及與觀(guān)測(cè)的變化曲線(xiàn),兩者的峰值變化大致相同,其相關(guān)系數(shù)為0.65,通過(guò)α=0.001的置信檢驗(yàn),說(shuō)明兩者的趨勢(shì)一致,但絕大部分時(shí)段模擬的 PBLHmax小于觀(guān)測(cè)值.二者之間的平均相對(duì)誤差為-20.1%,平均絕對(duì)誤差 805m,最大絕對(duì)誤差為 2345.2m(圖3),說(shuō)明WRF-Chem模擬得到的最大邊界層高度與觀(guān)測(cè)有非常大的誤差,與實(shí)際相比嚴(yán)重低估,所以必須對(duì) YSU的邊界層高度參數(shù)化模型進(jìn)行修正.

圖2 模擬和觀(guān)測(cè)的每日PBLHmax變化曲線(xiàn)Fig.2 Observation and simulation of daily variation curve of PBLHmax

圖3 YSU方案模擬和觀(guān)測(cè)PBLHmax對(duì)比分析Fig.3 Comparison and analysis of PBLHmax between YSU simulation and observation

2.2 RYSU方案模擬的PBLHmax與觀(guān)測(cè)對(duì)比

采用Mostafa等修正的YSU邊界層參數(shù)化方案(RYSU)模擬的PBLHmax與原方案相比(圖4),在樣本量一致的情況下,其相關(guān)系數(shù)由原來(lái)的 0.65提高到0.74,平均相對(duì)誤差由原來(lái)的-20.1%變?yōu)?12.3%,最大誤差從 2345.2m 下降到 1681m.顯然,改進(jìn)后的PBLHmax的較原方案有所優(yōu)化,但與原方案的低估不同,改進(jìn)后的PBLHmax整體高于觀(guān)測(cè)值.

圖4 RYSU方案模擬和觀(guān)測(cè)PBLHmax對(duì)比分析Fig.4 Comparison and analysis of PBLHmax between RYSU simulation and observation

2.3 兩種邊界層方案塵卷風(fēng)起沙量對(duì)比

利用WRF模式和湯耀國(guó)[18]的塵卷風(fēng)起沙方案,分別采用YSU和RYSU邊界層參數(shù)化方案,計(jì)算了研究區(qū)2019年6～8月塵卷風(fēng)每日整點(diǎn)時(shí)刻的瞬時(shí)起沙量(圖 5),可以清楚地看到,在 09:00～17:00的時(shí)段內(nèi),采用 RYSU邊界層參數(shù)化方案的塵卷風(fēng)起沙量,除了 09:00時(shí)外,其余時(shí)刻的瞬時(shí)起沙量和范圍均明顯高于YSU方案.其中11:00時(shí),RYSU與YSU方案在研究區(qū)出現(xiàn)大范圍的塵卷風(fēng)起沙,YSU方案起沙量在0～4μg/m2之間,而RYSU方案起沙量大部分在 4～6μg/m2;13:00時(shí),兩種方案在沙漠區(qū)均出現(xiàn)了塵卷風(fēng),但RYSU方案的起沙量在8～14μg/m2之間,比YSU方案的起沙量多一倍;15:00時(shí),YSU方案在研究區(qū)的塵卷風(fēng)強(qiáng)度開(kāi)始下降,大部分值在2～6μg/m2,整體不到 6μg/m2,RYSU 方案的范圍與YSU方案一致,但RYSU方案的起沙量卻達(dá)到最大值,大部分沙漠地區(qū)的起沙量在 16～20μg/m2之間;17:00時(shí),YSU方案的塵卷風(fēng)強(qiáng)度大幅度下降到 0～2μg/m2,而 RYSU 方案的塵卷風(fēng)強(qiáng)度沒(méi)有大幅度下降,起沙量的值仍大部分在14～16μg/m2之間;

圖5 兩種邊界層方案塵卷風(fēng)每日整點(diǎn)時(shí)刻瞬時(shí)起沙量的空間分布Fig.5 Daily temporal spatial distribution of the dust devil emission simulated by two boundary layer schemesA～E:YSU a～e:RYSU

另外, 2019年夏季6～8月研究區(qū)塵卷風(fēng)每日總起沙量日變化(圖6)顯示,無(wú)論是YSU還是RYSU邊界層方案,盡管二者在細(xì)節(jié)上存在差異,但它們每日總起沙量日變化總體呈現(xiàn)單峰分布,在大約 9:00～10:00,總起沙量開(kāi)始有值,但它們的值非常小,表明研究區(qū)偶爾有塵卷風(fēng)出現(xiàn),10:00以后,研究區(qū)總起沙量開(kāi)始快速增加,其中YSU方案的峰值出現(xiàn)在14:00,而RYSU方案的峰值出現(xiàn)在15:00,峰值出現(xiàn)后,YSU方案的總起沙量快速下降,同時(shí) RYSU方案的總起沙量在也17:00時(shí)下降,到18:00,兩種方案的總起沙量均接近零.RYSU方案的總起沙量峰值比YSU方案的峰值遲 1h,它與騰格里沙漠觀(guān)測(cè)的塵卷風(fēng)出現(xiàn)頻率更接近[30].同時(shí),從圖6可見(jiàn), RYSU方案各個(gè)時(shí)刻的總起沙量在10:00以后均大于YSU方案的總起沙量,其峰值的總起沙量幾乎是YSU方案的2倍左右.另外,YSU方案中6～8月每日總起沙量為9754.2t,而同期RYSU方案中的總起沙量為30026.04t,后者是前者3倍.

圖6 兩種邊界層方案模擬塵卷風(fēng)起沙量及觀(guān)測(cè)塵卷風(fēng)發(fā)生頻率日變化Fig.6 Dust devil emission simulated by two boundary layer schemes and Observation of daily variation of the frequency of dust devil

因?yàn)橛^(guān)測(cè)只有日最大邊界層高度和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的地表溫度,將其帶入塵卷風(fēng)瞬時(shí)起沙量公式中,作為相對(duì)真實(shí)的塵卷風(fēng)起沙量,并與YSU和RYSU方案模擬的同時(shí)刻瞬時(shí)起沙量進(jìn)行對(duì)比,3個(gè)邊界層高度(RYSU,YSU,實(shí)際)估算的2019年夏季每日平均的最大瞬時(shí)起沙量分別為5264.3,2536.4,4614.4t; YSU方案模擬塵卷風(fēng)起沙量較實(shí)際的低 45.03%, RYSU方案多14.08%,RYSU方案估算的每日最大的瞬時(shí)起沙量比YSU方案更加接近用觀(guān)測(cè)值計(jì)算的值.

在其他因素不變的情況下,僅使邊界層高度更符合實(shí)際,就使得塵卷風(fēng)每日總起沙量增加 2倍,顯然,塵卷風(fēng)的起沙量的確與邊界層高度密切相關(guān).本文利用Mostafa等修正的YSU邊界層參數(shù)化方案,雖然使得原來(lái)模式中的邊界層高度嚴(yán)重低估的弊病得到很大改善,但其改進(jìn)的邊界層高度卻比實(shí)際的高度有所高估,這又增加了塵卷風(fēng)的起沙量,這有待于未來(lái)更優(yōu)的沙漠地區(qū)邊界層高度的參數(shù)化方案.

3 結(jié)論

3.1 與原有的YSU邊界層參數(shù)化方案相比,改進(jìn)后的邊界層參數(shù)化方案(RYSU)模擬的沙漠地區(qū)邊界層最大高度相關(guān)系數(shù)由原來(lái)的 0.65提高到 0.74,平均相對(duì)誤差由原來(lái)的-20.1%變?yōu)?12.3%,更加符合實(shí)際的邊界層高度

3.2 兩種邊界層參數(shù)化方案均能夠模擬出沙漠地區(qū)塵卷風(fēng)的日變化特征,除了 08:00外,其余時(shí)刻RYSU方案模擬的瞬時(shí)起沙量和范圍均高于 YSU方案;同時(shí),RYSU方案起沙量和范圍最大的時(shí)刻是15:00時(shí),其峰值明顯與YSU方案不同.

3.3 無(wú)論是YSU還是RYSU邊界層方案,6～8月每日總起沙量日變化總體呈現(xiàn)單峰分布,RYSU方案的總起沙量峰值比YSU方案的峰值遲1h,6～8月研究區(qū)每日總起沙量幾乎是YSU方案的3倍左右,它與騰格里沙漠觀(guān)測(cè)的塵卷風(fēng)出現(xiàn)頻率更接近.