幾種起沙方案對(duì)東亞風(fēng)蝕起沙模擬的比較

王益柏,費(fèi)建芳,張根生,包赟,彭志法,王彥東

(1.61741部隊(duì),北京 100094;2.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京 211101;3.61828部隊(duì),新疆 喀什 844200)

幾種起沙方案對(duì)東亞風(fēng)蝕起沙模擬的比較

王益柏1,費(fèi)建芳2,張根生1,包赟1,彭志法3,王彥東3

(1.61741部隊(duì),北京 100094;2.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京 211101;3.61828部隊(duì),新疆 喀什 844200)

針對(duì)源區(qū)起沙的不確定性,整理并選取了國(guó)際上最具代表性的幾種起沙方案,結(jié)合中尺度氣象模式MM5V3.7輸出的高分辨率氣象資料,將其應(yīng)用于東亞地區(qū)一次強(qiáng)沙塵暴天氣過程的源區(qū)起沙模擬研究,利用地面觀測(cè)實(shí)況和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像資料,比較了它們對(duì)東亞起沙源的模擬效果和差異。結(jié)果表明,兩種起沙方案的模擬效果較好且性能穩(wěn)定。

起沙方案;風(fēng)蝕強(qiáng)度;沙塵暴;起沙通量

0 引言

風(fēng)蝕起沙通量估算是一項(xiàng)相當(dāng)困難的議題。自20世紀(jì)90年代以來,關(guān)于風(fēng)蝕起沙的數(shù)值研究取得了很大的進(jìn)展,已有學(xué)者利用區(qū)域化學(xué)傳輸模式(Uno et al.,2003)、區(qū)域氣候模式(Zakey et al.,2006)以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式(Perez et al.,2006)研究風(fēng)蝕起沙與沉降過程。由于采用不同的起沙方案、地表數(shù)據(jù)、土壤濕度和陸地使用數(shù)據(jù)以及不同的大氣模式,他們的研究對(duì)源區(qū)起沙通量的估算還存在很大偏差(Uno et al.,2006)。在源區(qū)起沙方面,很多學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)和野外觀測(cè)提出了一些風(fēng)蝕起沙的經(jīng)驗(yàn)方案。這些起沙方案大多認(rèn)為風(fēng)蝕起沙通量是地面風(fēng)速(Ginoux et al.,2001;Barnum et al.,2004)或者摩擦速度(Westphal et al.,1987;Nickling and Gillies,1993;Wang et al.,2000;Uno et al.,2003)的冪函數(shù),它們的區(qū)別主要在于冪指數(shù)的高低。

本文著眼于源區(qū)起沙的不確定性,整理并選取目前國(guó)際上最具代表性的幾種起沙方案,結(jié)合中尺度氣象模式MM5V3.7,將其應(yīng)用于東亞沙塵源區(qū)的起沙模擬研究,利用地面觀測(cè)實(shí)況、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像等資料,比較分析它們對(duì)東亞起沙源的模擬效果和差異,以期找到既適合于東亞地區(qū),且模擬效果較好、性能穩(wěn)定的起沙方案,為東亞沙塵暴的數(shù)值模擬研究提供參考和借鑒。為便于敘述,本文均采用世界時(shí)。

1 幾種起沙方案介紹

1.1 理想狀態(tài)下地表起沙通量計(jì)算

地表起沙通量主要與兩個(gè)因素有關(guān):一個(gè)是地表土壤的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)(臨界摩擦速度),另一個(gè)是地表大氣的湍流狀態(tài)(摩擦速度)。不同學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了很多外場(chǎng)觀測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn),也提出了多個(gè)起沙通量的經(jīng)驗(yàn)估算公式。這些經(jīng)驗(yàn)公式一致認(rèn)為起沙通量是摩擦速度的冪函數(shù),它們的主要區(qū)別在于冪指數(shù)的高低。

黃美元和王自發(fā)(1998)認(rèn)為起沙通量可近似為摩擦速度的二次冪函數(shù)(記為方案1):

(1)

其中:F為起沙通量(單位:kg·m-2·s-1);u*為摩擦速度;u*t為臨界摩擦速度。當(dāng)u*

Shao et al.(1993)在風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了另一個(gè)計(jì)算地表起沙通量的函數(shù)關(guān)系(記為方案2):

(2)

Westphal et al.(1987)基于外場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)提出的起沙公式,將起沙通量描述為摩擦速度的四次冪函數(shù)(記為方案3):

(3)

Gillette and Passi(1988)提出的估算公式被廣泛應(yīng)用于國(guó)外起沙源區(qū)模擬(記為方案4):

(4)

上述式中,C1、C2、C3、C4為控制參數(shù),用于確保計(jì)算值與觀測(cè)值在量級(jí)上保持一致,分別取為1.25×10-6、1.5×10-6、1.3×10-6、1.5×10-6。

1.2 臨界摩擦速度計(jì)算

理想狀態(tài)下(平坦裸露干燥的松軟地表),均一顆粒的臨界摩擦速度u*t0(d)(Shao and Lu,2000)為:

(5)

式中:d為粒徑大小;AN為近似常數(shù),取為0.0123;σ為土壤微粒密度和空氣密度的比值;ε為微粒所受內(nèi)部結(jié)合力與抬升力的比值,近似取為3×10-4。

實(shí)際地表有各種植被和較大顆粒的礫石等粗糙元覆蓋,它們對(duì)地表粗糙度的改變會(huì)影響沙塵微粒的臨界摩擦速度。考慮地表粗糙元影響,臨界摩擦速度u*t(d)寫為:

u*t(d)=R(λ)·u*t0(d)。

(6)

式中:R(λ)表示粗糙元密集度對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用。其計(jì)算公式參見Raupach et al.(1993)。

因此,對(duì)所有粒徑土壤顆粒而言,最小臨界摩擦速度表示為u*t=min(u*t(d))。

1.3 影響因子引入

1)源強(qiáng)因子(S)

源區(qū)起塵強(qiáng)度主要考慮兩方面因素的影響。

其一是長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造過程中形成的可被風(fēng)蝕的沖積層比率?？杀伙L(fēng)蝕的沖積層比率越大,風(fēng)蝕起沙量越多,強(qiáng)度越強(qiáng);反之亦然。其對(duì)地表風(fēng)蝕強(qiáng)度的貢獻(xiàn)由下式(Ginoux et al.,2001)計(jì)算:

(7)

式中:zi為地形高度;zmin、zmax分別為10×10格距范圍內(nèi)地形高度的極小、極大值。

(8)

式中:fi為第i類Olson植被的面積分?jǐn)?shù)。

表1Olson植被分類及對(duì)應(yīng)的α值(Olson,1992)

Table 1 Olson’s vegetation classification and factorα(Olson,1992)

序號(hào)Olson植被分類描述植被標(biāo)志因子α1沙漠、礫石地表、沙土地表1.02沙地、沙丘1.03半沙漠、稀疏草地0.54灌木、草原0.5

綜合(7)、(8)式,源強(qiáng)因子設(shè)置為:

(9)

2)濕度因子(W)

近地層相對(duì)濕度與實(shí)際起沙通量密切相關(guān),其影響因子(W)可用下式(Wang et al.,2000)計(jì)算:

(10)

式中:HR為近地層相對(duì)濕度;HR0為控制起沙與否的相對(duì)濕度閾值,取為40%。

綜合(9)、(10)式,最終地表起沙通量寫為:

F′=S·W·F。

(11)

圖1 起沙通量和摩擦速度的關(guān)系 a.u*t=0.25 m·s-1;b.u*t=0.4 m·s-1;c.u*t=0.6 m·s-1Fig.1 Relationship between dust emission flux and friction velocity a.u*t=0.25 m·s-1;b.u*t=0.4 m·s-1;c.u*t=0.6 m·s-1

2 模式參數(shù)與起沙源區(qū)

采用中尺度氣象模式MM5V3.7,模式初始場(chǎng)取自NCEP/NCAR每日4次的1°×1°再分析資料,中心經(jīng)緯度為102°E、42°N,水平分辨率為45 km,水平格點(diǎn)數(shù)為95×130,垂直方向分為不等距的23層。地表特征資料為10′分辨率的地形高度和陸地使用等數(shù)據(jù)。相關(guān)模式物理參數(shù)為:輻射上邊界條件、張弛側(cè)邊界條件、Pleim-Xiu高分辨率邊界層模式、Pleim-Xiu多層土壤溫度模式、KF積云對(duì)流參數(shù)化方案、簡(jiǎn)冰水汽方案和大氣輻射冷卻方案。模擬時(shí)段為2002年3月19日00時(shí)—22日00時(shí)(UTC),積分72 h。

起沙源區(qū)需滿足條件:1)經(jīng)緯度范圍在70～130°E、30～55°N之間;2)水陸標(biāo)志為陸地;3)地表植被為沙漠、黃土高原、草地或灌木地、耕地及落葉林等。

3 結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)沙塵暴過程概況

2002年3月19—22日,受西伯利亞強(qiáng)冷空氣東移南下影響,我國(guó)北方地區(qū)出現(xiàn)了近年來影響最為嚴(yán)重的強(qiáng)沙塵暴天氣(圖略)。3月19日00—09時(shí),甘肅河西、內(nèi)蒙古西部和寧夏等地出現(xiàn)大范圍沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴天氣。青海北部、甘肅中部也出現(xiàn)了沙塵暴,揚(yáng)沙影響新疆大部。19日12—21時(shí),沙塵天氣繼續(xù)向東向南發(fā)展,甘肅中部、內(nèi)蒙古中部東部等地區(qū)出現(xiàn)大范圍沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴天氣,揚(yáng)沙繼續(xù)影響新疆大部。20日00—09時(shí),沙塵天氣繼續(xù)向東向南擴(kuò)展,我國(guó)華北、西北地區(qū)東部、東北部分地區(qū)出現(xiàn)大范圍的揚(yáng)沙、沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴天氣。20日12—21時(shí),沙塵天氣繼續(xù)影響我國(guó)華北、東北等地區(qū)。沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴出現(xiàn)在華北北部。21日00時(shí),沙塵天氣繼續(xù)向東向南擴(kuò)展并有所減弱。我國(guó)華北東部南部、東北地區(qū)東部等地出現(xiàn)大片揚(yáng)沙天氣(王益柏等,2009)。

3.2 各起沙方案特征分析

圖2 2002年3月19日06時(shí)模擬的地表起沙通量(μg·m-2·s-1)與觀測(cè)實(shí)況對(duì)比(數(shù)字含義:1浮塵;2揚(yáng)沙;3沙塵暴;4強(qiáng)沙塵暴) a.方案1;b.方案2;c.方案3;d.方案4;e.3月19日06時(shí)衛(wèi)星圖像(方翔等,2002)Fig.2 Comparison between simulated dust emission flux(μg·m-2·s-1) and observations at 0600 UTC 19 March 2002(the numbers 1,2,3 and 4 denote the fugitive dust,wind-blow dust,dust storm and strong dust storm in Fig.2a—d,respectively) a.scheme 1;b.scheme 2;c.scheme 3;d.scheme 4;e.satellite image of 0600 UTC 19 March(Fang et al.,2002)

圖1為各方案估算的不同臨界摩擦速度時(shí)起沙通量隨摩擦速度的變化?？芍?各方案計(jì)算的起沙通量差異明顯:1)風(fēng)蝕強(qiáng)度較弱時(shí)(摩擦速度剛達(dá)到或超過臨界摩擦速度),各方案差別最大,風(fēng)蝕強(qiáng)度增大時(shí),各方案結(jié)果漸趨一致;2)方案4描述的風(fēng)蝕啟動(dòng)較慢,當(dāng)弱風(fēng)蝕時(shí),其估算的起沙通量很小,當(dāng)風(fēng)蝕增強(qiáng)時(shí),起沙通量迅速增大,且臨界摩擦速度越大時(shí),起沙通量的增長(zhǎng)速度越快;3)方案3對(duì)臨界摩擦速度最為敏感,其估算的起沙通量隨著臨界摩擦速度的增大波動(dòng)很大,當(dāng)臨界摩擦速度較大時(shí),其估算結(jié)果遠(yuǎn)超過其他3個(gè)方案(圖1c);4)方案1與方案2比較接近,在較易風(fēng)蝕的條件下尤其如此(圖1a、b),但隨著臨界摩擦速度增大,方案2估算的起沙通量逐漸超過了方案1(圖1c)。

3.3 起沙通量模擬分析

圖3 2002年3月20日03時(shí)模擬的地表起沙通量(μg·m-2·s-1)與觀測(cè)實(shí)況的對(duì)比(數(shù)字含義:1浮塵;2揚(yáng)沙;3沙塵暴;4強(qiáng)沙塵暴) a.方案1;b.方案2;c.方案3;d.方案4;e.3月20日03時(shí)衛(wèi)星圖像(http://www.jnqx.gov.cn/kepu/k453.html)Fig.3 Comparison between simulated dust emission flux(μg·m-2·s-1) and observations at 0300 UTC 20 March 2002(the numbers 1,2,3 and 4 denote the fugitive dust,wind-blow dust,dust storm and strong dust storm in Fig.3a—d,respectively) a.scheme 1;b.scheme 2;c.scheme 3;d.scheme 4;e.satellite image of 0300 UTC 20 March(http://www.jnqx.gov.cn/kepu/k453.html)

圖2是2002年3月19日06時(shí)模擬的起沙通量分布與觀測(cè)實(shí)況的比較?？傮w而言,各方案模擬的起沙通量極值范圍、強(qiáng)度基本一致,且與觀測(cè)實(shí)況對(duì)應(yīng)較好。模擬的起沙源區(qū)主要位于中國(guó)內(nèi)蒙古中西部和蒙古國(guó)南部(100～110°E,40～45°N)。該時(shí)次地面實(shí)況顯示,上述區(qū)域都觀測(cè)到沙塵暴甚至強(qiáng)沙塵暴現(xiàn)象(圖中數(shù)字所示)。同時(shí)次衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像(圖2e)也表明,蒙古國(guó)南部的沙塵云團(tuán)與高起沙通量范圍非常一致;內(nèi)蒙古中西部由于高層云系覆蓋,未能監(jiān)測(cè)到低層沙塵現(xiàn)象(根據(jù)地面觀測(cè)實(shí)況可以推斷,該區(qū)域低空沙塵云團(tuán)是存在的)。

圖3為2002年3月20日03時(shí)模擬結(jié)果與觀測(cè)實(shí)況的對(duì)比。各方案模擬結(jié)果表明:內(nèi)蒙古中東部、陜西北部、河北北部以及蒙古國(guó)南部等地區(qū)起沙通量較大,其中內(nèi)蒙古東部的渾善達(dá)克沙地、陜西與內(nèi)蒙古交界處的烏蘭布和沙地以及蒙古國(guó)南部的戈壁為三個(gè)極值區(qū)。對(duì)比該時(shí)次地面觀測(cè)實(shí)況,上述地區(qū)均觀測(cè)到大范圍沙塵天氣,局部地區(qū)觀測(cè)到沙塵暴甚至強(qiáng)沙塵暴現(xiàn)象(圖中數(shù)字指示)。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)云圖(圖3e)也顯示,沙塵云團(tuán)往東南方向移至內(nèi)蒙古中東部上空,呈東北—西南向分布,與模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。

圖4 2002年3月19日06時(shí)—20日12時(shí)每6 h區(qū)域起沙通量(單位:103 μg·m-2·s-1;I為內(nèi)蒙古東南部,M為蒙古國(guó)東南部,G為戈壁地區(qū)) a.方案1;b.方案2;c.方案3;d.方案4Fig.4 Regional dust emission flux per six hours from 0600 UTC 19 to 1200 UTC 20 March 2002(units:103 μg·m-2·s-1;I:southeastern Inner Mongolia;M:southeastern Mongolia;G:Gobi area) a.scheme1;b.scheme 2;c.scheme 3;d.scheme 4

3.4 沙塵源區(qū)模擬分析

下面選取如表2所示的三個(gè)強(qiáng)沙塵源區(qū),比較分析各方案對(duì)源區(qū)的模擬效果。圖4為19日06時(shí)—20日12時(shí)各方案估算的區(qū)域總起沙通量情況。不難看出,各方案估算的不同源區(qū)起沙相對(duì)貢獻(xiàn)量基本一致:蒙古國(guó)東南部源區(qū)(M)是最大起沙源,其次是戈壁源區(qū)(G,巴丹吉林沙漠附近)和內(nèi)蒙古東南部源區(qū)(I,渾善達(dá)克沙地附近)。需要說明的是,由于控制常數(shù)取值不同,計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上存在差異,但仍可以反映源區(qū)的相對(duì)貢獻(xiàn)量大小。

表2沙塵源區(qū)地理概況

Table 2 Geographic survey for dust source areas

研究區(qū)域經(jīng)度緯度地形高度/m戈壁地區(qū)(G)100～107°E39～42°N1425蒙古國(guó)東南部(M)100～110°E43～45°N1346內(nèi)蒙古東南部(I)111～117°E41～44°N1206

40°N自西向東依次經(jīng)過塔里木盆地、庫(kù)姆塔克沙漠、祁連山北麓、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠以及庫(kù)布齊沙漠等,因此源區(qū)起沙情況在40°N附近應(yīng)有很好的體現(xiàn)。

圖5是各方案計(jì)算的19日06時(shí)—20日06時(shí)起沙通量沿40°N的緯向分布?？芍?各方案計(jì)算的起沙通量緯向分布規(guī)律及時(shí)間演變基本一致。19日06時(shí),主要存在3個(gè)高值源區(qū):1)90°E以西的塔克拉瑪干沙漠源區(qū);2)100～110°E的巴丹吉林沙漠至毛烏素沙地源區(qū);3)110～120°E的渾善達(dá)克沙地源區(qū)。其中,100～110°E源區(qū)起沙通量最大,大多在103～104μg·m-2·s-1之間。19日08時(shí),沙塵天氣減弱,塔克拉瑪干沙漠源區(qū)和渾善達(dá)克沙地源區(qū)的起沙通量迅速減少消失,但100～110°E區(qū)域仍維持一定強(qiáng)度的起沙通量,在102～103μg·m-2·s-1之間。20日06時(shí),沙塵天氣再次爆發(fā),沿40°N從西往東起沙通量不斷增大,最強(qiáng)起沙源仍為100～110°E源區(qū),強(qiáng)度約為104μg·m-2·s-1。此后,起沙通量減弱消失(圖略),沙塵天氣結(jié)束。上述過程與地面觀測(cè)實(shí)況基本一致。

圖5 沿40°N附近的起沙通量比較(縱坐標(biāo)取F的對(duì)數(shù),log10F;F的單位:μg·m-2·s-1;△:方案1;●:方案2;□:方案3;■:方案4) a.19日06時(shí);b.19日18時(shí);c.20日06時(shí)Fig.5 Comparison of dust emission flux along 40°N(the ordinate takes logarithm of F,log10F;units of F:μg·m-2·s-1;△:scheme 1;●:scheme 2;□:scheme 3;■:scheme 4)a.0600 UTC 19;b.1800 UTC 19;c.0600 UTC 20

上述分析表明:各方案的模擬結(jié)果除估算量值上存在一些差異外,均較好地反映了源區(qū)起沙的空間分布規(guī)律和時(shí)間變化趨勢(shì),并揭示了此次沙塵過程源區(qū)起沙的特點(diǎn),即1)緯向波動(dòng)較大,局地差異與時(shí)間變化明顯,2)100～110°E之間的巴丹吉林至毛烏素沙地是強(qiáng)而穩(wěn)定的起沙源區(qū)。

圖6 戈壁源區(qū)(a)和內(nèi)蒙古東南部源區(qū)(b)總起沙通量的時(shí)間演變(單位:μg·m-2·s-1;△:方案1;●:方案2;□:方案3;■:方案4)Fig.6 Time evolution of total dust emission flux in (a)Gobi and (b)southeastern Inner Mongolia(units:μg·m-2·s-1;△:scheme 1;●:scheme 2;□:scheme 3;■:scheme 4)

圖7 風(fēng)蝕起沙影響因子的時(shí)間演變(▲:內(nèi)蒙古東南部;■:戈壁) a.摩擦速度(m/s);b.相對(duì)濕度(%)Fig.7 Time evolution of impact factors of dust emission by wind erosion(▲:southeastern Inner Mongolia;■:Gobi) a.friction velocity(m/s);b.relative humidity(%)

3.5 區(qū)域起沙通量時(shí)間序列分析

針對(duì)此次沙塵過程的兩個(gè)主要源區(qū)——內(nèi)蒙古東南部(I)和戈壁(G),下面將對(duì)各方案模擬的區(qū)域起沙通量作進(jìn)一步對(duì)比。

圖6是各方案模擬的源區(qū)區(qū)域總起沙通量的時(shí)間演變?？芍?19日06時(shí),戈壁源區(qū)(G)處于強(qiáng)風(fēng)蝕時(shí)期,區(qū)域總起沙通量超過106μg·m-2·s-1,對(duì)應(yīng)該地區(qū)摩擦速度較大(最高達(dá)1 m/s,圖7a),相對(duì)濕度較小(低于30%,圖7b);隨著摩擦速度的迅速減小和相對(duì)濕度的上升,該源區(qū)的起沙通量迅速減少,至20日00時(shí)風(fēng)蝕現(xiàn)象幾乎消失;20日03—09時(shí),隨著干冷空氣的再次加強(qiáng),戈壁源區(qū)(G)再次發(fā)生強(qiáng)風(fēng)蝕,起沙通量驟升,并超過了前期最高水平。

內(nèi)蒙古東南部源區(qū)(I)的風(fēng)蝕情況的演變趨勢(shì)基本與戈壁源區(qū)(G)類似,尤以20日03—09時(shí)強(qiáng)風(fēng)蝕起沙的爆發(fā)表現(xiàn)得最為明顯。兩者的差異主要有:1)沙塵過程前期,內(nèi)蒙古東南部源區(qū)(I)的風(fēng)蝕強(qiáng)度較戈壁源區(qū)(G)小;2)由于處于強(qiáng)冷空氣移向的下游,受干冷大風(fēng)的持續(xù)影響,內(nèi)蒙古東南部源區(qū)(I)的風(fēng)蝕強(qiáng)度較穩(wěn)定,變化較平緩。

對(duì)比4種方案的時(shí)間曲線(圖6)發(fā)現(xiàn),方案1、方案2的計(jì)算結(jié)果最為接近,表明這兩種方案的性能相近;方案3的計(jì)算結(jié)果與前兩者較接近;方案4的波動(dòng)范圍最大,沙塵過程前期,方案4的計(jì)算結(jié)果比其他方案明顯偏低,這是因?yàn)榉桨?認(rèn)為起沙通量與摩擦速度的四次方成正比,且考慮了與摩擦速度成反比的影響參數(shù),導(dǎo)致摩擦速度的顯著變化會(huì)引起計(jì)算的起沙通量的劇烈變化。

3.6 各方案相關(guān)性分析

圖8是各方案模擬結(jié)果的散點(diǎn)圖。由于缺乏沙塵監(jiān)測(cè)資料,此處選取方案2作為參考態(tài)。相關(guān)分析的作法是:先將網(wǎng)格點(diǎn)的起沙通量對(duì)時(shí)間求總和(19日06時(shí)—20日12時(shí)),得到各網(wǎng)格點(diǎn)的總起沙通量;再將各方案的網(wǎng)格總起沙通量與方案2作空間相關(guān)性分析。由圖8可知,方案1和方案3的計(jì)算結(jié)果與方案2呈理想的線性相關(guān),數(shù)據(jù)緊密度較大;而方案4與方案2的數(shù)據(jù)離散性較大,表明方案4與方案2存在較明顯的差異。

圖8 各方案與方案2結(jié)果的散點(diǎn)圖(量:log10F;F的單位:μg·m-2·s-1) a.方案1與方案2;b.方案3與方案2;c.方案4與方案2Fig.8 Scatter diagrams in results between scheme 2 and other schemes(log10F;units of F:μg·m-2·s-1) a.scheme 1 and scheme 2;b.scheme 3 and scheme 2;c.scheme 4 and scheme 2

4 結(jié)論

本文選取目前國(guó)際上廣泛使用的幾種起沙方案,結(jié)合中尺度氣象模式輸出的高分辨率氣象資料,估算了東亞地區(qū)一次強(qiáng)沙塵暴天氣過程的起沙通量,并利用地面觀測(cè)實(shí)況和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像,比較分析了各方案的模擬效果和性能,得到如下主要結(jié)論:

1)此次沙塵暴主要有三個(gè)強(qiáng)的起塵源區(qū),其一位于蒙古國(guó)東南部至我國(guó)內(nèi)蒙古境內(nèi),其二位于我國(guó)內(nèi)蒙古西部巴丹吉林沙漠附近,其三位于陜西與內(nèi)蒙古邊界的毛烏素沙地附近。其中,100～110°E之間的巴丹吉林至毛烏素沙地是此次沙塵過程的穩(wěn)定起沙源。

2)各方案對(duì)地表起沙通量的模擬基本成功,起沙通量的時(shí)空演變與地面觀測(cè)實(shí)況及衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像均保持基本一致。

3)風(fēng)蝕強(qiáng)度較弱時(shí),各方案的差異較明顯;隨著風(fēng)蝕強(qiáng)度的增強(qiáng),各方案漸趨一致;方案1與方案2性能相近,且穩(wěn)定性好;方案3對(duì)臨界摩擦速度反應(yīng)最敏感;方案4描述的風(fēng)蝕起沙啟動(dòng)較慢,在沙塵前期的模擬結(jié)果偏低,但隨風(fēng)蝕強(qiáng)度增強(qiáng)較快,整個(gè)沙塵過程波動(dòng)較大。因此,對(duì)東亞起沙源的模擬采用方案1或方案2較好。

當(dāng)然,本文的研究也存在一些不足,如文中采用的地面觀測(cè)實(shí)況和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像均為定性觀測(cè)結(jié)果,用定性檢驗(yàn)定量存在一定偏差。因此,有必要采用定量的觀測(cè)資料和更多的個(gè)例對(duì)上述結(jié)論做更深入的檢驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

ComparisonofdustemissionbywinderosioninEastAsiasimulatedbyseveraldustemissionschemes

WANG Yi-bai1,FEI Jian-fang2,ZHANG Gen-sheng1,BAO Yun1,PENG Zhi-fa3,WANG Yan-dong3

(1.61741 Troops of PLA,Beijing 100094,China;2.Institute of Meteorology and Oceanology,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China;3.61828 Troops of PLA,Kashi 844200,China)

In view of the uncertainty of dust emission in source regions,several representative dust-emission schemes are applied to simulate the dust emission by wind erosion during a strong dust storm weather process in East Asia,using the high-resolution output from MM5V3.7.The simulated results are compared with the surface observations and the satellite images,and the differences among these simulated schemes are also compared.Results show that two schemes have better simulation effect and steadier performance.

dust emission scheme;wind erosion intensity;dust storm;dust emission flux

2012-03-31;改回日期2013-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40830958;40805046/D0508)

王益柏,博士,工程師,研究方向?yàn)樯硥m暴數(shù)值模擬,wang_yi_bai@163.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120331001.

1674-7097(2014)04-0385-10

P425.55

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120331001

王益柏,費(fèi)建芳,張根生，等.2014.幾種起沙方案對(duì)東亞風(fēng)蝕起沙模擬的比較[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(4):385-394.

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