WRF/Chem模式起沙權重因子對沙塵模擬結果的影響

趙文朋，趙 軍，劉筱冉，趙丹丹，祁月基，李金才

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

引 言

沙塵天氣是一種非常復雜的天氣過程，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等的質量濃度，降低大氣能見度，造成嚴重的大氣污染[1]，影響大氣環(huán)境質量[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報模式系統(tǒng)[11-14]，例如嵌套網(wǎng)格空氣質量預報模式系統(tǒng)(NAQPMS)和新一代沙塵天氣預報系統(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報能力，但定量模擬和預報準確率仍需進一步提高。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)化方案是準確模擬和預報沙塵暴的關鍵，而沙塵參數(shù)化方案的關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)值預報的準確性。國內外不斷提出描述沙粒運動的起沙參數(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)測預報服務能力具有重大意義。

本文通過耦合Shao04起沙參數(shù)方案的大氣化學全耦合WRF/Chem模式，研究Shao04方案垂直沙塵通量公式中的風蝕權重因子γ，γ權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)值模擬結果，并與氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測沙塵范圍以及站點顆粒物質量濃度進行對比分析，得出γ對沙塵范圍和垂直沙塵通量模擬結果的影響，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、金昌、包頭、蘭州和銀川6市多個監(jiān)測站點的PM2.5和PM10逐小時質量濃度監(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、風沙模式(包括風蝕、輸送和沉降模式)和地理信息系統(tǒng)的沙塵天氣集成預報系統(tǒng)。但當時沙塵天氣集成預報系統(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)了改進的WRF/Chem沙塵集成預報系統(tǒng)，其將中尺度預報模式WRF與大氣化學過程的化學模塊Chem相耦合，實現(xiàn)了大氣模式與化學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]風蝕起沙物理學理論，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種起沙機制，同時也增加了沙塵粒徑譜分布資料，是依據(jù)風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常數(shù)；ρa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為風蝕起沙時微風風蝕所占的權重，描述釋放聚合沙粒的難易程度，取值越大說明微風風蝕越強，沙塵越難釋放，當γ=1時，p(di)=pm(di)，不考慮較強風蝕，對方案進行了簡化，其他條件默認不變，也就是Shao11方案[31]。

1.3 實驗設計

首先修改Shao04起沙方案[19]中垂直沙塵通量公式權重因子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，經(jīng)向有80個格點，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?；瘜W物質的初始和邊界條件來自MOZART-4模式每6 h一次的輸出模擬結果。實驗總共進行3組模擬，根據(jù)模擬結果，以每日13:00(北京時，下同)模式模擬圖為例進行分析。

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)大風的同時開始出現(xiàn)沙塵天氣，進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、蒙古中南部與內蒙古北部之間，沙塵區(qū)已由新疆轉移至蒙古南部和內蒙古北部；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 權重γ對起沙模擬結果的影響

風蝕起沙過程中，沙塵排放率與地表土壤微粒的尺度分布特征密切相關，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蝕強度的變化規(guī)律[7]。風蝕強度不同會導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的微粒尺度分布不同，γ和(1-γ)分別作為微風風蝕和較強風蝕的權重，描述釋放聚合沙粒的難易程度，理論上γ越大，微風風蝕所占權重越大，較強風蝕所占權重越小，越不易起沙。下面以2014年4月23—25日每日13:00模式模擬結果為例進行分析。

3.1 不同γ取值沙塵模擬結果及衛(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時沙塵質量濃度模擬值空間分布?？梢钥闯?，當γ=1時，沙塵主要影響范圍隨著時間推移先擴大后減小，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γ=0.5或0時，隨著時間的推移，沙塵質量濃度逐漸增大，沙塵影響范圍也逐漸擴大。γ為0，0.5和1時沙塵質量濃度中心值都隨時間先減小后略增大，例如當γ=1時沙塵質量濃度中心值從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，說明沙塵質量濃度隨γ值增大而變小。從實驗模擬結果來看，γ值的改變確實對模擬的沙塵質量濃度和范圍有較大影響，尤其是沙塵質量濃度。驗證了理論上γ越大，相應的微風風蝕所占權重越大，而較強風蝕權重(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?，23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、甘肅西北部以及內蒙古西部地區(qū)，其中內蒙古西部、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)影響面積有所擴大。25日12:45，沙塵出現(xiàn)在新疆西南部、甘肅中部以及內蒙古西部地區(qū)，其中內蒙古中部、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。結合模式模擬結果可以看出，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果的影響

沙塵數(shù)值預報的準確性在于起沙參數(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?？梢钥闯觯沪弥迪?，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模擬范圍東移且達最大，主要分布于甘肅西北部、蒙古南部和內蒙古西北部；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，微風風蝕的權重越大，垂直起沙越難。

3.3 PM10和PM2.5質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質量濃度模擬結果與觀測值的對比?？梢钥闯觯?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、結束時間和峰值質量濃度，模擬效果均較好。當γ=1時，模式模擬的PM10質量濃度非常接近觀測值，模擬效果較好；當γ=0時，模式的模擬效果最差，模擬的PM10質量濃度較觀測值普遍偏大6倍左右；當γ=0.5時，模擬結果較觀測值普遍偏大3～4倍。當γ=1時，模式模擬的PM2.5質量濃度非常接近觀測值，模擬效果較好；當γ=0或γ=0.5時，模式模擬的PM2.5質量濃度與觀測值差異都十分大。

綜上所述，不同γ值導致模擬結果的較大差異也說明其確為起沙敏感因子，PM10和PM2.5質量濃度的模擬值與實測值在西北6市基本一致，得到的結論較為可靠。再結合上文衛(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)質量濃度模擬結果與觀測值的對比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 論

(1)γ取值越大，對模擬的沙塵整體位置和質量濃度中心值位置沒有影響，但沙塵模擬范圍略微減小，質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、結束時間和峰值質量濃度。但只有當γ=1時，即耦合Shao11方案的WRF/Chem模式能夠較準確地模擬出沙塵天氣過程中PM10和PM2.5質量濃度的變化情況。

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