沙漠地區邊界層高度的提高與塵卷風起沙量的變化

高雅文,韓永翔*,李嘉欣,陸正奇,秦 沛,劉唯佳,梁 允 (.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心,中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室,江蘇 南京 0044；.國網河南省電力公司電力科學研究院,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,它可以通過直接輻射效應和間接輻射效應影響氣候和環境,還可以通過鐵肥料效應對大氣圈,巖石圈,生物圈之間的相互作用和物質循環產生影響[1-3].沙塵主要來源于荒漠化嚴重的干旱和半干旱地區[4],以動力起沙機制為主的沙塵暴和揚沙過程、以熱力起沙機制為主的塵卷風均是沙塵總量的重要來源之一[5-6].目前,對沙塵暴起沙量的研究非常多[7-9],但對塵卷風起沙量的研究則非常薄弱.塵卷風起沙量與其熱力學效率密切相關,而后者根據 Renno等[10]提出的塵卷風熱力學理論,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大氣動力和熱力的響應,不同下墊面的邊界層高度也不相同[11].在有植被的地區,邊界層高度大多在2～3km之間[12],邊界層高度的各種參數化方案也適合這些地區的[13].然而,在干旱的沙漠地區夏季晴朗天氣下,觀測的邊界層高度能達到5km[12],甚至有時可達6km以上[14].各種邊界層高度的參數化方案大多能夠反演出邊界層結構的日變化[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低于觀測值.說明YSU方案模擬的邊界層嚴重低估.為了使邊界層高度參數化方案能夠更好的模擬夏季沙漠的邊界層高度,Mostafa等構建了一個經驗公式,修正了YSU邊界層參數化方案,從而使模擬的邊界層高度與實際接近.

湯耀國[18]根據塵卷風熱力學理論,構建了一個塵卷風起沙方案,使用YSU邊界層參數化方案,利用WRF-Chem模式(Weather Research and Forecasting Model coupled with Chemistry)模擬了中國北方塵卷風出現的時間、位置以及塵卷風起沙量,但其采用的YSU方案模擬的邊界層遠低于實際的邊界層高度.根據塵卷風的起沙量公式,邊界層高度越高,塵卷風的起沙量越大[19],也即湯耀國等模擬的塵卷風起沙量可能遠低于實際值.

本文選取騰格里沙漠地區,于2019年夏季采用Mostafa等[17]修正的邊界層參數化方案,同時利用湯耀國[18]構建的塵卷風起沙方案,重新計算了騰格里沙漠中塵卷風的起沙量及其時空分布,討論了邊界層高度對塵卷風起沙量的影響.

1 方法

1.1 研究區域概況

騰格里沙漠地區總面積為4.2萬km2,地處東經102°20′～106°,北 緯 37°30′～40°,海 拔 約 為 1200～1400m,該地區大部分地區無植被[20],日照充足,干旱少雨,是沙塵暴和塵卷風的多發區之一.民勤站地處甘肅省河西走廊東北部,與內蒙古接壤,地處東經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,全年降雨量小,土地荒漠化嚴重,是極端干旱地區.

1.2 數據資料

探空資料選取騰格里沙漠地區的民勤站,FNL資料來自美國國家環境預報中心(NCEP)和國家大氣研究中心(NCAR),時間分辨率為 6h一次,空間分辨率為 1°×1°.時間序列統一為 2019 年 6～8 月.

1.3 WRF-Chem模式簡介和模式參數化方案選擇

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

圖1 模式區域設置Fig.1 Model area setting

表1 模式中的物理過程數參化方案Table 1 Parameterization scheme of physical process in model

1.4 干絕熱計算邊界層高度

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

1.5 塵卷風起沙量計算

塵卷風瞬時的起沙量(DAEtot)為:

式中:St是發生塵卷風的網格點面積[26-27];單個塵卷風的平均起沙通量 Fd為 0.7g/(m2·s)[28-29];無量綱機械能摩擦耗散系數 μ≈12～24;地面到對流層頂的氣壓差 ΔP=ρairgZCBL;空氣密度 ρair=1.29kg/m3;重力加速度 g=9.8m/s2;對流邊界層有效太陽輻射時間尺度TR≈9×105s,驅動塵卷風的熱量流 Fin≈(11±5)W/m2;η為熱力學效率,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參數化方案

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

式中:Ribcr是臨界里查遜數;U(h)為 h處的水平風速,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,K;ws是混合層速度;為表面的有效熱流;b為常數,取7.8.由于θT是用于將θs調整到接近地表溫度的變量.故當TSK＞TT時(TT取40℃),在這項里增加一項[(TSK-TT)/d],式子變為:

2 結果分析

2.1 YSU方案模擬的PBLHmax與觀測對比

圖2為YSU方案模擬的2019年夏季民勤每日PBLHmax及與觀測的變化曲線,兩者的峰值變化大致相同,其相關系數為0.65,通過α=0.001的置信檢驗,說明兩者的趨勢一致,但絕大部分時段模擬的 PBLHmax小于觀測值.二者之間的平均相對誤差為-20.1%,平均絕對誤差 805m,最大絕對誤差為 2345.2m(圖3),說明WRF-Chem模擬得到的最大邊界層高度與觀測有非常大的誤差,與實際相比嚴重低估,所以必須對 YSU的邊界層高度參數化模型進行修正.

圖2 模擬和觀測的每日PBLHmax變化曲線Fig.2 Observation and simulation of daily variation curve of PBLHmax

圖3 YSU方案模擬和觀測PBLHmax對比分析Fig.3 Comparison and analysis of PBLHmax between YSU simulation and observation

2.2 RYSU方案模擬的PBLHmax與觀測對比

采用Mostafa等修正的YSU邊界層參數化方案(RYSU)模擬的PBLHmax與原方案相比(圖4),在樣本量一致的情況下,其相關系數由原來的 0.65提高到0.74,平均相對誤差由原來的-20.1%變為 12.3%,最大誤差從 2345.2m 下降到 1681m.顯然,改進后的PBLHmax的較原方案有所優化,但與原方案的低估不同,改進后的PBLHmax整體高于觀測值.

圖4 RYSU方案模擬和觀測PBLHmax對比分析Fig.4 Comparison and analysis of PBLHmax between RYSU simulation and observation

2.3 兩種邊界層方案塵卷風起沙量對比

利用WRF模式和湯耀國[18]的塵卷風起沙方案,分別采用YSU和RYSU邊界層參數化方案,計算了研究區2019年6～8月塵卷風每日整點時刻的瞬時起沙量(圖 5),可以清楚地看到,在 09:00～17:00的時段內,采用 RYSU邊界層參數化方案的塵卷風起沙量,除了 09:00時外,其余時刻的瞬時起沙量和范圍均明顯高于YSU方案.其中11:00時,RYSU與YSU方案在研究區出現大范圍的塵卷風起沙,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,兩種方案在沙漠區均出現了塵卷風,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,YSU方案在研究區的塵卷風強度開始下降,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方案的起沙量卻達到最大值,大部分沙漠地區的起沙量在 16～20μg/m2之間;17:00時,YSU方案的塵卷風強度大幅度下降到 0～2μg/m2,而 RYSU 方案的塵卷風強度沒有大幅度下降,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每日整點時刻瞬時起沙量的空間分布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月研究區塵卷風每日總起沙量日變化(圖6)顯示,無論是YSU還是RYSU邊界層方案,盡管二者在細節上存在差異,但它們每日總起沙量日變化總體呈現單峰分布,在大約 9:00～10:00,總起沙量開始有值,但它們的值非常小,表明研究區偶爾有塵卷風出現,10:00以后,研究區總起沙量開始快速增加,其中YSU方案的峰值出現在14:00,而RYSU方案的峰值出現在15:00,峰值出現后,YSU方案的總起沙量快速下降,同時 RYSU方案的總起沙量在也17:00時下降,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,它與騰格里沙漠觀測的塵卷風出現頻率更接近[30].同時,從圖6可見, RYSU方案各個時刻的總起沙量在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起沙量及觀測塵卷風發生頻率日變化Fig.6 Dust devil emission simulated by two boundary layer schemes and Observation of daily variation of the frequency of dust devil

因為觀測只有日最大邊界層高度和對應時刻的地表溫度,將其帶入塵卷風瞬時起沙量公式中,作為相對真實的塵卷風起沙量,并與YSU和RYSU方案模擬的同時刻瞬時起沙量進行對比,3個邊界層高度(RYSU,YSU,實際)估算的2019年夏季每日平均的最大瞬時起沙量分別為5264.3,2536.4,4614.4t; YSU方案模擬塵卷風起沙量較實際的低 45.03%, RYSU方案多14.08%,RYSU方案估算的每日最大的瞬時起沙量比YSU方案更加接近用觀測值計算的值.

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

3 結論

3.1 與原有的YSU邊界層參數化方案相比,改進后的邊界層參數化方案(RYSU)模擬的沙漠地區邊界層最大高度相關系數由原來的 0.65提高到 0.74,平均相對誤差由原來的-20.1%變為 12.3%,更加符合實際的邊界層高度

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

3.3 無論是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,它與騰格里沙漠觀測的塵卷風出現頻率更接近.