沙漠地区边界层高度的提高与尘卷风起沙量的变化

高雅文,韩永翔*,李嘉欣,陆正奇,秦 沛,刘唯佳,梁 允 (.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室,江苏 南京 0044；.国网河南省电力公司电力科学研究院,河南 郑州450000)

沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分之一,它可以通过直接辐射效应和间接辐射效应影响气候和环境,还可以通过铁肥料效应对大气圈,岩石圈,生物圈之间的相互作用和物质循环产生影响[1-3].沙尘主要来源于荒漠化严重的干旱和半干旱地区[4],以动力起沙机制为主的沙尘暴和扬沙过程、以热力起沙机制为主的尘卷风均是沙尘总量的重要来源之一[5-6].目前,对沙尘暴起沙量的研究非常多[7-9],但对尘卷风起沙量的研究则非常薄弱.尘卷风起沙量与其热力学效率密切相关,而后者根据 Renno等[10]提出的尘卷风热力学理论,又取决于边界层高度和地表温度.大气边界层高度是下垫面对大气动力和热力的响应,不同下垫面的边界层高度也不相同[11].在有植被的地区,边界层高度大多在2～3km之间[12],边界层高度的各种参数化方案也适合这些地区的[13].然而,在干旱的沙漠地区夏季晴朗天气下,观测的边界层高度能达到5km[12],甚至有时可达6km以上[14].各种边界层高度的参数化方案大多能够反演出边界层结构的日变化[15],但均难以反演出 4km以上的边界层高度,如罗等[16]利用 YSU(Yonsei University)边界层高度参数化方案在敦煌和民勤两地模拟的边界层高度值仅在 2～3km 之间;Mostafa等[17]用 YSU方案在非洲撒哈拉沙漠模拟的边界层高度也同样远低于观测值.说明YSU方案模拟的边界层严重低估.为了使边界层高度参数化方案能够更好的模拟夏季沙漠的边界层高度,Mostafa等构建了一个经验公式,修正了YSU边界层参数化方案,从而使模拟的边界层高度与实际接近.

汤耀国[18]根据尘卷风热力学理论,构建了一个尘卷风起沙方案,使用YSU边界层参数化方案,利用WRF-Chem模式(Weather Research and Forecasting Model coupled with Chemistry)模拟了中国北方尘卷风出现的时间、位置以及尘卷风起沙量,但其采用的YSU方案模拟的边界层远低于实际的边界层高度.根据尘卷风的起沙量公式,边界层高度越高,尘卷风的起沙量越大[19],也即汤耀国等模拟的尘卷风起沙量可能远低于实际值.

本文选取腾格里沙漠地区,于2019年夏季采用Mostafa等[17]修正的边界层参数化方案,同时利用汤耀国[18]构建的尘卷风起沙方案,重新计算了腾格里沙漠中尘卷风的起沙量及其时空分布,讨论了边界层高度对尘卷风起沙量的影响.

1 方法

1.1 研究区域概况

腾格里沙漠地区总面积为4.2万km2,地处东经102°20′～106°,北 纬 37°30′～40°,海 拔 约 为 1200～1400m,该地区大部分地区无植被[20],日照充足,干旱少雨,是沙尘暴和尘卷风的多发区之一.民勤站地处甘肃省河西走廊东北部,与内蒙古接壤,地处东经103.08E,北纬 38.63N,海拔高度约为 1300m.民勤站位于腾格里沙漠的腹地,紧挨巴丹吉林沙漠地区,全年降雨量小,土地荒漠化严重,是极端干旱地区.

1.2 数据资料

探空资料选取腾格里沙漠地区的民勤站,FNL资料来自美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR),时间分辨率为 6h一次,空间分辨率为 1°×1°.时间序列统一为 2019 年 6～8 月.

1.3 WRF-Chem模式简介和模式参数化方案选择

WRF-Chem是在WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式基础上耦合了大气化学-大气动力模式,本文采用的 3.6.1版本,可以用于模拟沙尘的起沙、传输、沉降过程[21-22].模拟时间为2019年6月1日00:00:00～8月31日18:00:00,采用时间分辨率为6h,空间分辨率为1°×1°的FNL资料作为初始边界场,每隔 1h输出一次模拟结果.模式模拟区域如图 1所示,以(104.1E,38.75N)为中心,采用二层嵌套,第一层网格点数为61×72,网格间距是9km;第二层网格点为111×120,网格间距是 3km,垂直分层为 33层.模式中具体各类物理过程的参数化方案见表1.

图1 模式区域设置Fig.1 Model area setting

表1 模式中的物理过程数参化方案Table 1 Parameterization scheme of physical process in model

1.4 干绝热计算边界层高度

干绝热曲线法求边界层高度的原理由hlozworth等提出,又称T-LogP图法[23-24],能够较为准确地计算出日最大边界层高度(PBLHmax),适用于有探空资料的地区,本文采用 2019年 6～8月每日08:00的腾格里地区民勤高空站探空资料,利用干绝热曲线法计算出民勤站的 PBLHmax,它可视为观测值.具体算法见文献[25].

1.5 尘卷风起沙量计算

尘卷风瞬时的起沙量(DAEtot)为:

式中:St是发生尘卷风的网格点面积[26-27];单个尘卷风的平均起沙通量 Fd为 0.7g/(m2·s)[28-29];无量纲机械能摩擦耗散系数 μ≈12～24;地面到对流层顶的气压差 ΔP=ρairgZCBL;空气密度 ρair=1.29kg/m3;重力加速度 g=9.8m/s2;对流边界层有效太阳辐射时间尺度TR≈9×105s,驱动尘卷风的热量流 Fin≈(11±5)W/m2;η为热力学效率,绝热递减率Γab=10K/km;ZCBL为边界层高度,m;Th为地面温度, K.

1.6 Mostafa等修正的YSU参数化方案

YSU参数化方案中,边界层高度为逆温层中湍流通量最低值所在的高度,其计算公式为:

式中:Ribcr是临界里查逊数;U(h)为 h处的水平风速,m/s;θva为模式最底层的虚位温,θv(h)为在高度 h的虚位温,K;θs为近地表的虚位温, K;θT是近地表增温项,K;ws是混合层速度;为表面的有效热流;b为常数,取7.8.由于θT是用于将θs调整到接近地表温度的变量.故当TSK＞TT时(TT取40℃),在这项里增加一项[(TSK-TT)/d],式子变为:

2 结果分析

2.1 YSU方案模拟的PBLHmax与观测对比

图2为YSU方案模拟的2019年夏季民勤每日PBLHmax及与观测的变化曲线,两者的峰值变化大致相同,其相关系数为0.65,通过α=0.001的置信检验,说明两者的趋势一致,但绝大部分时段模拟的 PBLHmax小于观测值.二者之间的平均相对误差为-20.1%,平均绝对误差 805m,最大绝对误差为 2345.2m(图3),说明WRF-Chem模拟得到的最大边界层高度与观测有非常大的误差,与实际相比严重低估,所以必须对 YSU的边界层高度参数化模型进行修正.

图2 模拟和观测的每日PBLHmax变化曲线Fig.2 Observation and simulation of daily variation curve of PBLHmax

图3 YSU方案模拟和观测PBLHmax对比分析Fig.3 Comparison and analysis of PBLHmax between YSU simulation and observation

2.2 RYSU方案模拟的PBLHmax与观测对比

采用Mostafa等修正的YSU边界层参数化方案(RYSU)模拟的PBLHmax与原方案相比(图4),在样本量一致的情况下,其相关系数由原来的 0.65提高到0.74,平均相对误差由原来的-20.1%变为 12.3%,最大误差从 2345.2m 下降到 1681m.显然,改进后的PBLHmax的较原方案有所优化,但与原方案的低估不同,改进后的PBLHmax整体高于观测值.

图4 RYSU方案模拟和观测PBLHmax对比分析Fig.4 Comparison and analysis of PBLHmax between RYSU simulation and observation

2.3 两种边界层方案尘卷风起沙量对比

利用WRF模式和汤耀国[18]的尘卷风起沙方案,分别采用YSU和RYSU边界层参数化方案,计算了研究区2019年6～8月尘卷风每日整点时刻的瞬时起沙量(图 5),可以清楚地看到,在 09:00～17:00的时段内,采用 RYSU边界层参数化方案的尘卷风起沙量,除了 09:00时外,其余时刻的瞬时起沙量和范围均明显高于YSU方案.其中11:00时,RYSU与YSU方案在研究区出现大范围的尘卷风起沙,YSU方案起沙量在0～4μg/m2之间,而RYSU方案起沙量大部分在 4～6μg/m2;13:00时,两种方案在沙漠区均出现了尘卷风,但RYSU方案的起沙量在8～14μg/m2之间,比YSU方案的起沙量多一倍;15:00时,YSU方案在研究区的尘卷风强度开始下降,大部分值在2～6μg/m2,整体不到 6μg/m2,RYSU 方案的范围与YSU方案一致,但RYSU方案的起沙量却达到最大值,大部分沙漠地区的起沙量在 16～20μg/m2之间;17:00时,YSU方案的尘卷风强度大幅度下降到 0～2μg/m2,而 RYSU 方案的尘卷风强度没有大幅度下降,起沙量的值仍大部分在14～16μg/m2之间;

图5 两种边界层方案尘卷风每日整点时刻瞬时起沙量的空间分布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月研究区尘卷风每日总起沙量日变化(图6)显示,无论是YSU还是RYSU边界层方案,尽管二者在细节上存在差异,但它们每日总起沙量日变化总体呈现单峰分布,在大约 9:00～10:00,总起沙量开始有值,但它们的值非常小,表明研究区偶尔有尘卷风出现,10:00以后,研究区总起沙量开始快速增加,其中YSU方案的峰值出现在14:00,而RYSU方案的峰值出现在15:00,峰值出现后,YSU方案的总起沙量快速下降,同时 RYSU方案的总起沙量在也17:00时下降,到18:00,两种方案的总起沙量均接近零.RYSU方案的总起沙量峰值比YSU方案的峰值迟 1h,它与腾格里沙漠观测的尘卷风出现频率更接近[30].同时,从图6可见, RYSU方案各个时刻的总起沙量在10:00以后均大于YSU方案的总起沙量,其峰值的总起沙量几乎是YSU方案的2倍左右.另外,YSU方案中6～8月每日总起沙量为9754.2t,而同期RYSU方案中的总起沙量为30026.04t,后者是前者3倍.

图6 两种边界层方案模拟尘卷风起沙量及观测尘卷风发生频率日变化Fig.6 Dust devil emission simulated by two boundary layer schemes and Observation of daily variation of the frequency of dust devil

因为观测只有日最大边界层高度和对应时刻的地表温度,将其带入尘卷风瞬时起沙量公式中,作为相对真实的尘卷风起沙量,并与YSU和RYSU方案模拟的同时刻瞬时起沙量进行对比,3个边界层高度(RYSU,YSU,实际)估算的2019年夏季每日平均的最大瞬时起沙量分别为5264.3,2536.4,4614.4t; YSU方案模拟尘卷风起沙量较实际的低 45.03%, RYSU方案多14.08%,RYSU方案估算的每日最大的瞬时起沙量比YSU方案更加接近用观测值计算的值.

在其他因素不变的情况下,仅使边界层高度更符合实际,就使得尘卷风每日总起沙量增加 2倍,显然,尘卷风的起沙量的确与边界层高度密切相关.本文利用Mostafa等修正的YSU边界层参数化方案,虽然使得原来模式中的边界层高度严重低估的弊病得到很大改善,但其改进的边界层高度却比实际的高度有所高估,这又增加了尘卷风的起沙量,这有待于未来更优的沙漠地区边界层高度的参数化方案.

3 结论

3.1 与原有的YSU边界层参数化方案相比,改进后的边界层参数化方案(RYSU)模拟的沙漠地区边界层最大高度相关系数由原来的 0.65提高到 0.74,平均相对误差由原来的-20.1%变为 12.3%,更加符合实际的边界层高度

3.2 两种边界层参数化方案均能够模拟出沙漠地区尘卷风的日变化特征,除了 08:00外,其余时刻RYSU方案模拟的瞬时起沙量和范围均高于 YSU方案;同时,RYSU方案起沙量和范围最大的时刻是15:00时,其峰值明显与YSU方案不同.

3.3 无论是YSU还是RYSU边界层方案,6～8月每日总起沙量日变化总体呈现单峰分布,RYSU方案的总起沙量峰值比YSU方案的峰值迟1h,6～8月研究区每日总起沙量几乎是YSU方案的3倍左右,它与腾格里沙漠观测的尘卷风出现频率更接近.