周 旭,張 鐳,郭 琪,衣娜娜,田鵬飛,陳麗晶(.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)氣象局,云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 0008 )

強(qiáng)沙塵暴的數(shù)值模擬及PM10濃度的時(shí)空變化分析

周 旭1,2,張 鐳1*,郭 琪1,衣娜娜1,田鵬飛1,陳麗晶1(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)氣象局,云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 )

為研究沙塵暴期間沙塵排放、干沉降過(guò)程以及PM10濃度的時(shí)空變化,采用考慮了多種起沙物理機(jī)制的起沙參數(shù)化方案與WRF/Chem模式相結(jié)合的沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng),模擬了發(fā)生在2010年4月24日中國(guó)西北地區(qū)的黑風(fēng)暴過(guò)程,分析近地表PM10的排放及濃度變化,并與實(shí)際觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠很好地模擬此次過(guò)程;分析了黑風(fēng)暴過(guò)程中不同地區(qū)的沙塵排放及干沉降,其中敦煌地區(qū)的排放和沉降分別為4.01和6.23mg/m2,民勤的排放和沉降分別為5040.79和231.74mg/ m2;發(fā)現(xiàn)黑風(fēng)暴過(guò)程中沙塵排放源地主要為民勤地區(qū),黑風(fēng)暴過(guò)程中民勤地區(qū)PM10排放為5.04t/km2;分析 PM10不同地區(qū)的垂直濃度分布情況,發(fā)現(xiàn)PM10主要分布在 1000m以下的大氣中,并能夠擴(kuò)散到3000m以上的高空進(jìn)行遠(yuǎn)距離的輸送,擴(kuò)散到高空的PM10可以輸送到幾千公里外的地區(qū).

強(qiáng)沙塵暴；可吸入顆粒物(PM10)；數(shù)值模擬；時(shí)空分布

沙塵暴作為自然界中沙塵氣溶膠的主要來(lái)源,可以通過(guò)直接[1-3]、半直接[4-6],或者間接[7-9]作用影響地球氣候系統(tǒng),反之,氣候因素對(duì)沙塵暴也存在一定的影響[10-11].沙塵氣溶膠是大氣中顆粒物主要成分之一,其粒徑分布、數(shù)濃度往往與天氣條件存在著一定的聯(lián)系[12-13].

近年來(lái),全球沙塵暴頻發(fā),對(duì)人們的生產(chǎn)、生活以及大氣環(huán)境帶來(lái)巨大的影響[14].大量的學(xué)者從沙塵暴的起沙機(jī)制[15-19]、光學(xué)厚度[20-22]、帶電效應(yīng)[23-24]、形成發(fā)展及輸送、沉降等方面進(jìn)行了研究[25-28];也有學(xué)者從沙漠陸面過(guò)程[29-30]、沙塵暴的成因[31]、變化特征[32]、氣候特征[33]及氣候因素對(duì)沙塵暴的影響[34-35]等方面進(jìn)行了廣泛的研究.為遏制沙塵暴的發(fā)生,有些學(xué)者從沙漠治理入手對(duì)沙漠防風(fēng)林進(jìn)行了研究[36].

對(duì)于西北地區(qū)的干旱和沙塵暴相繼建立了一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[37-38],國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了很多沙塵暴的預(yù)測(cè)系統(tǒng),迄今已形成了多個(gè)沙塵預(yù)報(bào)模式,其中耦合了區(qū)域大氣模式的沙塵模式有CFORS[39]、COAMPS[40]、DREAM[41]、CEMSYS5[42]等,與全球大氣模式相耦合的沙塵模式包括了GOCART[43]、DEAD[44]、MASINGAR[45]等.不同的沙塵預(yù)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的或者基于物理模型的起沙參數(shù)化方案對(duì)沙塵天氣都有一定的模擬能力,都能夠很好的模擬出沙塵暴這種天氣現(xiàn)象,但是仍然存在很多的不確定性[46],不同的起沙參數(shù)化方案對(duì)于沙塵暴期間沙塵排放、輸送存在很大的差異[47].

起沙參數(shù)化方案的根本不同點(diǎn)在于垂直沙塵通量的計(jì)算,因此,垂直沙塵通量的計(jì)算成為了關(guān)鍵.本文利用耦合了Shao 2004年提出的起沙參數(shù)化方案的WRF/Chem模式,通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的方法,研究民勤地區(qū)黑風(fēng)暴過(guò)程中的沙塵排放、PM10的濃度時(shí)空演變特征、沙塵干沉降分布以及輸送特征,并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定沙源地.通過(guò)本文的研究,為建立準(zhǔn)確的沙塵預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了依據(jù),便于定量的預(yù)測(cè)沙塵天氣發(fā)生的范圍和程度,也為防災(zāi)減災(zāi)提供有效的服務(wù).

1 模式簡(jiǎn)介及檢驗(yàn)

1.1 研究區(qū)概況

民勤縣位于甘肅省河西走廊中部,位于巴丹吉林與騰格里沙漠的交界處,能夠很好地代表沙漠地區(qū)的地形、地貌以及地表狀況等特征,該地區(qū)長(zhǎng)年降水稀少,年平均降水量為113.6mm,是我國(guó)春季沙塵暴多發(fā)區(qū).Koven等利用包含了地貌、歸一化的植被指數(shù)(NDVI)、地表粗糙度及水文狀況等不同土壤風(fēng)蝕指數(shù)來(lái)確定的全球沙源地,其中中國(guó)西北地區(qū)是全球主要的沙塵源地之一[48].

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于民勤治沙綜合試驗(yàn)站 3號(hào)塔(38.62°N,102.92°E)及其附近的區(qū)域,該地區(qū)位于綠洲外的流動(dòng)沙地(沙漠)內(nèi),屬于半流動(dòng)、流動(dòng)風(fēng)沙地貌類型,荒漠植被以白刺、梭梭為主,植被衰敗和退化現(xiàn)象較為嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境非常脆弱,是我國(guó)干旱區(qū)荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[49].由于干燥的氣候、不穩(wěn)定的空氣狀態(tài)、稀疏的植被、豐富的沙源、因缺水和濫墾造成的疏松的地表物質(zhì)使該區(qū)域成為我國(guó)境內(nèi)的強(qiáng)沙源區(qū)中心之一,也是入境沙塵暴的必經(jīng)之路[50].

2010年4月24日,受冷空氣影響西北地區(qū)自西向東發(fā)生了一次沙塵過(guò)程,其中河西走廊遭受了強(qiáng)沙塵暴的侵襲,特別是在甘肅的酒泉、民勤等地出現(xiàn)了能見(jiàn)度為 0m的黑風(fēng)暴.趙旋等[51]對(duì)此次沙塵暴過(guò)程中地面氣象要素和近地面沙塵濃度的變化,以及大氣動(dòng)力、熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析,郭萍萍等[52]進(jìn)行了天氣成因分析.

PM10濃度的觀測(cè)數(shù)據(jù)為西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在民勤地區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的資料,觀測(cè)儀器采用美國(guó)TSI公司的Dust Trak8520型智能粉塵檢測(cè)儀,采樣頻率0.2Hz,采樣高度分別為0.5、1、8、16m,觀測(cè)時(shí)間為2010年4～5月,本文所采用數(shù)據(jù)為16m高度處,2010年4月24日16:00～2010年4月25日00:00的觀測(cè)結(jié)果.激光雷達(dá)能非常好地觀測(cè)沙塵氣溶膠[53],蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站(SACOL)的NIES激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù).該激光雷達(dá)在SACOL有2009年～2012年的連續(xù)觀測(cè).其垂直分辨率為 6m,時(shí)間分辨率為15min.本文用激光雷達(dá)的 532nm波長(zhǎng)的距離訂正回波信號(hào)來(lái)分析沙塵氣溶膠垂直分布.文中采用2010年4月25～26日的激光雷達(dá)數(shù)據(jù),并通過(guò)Tian等[54]的方法做了信號(hào)降噪處理.

1.2 沙塵模式簡(jiǎn)介

Shao[55]提出的沙塵暴的集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)包含地理信息系統(tǒng)、大氣模式、風(fēng)蝕過(guò)程、陸面過(guò)程以及沙塵的輸送過(guò)程等(如圖1所示).

本文采用的大氣模塊是WRF中尺度天氣預(yù)報(bào)模式,起沙參數(shù)化方案采用Shao給出的參數(shù)化方法.該方案的躍移水平沙通量表示為:

式中:c為系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3; g為重力加速度,m/s2;分別表示摩阻風(fēng)速和臨界摩阻風(fēng)速,m/s.則沙塵垂向通量表示為式(2).

圖1 沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the integrated dust forecasting system

式中:cγ是比例系數(shù);γ是表示沙塵粒徑分布的權(quán)重因子;pm(dj)和 pf(dj)分別表示為粒徑的全分布和最小分布;g表示重力加速度;表示摩擦速度;p表示土壤塑型壓力;Qs(i)為沙塵粒徑為 di的沙粒的通量σm沙塵粒子的轟擊效率.根據(jù) Shao[55]給出的結(jié)果其表達(dá)式為:式中:ρs表示沙塵密度,通常取常取 2650kg/m3,式(2)中,γ為一權(quán)重使得

將上述方程離散化便可以耦合到WRF/Chem中.

1.3 沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)檢驗(yàn)

利用該沙塵預(yù)報(bào)系統(tǒng)分別模擬了2010年3月29～31日;4月8～10日;4月24～26日的沙塵天氣,模擬區(qū)域的中心取在(35°N,l05°E),模式的水平分辨率為 30km,緯向共有200個(gè)格點(diǎn),經(jīng)向有150個(gè)格點(diǎn),垂直方向分為27層,時(shí)間步長(zhǎng)為3min,邊界層方案選取YSU方案.模擬的范圍主要包括蒙古、內(nèi)蒙古以及華北和東北地區(qū).氣象模式的初始場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)采用1°×1°分辨率的NCEP再分析數(shù)據(jù),并且每 6h更新一次,下墊面土壤類型信息采用 Shao[55]給出的土壤信息(圖 2),其中越接近1.0表示越容易風(fēng)蝕,可以看出在塔克拉瑪干、巴丹吉林、騰格里等沙漠地區(qū)是極易風(fēng)蝕的區(qū)域.吳成來(lái)等[56]利用該土壤類型信息和植被覆蓋度資料,對(duì)2002年3月19～22日發(fā)生在東亞地區(qū)的強(qiáng)沙塵暴過(guò)程進(jìn)行模擬,模擬的沙塵濃度與觀測(cè)較為一致.周旭等[57]研究了該模式的敏感性因子,并給出了適用于中國(guó)西北地區(qū)的起沙參數(shù)化方案中的參數(shù)值.

圖2 Shao[55]給出的中國(guó)西北地區(qū)土壤可風(fēng)蝕指數(shù)Fig.2 The erosion index of soil in northwest China by Shao[55]

圖3a、b、c分別給出了2010年3月29～31 日、4月21～23日、4月24～26日的沙塵天氣過(guò)程中,民勤觀測(cè)站模擬的 PM10濃度隨時(shí)間的變化情況.可以看出該沙塵集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠模擬出沙塵天氣的發(fā)生和演變過(guò)程.

圖3 民勤地區(qū)不同場(chǎng)次沙塵暴模擬的PM10濃度Fig.3 Simulated PM10concentration during different dust storms in Minqin

圖4給出了3次沙塵天氣過(guò)程中民勤觀測(cè)點(diǎn)PM10濃度的變化與模擬值的對(duì)比情況,其中觀測(cè)值為Dust Trak在民勤治沙站3號(hào)塔的觀測(cè)數(shù)值,發(fā)現(xiàn)模式能夠很好的模擬出沙塵天氣的趨勢(shì),包括:開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間和峰值濃度,特別是發(fā)生在 3月29日的沙塵天氣過(guò)程中PM10的變化情況.由此可見(jiàn)該模式能夠較準(zhǔn)確的模擬出沙塵天氣過(guò)程中PM10濃度變化情況.

圖4 民勤觀測(cè)的PM10濃度與模擬值對(duì)比Fig.4 Comparison between the observed and simulatedPM10concentration in Minqin

此外,為檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M的沙塵分布區(qū)域,將模擬結(jié)果與FY-3A氣象衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖5所示,其中圖5a為模式模擬25日12:00時(shí)PM10的分布情況,圖5b為FY-3A氣象衛(wèi)星25日 12:10的監(jiān)測(cè)實(shí)況,可以看出衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到沙塵區(qū)域主要分布在甘肅北部的張掖-武威-民勤一帶、寧夏中部和南部、陜西西北部以及內(nèi)蒙古中部偏南地區(qū),這些沙塵分布的區(qū)域,模式都能夠很好的模擬出來(lái),充分說(shuō)明了模式在模擬沙塵的時(shí)空分布具有很強(qiáng)的模擬能力.

為進(jìn)一步說(shuō)明模式在垂直方向上的模擬能力,將 SACOLPM10垂直分布的模擬結(jié)果與532nm激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,其中激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果處理采用Huang等[58]的方法,如圖6所示,對(duì)比沙塵在垂直方向分布,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果比較一致,25日15:00左右PM10濃度出現(xiàn)峰值,高度達(dá)到3km左右,說(shuō)明模式能夠很 好的模擬沙塵在垂直方向的分布情況.

圖5 4月25日12:00PM10模擬分布和FY-3A氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)實(shí)況Fig.5 Distribution of simulated PM10concentration and monitored by FY-3A on April 25

圖6 4月25日SACOL測(cè)站激光雷達(dá)觀測(cè)與模擬PM10濃度對(duì)比Fig.6 Comparison between simulated PM10concentration and lidar observation at SACOL on April 25

綜上所述,通過(guò)與觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比,本文所采用的模式能夠很好地模擬沙塵天氣過(guò)程中 PM10的分布和時(shí)空變化情況.

2 沙塵PM10的排放、沉降及時(shí)空分布

2.1 4月24日天氣過(guò)程

2010年4月24～26日,受冷鋒和蒙古氣旋共同影響,南疆盆地和新疆東部、青海西北部、內(nèi)蒙古西部、甘肅河西地區(qū)和寧夏等地出現(xiàn)大風(fēng)天氣,并伴有沙塵,部分地區(qū)出現(xiàn)了沙塵暴.此次沙塵暴過(guò)程甘肅全省有 16個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)大風(fēng)沙塵暴天氣,其中鼎新、臨澤、張掖、民樂(lè)、民勤、酒泉出現(xiàn)特強(qiáng)沙塵暴,酒泉、民勤最小能見(jiàn)度為0m[59].

圖 7給出了此次沙塵天氣過(guò)程模擬的500hPa天氣形勢(shì)的演變過(guò)程,圖 7a中可以看出24日08:00 500hPa低壓槽位于新疆中東部,14:00鋒面東移到達(dá)酒泉,鋒前張掖以東大部分地區(qū)均處在低壓中.隨后,冷鋒繼續(xù)東移,河西走廊中部自西向東出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴,張掖于 16:30前后爆發(fā)了能見(jiàn)度幾乎為 0的特強(qiáng)沙塵暴.到 17:00,冷鋒移至張掖和武威之間,鋒前低壓中心值降低到1000hPa.圖7b給出了24日20:00 500hPa天氣形勢(shì)圖,此時(shí) 3h變壓增強(qiáng)到 9.0hPa,形成了一強(qiáng)氣壓梯度帶,民勤出現(xiàn)了 8～9級(jí)大風(fēng),導(dǎo)致民勤于19:09和20:00出現(xiàn)兩次“黑風(fēng)”.圖7c給出了25日08:00 500hPa天氣形勢(shì),可以看出低壓槽抵達(dá)甘肅東部,此時(shí)寧夏大部分地區(qū)和蘭州出現(xiàn)了沙塵天氣.圖7d給出了25日20:00 500hPa天氣形勢(shì),此時(shí)低壓槽轉(zhuǎn)豎,大風(fēng)源源不斷的將河西地區(qū)的沙塵輸送到華中地區(qū).

圖7 2010年4月24～26日500hPa天氣形勢(shì)Fig.7 500hpa geopotential height on April 24～26, 2010

2.2 沙塵天氣過(guò)程的沙塵排放

圖8給出了模擬區(qū)域4月24日沙塵暴期間每6h的沙塵排放總量.首先在24日11:00,新疆中東部地區(qū)低空存在一個(gè)風(fēng)切變的區(qū)域,此時(shí)沙塵排放位于新疆中東部地區(qū)(圖 8a);隨著高空低壓中心的南移,到了24日17:00低空大風(fēng)區(qū)域東移到了新疆、甘肅、青海交界的區(qū)域,此時(shí)新疆東部、甘肅中部、青海北部地區(qū)出現(xiàn)起沙(圖 8b),19:00左右民勤一度出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴;隨著冷空氣東移,到了24日23:00,低壓中心分裂成兩個(gè),此時(shí)新疆地區(qū)的起沙過(guò)程基本結(jié)束,甘肅地區(qū)的起沙區(qū)域繼續(xù)東移到達(dá)了金昌地區(qū)(圖 8c);到了 25日 08:00前后新疆地區(qū)、青海北部地區(qū)起沙過(guò)程結(jié)束,此時(shí)沙塵排放區(qū)域主要位于甘肅中部和內(nèi)蒙古東部地區(qū)(圖8d);甘肅中西部地區(qū)出現(xiàn)了起沙,6h起沙量約為 70g/m2,隨著蒙古氣旋的東移,25日 08:00前后張掖-金昌-武威-民勤一線再次出現(xiàn)大面積大量起沙,一直維持到26日08:00(圖8e-h),該地區(qū)都有沙塵排放,說(shuō)明影響我國(guó)大部的沙塵天氣過(guò)程的沙塵源地主要為該地區(qū).

2.3 模擬區(qū)域的PM10的排放與干沉降

圖9給出了模擬區(qū)域4月24～26日沙塵排放量與干沉降的分布圖,從圖9a可以看出沙塵排放的區(qū)域主要分布在新疆中部、青海北部、甘肅從西向東的大部分地區(qū)以及內(nèi)蒙古東部地區(qū),這一模擬結(jié)果與趙慶云等[58]給出的觀測(cè)沙塵暴事件的觀測(cè)事實(shí)比較一致.

圖9b給出了沙塵干沉降的分布情況,干沉降主要分布在新疆南部地區(qū)、甘肅自金昌向東到民勤地區(qū)、內(nèi)蒙古東部、寧夏中西部地區(qū),對(duì)比沙塵排放與干沉降,發(fā)現(xiàn)沙塵排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干沉降,說(shuō)明起沙后大顆粒的沙塵很快就通過(guò)干沉降的方式沉降到地表,其余的則通過(guò)大氣邊界層中的 湍流輸送到高空隨著冷空氣進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送.

圖8 模擬區(qū)域每6h沙塵排放Fig.8 Dust emission in the simulation region for every six hours

圖9 模擬區(qū)域沙塵排放量與干沉降Fig.9 Dust emission and dry deposition inthesimulation region

2.4 PM10地表濃度分布

圖10a 4月24日12:00,PM10主要分布在新疆中東部地區(qū)、青海北部地區(qū)和甘肅西部部分地區(qū);24日 20:00,PM10分布區(qū)域擴(kuò)大到新疆中東南部、青海省北部、甘肅的中西部區(qū)域和內(nèi)蒙古西部,其中民勤地區(qū)的 PM10平均濃度達(dá)到了90mg/m3;25日08:00新疆地區(qū)的PM10分布區(qū)域向西南方向移動(dòng),到達(dá)新疆西南部,青海北部的沙塵向南擴(kuò)散覆蓋青海省的大部分地區(qū),甘肅中西部 PM10分布區(qū)域向東南方向移動(dòng),到達(dá)了四川北部、寧夏大部區(qū)域(如圖 10c);25日16:00由PM10濃度分布可以看出,此時(shí)沙塵主要分布在甘肅中東部地區(qū)、寧夏、內(nèi)蒙古西部、陜西大部和四川北部地區(qū)(如圖10d);26日00:00隨著冷空氣遷移的 PM10向東南地區(qū)擴(kuò)散到達(dá)四川、陜西、湖北、河南等地(如圖 10e).26日08:00PM10濃度出現(xiàn) 2個(gè)大值中心,一個(gè)位于湖北與湖南交接至重慶的地區(qū),該地區(qū)的 PM10是由于24～25日甘肅-武威-民勤一線排放的沙塵輸送而來(lái),一個(gè)位于民勤-中衛(wèi)-銀川地區(qū),此地區(qū)是由于26日08:00該地區(qū)再次出現(xiàn)沙塵暴導(dǎo)致的(如圖10f).

圖10 4月24～26日沙塵天氣過(guò)程地表PM10濃度分布Fig.10 The distribution of near-surface PM10concentration during dust storm on April 24～26

圖11給出了24～26日沙塵天氣過(guò)程不同時(shí)間 段地表 PM10的平均濃度分布,可以看出整個(gè)過(guò)程中民勤地區(qū)地表 PM10的平均濃度最大,達(dá)到了90mg/m3,從另一個(gè)側(cè)面也說(shuō)明了民勤地區(qū)是此次沙塵天氣的沙源地.與李耀輝等[60]指出民勤為河西走廊中沙塵暴最為嚴(yán)重區(qū)域的研究結(jié)果是一致的.

圖11 24～26日沙塵天氣過(guò)程地表PM10的平均濃度分布Fig.11 Distribution of the average PM10concentration during the dust storm on 24～26April

綜上,2010年4月24日沙塵天氣過(guò)程分為兩個(gè)階段,第一階段為24日08:00～25日00:00,該階段沙塵排放分布在新疆中東部和甘肅中部?jī)蓚€(gè)區(qū)域,并分別向西南方向和東南方向輸送,第二階段為25日06:00開(kāi)始,沙塵排放區(qū)域只有民勤地區(qū).此次沙塵天氣 PM10的輸送路徑有 2條,第一為新疆中東部起沙向西南方向輸送,到達(dá)新疆西南部地區(qū);第二為甘肅中東部地區(qū),特別是民勤地區(qū)起沙向東南方向輸送,到達(dá)四川、陜西、湖北、河南、安徽等地,并繼續(xù)東移影響我國(guó)大部分地區(qū).

2.5 PM10的垂直分布

由圖12看出PM10主要分布在3000m以下,該垂直分布的高度與柳丹等[61]基于衛(wèi)星遙感分析的沙塵氣溶膠分布的高度是一致的.敦煌的PM10濃度明顯小于其他地區(qū),說(shuō)明敦煌地區(qū)沙塵排放小;民勤的 PM10濃度最大,隨高度的增加PM10濃度減小很快,說(shuō)明民勤的沙塵顆粒較大干沉降迅速,伴隨著大風(fēng)的夾卷作用,沙塵排放源區(qū)PM10不斷的向大氣中排放,并向上擴(kuò)散,而沙塵輸送的下游地區(qū) PM10濃度隨著高度變化很小,如蘭州、銀川、西安地區(qū)PM10濃度隨高度變化不劇烈,表明此時(shí)已混合均勻,較大粒徑的沙塵顆粒的干沉降已經(jīng)結(jié)束,其余則是可以進(jìn)行懸移的沙塵顆粒,并隨著冷空氣進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送.

圖12 沙塵過(guò)程中不同區(qū)域的PM10濃度的垂直分布Fig.12 Vertical distribution of PM10concentration in different regions during the dust storm

3 PM10的排放和干沉降特征

圖13a給出了吐魯番、敦煌、民勤、中衛(wèi)、銀川、蘭州地區(qū)24～26日沙塵過(guò)程中PM10的沙塵排放隨著時(shí)間的變化,可以看出民勤和中衛(wèi)地區(qū)的 PM10排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它地區(qū)的沙塵排放,其中民勤的PM10沙塵排放最大值超過(guò)了每小時(shí)55000mg/m2,出現(xiàn)在25日11:00左右,而中衛(wèi)地區(qū)的沙塵排放也達(dá)到了每小時(shí)45000mg/m2,出現(xiàn)在25日 14:00,由此可見(jiàn)冷空氣的上游沙塵排放遠(yuǎn)大于側(cè)風(fēng)向的沙塵排放,中衛(wèi)峰值落后于民勤,因?yàn)殡S著冷空氣遷移,沙塵不斷向前輸送.

根據(jù)圖13b中地表PM10干沉降隨著時(shí)間變化,可見(jiàn)民勤和中衛(wèi)地區(qū)的 PM10干沉降遠(yuǎn)大于吐魯番、敦煌、蘭州、西安等地,最大沉降值分別超過(guò)了2400和3600mg/(m2?h),其中民勤干沉降最大值出現(xiàn)在 25日 12:00,中衛(wèi)則出現(xiàn)在 25日 15:00,兩者峰值出現(xiàn)的時(shí)間均比排放峰值出現(xiàn)的晚 1h,說(shuō)明沙塵排放后并沒(méi)有直接干沉降,而是與空氣間進(jìn)行了相互作用,最終在重力作用下才沉降到地面.對(duì)于西安而言,25日21:00干沉降達(dá)到最大值,其沉降的沙塵是由上游地區(qū)輸送而來(lái),可見(jiàn)沙塵已隨著大氣進(jìn)行遠(yuǎn)距離的 輸送.

圖13 不同地點(diǎn)PM10排放、干沉降及濃度時(shí)間變化Fig.13 Evolution of emission, dry deposition and concentration of PM10in different regions

圖14 不同地區(qū)沙塵排放和干沉降Fig.14 Dust emission and dry deposition in different regions

圖13c給出了吐魯番、敦煌、民勤、中衛(wèi)、銀川、蘭州、西安等地地面 PM10濃度的變化,可以看出西安的PM10峰值出現(xiàn)在民勤地區(qū)出現(xiàn)峰值之后,說(shuō)明西安地區(qū)的 PM10由上游輸送而來(lái),圖13d給出了沙塵排放和干沉降之差,民勤地區(qū)最大,西安地區(qū)為負(fù)值,說(shuō)明西安地區(qū)只有沙塵的沉降.

圖 14給出了不同地區(qū)沙塵排放和干沉降,其中民勤地區(qū)干沉降約占沙塵排放量的 5%,銀川地區(qū)干沉降量占沙塵排放量的 72%;敦煌地區(qū)的沙塵排放和沉降非常小,沙塵排放僅為4.01mg/m2,民勤地區(qū)的為 5040.79mg/m2,西安地區(qū)僅有沙塵的干沉降,為63.62mg/m2,遠(yuǎn)超過(guò)敦煌地區(qū)的 6.23mg/m2,約是民勤地區(qū)干沉降的四分之一.充分說(shuō)明了,民勤是沙塵源地,沙塵排放沿著主風(fēng)向進(jìn)行了遠(yuǎn)距離的輸送.

論文僅采用民勤和 SACOL的觀測(cè)資料,還需要更多站點(diǎn)觀測(cè)資料,并借助更多的衛(wèi)星遙感資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行更大范圍、更為詳細(xì)的驗(yàn)證,這些需要在今后的工作進(jìn)一步研究.

4 結(jié)果

4.1 通過(guò)對(duì)2010年4月24日發(fā)生在民勤地區(qū)的黑風(fēng)暴進(jìn)行了模擬,并與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比,揭示了此次沙塵天氣的發(fā)生、發(fā)展和輸送過(guò)程,初步分析了PM10在此次過(guò)程中的排放、沉降和分布情況.分析此次沙塵暴過(guò)程中不同地區(qū)的沙塵排放,發(fā)現(xiàn)此次沙塵天氣過(guò)程存在兩個(gè)沙塵排放區(qū),一個(gè)是新疆中部的吐魯番地區(qū),另一個(gè)為張掖-武威-民勤一線,而張掖-武威-民勤一線的沙塵排放隨著冷空氣向西南方向輸送,可以確定影響全國(guó)大部分地區(qū)的沙塵天氣的沙塵主要源地為張掖-武威-民勤地區(qū),其中在4月24-26日沙塵過(guò)程中PM10排放為5.04t/km2.

4.2 通過(guò)分析 PM10濃度的時(shí)空變化,給出了沙塵天氣過(guò)程中 PM10的擴(kuò)散輸送過(guò)程.研究沙塵過(guò)程中PM10的垂直分布情況發(fā)現(xiàn),民勤的PM10濃度最大,大部分地區(qū)的PM10主要分布在3000m以下,PM10排放源區(qū)的濃度隨高度減小劇烈,而PM10輸送的區(qū)域 PM10隨高度變化很小,1000m以下幾乎是均勻分布的.

4.3 通過(guò)分析PM10的時(shí)空分布狀況,發(fā)現(xiàn)PM10能夠隨著冷空氣的入侵,擴(kuò)散到高空并進(jìn)行遠(yuǎn)距離的輸送,民勤地區(qū)24日19:00排放的沙塵,在26日便可以隨著氣流輸送到北京地區(qū).

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Numerical simulation of a strong dust storm and the spatial-temporal distribution of PM10concentration.

ZHOU Xu1,2, ZHANG Lei1*, GUO Qi1, Yi Na-na1, TIAN Peng-fei1, CHEN Li-jing1
(1.Key Laboratory of Semi-Arid Climate Changes, Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；2.Key Laboratory for Cloud Physics, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 10081, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：1～12

An integrated dust forecasting system, which is based on the WRF/Chem and a dust emission scheme with physical mechanisms, was used to better understand dust emission, dry deposition and the evolution of spatial-temporal distribution of PM10concentration. The dust emission and near-surface PM10concentration in the black dust storm occurred on April 24, 2010 in northwest Chinawere simulated and compared with in situ observations. The black dust stormwas well captured by the integrated dust forecasting system. Mingqinwas found to be the main dust source regionaccording to the dust emission and dry deposition in the black dust storm. The dust emission and dry deposition in Dunhuang were 0.01 and 6.23 mg/m2, while those of Mingqin were 5040.79 and 231.74mg/m2, respectively. The dust emission of Minqin was 5.04t/km2during the black dust storm. According to the vertical distribution of PM10concentration in different regions, we found that PM10were mainly distributed within 1000m above the ground. Dust can also be diffused to the height of 3000m or higher, and then be transported to thousands of kilometers downstream.

strong dust storm；PM10；numerical modeling；spatial-temporal distribution

X513

A

1000-6923(2017)01-0001-12

周 旭(1984-),男,安徽宿州人,蘭州大學(xué)博士研究生,主要從事沙塵模式中起沙參數(shù)化、沙塵氣溶膠數(shù)值模擬研究.

2016-03-28

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB955302)

* 責(zé)任作者, 教授, zhanglei@lzu.edu.cn