2002年3月1922日東亞地區(qū)主要暴風(fēng)雨數(shù)值模擬

2002年3月1922日東亞地區(qū)主要暴風(fēng)雨數(shù)值模擬

1集成理論與氣象條件沙帶是當(dāng)今社會(huì)高度關(guān)注的一個(gè)重要的生態(tài)和環(huán)境問題。近年來,東亞地區(qū)嚴(yán)重沙塵暴的頻發(fā)趨勢,引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注和重視。使東亞沙塵暴研究成為新的研究熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000～2002年僅3、4月我國共發(fā)生較大的沙塵暴過程分別為12次、13次和12次。其中2002年3月18日～22日發(fā)生的沙塵暴是20世紀(jì)90年代以來范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)、影響最嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間最長的沙塵暴過程。西北、華北、東北以及山東、河南、湖北、湖南西北部和四川東部等地先后出現(xiàn)了沙塵天氣,其中,內(nèi)蒙古、甘肅中部、寧夏北部、河北北部、北京、吉林西北部等地出現(xiàn)了強(qiáng)沙塵暴。甘肅鼎新、內(nèi)蒙古烏拉特后旗能見度曾經(jīng)為零米,許多地區(qū)遭受大風(fēng)災(zāi)害,例如:新疆吐魯番地區(qū)遭受7～10級大風(fēng)的襲擊,農(nóng)作物受災(zāi)面積800hm2,直接經(jīng)濟(jì)損失大460多萬元;寧夏大部都受到大風(fēng)襲擊,最大瞬時(shí)風(fēng)力普遍有8～9級,大武口瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)33.3ms-1?；蒉r(nóng)、陶樂等地433hm2農(nóng)田小麥麥種被風(fēng)吹走或沙埋,塑料大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施損失嚴(yán)重,全區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失180萬元。沙塵暴發(fā)生的氣象(大風(fēng))條件、沙塵的起沙與輸送、越境轉(zhuǎn)移和沙塵氣溶膠的氣候效應(yīng)等問題倍受關(guān)注,政府間氣候變化委員會(huì)第三次科學(xué)評估報(bào)告(IPCC2001)也特別提出了礦物(沙塵)氣溶膠對氣候變化重要性。因此,沙塵暴研究越來越吸引科學(xué)家和政治家的注意力。因此,預(yù)報(bào)較大尺度的沙塵暴活動(dòng),研究引發(fā)沙塵暴的氣象背景(大風(fēng))條件以及起沙、輸送規(guī)律成為我們的迫切任務(wù)。概括起來,沙塵暴天氣的發(fā)生主要取決于兩大方面的因素。一是地表豐富的松散干燥的沙塵;二是足夠強(qiáng)勁持久的風(fēng)力。前者多與地表特征和前期降水等條件有關(guān),而后者取決于冷空氣的活動(dòng),它又常常涉及鋒生或氣旋發(fā)生發(fā)展的過程。因此,沙塵暴的物理過程是一個(gè)包含大氣、土壤和陸面相互作用的復(fù)雜過程,涉及到氣象學(xué)、流體力學(xué)、土壤物理學(xué)等多學(xué)科的研究,因此,要預(yù)報(bào)較大尺度的沙塵暴活動(dòng),就必須利用具有風(fēng)蝕物理學(xué)基礎(chǔ)的起沙模式、包含陸面過程的中尺度氣象模式以及輸送模式的有機(jī)耦合模式的集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面既能正確預(yù)報(bào)大氣狀況,另一方面又能正確描述地面條件,如土壤狀態(tài)、地表植被覆蓋以及土壤水分等影響因子。國內(nèi)對沙塵傳輸?shù)哪M也有一些工作,趙琳娜、孫建華等人已經(jīng)逐漸發(fā)展了一個(gè)適合東亞沙塵暴的起沙、輸送過程,且對沙塵暴有較好數(shù)值模擬能力的集成沙塵暴數(shù)值模擬預(yù)測系統(tǒng)。本文就是利用上述具有風(fēng)蝕物理學(xué)基礎(chǔ)的集成沙塵暴數(shù)值預(yù)報(bào)模式(包含天氣模式、陸面過程和起沙、輸送模式的有機(jī)耦合模式)較為細(xì)致地討論了2002年3月19～22日發(fā)生在蒙古國和我國北方地區(qū)嚴(yán)重沙塵暴事件的氣象條件、起沙、輸送過程特點(diǎn)。并將模擬結(jié)果與氣象觀測和衛(wèi)星資料進(jìn)行了對比,預(yù)報(bào)與觀測有較好的一致性。2非參數(shù)化模型本文采用的沙塵天氣模擬系統(tǒng)(圖1)包括:GIS(GeographicInformationSystem)數(shù)據(jù);起沙模式前處理,有限區(qū)域中尺度模式MM5V3(包含有陸面過程)和輸送模式。起沙、輸送模式是澳大利亞新南威爾士大學(xué)邵亞平博士發(fā)展基于風(fēng)蝕物理學(xué)基礎(chǔ)的非參數(shù)化方案,該方案在對澳大利亞沙塵暴天氣的模擬和預(yù)測研究中,獲得了很好的結(jié)果。圖1中虛線框中是天氣模式、起沙模式和輸送模式的耦合,每一時(shí)步三個(gè)模式都進(jìn)行積分。氣象模式為其它模式提供輸入數(shù)據(jù),陸面模式除了計(jì)算大氣和地表的能量、動(dòng)量和質(zhì)量交換外,關(guān)鍵是為起沙模式提供土壤水分;起沙模式從大氣模式中獲得摩擦速度、從陸面模式中獲得土壤水分、從GIS數(shù)據(jù)集中得到地表參數(shù)后,計(jì)算不同粒徑組的水平躍移沙通量Q和垂直沙通量F作為輸送模式的輸入;然后輸送模式根據(jù)大氣狀況計(jì)算大氣中各高度上的沙塵濃度。中尺度模式MM5已被廣泛使用,故簡要介紹。主要介紹沙塵天氣模式系統(tǒng)采用的起沙模式和輸送模式。2.1相關(guān)資料及處理方案本文采用的是具有風(fēng)蝕物理概念的起沙模式,未采用對沙塵源、匯項(xiàng)進(jìn)行參數(shù)化的辦法。如圖1所示,起沙模式中需要的陸面參數(shù)為:土壤類型、土地利用指數(shù)、植被類型、植被高度、葉面指數(shù)和植被覆蓋率。其中土壤類型和植被類型數(shù)據(jù)國外部分是取自美國地質(zhì)勘察(USGS)資料,而國內(nèi)部分取自中國1:400萬中國土壤圖數(shù)據(jù)資料共57種,其它植被資料是由遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來。所有陸面數(shù)據(jù)的分辨率為3′×3′(圖略)。起沙模式前處理過程主要是將GIS提供的陸面參數(shù)插值到中尺度氣象模式水平格點(diǎn)上,并轉(zhuǎn)化為起沙模式需要的地表參數(shù)變量。處理時(shí)要盡可能地減小陸面參數(shù)的信息損失,使模式次網(wǎng)格點(diǎn)中,對兩個(gè)重要的變量摩擦速度u*和臨界摩擦速度u*t的計(jì)算結(jié)果影響減至最小。起沙模式的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)13,該方案包含三個(gè)重要的物理量:1)臨界摩擦速度u*t(ms-1);2)水平沙通量Q(mgm-1s-1);3)垂直塵通量F(mgm-2s-1)。臨界摩擦速度是表征沙塵粒子開始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的最小風(fēng)速。它是與土壤性質(zhì)、地表粗糙度、植被覆蓋和植被高度等因素有關(guān);Q是躍移粒子產(chǎn)生的水平沙通量;F即躍移粒子造成的地面瞬時(shí)起沙量。2.1.1臨界速度的概念模式中是否起沙由摩擦速度(u*)和臨界摩擦速度(u*t)的大小決定,當(dāng)u*大于u*t可以起沙,當(dāng)u*小于u*t則不能起沙。臨界摩擦速度是一個(gè)表示土壤表面基本性質(zhì)的物理量,它能表征土壤表面阻抗風(fēng)蝕的能力,與土壤粒子的粒徑、地表性質(zhì)和土壤含水率等多種因素有關(guān)。臨界摩擦速度的具體表達(dá)式如下:u*t=RΗΜu*t0=RΗΜ√a(σpgd+a2ρd)(1)u?t=RHMu*t0=RHMa(σpgd+a2ρd)????????????√(1)其中,u*t0是單一粒子經(jīng)過裸露、干燥和松散的土壤表面時(shí)的臨界摩擦速度。其中,d為粒徑,g為重力加速度,ρ是空氣密度,σp是粒子與空氣的密度比。系數(shù)a1和a2分別由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合上式得到:a1=0.0123,a2=3×10-4kgs-2。R、H和M分別代表地表粗糙度、土壤水分和土壤緊密度(表達(dá)式略)對u*t0(d)的影響。因?yàn)樵谧匀煌寥罓顟B(tài)下,u*t不僅與粒徑有關(guān),而且還與其他因子有關(guān),如地面粗糙(如巖石、卵石等)影響因子(R)、土壤水分(H)等都會(huì)擴(kuò)大土壤抗風(fēng)蝕的能力。2.1.2土壤顆粒運(yùn)動(dòng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和野外觀測表明,風(fēng)作用下的土壤顆粒依粒徑d不同其運(yùn)動(dòng)方式有:懸浮(d<70μm)、躍移(70<d<1000μm)和蠕移(d>1000μm)3種。在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的3種基本形式中,土壤顆粒運(yùn)動(dòng)以躍移運(yùn)動(dòng)為最重要,躍移運(yùn)動(dòng)又與其它兩種運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)。某一粒徑的土壤粒子其水平躍移沙通量為:Qi(d)={(cρu*3/g)[1-u*t(d)/u*][1+(u*t(d)/u*)2]?當(dāng)u*≥u*t(2)0?當(dāng)u*＜u*t其中,c=2.6,為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。對于特別大和特別小的粒子,Qi(d)為0,因?yàn)槠渑R界摩擦速度較大。進(jìn)一步考慮地表的非風(fēng)蝕性因子后的水平沙通量為Qm=Qi×Es×Ev。2.1.3粒子躍移碰撞形成的起沙機(jī)制考慮到空氣中沙粒運(yùn)動(dòng)的性質(zhì),起沙模式中考慮了三種起沙機(jī)制,它們是:(1)Fa:由于空氣的動(dòng)力作用粒子直接脫離地面而懸浮在空中產(chǎn)生的起沙率。理論上,沙塵粒子可以被空氣動(dòng)力直接抬離地面,對于較小粒子重力和空氣動(dòng)力的重要性相對減小,而粒子間作用力變得相對重要,沙塵粒子不易被風(fēng)吹離地面,因此直接由空氣動(dòng)力造成的起沙率一般很小。(2)Fb:由于粒子的躍移碰撞產(chǎn)生的起沙率。當(dāng)躍移粒子(沙?；驂m聚合體)撞擊地面時(shí),該撞擊引起的局地沖力足以使地面土壤粒子克服粒子間的束縛,被躍移粒子沖擊起沙。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明,這種機(jī)制引起的起沙率大大超過由空氣直接夾帶產(chǎn)生的起沙率。(3)Fc:粒子的破裂和聚集體破碎產(chǎn)生的起沙率。在自然條件下,沙土中塵粒是以附著在沙粒表面或是以較高粘性聚集體的方式存在。弱風(fēng)蝕時(shí),包裹著塵土的沙粒和塵土聚集體的行為方式類似單個(gè)沙粒,細(xì)小的塵粒不會(huì)釋放出來;然而強(qiáng)風(fēng)蝕發(fā)生時(shí)沙粒表面的塵土和塵土聚集體就會(huì)破碎,釋放出塵粒。Fc就是表示由粒子的破裂和聚集體的破碎產(chǎn)生的起沙率。3種起沙機(jī)制的總起沙率為F=Fa+Fb+Fc。由于3種形式的起沙機(jī)制不同,因而,在起沙模式中對它們分別進(jìn)行處理。得出垂直塵通量F,就可知該次沙塵暴天氣的起沙源地、強(qiáng)度的空間分布、時(shí)間演變等。在起沙模式中,沙塵按粒徑分為6組:d≤2μm(黏土),2<d≤11μm(細(xì)粉土),11<d≤22μm(中粉土),22<d≤52μm(大粉土),52<d≤90μm(細(xì)沙),90<d≤125μm(中沙)。采取這種分組是根據(jù)大氣中觀測到的塵粒的粒徑分布,起沙模式對每個(gè)粒徑組都計(jì)算起沙率。2.2生長過程在起沙模式中沙塵分為六組,因而在輸送模式中對沙塵濃度的計(jì)算也分為六組,總的沙塵濃度Ctotal等于各粒徑組的沙塵濃度ci之和,即Ctotal=ΝΣi=1Ci。濃度的預(yù)報(bào)方程為(3),上、下邊界條件分別為方程(4)和(5)。?psci?t+?psuci?x+?psvci?y+?ci?σ(ps˙σ+gρwti)=ps??xΚphρ?ci/ρ?x+ps??yΚphρ?ci/ρ?y+g2ps??σΚpzρ3?ci/ρ?y(3)地表處ci(ps˙σ+gρwti)-g2psΚpzρ3?ci/ρ?ρ=gρ(Fi+Fdi)(4)大氣頂部?ci/ρ?ρ=0(5)Kph和Kpz分別是水平和垂直方向的擴(kuò)散系數(shù),擴(kuò)散系數(shù)是粒徑的函數(shù)。wti和Fi是各粒徑組的沉降速度和垂直塵通量;u、v、˙σ是風(fēng)速;σ=p/ps,p是大氣壓力,ps是地面氣壓;g是重力加速度;ρ是空氣密度。在下邊界條件中考慮沙塵粒子的干沉降過程。本文中的沙塵輸送模式包括水平平流、垂直平流、垂直擴(kuò)散以及干沉降過程Fdi。濕沉降過程也是非常重要的,目前模式中還沒有包括濕沉降過程,另外,目前的模式系統(tǒng)中不考慮化學(xué)過程,也沒有考慮沙塵濃度對天氣模式的影響。2.3陸面過程模式對于沙塵暴的模擬,中尺度氣象背景場的描寫是非常重要的。模擬系統(tǒng)采用的中尺度氣象模式是由美國賓州大學(xué)和美國國家大氣研究中心(PSU/NCAR)發(fā)展的有限區(qū)域中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)MM5V3。MM5已被廣泛用于各種研究,它較成功地模擬了北太平洋和北大西洋上的爆發(fā)氣旋、高原渦旋、西南渦及其引發(fā)的暴雨,強(qiáng)風(fēng)暴和中尺度對流輻合體等。該模式的主要特點(diǎn)為:1)非靜力平衡的動(dòng)力框架;2)具有云物理和行星邊界層等多種物理過程;3)具有多重嵌套能力;4)有四維資料同化的能力。MM5采用OSU/Eta陸面過程模式,它可預(yù)報(bào)10、30、60、100cm等4層上的土壤溫度和濕度,以及植被冠層水分和雪水當(dāng)量,另外還有地下和地表徑流的累計(jì)值。該模式在處理土壤水分蒸發(fā)、蒸騰損失總量時(shí)使用了植被和土壤類型數(shù)據(jù),同時(shí)也考慮了土壤的傳導(dǎo)率和重力作用對水分通量的影響。3模擬區(qū)域的確定采用沙塵暴起沙模式、輸送模式和天氣模式的耦合模式系統(tǒng)對2002年3月19～21日發(fā)生在蒙古國、我國北方地區(qū)的嚴(yán)重沙塵暴進(jìn)行模擬試驗(yàn)。模擬中模式格距為45km,模式的中心點(diǎn)為(40oN,115oE),模擬的區(qū)域大致為(25～60oN,80～140oE),我們的分析主要范圍包括外蒙和內(nèi)蒙的中部、東部以及華北和東北地區(qū)。氣象模式的背景場采用1o×1oNCEP格點(diǎn)資料,模擬時(shí)間為2002年3月19日08時(shí)～22日08時(shí)(北京時(shí)),邊界層方案采用MRF方案、陸面過程采用OSU方案。模擬結(jié)果每隔1h輸出一次結(jié)果,為方便敘述,時(shí)間均采用北京時(shí)。3.1大地地區(qū)大風(fēng)過程該次過程影響我國北方大部分地區(qū),是2002年影響范圍最大的一次過程。此次過程對流層中層(500hPa)可以清楚地看到18日08時(shí)(圖略)一個(gè)較深的低槽從中亞于22日08時(shí)東移到中國的東部沿海地區(qū)。低槽東移較快,19日08時(shí)位于新疆東部(95oE),20日08時(shí)到達(dá)蒙古國東部(110oE),1天東移了近2000km,此后,21～22日東移速度較慢,22日08時(shí)低槽位于東亞沿岸地區(qū)。對應(yīng)低層有一氣旋于19日08時(shí)在蒙古中部生成,揚(yáng)沙和沙塵暴天氣出現(xiàn)在蒙古中部,氣旋生成于槽前。此后,氣旋隨著高空槽的迅速東移而發(fā)展東移。20日08時(shí)氣旋中心位于蒙古東部和內(nèi)蒙古的東北部,氣旋后部(地面冷鋒后)的大風(fēng)區(qū)有大范圍的沙塵區(qū),中蒙邊界有沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴天氣,20日是此次過程中沙塵天氣影響我國范圍最大的一天(圖6)。21日氣旋中心位于內(nèi)蒙北部,22日移出我國東北,21～22日沙塵天氣主要影響我國東北。圖2給出了模式模擬的20日14時(shí)引發(fā)該次大范圍嚴(yán)重沙塵暴地面大風(fēng)的氣象環(huán)境場。此時(shí)500hPa低渦位于蒙古國東方省和我國呼倫貝爾盟交界處。鋒區(qū)位于內(nèi)蒙古中部到四川附近(圖2a),等高線和等溫線的交角很大,說明該冷鋒的斜壓性很強(qiáng),鋒區(qū)冷暖平流的配置有利于冷鋒的加強(qiáng)。850hPa圖上我國北方大部地區(qū)處于冷鋒及其后部強(qiáng)烈的西北大風(fēng)控制下,冷鋒前西南暖空氣向東北方向爬升(圖2b);由于高空冷空氣的不斷補(bǔ)充和有利的冷暖平流配置,地面氣旋在此時(shí)達(dá)最強(qiáng),中心位于蒙古國喬巴山附近,中心氣壓小于987hPa(圖2d);我國北方地面均有大風(fēng)出現(xiàn),地面比濕的分布表明我國北方處在干冷空氣的控制下(圖2c)。從以上分析可以看出,該氣旋是在有利的大尺度環(huán)境下,高空強(qiáng)冷平流和斜壓性促使地面氣旋強(qiáng)烈發(fā)展,造成地面大風(fēng)的。3.2理論結(jié)果對比用整層的沙塵濃度與衛(wèi)星監(jiān)測圖象做對比,以此來確認(rèn)模擬結(jié)果的合理性。衛(wèi)星是目前監(jiān)測較大范圍沙塵天氣的強(qiáng)有利工具。除了對云下沙塵區(qū)域不能分辨外,監(jiān)測的沙塵區(qū)域是基本真實(shí)可信的。另外需要說明的是,衛(wèi)星云圖判識沙塵云時(shí)所取閾值含有經(jīng)驗(yàn)性,這是我們在使用衛(wèi)星云圖時(shí)需要注意之處。圖3是模擬的2002年3月20日08時(shí)整層各粒徑沙塵濃度之和與對應(yīng)時(shí)刻的衛(wèi)星云圖。對比圖3(a)(b)可知,模擬顯示出的沙塵濃度區(qū)域與衛(wèi)星云圖沙塵云區(qū)域非常接近,有兩個(gè)主要的沙塵高濃度區(qū):一個(gè)是內(nèi)蒙古中部、東部地區(qū)沙塵濃度都很高,最高的沙塵濃度中心位于內(nèi)蒙古的錫林郭勒盟的渾善達(dá)克沙地,達(dá)250mgm-2。另外,模擬的整層沙塵濃度與衛(wèi)星監(jiān)測沙塵云的走向也是一致的東北西南向。另一個(gè)是位于河北和山西境內(nèi)的沙塵高濃度帶。由于云層遮擋,無法在衛(wèi)星監(jiān)測云圖上直接看到,但是可以從20日的地面觀測(圖6b)顯示08時(shí)河北和山西已經(jīng)出現(xiàn)沙塵和沙塵暴天氣,說明模擬結(jié)果與實(shí)際觀測的一致性。在此基礎(chǔ)上,下面對起沙和輸送結(jié)果作一分析。3.3砂分析3.3.1區(qū)域及起沙情況通過3.2節(jié)的分析,模式對該次過程起沙率的模擬是比較合理、可信的。3月19～22日的過程中起沙區(qū)域主要是蒙古國的巴彥洪戈?duì)柺∧喜?、南戈壁、東戈壁省,我國內(nèi)蒙古阿拉善盟地區(qū)、錫林郭勒盟地區(qū)、甘肅北部和青海北部,起塵量最大的中心在內(nèi)蒙古阿拉善盟地區(qū)的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠,平均達(dá)15mgm-2s-1。區(qū)域起沙量最大的是2002年3月21日08～20時(shí)內(nèi)蒙古西部的沙塵暴過程,總的起沙量達(dá)7.8mgm-2s-1,其中2～11μm的粒子為6.8mgm-2s-1,占該時(shí)刻總起沙量的87%。河北省北部、山西省北部雖然起沙的次數(shù)較多,但垂直塵通量較小(圖略)。圖4是20日的起沙分布圖。從圖4可以看出,起沙過程有明顯的日變化:白天大夜晚小,正午前后出現(xiàn)最大值,這與邊界層的湍流運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的。利用模式3小時(shí)一次輸出的地面垂直沙通量,將整個(gè)積分時(shí)段內(nèi)垂直沙通量大于0.5mgm-2s-1的格點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)后,得到這次沙塵暴過程地面起沙頻次綜合圖(圖略)。其中高頻區(qū)為蒙古國的南戈壁省東部和東戈壁省;內(nèi)蒙古西部到河西走廊一帶(巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和烏蘭布和沙漠);青海西北部;渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地和河北省東北部。所以說,主要的沙源位于沙漠和沙地以及農(nóng)、牧、草過渡帶。3.3.2額濟(jì)納旗和朱日和的起沙率及其對生長的影響由于不同地區(qū)土壤類型和植被狀況不同,每次過程的起沙區(qū)域和強(qiáng)度都有所不同,各粒徑大小的土壤顆粒在這些過程的起沙量中貢獻(xiàn)也不同。在不同區(qū)域取代表站分析各粒徑粒子的起沙量。選取3月19日08時(shí)～22日08時(shí)過程內(nèi)蒙古西部和東部代表站額濟(jì)納旗(42oN,101oE)和朱日和(42oN,112oE),分析和比較兩站的起沙率、土壤水分、摩擦速度、臨界摩擦速度以及地面風(fēng)速(圖5)。比較圖5a和圖5b,顯然額濟(jì)納旗的起沙率大于朱日和的起沙率,而且是西部先出現(xiàn)起沙的。說明天氣系統(tǒng)的移動(dòng)對起沙率的影響時(shí)間不同,但起沙率為什么不同?首先分析兩者的臨界摩擦速度(圖5g和圖5h),臨界摩擦速度是反映地表植被狀況、土壤性質(zhì)等阻礙土壤粒子起動(dòng)的綜合因素,而從圖5g和圖5h得知額濟(jì)納旗的臨界摩擦速度小于朱日和的臨界摩擦速度,說明額濟(jì)納旗比朱日和容易起沙;另外,其它兩個(gè)因素:額濟(jì)納旗土壤水分比朱日和的土壤水分小;地面風(fēng)速比朱日和的大,這些條件都是有利于額濟(jì)納旗起沙的,兩個(gè)地區(qū)起沙率的不同也就不足為奇了。另外一個(gè)共同特點(diǎn)是:起沙量表現(xiàn)出明顯的日變化,白天大,晚上小,最大值出現(xiàn)在正午前后;起沙中貢獻(xiàn)最大是2～11μm的粒子(細(xì)粉土),其次是11～22μm的粒子(中粉土),粒徑大于22μm的塵土顆粒則沒有貢獻(xiàn)。圖5還反映出在同一次沙塵天氣過程中,除了不同地區(qū)的地表覆蓋類型、土壤類型、土壤濕度的不同外,影響該地區(qū)的天氣系統(tǒng)不同(風(fēng)力等),起沙量也不同。3.4沙區(qū)地面氣象觀測目前尚沒有常規(guī)的沙塵濃度觀測資料,只有一些點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù),很難與模擬大范圍的沙塵濃度作對比,因此,我們將該次過程模擬的地面沙塵濃度與3h地面天氣現(xiàn)象對比。模擬的沙塵天氣區(qū)域3月19日在內(nèi)蒙古、甘肅西部和青海北部地區(qū)(圖略),華北的沙塵濃度在1mgm-3以下。20日影響華北大部分地區(qū)(圖6);21日影響華北北部、東北南部地區(qū)(圖略)。從這次過程的72h模擬看,模擬出了沙塵天氣的東移及濃度變化過程,沙塵區(qū)域的東邊界與實(shí)況較為一致,地面觀測顯示,19日在中國東北地區(qū)無沙塵天氣,21日沙塵天氣在東北東部也較弱,這與模擬結(jié)果是一致的。而朝鮮半島在19、21日地面氣象觀測有沙塵天氣(主要是浮塵),這是由于他們的觀測標(biāo)準(zhǔn)與中國不一致造成。能夠起沙的區(qū)域是低層風(fēng)速比較大的地區(qū),而起沙后沙粒的水平輸送主要是對流層低層的大風(fēng)造成的(見圖3和圖4);從19日08時(shí)～22日08時(shí)主要的沙塵區(qū)是隨著天氣系統(tǒng)的移動(dòng)而自西偏北向東偏南移動(dòng)的。沙塵的垂直輸送主要是靠氣流一定的上升運(yùn)動(dòng)來決定。圖7是沿40oN的沙塵濃度和垂直速度的垂直剖面,分析表明,氣旋后部的大風(fēng)區(qū)一般不存在大范圍深厚的上升運(yùn)動(dòng),上升運(yùn)動(dòng)一般在800hP