一次強(qiáng)浮塵天氣過程中粉塵輻射效應(yīng)的數(shù)值模擬

1對天氣系統(tǒng)的影響中國西北部是新疆新疆南部盆地等砂和沉積物天氣多發(fā)區(qū)（周子江，2001）。南疆盆地的和田在1951～1980年期間沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵的年平均日數(shù)分別為32.9、53.0和202.4天;南疆盆地浮塵持續(xù)時(shí)間一般為2～5天,嚴(yán)重時(shí)達(dá)15天以上(李江風(fēng),1991)。在這些沙塵多發(fā)區(qū),沙塵天氣的高發(fā)生頻率和長持續(xù)時(shí)間使得沙塵氣溶膠通過其輻射效應(yīng)在一定程度上影響該地區(qū)的天氣系統(tǒng)及沙塵輸送量。這是因?yàn)樯硥m氣溶膠一方面可以通過輻射效應(yīng)影響大氣(沙塵本身具有散射和吸收的直接輻射效應(yīng),此外還可作為云凝結(jié)核或冰核而影響云的生成和發(fā)展,間接影響輻射);另一方面,沙塵輻射效應(yīng)通過對大氣的熱力強(qiáng)迫、改變大氣的流場結(jié)構(gòu)從而影響沙塵的輸送。由此可見,如果在數(shù)值天氣模式或沙塵模式中忽略沙塵多發(fā)區(qū)的沙塵輻射效應(yīng),將無法闡明沙塵氣溶膠的輻射效應(yīng)與氣象場的相互作用機(jī)制,無疑會影響天氣與沙塵預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。國內(nèi)外關(guān)于沙塵氣溶膠直接輻射效應(yīng)對天氣系統(tǒng)的影響已經(jīng)有不少研究。在觀測和分析方面,徐國昌等(1979)和吳國雄(1987)通過分析1977年4月22日沙暴,提出和驗(yàn)證了沙塵輻射對黑風(fēng)的正反饋機(jī)制;胡隱樵等(1997)討論1993年5月5日黑風(fēng)暴時(shí),指出該過程的干颮線發(fā)展與沙塵輻射引起的正反饋機(jī)制有關(guān);Dunionetal.(2004)通過GOES衛(wèi)星對撒哈拉沙塵層和大西洋颶風(fēng)的連續(xù)跟蹤分析、不同區(qū)域的下投式探空儀的氣象要素分析、大西洋颶風(fēng)數(shù)目少于太平洋等,指出撒哈拉沙塵層影響大西洋颶風(fēng)的發(fā)展,同時(shí)指出沙塵輻射效應(yīng)引起的溫度變化是影響颶風(fēng)強(qiáng)度的負(fù)反饋機(jī)制之一。此外,在數(shù)值模擬方面,Carlsonetal.(1980)、尹宏等(1989)和段建軍等(2000)通過一維輻射傳輸模式結(jié)合沙塵的消光系數(shù)廓線較好地說明了沙塵輻射效應(yīng)對于天氣的重要性。Chenetal.(1997)通過考慮沙塵短波輻射的二維模式進(jìn)行了數(shù)值模擬,表明沙塵輻射加熱導(dǎo)致低層鋒生,并指出沙塵輻射效應(yīng)會明顯影響沙塵暴多發(fā)區(qū)的中尺度天氣系統(tǒng)。申紹華和陳受鈞(1993)利用考慮沙塵長、短波輻射的二維和三維模式進(jìn)行模擬也得到了類似的結(jié)果。Mohalfietal.(1998)借助天氣模式和根據(jù)水平能見度的觀測值對沙塵的短波輻射效應(yīng)進(jìn)行參數(shù)化,研究了一次維持6天的浮塵天氣過程中沙塵輻射效應(yīng)對低壓系統(tǒng)的影響,模擬結(jié)果表明沙塵輻射效應(yīng)的加熱作用加強(qiáng)了沙特半島的熱低壓,考慮沙塵輻射效應(yīng)能更好地模擬對流層中層大氣的日變化特征等。上述模式由于沒有與沙塵模式相耦合,不能對沙塵濃度進(jìn)行預(yù)報(bào),所以在一定程度限制了它們對沙塵輻射效應(yīng)影響天氣和沙塵輸送的模擬。近年來,隨著沙塵模式定量化的發(fā)展,運(yùn)用沙塵模式計(jì)算沙塵濃度和輻射傳輸模式來同步計(jì)算沙塵的輻射效應(yīng)并反饋到天氣模式已經(jīng)成為可能,為認(rèn)識沙塵輻射對天氣及沙塵輸送的影響提供了較好的工具。例如,Zhangetal.(2003)和Pe′rezetal.(2006)分別利用各自的中尺度沙塵模式,考慮沙塵輻射效應(yīng)后建立了天氣-沙塵雙向模式,模擬結(jié)果表明,這種雙向模式在一定程度上改進(jìn)了天氣和沙塵數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)的效果。然而,這些模式或輻射效應(yīng)參數(shù)化過于簡單,或起沙方案相對簡單,或未充分考慮沙塵氣溶膠特性的地區(qū)差異等,致使這些模式很難反映不同地區(qū)沙塵氣溶膠的輻射效應(yīng)。此外,利用這種天氣-沙塵雙向模式對我國沙塵暴-強(qiáng)浮塵天氣下沙塵輻射效應(yīng)的研究還很少。本文首先通過天氣-沙塵模式、輻射傳輸模式和沙塵輻射參數(shù)化方法構(gòu)建一個(gè)針對西北地區(qū)沙塵輻射特性的研究平臺。然后利用該平臺,對2006年一次典型的冷鋒系統(tǒng)東侵南疆盆地引起沙塵暴-強(qiáng)浮塵天氣進(jìn)行數(shù)值模擬,分析沙塵輻射效應(yīng)對天氣及沙塵輸送的影響。由于此次南疆盆地沙塵個(gè)例具有范圍大、局地持續(xù)時(shí)間長、浮塵強(qiáng)的特點(diǎn),因此有利于突出研究沙塵輻射的反饋效應(yīng)。本文主要分為模式介紹、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、個(gè)例概述和模擬結(jié)果分析四部分。2在天氣與沙區(qū)的雙向模式本文使用GRAPES_2W_SDM(Two-wayWeatherSand&Dustmodel)天氣-沙塵雙向模式,由GRAPES_DAM(DustAerosolModel)沙塵氣溶膠模式、Goddard短波輻射傳輸模式和沙塵氣溶膠參數(shù)化方案三部分構(gòu)成。Goddard短波輻射傳輸模式可以考慮氣溶膠的短波輻射效應(yīng);沙塵氣溶膠參數(shù)化方案包括東亞地區(qū)復(fù)折射指數(shù)、Mie散射及沙塵氣溶膠參數(shù)化公式。該雙向模式框架如圖1,天氣和沙塵模式之間加入了沙塵輻射效應(yīng)模塊(圖1中灰色方框),使沙塵模式通過沙塵輻射實(shí)時(shí)影響氣象模式(即沙塵模式提供沙塵分布給輻射模塊,輻射模塊計(jì)算出因沙塵而引起的輻射變化、加熱率,反饋到氣象模式),從而構(gòu)成了天氣與沙塵相互影響的雙向模式。下面對GRAPES_2W_SDM模式的各組成部分進(jìn)行介紹。2.1模式與模型及網(wǎng)格尺度沙塵模式是中尺度沙塵氣溶膠模式GRAPES_DAM。GRAPES_DAM模式由中國氣象局GRAPES_MESO中尺度天氣模式①與中國氣象局大氣成分中心的氣溶膠模式(Gongetal.,2003a,2003b)組成。GRAPES天氣模式為氣溶膠模塊同步提供氣象場。GRAPES_DAM模式考慮了沙塵的產(chǎn)生、輸送、凝并、干沉降與濕沉降等詳細(xì)的物理過程。該模式采用非靜力的中尺度天氣模式,選用物理基礎(chǔ)較完備的起沙模塊,充分利用了中國區(qū)域的各種地表資料。該模式的總體框架見圖1(灰色方框除外)。GRAPES_DAM模式為分檔模式,沙塵氣溶膠按其粒徑大小0.01～41μm分為12檔。起沙機(jī)制、凝并、沉降等過程的詳細(xì)參數(shù)化方案以及沙漠分布、土壤質(zhì)地、土地覆蓋、沙塵粒子譜分布等地表信息參閱文獻(xiàn)(Gongetal.,2003a,2003b)。模式中沙塵輸送包括網(wǎng)格尺度的輸送過程與次網(wǎng)格湍流擴(kuò)散過程。網(wǎng)格尺度的輸送過程由天氣模式GRAPES通過準(zhǔn)單調(diào)的半拉格朗日方案QMSL(Staniforthetal.,1991)來計(jì)算;次網(wǎng)格垂直湍流擴(kuò)散,則由下述方程求得:?Ci?t=?2?z2KhCi,(1)?Ci?t=?2?z2ΚhCi,(1)其中,Kh為湍流擴(kuò)散系數(shù),Ci為第i檔的沙塵濃度。2.2理論模型和計(jì)算方法GRAPES_2W_SDM天氣-沙塵雙向模式選用Goddard短波輻射方案。Goddard短波輻射方案由NASA/GSFC(GoddardSpaceFlightCenter)研制(Chouetal.,1999),是一個(gè)針對大氣、云和氣溶膠三者短波輻射效應(yīng)的復(fù)雜譜方案,目前已應(yīng)用于Goddard大氣實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的各種大氣模式和WRF中尺度模式。該方案考慮了水汽、臭氧、二氧化碳、氧氣、云和氣溶膠的吸收作用,以及云、氣溶膠和各種氣體的散射作用。通量計(jì)算采用δ-Eddington近似與累加法(Lacisetal.,1974)。該輻射模式將太陽紫外到近紅外光譜從0.175～10μm之間劃分為11個(gè)波段。該輻射方案將氣溶膠的輻射特性作為空間、時(shí)間和波段的函數(shù)實(shí)時(shí)輸入模式,從而得出氣溶膠在短波波段的多次散射、吸收作用大小。根據(jù)輻射方案來計(jì)算沙塵氣溶膠的輻射加熱率,需要知道各檔沙塵粒子的光學(xué)特性及時(shí)空分布。對于沙塵粒子的光學(xué)特性來說,沙塵氣溶膠的復(fù)折射指數(shù)是一個(gè)重要影響因子,對輻射強(qiáng)迫估算的影響非常大,而且復(fù)折射指數(shù)隨著氣溶膠源區(qū)、地理位置和粒子組成成分的不同也存在很大差異(王宏等,2004)。因此,在計(jì)算沙塵輻射效應(yīng)時(shí)復(fù)折射指數(shù)的選擇也非常關(guān)鍵。本文結(jié)合模擬個(gè)例,使用ADEC復(fù)折射指數(shù)模型(王宏等,2004)來減少計(jì)算誤差,其中,該復(fù)折射指數(shù)模型通過對塔克拉瑪干沙漠采集的氣溶膠樣本分析得出。沙塵的時(shí)空分布通過沙塵模式直接計(jì)算得到。具體參數(shù)化過程:第一步,根據(jù)Goddard短波輻射方案波段的劃分,結(jié)合ADEC復(fù)折射指數(shù)模型(王宏等,2004)提供的波長和折射指數(shù),得出用于計(jì)算輻射效應(yīng)的復(fù)折射指數(shù)(見表1)。第二步,假定沙塵粒子為球形,先由Mie散射理論(Wiscombe,1980)計(jì)算出每一檔沙塵氣溶膠粒子在太陽短波波譜的質(zhì)量消光效率、單次反照率和不對稱因子等輻射特性(其中計(jì)算每檔粒子的質(zhì)量消光效率時(shí),使用每檔粒子的中值半徑作為有效半徑),并結(jié)合模式輸出的質(zhì)量濃度進(jìn)一步計(jì)算光學(xué)厚度;然后,將格點(diǎn)上各檔粒子的光學(xué)厚度相加得到格點(diǎn)上的有效光學(xué)厚度,接著分別對各檔粒子加權(quán)平均計(jì)算出格點(diǎn)上的單次散射反照率和不對稱因子。計(jì)算公式詳見王宏等(2004)的研究。這種方法根據(jù)實(shí)時(shí)的氣溶膠濃度數(shù)據(jù)來計(jì)算氣溶膠的光學(xué)特性,所以在理論上更合理,更接近實(shí)際情況,當(dāng)然很大程度上依賴于沙塵模式對沙塵氣溶膠時(shí)空分布的模擬能力(王宏等,2004)。3模擬方法及材料本文所用天氣模式的動(dòng)力框架采用非靜力平衡模式GRAPES-v2.5。模式水平分辨率為0.25°×0.25°,格點(diǎn)數(shù)為240×160,選取模擬區(qū)域(20°N～60°N,55°E～115°E),模擬區(qū)域的中心為(40°N,85°E),垂直層數(shù)為31層,模式頂為35km,時(shí)間步長為300s,積分72h。物理過程的設(shè)置:積云對流參數(shù)化過程采用Kain-Fritsch方案,云微物理過程采用劉奇俊簡冰顯式降水方案(劉奇俊,2003),短波輻射過程采用Goddard方案,長波輻射過程采用RRTM方案,近地面層物理過程選用Monin-Obukhov方案,邊界層物理過程采用MRF方案。輻射方案每1800s計(jì)算一次。土壤濕度場采用初始時(shí)刻N(yùn)CEP/NCAR1°×1°地表以下10cm土壤濕度分析場,在積分過程中土壤濕度保持不變。此外,沙塵濃度場初始為零。文中采用美國NCEP/NCAR分析場資料作為模式的初始場和側(cè)邊界條件。NCEP/NCAR資料是美國NCEP發(fā)布的全球標(biāo)準(zhǔn)等壓面數(shù)據(jù)。該資料的水平分辨率為1°×1°,垂直分為26層,最低層為1000hPa,最高層為10hPa。模擬過程以2006年3月11日20時(shí)為初始場,每3小時(shí)輸出一次預(yù)報(bào)結(jié)果,每6小時(shí)輸入一次新的側(cè)邊界值。設(shè)計(jì)兩個(gè)試驗(yàn):控制試驗(yàn)(CTL:Controlexperiment)和沙塵短波輻射反饋試驗(yàn)(RAD:Radiationfeedbackexperiment)。兩個(gè)試驗(yàn)所用資料、沙塵粒徑分檔、模式的動(dòng)力框架和物理過程等完全相同,不同之處在于:CTL不考慮沙塵的短波輻射反饋,沙塵氣溶膠各輻射參數(shù)均為0;而RAD考慮沙塵的短波輻射反饋。其中,RAD反饋的輻射影響每1800s計(jì)算一次實(shí)時(shí)輸入天氣模式,沙塵濃度場隨著氣象場的改變而改變,沙塵氣溶膠參數(shù)化方法見上一節(jié)。4盆地內(nèi)大風(fēng)天氣2006年3月11～16日,南疆盆地出現(xiàn)一次大范圍的沙塵暴-強(qiáng)浮塵天氣。泰梅爾半島冷空氣以超極地路徑(中路)侵襲我國,冷空氣由東面灌入盆地;同時(shí)南疆盆地前期增暖,熱低壓加深,進(jìn)一步加強(qiáng)了冷暖區(qū)之間的氣壓梯度,因而引發(fā)盆地的偏東大風(fēng)和沙塵暴天氣。此外,由于盆地三面環(huán)山的特殊地理位置,在發(fā)生大風(fēng)沙塵暴之后連續(xù)的幾天時(shí)間,整個(gè)盆地一直維持著能見度較低的強(qiáng)浮塵天氣。此次過程的特點(diǎn)是:由冷空氣東灌引發(fā),沙塵影響面積大,持續(xù)時(shí)間長,前期為大風(fēng)沙塵暴天氣(鋒后沙塵暴),后期為弱風(fēng)強(qiáng)浮塵天氣。4.1日至日月內(nèi)大風(fēng)過程根據(jù)沙塵范圍及強(qiáng)度將整個(gè)過程分成四個(gè)階段。第一階段11日20時(shí)～12日17時(shí)(北京時(shí),下同),隨著冷空氣向盆地的東侵(冷鋒的推進(jìn),如圖2),南疆盆地自東向西先后出現(xiàn)沙塵暴及沙塵天氣,盆地東端的鐵干里克首先于11日20時(shí)出現(xiàn)沙塵暴,12日11時(shí)沙塵一直擴(kuò)展到盆地西北端的喀什,至12日17時(shí)盆地西南端的和田也出現(xiàn)能見度為0.6km的浮塵天氣,至此,整個(gè)盆地各站均為浮塵或沙塵暴天氣。第二階段12日17時(shí)～13日14時(shí),整個(gè)盆地為強(qiáng)浮塵天氣,大部分站能見度維持在1km以下。第三階段13日14時(shí)～14日20時(shí),盆地北部能見度上升到1km以上,而西南部到14日08時(shí)能見度仍在1km以下,之后雖有升高,但仍比北部低。第四階段,即14日20時(shí)以后,沙塵逐漸消散,能見度也隨之轉(zhuǎn)好。大風(fēng)與沙塵暴同時(shí)侵入南疆盆地,其中11日23時(shí)、12日02、08、14時(shí)盆地北部的大部分站及盆地中部的塔中站均有較大的瞬時(shí)大風(fēng)(20m/s左右)。12日23時(shí)之后盆地內(nèi)無大風(fēng)。4.2高壓向南移動(dòng)—影響系統(tǒng)此次過程主要影響系統(tǒng)是由南疆盆地東部移入的冷鋒系統(tǒng)。10日20時(shí)蒙古高壓位于貝加爾湖東北部,中心氣壓值為1058hPa,南疆盆地有一熱低壓;11日20時(shí)蒙古高壓向南移動(dòng)到東、西薩彥嶺之間,中心氣壓值加強(qiáng)為1070hPa,同時(shí)南疆盆地的熱低壓也發(fā)展加深,高壓與南疆盆地之間等壓線更加密集,此時(shí),冷鋒到達(dá)庫爾勒-鐵干里克一線(如圖2),冷空氣灌入南疆盆地,冷鋒以每小時(shí)70km左右的速度向西推進(jìn),至12日11時(shí)已經(jīng)到達(dá)盆地西南緣;12日20時(shí)蒙古高壓仍然維持在東、西薩彥嶺之間,但中心氣壓值強(qiáng)度有所降低,南疆盆地已被冷氣團(tuán)完全控制;13日20時(shí)到14日20時(shí),蒙古高壓中心氣壓值繼續(xù)降低,南疆盆地繼續(xù)被冷氣團(tuán)控制。5ctl與rad試驗(yàn)這部分主要通過比較控制試驗(yàn)(CTL)和沙塵短波輻射反饋試驗(yàn)(RAD)來分析沙塵輻射對天氣及沙塵輸送的影響。積分前12h為晚上,無短波輻射,所以CTL與RAD試驗(yàn)在前12h的模擬無明顯差別;積分12～24h有短波輻射,CTL與RAD試驗(yàn)開始出現(xiàn)差異,輻射效應(yīng)開始累積,但是不大;積分24～36h無短波輻射,差異也不大。而到了積分36～72h,沙塵輻射反饋效應(yīng)開始逐步顯現(xiàn),沙塵范圍內(nèi)兩個(gè)試驗(yàn)的差異變大。據(jù)此,主要分兩個(gè)階段分析:前期(積分0～36h)和后期(積分36～72h)。5.1模式模擬結(jié)果CTL試驗(yàn)的模擬是否理想對于沙塵輸送及整個(gè)反饋過程的模擬很重要,特別是CTL對前期大風(fēng)和沙塵的模擬。圖3a、b分別為模式積分9h、12h模擬的地面10m風(fēng)與相應(yīng)時(shí)刻地面觀測值比較,圖中數(shù)字8表示地面觀測10m風(fēng)速(10min平均)大于8m/s的站點(diǎn),陰影為模式模擬的瞬時(shí)風(fēng)速大于8m/s的區(qū)域。由圖3可以發(fā)現(xiàn),模式模擬的大風(fēng)區(qū)域與相應(yīng)時(shí)刻觀測的地面大風(fēng)區(qū)域比較一致,特別是能夠模擬出盆地西南緣的無大風(fēng)區(qū)和西北部的大風(fēng)區(qū)域,而且很好地再現(xiàn)了大風(fēng)區(qū)自東向西的推進(jìn)過程。模式早期對地面大風(fēng)模擬的理想效果有利于整個(gè)過程中起沙及輸送的模擬。常規(guī)地面氣象要素觀測在一定程度上能反映沙塵天氣的空間分布和時(shí)間演變。圖4的陰影區(qū)為模擬的地面沙塵濃度,數(shù)字為相應(yīng)時(shí)刻地面觀測天氣現(xiàn)象(數(shù)字越大,沙塵越強(qiáng))。圖4表明,在過程前期,模擬的沙塵范圍和強(qiáng)度與相應(yīng)時(shí)刻地面觀測結(jié)果比較一致,而且模擬的沙塵范圍的推進(jìn)速度與實(shí)況也較為接近,這為計(jì)算沙塵輻射效應(yīng)提供了較好的背景條件。5.2砂輻射對氣象場的影響5.2.1理論分析結(jié)果沙塵短波輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)在白天:一方面削減到達(dá)地面的短波輻射,另一方面對沙塵層有加熱效應(yīng)。對南疆盆地來說,太陽短波輻射時(shí)間主要在每天的08～20時(shí),積分72小時(shí)中共有三個(gè)白天。以下主要討論白天的短波輻射。12日11時(shí)(圖5a),此時(shí)太陽短波輻射已經(jīng)覆蓋整個(gè)盆地,盆地內(nèi)出現(xiàn)了與沙塵范圍區(qū)相一致的短波輻射削弱區(qū);其余白天時(shí)間段的短波輻射削弱區(qū)也與沙塵范圍區(qū)相一致。由沙塵引起的到達(dá)地面短波輻射削弱的強(qiáng)度和范圍如圖5b所示,12日11時(shí)短波輻射削弱的強(qiáng)度和范圍均與RAD試驗(yàn)中沙塵柱含量(圖略)的強(qiáng)度和范圍基本一致;12日14時(shí)(圖略),除了有上述分析的特征外,隨著短波輻射的加強(qiáng),沙塵對短波輻射的削弱程度也進(jìn)一步加強(qiáng),達(dá)到最高值;12日14時(shí)之后,隨著短波輻射的減少,整個(gè)區(qū)域的削弱程度也逐漸減少。總體來看,RAD試驗(yàn)?zāi)M的沙塵對到達(dá)地面的短波輻射的削弱在三個(gè)白天時(shí)間段均有發(fā)生,此外,削弱的短波輻射量與相應(yīng)時(shí)刻沙塵范圍的位置及空間分布基本一致。圖6為塔中站(39.0°N,83.4°E)沙塵氣溶膠的相對短波瞬時(shí)加熱率(RAD-CTL)及相應(yīng)時(shí)刻沙塵濃度(RAD)的模擬垂直分布圖。塔中在沙塵過程中有兩種沙塵濃度的垂直分布(如圖6a),一種是沙塵濃度最大值在地面且由下往上遞減,另一種是沙塵濃度最大值在空中1～2km。其中,12日為沙塵大值中心逐漸移過塔中,13日為沙塵范圍逐漸遠(yuǎn)離塔中,所以可以得到圖6a中12日14時(shí)和13日14時(shí)的沙塵垂直分布。對應(yīng)沙塵這兩種垂直分布,圖6b是沙塵氣溶膠的相對短波瞬時(shí)加熱率(RAD-CTL),由圖可以看出,沙塵濃度較大時(shí),沙塵加熱率最大可以達(dá)到6℃/d;此外,不論沙塵的垂直分布怎樣,沙塵加熱率最大值一般在距地4～5km左右(模式面10～12層)?？傊?沙塵明顯削弱了到達(dá)地面的短波輻射通量,改變了大氣短波瞬時(shí)加熱率。上述分析結(jié)果與一些研究(Zhangetal.,2003;申紹華,1989;王宏等,2007)及觀測結(jié)果(胡隱樵等,1997)較一致,這說明短波輻射方案計(jì)算的沙塵短波輻射較合理。其中,注意到Zhangetal.(2003)模擬的是河西走廊1993年5月5日黑風(fēng)暴的沙塵輻射效應(yīng),其在黑風(fēng)暴區(qū)到達(dá)地面的短波輻射為0W/m2和大氣短波瞬時(shí)加熱率達(dá)到24℃/d,而本文在沙塵濃度較大地區(qū)這兩個(gè)量分別為50W/m2和6℃/d?？紤]到1993年5月5日黑風(fēng)暴的沙塵濃度比本文模擬的沙塵濃度要大得多,故可認(rèn)為兩者對沙塵影響短波輻射的研究一致。5.2.2氣溫日變化的模擬氣溫是沙塵輻射效應(yīng)體現(xiàn)的主要?dú)庀笠刂弧１M管沙塵的短波加熱率在整個(gè)沙塵層都以加熱為主,但是在沙塵過程中,模擬的沙塵輻射引起溫度變化的綜合效果一般是使地面降低溫度,同時(shí)使沙塵層中上部略微加熱(圖略)。這是因?yàn)闅鉁氐淖兓瞧搅鳌⒎墙^熱加熱、垂直運(yùn)動(dòng)等各方面共同作用的結(jié)果,而沙塵輻射主要影響非絕熱加熱項(xiàng)中地面湍流熱通量和沙塵氣溶膠加熱量(即沙塵引起的溫度變化主要取決于沙塵對這兩者的貢獻(xiàn))。在地面附近,沙塵削弱到達(dá)地面的短波輻射使地面湍流熱通量減少比沙塵氣溶膠加熱大得多,故地面附近一般為降溫(田文壽等,1997);而在遠(yuǎn)離地面的中高層,主要是沙塵氣溶膠加熱貢獻(xiàn)大,故在遠(yuǎn)離地面的中高層為增溫。以下主要討論沙塵輻射對大氣日變化(地面氣溫)和氣溫垂直變化模擬能力的改善。當(dāng)前,數(shù)值預(yù)報(bào)模式研究十分重視模式對大氣日變化的描述能力(薛紀(jì)善等,2005),因?yàn)橛械奶鞖庀到y(tǒng)的生消與大氣日變化密切相關(guān)。對于日變化較大的沙漠地區(qū),其日變化更為重要,如Mohalfietal.(1998)指出沙塵區(qū)日變化的模擬對沙特低壓的維持起到了關(guān)鍵作用?？紤]到沙塵輻射對氣溫日變化的影響有強(qiáng)弱之分,挑選了兩類站點(diǎn)進(jìn)行分析。對能見度較高、浮塵時(shí)間較短的站點(diǎn)來說,沙塵輻射的影響相對較小,溫度的日變化仍然很明顯,不包含沙塵輻射效應(yīng)的天氣模式(CTL)能模擬出氣溫的日變化趨勢,比如塔中和鐵干里克兩站(圖7)。圖7表明,CTL在這兩站均能模擬出氣溫的日變化。這說明短時(shí)間的浮塵對氣溫日變化的模擬影響不是很大。此外,由圖7可以看出,鐵干里克第一天白天能見度在10km以上,后兩天均為30km,而塔中第一天白天能見度較低,后兩天均在10km左右,因此,鐵干里克的氣溫日變化模擬比塔中要好。這也說明如果浮塵足夠強(qiáng)的話,雖然浮塵時(shí)間較短,但是不考慮沙塵輻射也會對溫度量值的模擬有較大的影響。由此可見,不考慮沙塵輻射效應(yīng)的天氣模式在沒有長時(shí)間強(qiáng)浮塵影響的地區(qū)對氣溫日變化的模擬趨勢與實(shí)況比較一致,但是量值上有一定的影響。而對于浮塵時(shí)間較長(連續(xù)兩個(gè)白天以上)、能見度低于1km的站點(diǎn),比如民豐、和田,CTL對氣溫日變化趨勢的模擬就不太理想。以下對這兩個(gè)站點(diǎn)的CTL與RAD的日變化進(jìn)行分析。為了便于比較,選擇民豐、和田兩站RAD模擬的沙塵濃度與實(shí)況比較接近(圖8a、d)。這里的實(shí)況沙塵濃度是通過實(shí)況的能見度反算得到(Shaoetal.2003),只能半定量地與模擬進(jìn)行比較。圖8b、e為民豐、和田兩站實(shí)況(OBS)、CTL和RAD的三者地面氣溫的對比,實(shí)況36～48h沙塵削弱到達(dá)地面的短波輻射,使白天地面氣溫幾乎沒有升高,RAD試驗(yàn)?zāi)苣M出日變化趨勢和溫度值,而CTL由于沒有考慮沙塵輻射效應(yīng),仍然維持較強(qiáng)的日變化趨勢(與實(shí)況最大相差10℃);同樣積分60～72h,RAD試驗(yàn)也能很好地模擬出白天升溫不明顯的趨勢,較CTL更接近實(shí)況。此外,注意到積分12～24h兩個(gè)試驗(yàn)的模擬結(jié)果沒有明顯差異,但是和田的模擬效果比民豐的更好。這是因?yàn)閮烧灸M的沙塵發(fā)生時(shí)間較實(shí)況偏晚,模式中白天這段時(shí)間兩個(gè)站均無沙塵輻射效應(yīng)影響;實(shí)況中和田的沙塵天氣下午才發(fā)生,此時(shí)地面已有一定的加熱升溫,因此和田地面氣溫的實(shí)況與模擬就不易出現(xiàn)較大差異;而實(shí)況中民豐在早上就出現(xiàn)沙塵現(xiàn)象,地面氣溫變化不大,故與模擬值有較大差異。由此可見,沙塵天氣維持時(shí)間較長且能見度較低的地區(qū),對于沙塵輻射引起的氣溫日變化的模擬,考慮比忽略沙塵輻射效應(yīng)的模式(試驗(yàn))結(jié)果更合理。沙塵輻射效應(yīng)不僅影響地面溫度的日變化,而且對氣溫垂直變化也有一定的影響。圖9a、b為民豐、和田兩站在3月13日凌晨(08時(shí))和黃昏(20時(shí))垂直高度上的模擬與實(shí)測平均氣溫變化差。由圖可見,在中低層大氣中,沙塵天氣下RAD比CTL模擬更加接近實(shí)況;凌晨與黃昏相比較而言,RAD改進(jìn)溫度變化最顯著的時(shí)間為黃昏。這是因?yàn)楹雎陨硥m輻射效應(yīng)的CTL通過一個(gè)白天的地面加熱后,黃昏時(shí)靠近地面的低層大氣氣溫顯著升高,比凌晨更加偏離實(shí)況;而考慮沙塵輻射效應(yīng)則會把這個(gè)地面加熱削弱掉,更接近實(shí)際。此外,沙塵輻射效應(yīng)對500～400hPa的大氣有微弱的加熱,但未能從圖中看出在此高度上對模擬效果有較明顯的改進(jìn),這可能與沙塵濃度的垂直分布模擬等因素有關(guān)?？偟膩碚f,在沙塵濃度模擬較好的條件下,與未考慮沙塵輻射效應(yīng)的天氣模式相比,考慮了沙塵輻射效應(yīng)的天氣模式對于地面氣溫日變化和溫度垂直變化的預(yù)報(bào)均有一定的改進(jìn),這將對改進(jìn)該地區(qū)沙塵天氣條件下的數(shù)值預(yù)報(bào)起到一定的作用。5.2.3地面海平面確定主要討論沙塵輻射效應(yīng)對海平面氣壓和中低層風(fēng)速的影響。沙塵輻射效應(yīng)引起氣溫變化后,將進(jìn)一步影響氣壓的變化。其中沙塵輻射影響氣壓場的變化與沙塵輻射影響溫度場的變化很一致,主要為低層增壓、高層減壓(圖略)。這里主要討論地面海平面氣壓的日變化(見圖8c、f)。由圖8c、f可以看出,民豐、和田兩站考慮沙塵輻射效應(yīng)后海平面氣壓的日變化和氣壓值更接近于實(shí)況。這說明考慮沙塵輻射效應(yīng)后,溫度模擬得到改善的同時(shí),海平面氣壓的模擬也得到改善。在前期大風(fēng)沙塵天氣階段,沙塵輻射對風(fēng)場的主要影響為:增大沙塵體中下層的主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)速(如圖10所示)。圖10為3月12日17時(shí)RAD與CTL的u風(fēng)速差(圖中曲線)沿40°N的垂直剖面,此時(shí)兩個(gè)試驗(yàn)在低層均為東風(fēng),由圖可見在沙塵體中(圖中陰影)的450～1000m之間(模式面4層附近),出現(xiàn)了一個(gè)風(fēng)速增大帶。當(dāng)天的其他時(shí)次如11時(shí)、14時(shí)的模擬結(jié)果也都在該層出現(xiàn)了類似特征。5.3不同氣象區(qū)的需求狀況和變化沙塵濃度的局地變化與沙塵的起沙、平流輸送、湍流擴(kuò)散和沉降過程有關(guān)。這里通過比較兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M沙塵濃度的差異,同時(shí)結(jié)合沙塵輻射引起的氣象場變化來分析引起沙塵濃度差異的原因。對于地面沙塵范圍,兩試驗(yàn)在積分0～36h(圖略)結(jié)果差異很小;積分36～48h(其中積分36h見圖11a、c),CTL沙塵范圍向西南緣收縮的速度比RAD試驗(yàn)快,CTL沙塵范圍更小;積分48～72h(其中積分60h見圖11b、d),CTL試驗(yàn)沙塵范圍繼續(xù)向西南緣收縮,而RAD試驗(yàn)沙塵范圍停止收縮轉(zhuǎn)而向盆地中部擴(kuò)展。其中,積分54～57h(圖略),塔中站實(shí)況從無沙塵轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩硥m,RAD試驗(yàn)很好地模擬了沙漠腹地沙塵的變化。綜上所述,RAD對后期西南緣和沙漠腹地的沙塵范圍的模擬更理想。接下來比較沙塵濃度值的差異,所用的觀測沙塵濃度值是根據(jù)測站的能見度實(shí)測值進(jìn)行估計(jì)的(Shaoetal.,2003)。圖8a、b說明民豐、和田兩站RAD比CTL模擬的沙塵濃度更接近由能見度實(shí)測值反算的沙塵濃度。另外,RAD對后期強(qiáng)浮塵天氣的模擬能力優(yōu)于CTL,這是因?yàn)镃TL試驗(yàn)過低地估算強(qiáng)浮塵天氣下的沙塵濃度。最后,討論引起沙塵濃度變化的原因。這里主要討論沙塵柱濃度。圖12a為兩試驗(yàn)72h時(shí)間平均的柱濃度之差,可以看出,在南疆盆地絕大部分區(qū)域沙塵輻射效應(yīng)均引起沙塵柱濃度的增加。起沙通量見圖12b(72h平均),在大部分區(qū)域?yàn)闇p少。由兩試驗(yàn)的面積平均的柱濃度和起沙通量的總量差隨時(shí)間的變化來看(圖略),與CTL試驗(yàn)相比,RAD試驗(yàn)計(jì)算的沙塵柱濃度除了3月12日11時(shí)減少外,后面時(shí)次均增加;RAD減少起沙通量?？傮w來說,因?yàn)樯硥m輻射雖然減少了大氣的沙塵輸入量,但卻使更多的沙塵在大氣中保持(即柱濃度高)而不迅速沉降,所以說明沙塵輻射使沙塵沉降量顯著減少。兩試驗(yàn)對后期沙塵的模擬結(jié)果存在較大差異的主要原因之一就是沙塵沉降