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1、2 0 0 4年 3月 2 9日北京地区沙尘天气数值预报分析1 程丛兰 张小玲 王迎春 刘伟东 徐晓峰 ( 中国气象局北京城市气象研究所北京1 0 0 0 8 9 ) 摘 要 本文在对沙源和实况气象场分析的基础上 利用北京城市气象研究所发展的区域沙尘耦合模式 对2 0 0 4年 3 月 2 9 日北京及周边地区扬沙天气过程进行数值研究 模式预报出大风 垂直速度等气象条件要素演变表明导致此次沙尘过程的发生发展主要因素是大风上升气流以及沙源分布等从天气实况沙尘图与预报沙尘区随时间演变过程看模式预报的沙尘范围和强度与实况结果基本相符沙尘数值预报模式能够较好地预报出此次沙尘过程发生的时间地点范围和移动
2、路径等较全准确地描述了本次沙尘过程的形成演变和移动等特征从模式预报的北京地区沙尘浓度的垂直廓线和沙尘强度表明本次沙尘的沙源以本地扬沙为主 关键词: 沙尘, 北京, 数值预报 1 引言 沙尘天气是影响中国北方的干旱半干旱区的一种非常严重的灾害性天气 受大气环流场和季风气候影响我国北方地区冬春盛吹西北风强劲而干燥 3 5 月地表增温大是风力场和热力场极不稳定的季节地表容易发生蠕动产生沙尘天气沙尘天气发生时地表大量的沙粒和尘土被大风吹起进入大气 并随着高空气流向下游作远距输送 给途径地区的环境和生态造成很大危害 1 由于受观测资料限制对沙尘暴起动传输的微过程和分布特征了解得很少 2 稀疏的观测数据甚
3、至卫星得到的整体图象都难以了解其内在过程因而用模式预报的方法来研究和预报沙尘暴发生发展机制和潜在影响在沙尘天气监测 预警 预报中尤为重要有关沙尘天气和沙尘暴过程的数值预报国内外早已经开始研究 3 - 9 研究和事实证明沙尘暴天气过程存在大中小尺度相互作用的复杂过程突发性强存在很强的斜压不稳定 静力平衡模式已经不太适应 北京城市气象研究所利用高分辨率的非静力平衡中尺度模式 M M 5 动力框架和详细物理过程加入了了沙尘的起沙扬沙输送沉降模式并与之相耦合 发展了区域沙尘耦合模式系统 利用该模式对 2 0 0 4 年 3 月 2 9 日北京及周边地区扬沙天气过程进行数值研究 2 0 0 4 年 3
4、月 2 9 日中午北京多数站出现大风并伴有扬沙由于系统移动速度较快沙尘天气持续时间较短1 2 U T C 时世界时前后沙尘天气结束我们利用北京城市气象研究所开发的区域沙尘耦合模式对此次影响北京的沙尘天气过程进行数值研究 2 模式介绍 本模式选用在天气预报和研究中广泛应用的美国 P S U / N C A R发展的非静力中尺度模式M M 5 作为动力模式并发展了沙尘的起沙扬沙输送干沉降湿沉降模式对沙尘粒子谱进行了较细致的分档模式在处理起沙通量时引进了风阵性系数比较真实地反映了摩擦速度的阵性和地表不均一性特征 对起沙量和起沙临界速度起到订正作用 模式中湿沉降1北京风沙天气的监测和预测技术研究项目号
5、2 0 0 1 D I B 2 0 1 0 3 的考虑特别按显式和隐式分别考虑理论上比较客观地预报了沙尘的湿沉降过程利用遥感资料对地表进行分类土壤类型分类植被覆盖情况等分析处理总结出起沙系数对起沙区域和起沙量进行订正比较真实地预报出沙尘的分布特征最后实现了沙尘起沙传输沉降模式与非静力中尺度模式的完全耦合预报研究影响北京地区沙尘的起沙输送沉降的物理过程和物理特征 3 沙源分析 沙源强风及热力不稳定的空气层结是产生沙尘暴的三个主要条件研究表明丰富沙尘源的下垫面和特殊的地形条件是形成沙尘暴的必要条件, 特别是春季解冻后地表裸露土质疏松沙源丰富有的更兼有局地地形的加强作用也多强风另外春季午后地面受热增
6、温快容易形成不稳定大气层结 1 0 沙尘暴尤其是特强沙尘暴是由大中小各种天气尺度及其特殊地形和下垫面条件共同作用的产物, 为了研究其形成的物理机制 数值预报是重要的手段之一 模式中土地利用土壤类型等以美国 USGS 资料为基础在中国区域用中国沙源分布资料作订正模式中的沙源和起沙通量是影响沙尘的预报和预报的两个重要参数因此在模式的发展和试验中我们综合考虑下垫面有关信息和起沙临界摩擦速度 模式中的沙源及其排放因子的分布是土地利用土壤类型植被覆盖和土壤湿度等的综合体现直接影响沙尘的排放潜能 4 实况气象场分析 图 1 3 月 2 8 日 1 2 时地面形势及锋面 图 2 3 月 2 9 日 0 0
7、时 8 5 0 h P a 高度场 28 日 12 时地面形势及锋面图 81图中表明有冷空气从西北方向南下地面有比较强的气旋系统有一冷锋经过北京造成北京及其它经过地区的沙尘天气图 2 为 29 日 00时 850hPa 高度场低层 850hpa 有比较明显的低压系统加强了本次过程的空中动力条件由于冷锋在中午前后过境北京 热力条件有利于本地沙尘扬起 致使产生这次沙尘天气过程由于系统移动速度较快沙尘天气持续时间较短12 时前后沙尘天气结束 45 数值预报结果分析 本次沙尘过程在北京的发生时间主要在 2 9 日 0 3 U T C 时- 1 2 U T C 时, 沙尘模式初始场和边界条件由中国气象局
8、全球谱模式 T 2 1 3 提供预报时效 3 6 小时积分步长 9 0 秒, 模式初始场选用 2 0 0 4 年 3 月 2 8 日 1 2 U T C 时的客观分析资料 模式中选用高分辨率边界层参数化方案侧向海绵边界条件地形选用 1 01 0 的实际地形方案预报区域的中心经纬度为1 1 0E 4 0 N格点数为 1 2 1 1 3 1 网格分辨率水平为 3 0 k m , 垂直方向 2 3 层沙尘模式与中尺度模式M M 5 耦合可每小时或每三小时输出结果气象场预报和沙尘浓度等物理量场预报结果如下 5 . 1 1 0米风速 图 3 预报 2 0 0 4 年 3 月 2 9 日 0 6 0 0
9、U C T 1 0 米风速(单位 m / s 间隔 2) 沙尘的发生总与大风密切相关图 3 为 2004 年 3 月 29 日 0600UTC 时 10 米高度风速(m/s)可见此时地面大风已经在北京产生预报出大于 14m/s 的大风区域,预报的北京地区最大风速在 10m/s 以上由于春季土地解冻植被覆盖少存在季节性局地沙源区导致此次沙尘过程 5 . 2 摩擦速度 在沙尘模式中摩擦速度是起沙的重要参数, 在模式中起沙量以及能否起沙都与摩擦速度相关摩擦速度的决定要素有两方面下垫面的特征和风速综合风速和地表的不同的影响模式预报出 2 9 日 0 3 U T C时以 4 00N , 1 1 00E
10、为中心有比较大的摩擦速度区( 图 6 a 略)而且与沙源区相吻合产生了沙尘天气随着冷空气的移动和高层系统的影响2 9 日 0 6 时摩擦速度大值区范围变大图 4 b a此时沙尘强度变大沙尘区范围也变大2 9日 0 9时摩擦速度大值区范围变小图略 4 , b摩擦速度减小沙尘趋于减弱摩擦速度的演变基本与此次沙尘过程的发生发展减弱等演变特征一致 a b 图 4 预报区域的摩擦速度分布单位 m / s (a : 0 6 0 0 U C T , b : 0 9 0 0 U C T) 5 . 3 垂直速度 沙尘起沙后能否产生沙尘天气决定于是否有上升运动配合图 5 为模式预报的垂直速度剖面图2 9 日 0
11、3 时有整层的上升区即将靠近北京加之中午前后北京近地面层升温明显大气热力条件极好有利于沙尘的抬升作用2 9 日 0 6 时整层的上升区减弱并将移离北京表明在 0 3 与 0 6 时之间北京地区大气层结不稳定存在很强的上升气流地表松散沙土容易被扬起0 6 时沙尘强度最强0 6 时后垂直上升速度逐渐减弱沙尘强度也趋于减弱 垂直速度的随时间和区域演变与观测的沙尘区的时间和区域变化基本吻合 模式预报了此次沙尘过程的抬升动力要素 a b 图 5 预报垂直速度的垂直剖面图沿 3 9 . 60的分布单位 c m / s , 等值线间隔 5 ( a : 0 3 0 0 U T C , b : 0 6 0 0
12、U T C ) 5 . 4 沙尘范围和强度预报结果 95100105110115120125oE2530354045No501111111111111111010109 5100105110115120125oE2 53 03 54 04 5No5 0111111111111111101010a b 95100105110115120125oE2530354045No5011111111110101095100105110115120125oE2530354045No50111111111111111101010c d 图 6 预报沙尘区与地面观测沙尘区对比图等值线为预报沙尘区单位 m g /
13、 m 3 代表地面观测站观测的沙尘区 ( a : 0 3 0 0 U T C , b : 0 6 0 0 U T C , c : 9 0 0 U T C , d : 1 2 0 0 U T C051 01 52 00123浓度( m g / m 3 )高度051 01 52 00123 浓度( m g / m 3 )高度a b 图 7 北京地区沙尘浓度的垂直廓线a : 0 3 0 0 U T C , b : 0 6 0 0 U T C 模式预报的沙尘区开始在北京及上游的西边形成模式预报 3 月 2 9 日 0 3 时世界时沙尘区中心在 1 1 0 E , 4 0 N 附近与地面站观测的实况沙尘
14、分布区域基本一致从天气实况沙尘图与预报沙尘区随时间演变过程看 预报与实况结果基本相符 预报最严重沙尘出现时间与实况大范围沙尘区基本一致 从沙尘的移动路径来看 预报沙尘和实际的沙尘区都是向东移动的预报和实况沙尘区中心在 1 1 5 E , 4 0 N 附近可以看出模式动态地显示了此次沙尘过程的时间 地点 范围等 逼真地描述了本次沙尘过程的形成演变和移动等特征 图6 图 7 为北京地区的沙尘浓度垂直廓线 显示近地面层沙尘浓度最大 表明本次沙尘的沙源以本地沙源为主空中沙尘浓度值也有一定变化如预报最低层沙尘浓度 0 3时为2 . 3 3 m g / m 3 1 4时上升到 2 . 6 4 m g /
15、m 3 , 模式的次低层沙尘浓度 1 1时为 1 . 4 9 m g / m 3 , 1 4时为1 . 2 5 m g / m 3 , 次低层沙尘浓度下降了模式可以预报沙尘浓度的高低空变化另外从沙尘浓度垂直廓线图可以看出本次沙尘输送到北京高空的高度达到了 2 0 0 0 m 以上 6 结论 1 模式对本次过程中 1 0 米风场和垂直速度的预报结果表明 此次影响北京的沙尘天气过程冷空气很强风速大系统移动快在沙尘模式中摩擦速度是起沙的重要参数, 起沙量以及能否起沙都与摩擦速度相关 模式预报的摩擦速度大值区和沙尘天气发生区域相吻合 2 模式预报的沙尘区开始在北京及上游的西边形成与地面站观测的实况沙尘
16、分布区域基本一致 从天气实况沙尘图与预报沙尘区随时间演变过程看 预报与实况结果基本相符预报最严重沙尘出现时间与实况大范围沙尘区基本一致从沙尘的移动路径来看预报沙尘和实际的沙尘区都是向东移动的 可以看出模式动态地显示了此次沙尘过程的时间 地点范围等逼真地描述了本次沙尘过程的形成演变和移动等特征 3 北京地区的沙尘浓度垂直廓线显示近地面层沙尘浓度最大表明本次沙尘的沙源以本地沙源为主 空中沙尘浓度值也有一定变化 模式可以预报沙尘浓度的高低空时空变化 ( 4 ) 预报中也存在一些空报和漏报的区域特别时随着预报时间延长误差变大有待模式的进一步调试 参考文献 1 石广玉赵思雄. 沙尘暴研究中的若干科学问题. 大气科学2 0 0 3 2 7
