沙尘模式优化与东亚沙尘天气量化分级研究

摘要

沙尘天气不仅是干旱、半干旱区及邻近地域的一种恶劣的灾害性天气，而且已经成为影响人类健康和经济发展的重要环境问题，因而倍受关注。为了进一步探讨沙尘天气的发生机理并提高对其的预报能力，本论文在综合前人有关风蚀起沙物理机制的基础上，利用邵亚平的沙尘模式系统，讨论了风蚀起沙的各种影响因子，并修正了模式敏感的关键物理量；首次将中国气象局建立的新一代沙尘天气监测网获得的沙尘观测资料应用于数值模式中，利用近两年的新资料估计和优化数值模式中沙尘浓度的初值场，提高了沙尘数值模式系统的预报性能；分析了不同国家同一种沙尘天气类型所表征的沙尘强度的差异，对东亚地区的沙尘天气分级量化，建立了沙尘模式预报定量结果与定性观测之间的相互对应关系，进而提出了一种对沙尘模式业务预报结果定量化评估和检验的新方法，使预报产品更适用于一线预报人员。主要的研究结果如下： (1)选取4种起沙方案的数值模拟检验结果进行比较发现，Shao(1996)、MarticorenaandBergametti(1995)的模拟结果明显大于实际的沙尘天气发生范围，尤其是MarticorenaandBergametti(1995)模拟结果远高于沙尘的实际起沙量；LuandShao(1999)起沙方案的模拟结果明显小于实际的沙尘天气发生范围，而只有Shao(2001)起沙方案模拟结果与沙尘天气发生的实际范围和强度较为一致，且该系统的预报产品与实况观测资料有较好的吻合，说明该起沙方案模式对发生在我国的沙尘天气具有较好的预报能力。 (2)本文充分考虑气温、风速、云和降水等对土壤含水量的影响，利用这些要素估算的土壤含水量替换了模式中原有的土壤含水量，对沙尘模式的模拟结果有较明显的改进。并针对该沙尘模式系统中将沙尘初值设为0的不足，用能见度估算大气中PM10浓度和TSP的浓度，优化沙尘模式中沙尘浓度的初值场，使模拟结果更加接近观测实况。初值场的优化对沙尘模式24小时和48小时的模拟都有改进，而且对24小时的模拟改进效果优于48小时的模拟。当有大面积的沙尘天气发生后，尤其大范围沙尘暴天气发生之后，初值场的优化可使模式的模拟效果显著提高。 (3)以往的研究发现，朝鲜发布的沙尘暴的频数多于中国和韩国与其邻近的地区，这些现象表明亚洲地区对同一类型的沙尘天气所表征的强度在不同国家是有差异的。本文分析结果表明：强沙尘暴、沙尘暴天气的TSP和PM10浓度，在我国和日本高于其它地区；扬沙和浮尘天气的TSP和PM10浓度，印度半岛高于其它地区。强沙尘暴TSP浓度的最低值出现在朝鲜；沙尘暴的TSP浓度的最低值出现在韩国；朝鲜半岛南部以及我国青藏高原部分地区扬沙天气的TSP浓度略低于其它地区。 (4)通过对东亚地区不同国家沙尘天气划分标准的综合分析研究，首次提出了东亚地区新的沙尘天气量化分级标准。浮尘：750μgm-3≤ρTSP＜1200μgm-3、200μgm-3≤ρPM10＜600μgm-3、2ms-1≤v＜5ms-1；扬沙：900μgm-3≤ρTSP＜3000μgm-3、200μgm-3≤ρPM10＜2000μgm-3、5ms-1≤v＜10ms-1；沙尘暴：3000μgm-3≤ρTSP＜6000μgm-3、2000μgm-3≤ρPM10＜5000μgm-3、10ms-1≤v＜15ms-1；强沙尘暴：ρTSP≥6000μgm-3、ρPM10≥5000μgm-3、v≥10ms-1。上述由TSP浓度、PM10浓度和风速相结合的沙尘天气量化标准可较为合理地对东亚地区的不同国家的各类沙尘天气统一区划，增强了可比性，在数值模拟研究和业务预报中更为方便可行。 (5)利用沙尘模式系统模拟了厄尔尼诺和拉尼娜现象发生时的风蚀起沙，结果表明，两种情况下的模拟结果正好相反，即厄尔尼诺年我国春季北方沙尘垂直通量偏低，拉尼娜年沙尘垂直通量偏高，厄尔尼诺时期沙尘垂直通量变化的幅度明显低于拉尼娜时期的变化幅度。这与拉尼娜年我国北方沙尘暴发生频繁、强度增大，厄尔尼诺年我国北方沙尘暴发生较少的统计分析结果完全一致。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第二章风蚀物理学与起沙机制

第三章沙尘天气的数值模拟

第四章风蚀起沙的影响因子

第五章沙尘模式沙源的改进

第六章东亚地区沙尘天气的量化分级及模拟结果的检验

第七章结论与讨论

在学期间的科研情况

致谢