中国西北干旱半干旱区边界层高度特征及其对沙尘天气影响的数值模拟研究

论文摘要

大气边界层是地表与大气之间进行物质和能量交换的重要媒介,一些灾害性天气现象的形成大多与边界层过程密切相关。沙尘天气作为一种与边界层密切相关的灾害性天气,对人民生活生产及生态环境造成重大影响。中国西北干旱半干旱区因其特殊的地理位置和气候条件,成为我国沙尘天气多发地之一,并且有独特的大气边界层特征,研究该区域边界层高度特征及其对沙尘天气的影响,为探索沙尘天气形成机理及预警、防灾减灾具有十分重要的意义。首先,本文采用ERA-Interim再分析资料和WRF模式研究了中国西北干旱半干旱区边界层高度时空分布特征及深厚边界层模拟的参数化方案最优组合;其次,分析了5个代表地区沙尘天气时空分布及沙尘天气条件下边界层高度变化特征;使用多种气象数据分析了中国西北一次典型沙尘天气的成因及其影响;最后,利用WRF-Chem模式模拟了上述沙尘天气个例的起沙传输过程、边界层高度特征,以及地表热通量对边界层高度的影响及其伴随的沙尘垂直分布变化,主要得到以下结论:（1）5个代表地区边界层高度14时为春末及夏季较高（6月最高达2485m3502m）,秋冬及初春较低（12月最低为758m907m）;02时和08时边界层高度季节变化幅度相对较小,而14时和20时变化幅度较大;边界层高度超过4000米的情况主要出现在夏季和春末。春夏秋14时和20时边界层高度干旱代表地区敦煌和民勤大于半干旱代表地区兰州和榆中;地区间差异夏季较大,冬季较小。夏季干旱区白天深厚大气边界层高度持续时间较长,高度大于2000m的大气边界层在极端干旱区敦煌5-8月平均持续时间超过6h,而酒泉和民勤仅6-7月份较高大气边界层持续6h以上。（2）数值模拟结果表明,不同参数化方案组合对不同地区深厚边界层的模拟差异显著,与边界层发展相对紧密的三类参数化方案中,短波辐射、陆面过程和边界层方案的选取对边界层高度数值模拟结果的影响程度不同,对敦煌、民勤、榆中和兰州深厚边界层模拟结果影响从大到小依次是边界层方案、陆面过程方案、短波辐射方案,而酒泉是边界层方案、短波辐射方案、陆面过程方案;极端干旱区敦煌和干旱区酒泉、民勤Goddard+SLAB+ACM2组合模拟效果较好,半干旱区榆中和兰州Dudhia+Noah+ACM2方案表现较好。模拟效果的差异与边界层方案确定边界层高度的方法、陆面过程方案对下垫面性质的考虑、短波辐射方案关于吸收物质对短波辐射吸收的处理有关。（3）敦煌、酒泉和民勤沙尘天气年际分布呈减少的趋势,榆中和兰州呈波动变化,其中敦煌出现沙尘天气次数最多,年均34次;敦煌和酒泉以浮尘和扬沙为主,民勤以扬沙和沙尘暴为主,榆中和兰州以浮尘为主。各地沙尘天气均主要出现在25月,春季沙尘天气次数占全年沙尘天气次数的50%以上,秋季在10%以下;各时次分布特征上,浮尘总体差异不大,扬沙和沙尘暴主要集中在下午及傍晚。敦煌和民勤夜间沙尘天气边界层高度明显高于晴天,且沙尘天气强度越强,边界层高度越高;白天强沙尘天气边界层高度高于浮尘。典型沙尘个例（2017年1月2426日）是在高空槽东移发展,冷空气南下,配合地面高压系统和锋面东移,冷锋后强气压梯度形成大风的条件下形成;HYSPLIT模式模拟结果显示沙尘沿西北路径传输,沙尘源地位于甘肃以西,沿河西走廊向东南传输至陇中地区;沙尘天气发生前沙尘源地气温上升造成土壤湿度下降,低层大气处于不稳定状态,有利于起沙,沙尘天气期间各层较大的水平风速有利于沙尘的水平输送,垂直方向上沙尘源地和民勤中低层皆有上升运动,将沙尘粒子带入高空,传输路径上的其他代表地区为下沉运动,将高空的沙尘带到近地面形成沙尘天气。沙尘天气期间沙尘源地和民勤白天边界层高度较前一日有所上升,而酒泉、张掖白天边界层高度较前一日有所下降,兰州和榆中夜间边界层则有所升高。（4）沙尘源地和民勤在沙尘天气过程中地面垂直起沙通量和10 m风速均较大,源地中心区域地面垂直起沙通量达3000μg/m2/s以上,10 m风速达20 m/s。控制实验中沙尘源地沙尘浓度高值区可至离地1000 m以上,浓度达24000μg/m3以上,并且强烈的上升运动可使沙尘传输至离地3000 m以上;民勤沙尘浓度高值区始终维持在离地1000 m以上。起沙阶段,沙尘源地地面沙尘浓度高值区边界层高度大于周围地区,且大于该地对应时刻的平均边界层高度。敏感性实验表明关闭地面热通量后沙尘区范围明显减小,地面沙尘浓度大大降低,两者浓度差最大可达4倍以上;敏感性实验中沙尘浓度高值区附近边界层高度明显小于控制实验,但当沙尘浓度升高到一定程度后,二者的边界层高度差距减小;与控制实验不同,敏感性实验中沙尘浓度高值区与其周边地区的边界层高度差异相对较小,分布相对均一。垂直方向上敏感性试验中沙尘源地起沙阶段沙尘浓度高值区始终保持在离地400 m以下,民勤两组实验沙尘浓度高值中心也相差500 m左右;边界层高度对沙尘的垂直分布有显著的影响,边界层高度越高,越有利于沙尘向上扩散,而沙尘浓度对边界层高度也有影响。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谭子渊

导师: 马敏劲

关键词: 沙尘天气,边界层高度,时空分布,数值模拟,参数化方案,中国西北

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,气象学

单位: 兰州大学

分类号: P425.55;P421.3

总页数: 94

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