考虑阵风因子的动力学起沙机制模型化及典型沙尘暴过程数值模拟

目前对起沙机理的认识还存在很大的分歧，现有的起沙机制多以风沙物理学理论为基础，而缺少更多的动力学方面的研究工作。曾庆存等提出的阵风起沙机理为动力学起沙模型的研究提供了一定的基础。而这一机理在模式中如何合理表征还是个问题。本项目拟通过分析典型沙尘天气系统对边界层阵风的影响及阵风与沙尘浓度之间的对应关系，获得考虑阵风因子的动力学起沙机制；将考虑阵风因子的动力学起沙机制进行合理的模式表征，使其模型化，并耦合入沙尘输送模式；利用沙尘输送模式模拟典型的沙尘暴个例，验证阵风因子对沙尘暴数值模拟的改进作用。

边界层阵风在沙尘暴起沙过程中有着重要的作用。将阵风因子合理表征引入起沙机制模型是本研究的主要目的。本研究利用NCEP资料分析了引发沙尘暴的典型天气系统，发现蒙古气旋、蒙古高压是引发中国北方沙尘暴的主要天气系统。沙尘暴过程中，风速通常在300hPa高度存在着明显高值中心，且呈现显著的下陷现象，可达到800hPa。沙尘暴影响北京的过程中，通常低层辐散，高层辐合，呈现系统性的下沉运动，而在下沉运动出现之前，则通常对应着系统的上升运动。在沙尘暴爆发时，我国北方通常盛行西北气流，且经向环流明显，相对风暴水平螺旋度在西北气流控制区域内多呈现较高的负值中心。利用2012年民勤综合观测资料和北京325米气象塔15层气象要素观测资料分别分析了沙尘源区和沙尘影响区站点在沙尘暴过程中边界层气象要素的变化情况。沙尘源区沙尘暴爆发时，边界层气象要素有如下特征：风速迅速升高，相对湿度骤然下降，通常会降至30%以下，气温通常会下降。沙尘暴强烈爆发时，北京边界层风速廓线几乎竖直，表明动量下传非常显著，温度层结通常出现逆温结构。利用民勤超声风速资料，分析了扬沙发生时民勤边界层阵风结构，及阵风特征量的变化情况。结果发现强沙尘暴过程中垂直方向的阵风风速（w_g）在低层盛行上升气流，而在较高的层次则盛行下沉气流，垂直方向阵风风速分层明显。沙尘暴高峰期相应的阵风全动能、阵风脉动动能也达到峰值，边界层较高层次阵风垂直动量通量主要以负值为主，即有比较明显的动量下传。在沙尘暴爆发最强烈的时段内，阵风脉动动能和阵风垂直动量通量均非常强烈，说明阵风在沙尘暴爆发过程中起着非常重要的作用。获得了沙尘浓度与阵风顺风风速之间的幂函数拟合关系。确定了边界层风速垂直切变与阵风脉动动能之间的函数关系，由风速垂直切变计算阵风脉动动能，修订沙尘源区的摩擦速度。在嵌套网格空气质量模式系统原有起沙机制的基础上，引入阵风因子对摩擦速度的修订，对起沙机制模型进行改进。利用改进后的起沙机制模型模拟东亚地区的典型强沙尘暴过程，结果表明改进后的沙尘模式能更好地再现东亚地区沙尘暴的发展过程，改进后的沙尘气溶胶浓度较改进前有所增加，可使模拟误差降低10%左右，对沙尘暴数值模拟具有重要意义。