影响三大洲的北非强沙尘暴动...WRF-chem模拟与分析_Altayeb Ragab.pdf
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1、第 42 卷第 6 期气象科学Vol 42,No62022 年 12 月Journal of the Meteorological SciencesDec,2022Altayeb agab,王坚红,Abdoul Aziz Saidou Chaibou,等影响三大洲的北非强沙尘暴动力机制 WF-chem 模拟与分析气象科学,2022,42(6):769-780Altayeb agab,WANG Jianhong,Abdoul Aziz Saidou Chaibou,et alWF-chemsimulation and analysis on the dynamic mechanismof the
2、 strong dust storm in North Africa affecting three continents Journal of the Meteorological Sciences,2022,42(6):769-780影响三大洲的北非强沙尘暴动力机制WFchem 模拟与分析Altayeb agab1,2王坚红3,4,5Abdoul Aziz Saidou Chaibou6,7Muhammad Arshad1,8Mohammed AbdAllah2,9Birhanu Asmerom Habtemicheal2(1 南京信息工程大学 大气科学学院,南京 210044;2 苏丹气
3、象局,苏丹;3 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心 南京 210044;4 南京信息工程大学 海洋科学学院,南京 210044;5 南京信大气象科学技术研究院,南京 210044;6 南京信息工程大学 大气物理学院,南京 210044;7 尼日尔尼亚美 国家气象局,尼日尔尼亚美;8 巴基斯坦国家气象部,伊斯兰堡 44000;9 南京信息工程大学 地理科学学院,南京 210044)摘要基于 WF-chem 模式对北非 2018 年 3 月下旬的典型强沙尘暴过程进行模拟,分析了此次强沙尘发生季节、持续时间、局地特征以及传输路径的关键动力系统与动力机制。鉴于起沙是沙尘暴发生的关键点
4、之一,并且起沙主要取决于风力和下垫面沙源性质,本文测试了三种起沙参数化方案的影响,并将模拟结果与卫星 MODIS 监测及其再分析资料 MEA-2 进行了对比,又经系列统计方法检验。结果显示,宏观思路的起沙方案 GOCAT 比 AFWA 和 UoC 两种起沙方案更适合此次大尺度强沙尘暴数值模拟(锋面跨度接近 60 个经度)。综合沙尘暴关键系统的动力机制分析和数值模拟结果显示,强沙尘暴关键系统为深厚的西风槽、沙尘冷锋锋面和锋后的地面高压反气旋。北非中部深厚的西风槽为后倾槽,该系统稳定,造成沙尘暴持续时间长。沙尘暴锋后反气旋中的下沉气流抑制了扬沙向高层扩散,造成低层能见度恶劣。沙尘锋区结合了动力、热
5、动力以及湿热动力不稳定,因此锋区风力大,地面沙尘驱动力强。而西风槽和强大反气旋依托环流形势,提供了沙尘传输到三大洲的长途输送力。关键词北非强沙尘暴;影响三大洲的传输路径;WF-chem 模式;模式起沙方案检测对比;沙尘暴关键天气系统;北非沙尘过程湿热动力机制分类号:P44doi:1012306/2021jms0102文献标识码:A收稿日期(eceived):2021-4-28;修改稿日期(evised):2021-11-30基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(41276033);国家自然科学基金资助项目(41805033)通信作者(Corresponding author):王坚红(WAN
6、G Jianhong)jhwang nuisteducnWFchem simulation and analysis on the dynamic mechanism ofthe strong dust storm in North Africa affecting three continentsAltayeb agab1,2WANG Jianhong3,4,5Abdoul Aziz Saidou Chaibou6,7Muhammad Arshad1,8Mohammed AbdAllah2,9Birhanu Asmerom Habtemicheal2(1 College of Atmosph
7、eric Science,Nanjing University of Information Science technology,Nanjing 210044,China;2 Sudan Meteorological Authority,Khartoum,Sudan;3 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation ofMeteorological Disasters,Nanjing Unniversity of Information Technolgy,Nanjing 210044,China;4 School of
8、 Marine Sciences,Nanjing Unniversity of Information Technolgy,Nanjing 210044,China;5 Nanjing Xinda Institute of Meteorological Science Technology,Nanjing 210044 China;6 School of Atmospheric Physics,Nanjing Unniversity of Information Technolgy,Nanjing 210044,China;7 Direction de la Mtorologie Nation
9、ale,Niamey Niger;8 Pakistan Meteorological Department,Islamabad44000,Pakistanl;9 School of Geographical Science,Nanjing Unniversity of Information Technolgy,Nanjing 210044,China)AbstractBased on the WF-Chem model,a typical North Africa severe dust storm process in lateMarch 2018 is simulated,and the
10、 key synoptic systems and dynamic mechanisms of the occurrenceseasons,last period,local features and transmission paths are analyzed Due to the dust emission is oneof key points of dust storm happening,and the dust emission mainly depends on the wind force and thenature of the underlying surface of
11、dust source,the research of the paper focuses on the effect comparisonof three parameterization schemes of the dust emission,then the numerical simulation results arecompared with the satellite MODIS monitoring and its reanalysis data Merra-2,also a series of statisticaltests are done,the results sh
12、ows that it may be related to the circulation systems and the dust stormsource all being with large scales(the front span is close to 60 longitudes),the dust emission schemeGocart is more suitable for the strong synoptic dust storm numerical simulation than both AFWA and UoCschemes The dynamic mecha
13、nism analysis and numerical simulation results of the strong dust storm showthat the key systems of the strong dust storm are a deep westerly trough,a dust cold front and a surfacehigh-pressure anticyclone behind the front The deep westerly trough in central North Africa is a backwardinclined trough
14、 and the system is stable in circulations,it causes the dust storms lasts a long duration The descending flow in the anticyclone behind the dust storm front inhibits the diffusion of dust to theupper layer,it causes poor visibility in the near surface layer The strong dust front area is with dynamic
15、,thermal and moisture dynamic instabilities,so the wind in the front area is stronger and its drive force tothe ground dust is more powerfully The westerly trough and strong anticyclone provide the long-distancetransport force of dust to the three continents based on the circulationsKey wordsNorth A
16、frica strong dust storm;the transmitting paths of impacting three continents;WF-chem model;testing and comparison of dust emission schemes;key synoptic systems of dust storm;the moisture thermal-dynamic mechanism of dust storm of North Africa引言北非沙尘暴几乎四季都有发生,其中春季和夏季更加频繁。北非沙尘暴发生频率高,一个月可发生几次;持续的时间长,一次可
17、持续 35 d。且沙尘暴发生的强度大,能见度可降到 100 m 以下。沙尘传播的距离远方向多,一次沙尘暴产生的沙尘可以向西飘过大西洋到达古巴、加勒比海,并趋近北美大陆;也可以向北越过地中海和黑海影响到欧洲南部以及东部的俄罗斯;向东则影响东非各国,苏丹正位于撒哈拉沙漠东面,是强沙尘暴锋面部分的必经之路,成为一个频繁遭受沙尘暴的北非代表性国家。北非强烈的沙尘暴原地是世界上最大的沙漠撒哈拉沙漠,面积大约 932 km2。而近年来极端强沙尘暴有增加趋势,因此北非沙尘暴的研究受到各方关注1-3。这类经常出现在北非的大强度、影响范围广的沙尘暴,需要强盛的天气系统和大气环流的动力驱动、路径引导以及远距离推送
18、4-5。在沙尘暴关键系统方面,目前对气旋系统的关注较多。但是气旋是一个区域辐合系统,在北半球仅依托气旋不能顺利将沙尘逆着西风带方向,向西向北远距离推送。并且沙尘暴关键系统对北非浓度大、能见度低、持续时间长的沙尘暴特征起着怎样的驱动作用,仍有待动力机制的深入探讨。由于沙尘暴是天气尺度过程,在监测方面,受自然条件和环境的影响,单站记录有其局限性。沙尘暴发生时,周边环境能见度低,地面监测点匮乏,常规地面站很难对沙尘暴特定要素进行跟踪监测。同时,受人力、物力和技术的限制,在地面设立监测站来监测沙尘暴很难大规模布点。而卫星遥感技术则具有覆盖面广、空间连续、效率高等优点,尤其是具有图像与数据两种产品可供应
19、用,因此卫星遥感已成为跟踪分析沙尘暴的重要方法6-8。此外,许多研究证明来自 MODIS、AVH 和 TOMS 的卫星影像在沙尘暴探测中做出了巨大贡献9。目前,综合利用多源遥感数据进行沙尘灾害监测成为新的发展方向,其中,以美国 EOS 系列卫星搭载的中分辨率成像光谱仪 MODIS 的数据应用为标志。由于卫星体扫路径会对不同区域的监测效果产生不同程度的影响,因此卫星监测对不同地点的沙尘暴反映的时空敏感性还需要进一步调查与验证。高层云体活动也会影响卫星沙尘监测。因此有效利077气象科学42 卷用卫星产品进行有效的大范围沙尘暴监测也需要验证与调试。考虑到大尺度沙尘暴系统的预报预警,数值模式是一个比较
20、理想的工具。模式可以在三维空间精度和时间步长上较为灵活地调整,尤其是时间尺度上的预测预警能力。目前 WF-chem 是比较通用的沙尘暴数值模拟的模式10-12,但是在模式中的起沙物理方案有多种,其主要原理各有侧重,哪一种起沙方案更适合所针对的沙尘暴事件实际上是不确定的,即使地点相同,季节相似,模拟效果也有不同。在这方面已有许多研究13-16,焦点集中在:起沙方案中散射系数和吸收系数的表现;相对湿度的影响,由于地中海的存在,北非的沙尘锋面也是一个强的湿度锋面(尤其在接近地中海的苏丹境内);该湿度锋面对沙尘活动的边界层参数化问题有影响,是北非沙尘暴不同于世界其他地区沙尘暴的地理特点,值得关注。此外
21、通过对起沙方案基本原理的研究和数值模拟,进而调查和了解沙尘暴事件的特征,是有必要的。本文主要关注 2018 年 3 月发生在北非撒哈拉沙漠的一次强沙尘暴,该次沙尘暴有一定的代表性:强度大,近地面能见度很差;传输地域广,不仅影响非洲东部,还跨越大西洋,到达南美洲、越过地中海到达欧洲南部和东部。通过 WF-chem 数值模拟以及对不同起沙方案的验证,进一步了解北非春季强沙尘暴的典型性质与关键影响系统,同时通过几个起沙方案的模拟对比,不仅获得相对合适的起沙方案,也进一步认识了此次沙尘暴的主要局地动力驱动机制。更重要的是通过对沙尘暴关键系统的诊断、模拟、对比,更深入地认识和揭示关键系统对北非强沙尘暴特
22、征的影响,包括动力驱动、热动力驱动、湿动力驱动,以及局地起沙和远程输运。进而加深对北非强沙尘暴的深入认知和 WF-chem模拟技术应用的理解。1资料与方法11资料本文所用资料为:(1)再分析资料:使用欧洲中心(the EuropeanCentreforMedium-angeWeatherForecasts,ECMWF)再分析资料集(EA5),其精度较高,水平分辨率为 0.250.25,时间精度为 1 h。主要使用数据集中的平均海平面气压、低层相对湿度、地面10 m 风以及地面 2 m 温度等低层沙尘暴锋面环境要素,分析沙尘暴各项气象要素的局地统计特征。同时为分析沙尘暴关键系统,尤其是造成沙尘暴
23、输送至三大洲的关键系统,采用美国国家环境预报中心 NCEP/国家大气研究中心 NCA Final 再分析资料,其精度为 2.52.5,注重宏观环流形势,能够更清晰地表达控制北非及周边海域的完整大范围天气尺度系统,便于追踪沙尘远距离传输路径。此外,还应用了该数据集 11精度的资料,进行与沙尘暴 WF-chem 模拟产品的气象要素对比,显示数值模拟效果。(2)卫星资料:采用 MODIS-Aqua 搭载的水平分辨率为 1的中分辨率成像光谱仪反演的 550 nm(0.55 m)波长的气溶胶光学厚度(AOD)数据,以及 NASA 的甚高分辨率辐射计(AVH)第 2 版产品 0.5 0.625 分辨率的粉
24、尘质量浓度(单位:kgm3),分别对数值模拟的粉尘时空分布进行分析与验证。气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)提取公式为:AOD550=AOD440 (440550)AE440550,(1)其中:AE440/550 是 ngstrm 指数,代表 440 和 550nm 波长的气溶胶粒子的光学参数。1.2WF-chem 模式起沙方案1.2.1数值模拟信息本文采用 WF-chem4.0 版本。WF-chem 是在 WF 的基础上引进 chem 模块发展的区域大气动力 化学耦合的模式17。模式中考虑了干湿沉降、输送、气相化学、辐射和光解作用、人为源及生物源排放等过程。
25、本文考虑的沙尘暴关键系统多为天气尺度系统,例如冷锋锋面,锋后地面高压等等,即均为大尺度系统,因此模式模拟选择双层嵌套网格。外层 Domain 01:5 45N,15W50E,精度为 50 km,0.5,中心为 25N,17.5E;内层 Domain02:1035N,540E,精度为 16.7 km,0.167,中心为 22.5N,22.5E。具体配置如图 1 所示。各项模拟条件的选择和测试的参数化方案如表 1 所示。表 1 显示本研究试验了 3 种起沙方案,分别是GOCAT,AFWA 和 UoC。起沙方案是建立大气风动力驱动下垫面沙尘扬沙过程。其具体原理和数学表述如下。1.2.2GOCAT 起
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