论文总字数：16430字

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

第二章 基于WRF模式的沙尘暴数值模拟系统 2

2.1 WRF模式简介 2

2.2 基于WRF/Chem的沙尘模式系统 3

2.2.1 沙尘模块 3

第三章 模拟结果对比验证及分析 5

3.1 WRF/Chem模式中两种起沙方案对青藏高原强沙尘过程模拟的影响 5

3.1.1 2003年3月4日12时个例的模拟结果 5

3.1.2 2005年4月6日13时个例的模拟结果 6

3.1.3 对比分析 7

3.2 耦合了Shao11方案的WRF/Chem模式对青藏高原四次强沙尘过程的模拟及分析 7

3.2.1实验设计 7

3.2.2 第一个过程 8

3.2.3 第二次过程 10

3.2.4 第三次过程 12

3.2.5 第四次过程 14

3.3 结论 16

参考文献 17

致谢 20

基于WRF模式对青藏高原地区沙尘过程的模拟

唐洁

，China

Abstract：Sand dust storm is a kind of disastrous weather, and the research of Sandstorm in the world is mainly focused on Sub Saharan Africa and East Asia. Due to the high altitude of the Qinghai Tibet Plateau, the dust storm raised dust is more likely to enter the westerly jet area, and transported to the farther area by westerly jet.It become one of the main dust source areas in remote transmission.However, due to the scarcity of meteorological observation stations distributed on the Qinghai Tibet Plateau, the study of sand dust storm over the Qinghai Tibet Plateau is very few. It can be said that the Qinghai Tibet Plateau is an important dust source area. In this paper, a WRF/Chem model coupled with two types of sand parameterization schemes is used to simulate the two sand dust processes of the Qinghai Tibet Plateau. Results show that:1）the Shao11 scheme is better than the GOCART scheme;2) Although sand range of Shao11 scheme is small , the overall simulation is more reasonable.Therefore,in this paper, the WRF/Chem model of the coupled Shao11 scheme is used to simulate the four strong sand dust processes on the Tibetan Plateau.It is found that a WRF/Chem model coupled with Shao11 scheme has a better simulation ability in sand region .

Key words：Tibetan Plateau; parameterization scheme; strong sand dust process; WRF/Chem model

、

第一章 引言

沙尘暴是一种主要发生在干旱和半干旱地区的灾害性天气，世界范围内沙尘暴天气多发生于内陆的沙漠地区，主要有中国西北部、非洲的撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、北美西部和澳大利亚中西部地区。Prospero 等^[1]确定了全球多个潜在的尘源区域，其中位于中国的沙源区为塔克拉玛干、古尔班通古特、巴丹吉林、库姆塔格、腾格里以及毛乌素沙漠等。在中国，西北部的沙漠地区以及蒙古戈壁地区发生沙尘暴的频率非常高，尤其在春末至初夏，沙尘暴特别严重。除此之外，青藏高原的中西部地区也是沙尘暴高发中心，其不但是与北方荒漠化地区能够相提并论的非常重要沙源地区,而且它很有可能为全球最高效的沙尘远程传输源区,于某些特定的短时间段内，它甚至为中亚大陆上极为重要的沙尘源区之一^[12]。

国外从二十世纪二三十年代就开始了对沙尘暴的结构、成因、时空分布、监测及对策的研究。20年代最初，Hankin^[2]对印度“安德海”型沙尘暴的上升气流和下沉气流进行了研究。之后，Idso^[4]、Joseph^[5]也前后对雷暴与沙尘暴中湿度场的差别、沙尘暴天气特征以及发生发展的频数和地域等做了很多的研究。Sutton^[3]对“哈布”型沙尘暴进行了一些分析与研究。80年代以来，Jauregui^[7]对发生于墨西哥的沙尘暴天气的时间分布、空间分布进行了一系列的研究，指出在3月份沙尘暴出现的频率是一年中最高的。Brazel^[6]对亚利桑那州的沙尘暴的天气类型做了统计分类。Ott等^[8]曾通过利用Gate及卫星资料研究了非洲撒哈拉上发生的沙尘暴。

我国于70 年代开始对沙尘暴天气进行一些研究，王式功等^[9]通过分析我国沙尘天气的区域特征，指出沙尘暴主要分布在河西地区、南疆盆地、青藏高原东北部，其中两个多发区分别为塔里木盆地和河西走廊东北部至内蒙古的阿拉善地区；钱正安等^[10]对1952-2000年间我国西北以及华北沙尘暴资料进行分析，结果表明我国西北部沙尘暴中心有3个，即以河西走廊及内蒙古阿拉善高原、南疆盆地南缘区、内蒙古中部区；周自江等^[11] 初步分析了发生于中国北方的沙尘暴的时间、空间分布及演变趋势，结果表明强沙尘暴多发区主要位于西北地区东部、华北地区及南疆盆地。

90年代开始，我国一批学者对沙尘暴的动力学问题进行了研究，如周秀骥等^[12]综合分析了发生于2000年春季影响北京地区的沙尘暴过程，指出沙尘暴过程起沙的动力条件与春季冷空气的活动有关。程海霞等^[34]对沙尘暴风场结构的垂直分布、环流场垂直结构等进行了动力学分析,发现影响沙尘暴的高空急流有单急流、双急流乃至三急流。

近年，我国在沙尘暴模式模拟方面进行了一些研究，如康凤琴等^[35]利用MM5中尺度气象模式对2001年4月7日至9日发生在我国强沙尘暴、大风、降雪以及寒潮天气过程进行模拟，结果表明：MM5中尺度模式较好的模拟出了该天气过程的系统变化；吴成来等^[21]利用耦合了Shao方案和GOCART方案的WRF/Chem模式对2002年3月19日至22日的发生于东亚的强沙尘过程进行模拟，结果表明：耦合不同起沙方案的WRF/Chem模式对重要的起沙区域、沙尘浓度的时间空间演变特征以及起沙强度变化等具有较好的模拟能力，但是总的来说，Shao方案能够得到较为合理的模拟结果。

除此之外，国内的一些研究人员仔细分析了中国北方沙尘暴变化趋势，如杨东贞等^[13]统计了近三十年来西北地区沙尘暴发生的频率, 发现70年代沙尘暴发生频率较高, 进入80年代以来呈下降趋势。钱正安等^[10]对近五十年来中国北方沙尘暴分析，发现我国沙尘暴频数变化特点为：六十年代至七十年代频率波动上升，八十年代至九十年代频率波动减少。

与对我国西北部以及蒙古地区沙尘暴的研究相对比，国内外学者对于我国青藏高原沙尘暴的研究非常的少，这个情况引起了国内学者的注意并对青藏高原沙尘暴进行研究，如韩永翔等^[14]认为青藏高原是一个重要的粉尘源区；延昊^[15]等通过对近年来的六次沙尘天气进行遥感识别，并分析了青藏高原上的沙尘来源，结果表明：冬春季青藏高原存在明显的沙尘气候，主要分布在三个地区即藏北高原、藏南谷底以及青海高原区；王金艳等^[16]研究青藏高原沙尘天气的区域特征，指出高原存在三个沙尘天气多发区：藏北高原地区、青海高原的三江(长江、黄河、澜沧江)源地区以及藏南谷地的雅鲁藏布江及其支流河谷地区；张国平等^[17]对西藏自治区土壤风蚀进行宏观分析，发现沙尘天气在空间上的分布情况与土壤风力侵蚀的分布情况有着紧密的联系，并指出高原沙尘主要来源于三个风力侵蚀区：藏南谷地的雅鲁藏布江及其支流河谷、藏北高原以及青海高原的三江源地区；张核真等^[18]通过分析西藏地区1971至2000年沙尘天气时间、空间的分布规律及发生趋势，发现西藏地区沙尘天气主要发生在冬春季即12月至下一年的4月，其中冬季（12月至下一年2月）是西藏地区沙尘天气发生频率最高的季节。赵竹子等^[19]利用源解析的方法对不同因子和潜在源区对青藏高原采样点的贡献率进行分析，结果发现青藏高原地区的大气气溶胶受到其周围地区的自然以及人为因素的影响；方小敏等^[20]对2003年3月3日至5日发生于拉萨的强扬沙天气过程做大气动力学分析，其结果表明：青藏高原具有沙尘暴发生的全部条件，并且强大的上升运动使得不一样粒径的粉尘粒子扬升到不一样的高度。

我国青藏高原海拔高，沙尘暴为西风急流型，其上产生的沙尘暴所扬起的粉尘更易进入西风急流区，随着西风急流被输送至更远的区域，成为远程传输中重要的粉尘源区之一。方小敏^[11]认为青藏高原具有沙尘暴产生的全部条件，并且非常强大的上升运动会使得不一样粒径的粉尘扬升到不一样的高度，较细粒径的粉尘会被西风急流携带、漂移并沉降至遥远的东部地区，而粗粒的粉尘则会在青藏高原东部堆积成粗黄土。综上，可以说青藏高原是一个被忽略的重要粉尘源区。因此，本文我们利用分别耦合了Shao11方案和GOCART方案的WRF/Chem模式来模拟青藏高原的沙尘过程，并通话过分析模拟的结果来判断耦合哪一种方案的WRF/Chem模式更适合用来模拟青藏高原的沙尘过程，最后选择适合起沙方案对高原上四次沙尘过程进行模拟。

第二章 基于WRF模式的沙尘暴数值模拟系统

2.1 WRF模式简介

Weather Research and Forecasting Model(WRF)被誉为次世代的中尺度天气预报模式。第二次世界大战之后，计算机技术快速发展的同时，气象预报技术也随其迅猛发展。在之后的几十年中，一些各自之间相对独立的气象模式被世界各地的气象研究机构研发出来，然而相对独立的气象模式之间缺乏了互换性，导致科研和业务上的信息交流极为不便。于90年代后期，以NCAR（美国国家大气研究中心）和NCEP（美国环境预测中心）等美国科研机构为中心，美国开始开发一种统一的气象模式，并于2000年开发出了WRF模式，为了使其能够应用至现实天气预报之中，WRF模式分为the Nonhydrostatic Mesoscale Model(NMM)和the Advanced Research WRF(ARW)两种，即业务用的和研究用的两种形式，分别由美国国家大气研究中心和美国环境预测中心维持并管理着^[22]。本文中使用的是后者WRF ARW。

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