起沙方案及Nudging 對中國西北沙塵模擬的影響

王金艷，王之屹，蘇士翔，陳 敏，張 鑫，陳金車，孫彩霞，謝祥珊，李 旭

（1. 蘭州大學大氣科學學院 甘肅省氣候資源開發及防災減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2. 甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，甘肅 蘭州 730000；3. 甘肅省平涼市氣象局，甘肅 平涼 744000）

沙塵暴作為地球上的極端環境事件，是一種具有突發性和持續時間較短特點的概率小危害大的災害性天氣現象[1]。沙塵可以通過直接效應改變輻射收支[2]，也可以通過間接效應改變云的特性[3]，從而影響著地-氣系統的輻射平衡及降水。此外，沙塵也直接影響著空氣質量和人體健康[4]。東亞是全球沙塵的主要排放源之一，我國北部的戈壁沙漠和西北部的塔克拉瑪干沙漠是亞洲最大的沙塵來源[5]。因此，對我國西北地區進行沙塵模擬具有重要的現實意義。

WRF-Chem 模 式(Weather Research and Forecasting model coupled to Chemistry)是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)、美國能源部/太平洋西北國家實驗室(DOE/PNNL) 和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯合開發的一種氣象模塊(WRF)和化學模塊(Chem)在線完全耦合的新一代區域空氣質量模式。該模式在區域沙塵的模擬方面具有較大優勢[6]。松弛逼近方法(Nudging)是一種通過在控制方程中附加強迫項，逐漸把模式狀態向觀測狀態逼近的同化方法。由于其計算成本較低、易于實現，因此具有很高的實用價值。研究表明，Nudging方法對氣候以及天氣尺度的數值模擬效果均有不同程度的改進[7?8]。

近年來，已有不少研究利用WRF-Chem 模式在我國西北地區進行沙塵模擬且模擬結果均在不同程度上反映出起沙及沙塵分布[6,9?12]，但是適用于我國西北地區沙塵模擬的模式參數設置仍存在著不確定性。對于Nudging 方法，先前大多數研究多集中于該方法對模式模擬的各氣象要素的影響[7?8,13]。目前對于利用WRF-Chem 模式中不同起沙參數化方案結合Nudging 方法對沙塵的模擬結果與衛星及地面觀測資料的對比的研究仍然較少，因此利用不同的起沙參數化方案結合Nudging 方法對我國西北地區的典型沙塵過程進行模式模擬，進而對模擬結果進行對比分析，找出更適合我國西北地區沙塵天氣模擬的起沙方案及其結合Nudging 方法后對模擬結果的影響，對我國西北地區沙塵天氣的準確預報和進一步利用模式研究沙塵天氣的氣候效應具有重要的意義。

利 用WRF-Chem 模 式4.1.3 版 本 耦合GOCARTAFWA(簡稱AFWA)[14]及Shao04[15]起沙參數化方案結合Nudging 方法對2020 年4 月9～11 日我國西北地區的一次典型沙塵天氣過程進行數值模擬，結合衛星及地面觀測數據對模式模擬結果進行驗證，并初步分析2 種起沙方案及Nudging方法對我國西北地區沙塵天氣過程模擬的影響。

1 模式及實驗設計

1.1 起沙方案簡介

式中：cf為植被覆蓋率； ρa為空氣密度；g為重力加速度；u?為 摩擦速度；u?t為臨界摩擦速度。

1.2 Nudging 方法簡介

Nudging 是一種基于動力學的降尺度方法，其核心思想是在數值模式積分的指定時刻，在一個或多個預報方程中增加一個模擬值與觀測值之差的松弛項，在觀測資料的時間段內，使得方程的解逼近觀測值[18?19]，用所得的模式解作為模擬的初值，從而提高模式的模擬效果。

Nudging 方法分為格點Nudging 和譜Nudging2種。先前已有研究發現格點Nudging 方法對地面風場、濕度場和溫度場的改進效果優于譜Nudging方法[20]，因此本研究采用格點Nudging 方法對氣象要素進行逼近。格點Nudging 方法通過使用格點對格點的松弛項逐步逼近分析場，為所嵌套的區域細網格提供更高質量的側邊界條件，從而實現對模式場的優化，見式（7）：

1.3 實驗設計

本研究模擬時間為世界時(下同)2020 年4 月8 日00:00～4 月12 日00:00，共積分96 h，積分的前24 h 作為spin-up 時間不用于后續的分析。模擬區 域 為 緯 向13.3°N ～58.4°N ， 經 向54.9°E～144.3°E，中心點為(100°E，37°N)，水平分辨率為27 km，時間積分步長為60 s，垂直方向劃分為低層加密的48 層，大氣層頂氣壓為100 hPa。氣象驅動場的初始條件和邊界條件來自美國國家環境預報中心(NCEP)FNL 全球再分析資料，分辨率為1°×1°，每6 h 提供1 次。模式使用“冷啟動”方法進行初始化(即大氣中的沙塵濃度初始化為零)。模式采用的物理化學方案及其在模式中的設置，見表1。

表1 模式采用的物理化學參數化方案及設置

在上述設置一樣的條件下，采用AFWA 起沙方案(AFWA)、Shao04 起沙方案(Shao04)、AFWA起沙方案結合Nudging 方法(AFWA_N)、Shao04起沙方案結合Nudging 方法(Shao04_N)共4 組實驗 進 行 模 擬，選 取2020 年4 月9 日00:00 至2020 年4 月12 日00:00 每1 h 輸出一次的結果進行分析。其中AFWA_N 和Shao04_N 實驗采用格點Nudging 方法每6 h 將模式中的風場u、v分量和溫度場向再分析資料逼近一次，逼近系數為0.000 3 s?1。

2 觀測數據簡介

使用了NCEP 的FNL(6 h，1°×1°) 全球再分析資料；全國城市空氣質量實時發布平臺(http://106.37.208.233:20035/)提供的阿克蘇市、和田市、武威市和張掖市PM10逐小時質量濃度監測資料；衛星數據為搭載于Terra 和Aqua 衛星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS) 提供的550 nm 處氣溶膠光學厚度(AOD) 數據(MOD04_L2、MYD04_L2)，空間分辨率為10 km×10 km，時間分辨率為5 min；此外，還有國家林業和草原局荒漠化監測中心(http://www.forestry.gov.cn/zsb/index.html)提供的靜止衛星遙感沙塵監測圖像，見圖1。

3 模擬結果分析

3.1 沙塵天氣過程

2020 年4 月9～11 日，受冷空氣和大風影響，新疆南疆盆地、新疆東部、北疆部分地區以及甘肅河西走廊、內蒙古西部等地出現揚沙、浮塵天氣過程，其中新疆南疆盆地及甘肅西部局地發生沙塵暴，見圖1。圖1b 和c 分別為NCEP/FNL 再分析資料和模式模擬得到的4 月9 日00:00 500 hPa 天氣圖。模擬結果與再分析資料中的500 hPa 位勢高度場一致且很好地再現了高空槽向東南移動發展加深的特征。此次沙塵天氣過程主要起源于蒙古國西南部和新疆南疆盆地，從500 hPa 天氣圖上來看，4 月9 日(圖1b) ，蒙古國西南部出現一高空槽并不斷向東南方向發展加深，等高線密集，高空風速增大，受地面冷鋒影響，該地區出現沙塵天氣并向西南方向傳輸，同時哈薩克斯坦東南部有一低壓槽向東發展且伴隨較強的冷平流，這在之后導致新疆南疆盆地出現沙塵天氣；4 月10 日(圖略)，蒙古國西南部低壓槽移動發展至甘肅中部地區，冷鋒過境帶來較強東北風，上游傳輸使得該地區開始出現沙塵天氣，同時新疆南疆盆地出現等高線密集帶進而造成塔克拉瑪干沙漠出現起沙；4 月11 日(圖略)，甘肅中部地區低壓槽加深發展至我國長三角一帶并逐漸形成閉合的低壓中心，甘肅地區風速減小，沙塵范圍縮小，新疆南疆盆地由于等高線仍較密集，沙塵影響范圍進一步擴大。

圖1 4 月9～11 日沙塵天氣影響范圍(a)及NCEP/FNL 再分析資料和模擬得到的4 月9 日00:00(b、c)500 hPa 高度場(gpm)

3.2 地面沙塵濃度時空分布特征

4 月10 日07:00 的衛星遙感監測圖像,見圖2。此時沙塵區主要分布在新疆西南部和河西走廊一帶，對比模式模擬結果(圖2b～e)，可以看出在整體上4 組實驗均模擬出衛星監測的沙塵區，但在局部存在一定差異。對比4 組實驗得出的地面沙塵濃度，從空間分布來看，AFWA與Shao04 實驗模擬出的沙塵分布在新疆北部略有不同，雖均模擬出衛星監測的沙塵區，但兩組實驗在新疆北部、新疆南疆盆地和蒙古國西部產生了虛假的沙塵分布；相比于AFWA 與Shao04，AFWA_N和Shao04_N 模擬出的沙塵分布有所減小且與監測結果更吻合。從沙塵濃度量值來看，Shao04 方案模擬出的沙塵峰值明顯高于AFWA 方案，在新疆東部及甘肅西部均出現大范圍沙塵濃度＞10 000 μg/m3的區域，區域內峰值達到18 241 μg/m3，AFWA 方案模擬出的沙塵峰值為4 907μg/m3；開啟Nudging 后，兩個起沙參數化方案模擬出的沙塵濃度值整體均有所下降，但AFWA_N 在 區 域 內 的 峰 值 上 升 到6 884 μg/m3，Shao04_N 則下降到15 558 μg/m3。

圖2 4 月10 日07:00 衛星遙感沙塵監測圖(a)及AFWA(b)、Shao04(c)、AFWA_N(d)和Shao04_N(e)4 組實驗模擬的地面沙塵濃度

4 月11 日07:00 的衛星遙感監測圖像,見圖3。此時新疆南疆盆地出現大范圍沙塵區域，同時在新疆北部及甘肅西部也有小范圍沙塵出現。對比該時刻4 組實驗得出的地面沙塵濃度(圖3b～e)，從空間分布來看，AFWA 與Shao04 2 組實驗模擬出更大的沙塵范圍，而AFWA_N 和Shao04_N 模擬出的沙塵分布范圍較小且與監測結果更吻合。從沙塵濃度量值來看，Shao04 方案模擬出的沙塵峰值同樣高于AFWA 方案，Shao04 實驗(圖3c)在新疆南疆盆地東側模擬出濃度＞10 000 μg/m3的區域與衛星監測數據有一定的差異，AFWA 實驗模擬出的沙塵濃度峰值為2 847 μg/m3，Shao04 則為12 654 μg/m3，兩者相差較大；開啟Nudging 后，相比于Shao04，Shao04_N 得出的沙塵濃度峰值明顯降低，達到7 207 μg/m3，AFWA_N 則升至3 349 μg/m3。

圖3 4 月11 日07:00 衛星遙感沙塵監測圖(a)及AFWA(b)、Shao04(c)、AFWA_N(d)和Shao04_N(e)4 組實驗模擬的地面沙塵濃度

綜上所述，AFWA、Shao04、AFWA_N和Shao04_N4組實驗均擁有再現此次沙塵天氣主要的起沙源地和沙塵傳輸過程的能力(4 月9 日圖略)，但相比于不開啟Nudging 的實驗結果，開啟Nudging 的2 組實驗即AFWA_N 和Shao04_N 均更好的模擬出沙塵濃度時空分布特征；在開啟Nudging 的情況下，Shao04_N 實驗即結合了Nudging 方法的Shao04 起沙參數化方案模擬出與衛星監測結果最為接近的沙塵分布。

3.3 氣溶膠光學厚度(AOD)分布特征

以往研究發現，沙塵事件期間大氣中沙塵占總氣溶膠質量和AOD 的90% 以上[30]，因此AOD 總體上可以反映研究過程中該地區沙塵的分布和變化特征。2014 和2015 年，NASA 完成了Aqua 和Terra 衛星MODIS 產品的更新，以提供最新的C6系列數據，提供了一種結合暗像元法(DT)和深藍算法(DB)的AOD 產品，該產品是一種更好的用于定量描述AOD 的產品[31],因此文章采用該數據進行分析。由于模式無法直接輸出550 nm 處AOD，為了與MODIS 提供的AOD 進行對比，利用模式輸出的550 nm 氣溶膠消光系數計算出550 nm 處AOD。

4 月11 日05:50 MODIS 觀測到的AOD 分布以及4 組實驗得出的AOD 分布情況，見圖4。MODIS 觀測到的AOD＞1.8 的區域主要在新疆南疆盆地和甘肅西部。將與MODIS 觀測到的AOD與4 組實驗模擬結果對比，發現Shao04_N 即結合了Nudging 方法后的Shao04 起沙方案與MODIS 的結果最為接近，AFWA 實驗模擬出的AOD 分布較小，Shao04 實驗在新疆東北部和蒙古國西部模擬出了更高的AOD；開啟Nudging 后，AFWA_N 和Shao04_N2 組實驗模擬出的AOD 均有所改進，但相比之下AFWA_N 沒有模擬出甘肅西部的AOD 高值區且在新疆南疆盆地的AOD 高值區范圍略小于Shao04_N，而Shao04_N 則模擬出新疆南疆盆地和甘肅西部的AOD 高值區?？傮w來講，結合了Nudging 方法后的Shao04 起沙方案模擬得到的AOD 與MODIS 觀測反演得到的AOD最吻合。

圖4 4 月11 日05:50 MODIS 衛星觀測反演的AOD(a)及AFWA(b)、Shao04(c)、AFWA_N(d)和Shao04_N(e)4 組實驗模擬的4 月11 日06:00 的AOD

3.4 站點PM10 濃度時間變化特征

選取阿克蘇市環境監測站（后簡稱阿克蘇站）、和田市環境監測站（后簡稱和田站）、張掖市環境監測站（后簡稱張掖站）和武威市環境監測站（后簡稱武威站）4 個站點的PM10與模擬結果進行對比分析，站點信息，見表2。

表2 PM10 觀測站點信息

阿克蘇站、和田站、張掖站和武威站4 個站點處AFWA、Shao04、AFWA_N 和Shao04_N 4 組實驗和站點觀測的PM10隨時間的變化特征，見圖5。在阿克蘇站，雖然4 組實驗均低估了PM10濃度，但不開啟Nudging 的2 組實驗更接近觀測的PM10濃度，其中Shao04 方案的結果最接近觀測值；開啟Nudging 后的2 組實驗則低估了該地區的沙塵濃度。在和田站，不開啟Nudging 的2 組實驗均模擬出4 月9 日20:00 的起沙過程，但起沙時間較觀測值略有提前，其中AFWA 方案低估了觀測的PM10峰值，Shao04 方案與觀測值最為接近；開啟Nudging 后的2 組實驗則沒有很好地反映出和田站的PM10變化情況。在張掖站,4 組實驗均反映出該地區的起沙過程,但相比于觀測結果均有一定的滯后和低估,其中Shao04_N 實驗的模擬結果與觀測值最為接近,其他3 組實驗則表現相當。在武威站，開啟Nudging 的2 組實驗雖對觀測的PM10峰值略有低估，但相比于不開啟Nudging 的2 組實驗，AFWA_N 和Shao04_N 均更好的描述了該地區的PM10變化特征，其中Shao04_N 實驗的模擬結果與觀測值最接近。

圖5 4 月9～2 日不同站點模式模擬和觀測的PM10 濃度時間序列

綜上所述，對于起沙方案對模擬結果的影響來說，無論是在新疆南疆盆地(阿克蘇站、和田站)還是沙塵影響區(張掖站、武威站)，Shao04 方案模擬的PM10濃度均更接近觀測值，這也與之前其他學者的研究結果相一致[9]；對于Nudging 方法對模擬結果的影響，在新疆南疆盆地不開啟Nudging 的模擬結果與觀測值更為接近，在沙塵影響區開啟Nudging 后的模擬結果表現更優。

3.5 風場對模擬結果的影響

4 月11 日06:00NCEP/FNL 再 分 析 資 料 觀 測和4 組實驗模擬所得的10 m 風場結果，見圖6 開啟Nudging 后的2 組實驗模擬出的風場要更接近再分析數據的風場，說明Nudging 方法對模式風場模擬結果的改進效果比較明顯。在甘肅西部、新疆東北部和蒙古國西部地區，開啟Nudging 后的風速均有所降低，風速的降低導致起沙方案中計算垂直沙塵通量所需的摩擦速度減小，從而造成起沙的減少。這也可以解釋與圖6 的時刻相對應的圖4 中開啟Nudging 后的2 組實驗(圖4d、e)AOD 高值區范圍的減小。同時風場與真實情況更為接近使得摩擦速度也更接近真實值，從而導致模式模擬出的沙塵范圍及濃度大小更接近真實情況。

圖6 NCEP/FNL 再分析資料(a)與AFWA(b)、Shao04(c)、AFWA_N(d)和Shao04_N(e)4 組實驗模擬的4 月11 日06:00 地面10 m 風場(m·s?1)

4 結果與討論

文章耦合了AFWA 和Shao04 起沙參數化方案并結合Nudging 方法，利用WRF-Chem 模式對2020 年4 月9～11 日我國西北地區的一次沙塵天氣過程進行模擬，結合地面和衛星觀測數據對模式模擬沙塵的能力進行驗證，分析了不同起沙方案及其結合Nudging 方法后對模式模擬結果的影響，主要結論如下。

（1）將模式結果與衛星遙感的沙塵分布及AOD分布進行對比，發現AFWA 和Shao04 起沙方案均能模擬出此次過程的起沙和沙塵時空分布特征，開啟Nudging 后2 種起沙方案對沙塵分布的模擬效果均有所改進。

（2）將模式結果與站點PM10監測結果進行對比，發現在沙塵源區(新疆南疆盆地)，Nudging 對模擬的站點PM10濃度結果改進不明顯；而在沙塵影響區,開啟Nudging 后的模擬結果更接近監測值，改進效果比較明顯。

（3）綜合分析沙塵時空分布及站點PM10濃度，結合了Nudging 方法的Shao04 起沙方案模擬效果與實際情況最為接近。

（4）Nudging 方法對模式模擬風場的能力改進較為明顯，導致模式輸出的摩擦速度更接近真實情況，從而提高了模式對沙塵的模擬能力。

結果表明，對于時間尺度較短的沙塵天氣過程的預報，Nudging 方法依然可以優化模式模擬結果。在Nudging 方法對沙塵天氣預報的影響方面，本文僅考慮了格點Nudging 方法，在未來的工作中可以進一步討論譜Nudging 方法對沙塵預報的影響以及更適合沙塵天氣預報的Nudging 參數設置；在模式沙塵分布的驗證方面，本文僅考慮了水平方向，在后續工作中可以利用更多數據對模式在沙塵垂直方向上分布的模擬能力進行更為全面的分析。