风速和植被对内蒙古地区沙尘天气影响的数值模拟

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00050

摘要/Abstract

摘要：

利用WRF-Chem模拟研究了植被覆盖率和风速对内蒙古地区一次沙尘过程起沙、输送及沙尘粒径分布的量化影响。同时基于内蒙古地区119个国家站1991—2020年沙尘日数据及中国全球大气再分析数据统计了内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数、风速及植被覆盖率时空分布。结果表明，内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数减小，植被覆盖增加，纬向（经向）风在内蒙古沙尘多发区显著减小。植被覆盖增加对沙尘的影响强于风速减小：植被覆盖率增加5%与风速减小30%对起沙的削减相当，且植被和风速均对沙源地小粒径沙尘的削减作用更强。因此植树造林可以选在细沙粒为主的半荒漠化地区优先开始，在保护原生植被和合理利用水资源的基础上，植树造林最终使植被覆盖率增加10%~15%即可。

关键词: 沙尘频数, 风速, 植被覆盖率, WRF-Chem模式, 沙尘浓度, 粒径

Abstract:

The quantitative effects of vegetation coverage and wind speed on the initiation， transport and sand size distribution of a dust process was studied by WRF-Chem in Inner Mongolia. At the same time， based on the dust data of 119 national stations in Inner Mongolia during 1991-2020 and the global atmospheric reanalysis data of China， the temporal changes and spatial distribution of total dust weather frequency， wind speed and vegetation coverage were counted. It is found that the frequency of total dust weather had decreased， the vegetation coverage had increased， and the zonal （radial） wind had significantly decreased in the areas with high dust rates of Inner Mongolia during 1991-2020. The effect of increasing vegetation cover on dust weather was significantly stronger than that of wind speed： the 5% increase in vegetation cover was comparable to the 30% decrease in wind speed that reduces sand emission. Both vegetation and wind speed have a stronger effect on the reduction of small particle size dust in the dust source. Therefore， desertification control projects such as afforestation should first be carried out in semi-desertification areas with fine particles， and on the basis of protecting native vegetation and rational use of water resources， the final vegetation coverage of afforestation can be increased by 10%-15%.

Key words: dust frequency, wind speed, vegetation coverage, WRF-Chem mode, dust concentration, particle size

中图分类号:

P427.2

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图/表 13

图1 内蒙古118个国家观测站的空间分布

Fig.1 The spatial distribution of 118 national observation stations in Inner Mongolia

图2 1991—2020年平均沙尘天气频数空间分布

Fig.2 The spatial distribution of the average frequency of dust weather in Inner Mongolia from 1991 to 2020

图3 内蒙古地区1991—2020年扬沙、浮尘、沙尘暴及总沙尘天气频数的时间变化（点划线为总沙尘天气频数的趋势线）

Fig.3 The time changes of frequency of sand lifting， dust floating， sandstorms and total dust weather in Inner Mongolia from 1991 to 2020， and the dotted line represents the trend of total dust weather frequency

图4 1991—2020年内蒙古及周边地区春季平均纬向（A）和经向（C）10 m高度风速（单位：m·s-1）及纬向（B）和经向（D）气候态变率（单位：m·s-1·a-1）的空间分布（打点区域通过90%的信度检验）

Fig.4 Spatial distribution of zonal （A） and meridional （C） average wind speed at 10 m height and zonal （B） and meridional （D） climatic variability in spring in Inner Mongolia and surrounding areas from 1991 to 2020. The dotted area passed the 90% reliability test

图5 1991—2020年内蒙古及周边地区年（A）、春季（C）平均植被覆盖率（%）及年（B）、春季（D）气候态变率（单位：%·a-1；打点区域通过90%的信度检验）

Fig.5 Spatial distribution of average vegetation coverage （unit： %） in year （A） and spring （C） and climatic variability （unit： %·a-1） in year （B） and spring （D） in Inner Mongolia and surrounding areas from 1991 to 2020. The dotted area passed the 90% reliability test

图6 模式初始时刻海平面气压场（单位：hPa）与地面风场（单位：m·s-1）。黑色矩形框为模拟试验修改风速的区域，蓝色矩形框为模拟试验修改植被覆盖率的区域

Fig.6 The sea level pressure field （unit： hPa） and wind field （unit： m·s-1） at the initial moment of the model. The black rectangular box area represents the windy area which was modified in sensitivity experiments， and the blue recta-ngular box area represents the vegetation cover was modified by the simulation experiment

表1 敏感性试验分组

Table 1 Subgroup of sensitivity experiments

植被覆盖率敏感性试验分组	植被覆盖率变化方案	风速敏感性试验分组	风速变化方案
casev1	+5%	casew1	-20%
casev2	+10%	casew2	-30%
casev3	+15%	casew3	-40%
casev4	+20%	casew4	-50%

图7 2019年5月15日04:00实际（A）及casev1（B）、casev2（C）、casev3（D）、casev4（E）、casew1（F）、casew2（G）、casew3（H）、casew4（I）模拟起沙量（单位：μg·m-2）的空间分布。黑色矩形框为此次沙尘过程的沙源地，黑色圆点分别表示蒙古国南部站点（43.12°N，109.21°E）和二连浩特（43.39°N，112.00°E）

Fig.7 The spatial distribution of actual sand emission （A） and sand emission （unit： μg·m-2） simulated by casev1 （B）， casev2 （C）， casev3 （D）， casev4 （E）， casew1 （F）， casew2 （G）， casew3 （H）， casew4 （I） at 04:00 on May 15， 2019. The black rectangular box area is sand source， and the black dots indicate the southern site of Mongolia （43.12°N，109.21°E） and Erenhot （43.39°N，112.00°E）

图8 蒙古国南部（A）、二连浩特（C）实际起沙量和模拟的不同植被、不同风速下蒙古国南部（B）、二连浩特（D）起沙量

Fig.8 The actual sand emission of southern Mongolia （A） and Erenhot （C）， and the simulated sand emission of southern Mongolia （B） and Erenhot （D）

表2 蒙古国南部与二连浩特总起沙量和植被、风速对总起沙量的削减率

Table 2 Total sand emission and the reduction of total sand emission by vegetation and wind in southern Mongolia and Erenhot in different sensitivity experiments

分组	蒙古国南部		二连浩特（第一次）		二连浩特（第二次）
分组	总起沙量/（μg·m^-2）	削减率%	总起沙量/（μg·m^-2）	削减率/%	总起沙量/（μg·m^-2）	削减率/%
实际	6 673.8	—	11 145.0	—	722.3	—
casev1	2 362.8	64.6	2 634.8	76.4	63.4	91.2
casev2	365.5	94.5	444.0	96.0	0.0	100.0
casev3	13.9	99.8	38.6	99.7	0.0	100.0
casev4	0.0	100.0	0.0	100	0.0	100.0
casew1	2 918.7	56.3	4 419.1	60.3	417.9	42.1
casew2	2 013.6	69.8	2 938.5	73.6	270.8	62.5
casew3	1 199.2	82.0	1 869.8	83.2	199.1	72.4
casew4	884.5	86.7	1 502.7	86.5	170.5	76.4

图9 5月15日04:00实际（A）及植被、风速敏感性试验中casev1（B）、casev2（C）、casev3（D）、casev4（E）、casew1（F）、casew2（G）、casew3（H）、casew4（I）对应的临界摩擦速度的空间分布。栅格表示该时刻沙尘的起沙量在50~3 000 μg·m-2，蓝色框表示此次过程的沙源地

Fig.9 The spatial distribution of actual critical friction velocity （A） and critical friction velocity simulated by casev1 （B）， casev2 （C）， casev3 （D）， casev4 （E）， casew1 （F）， casew2 （G）， casew3 （H）， casew4 （I） at 04:00 on May 15. The black grid area indicates sand emission flux is 50-3 000 μg·m-2. The blue box area indicates the sand source of the process

图10 沙源地二连浩特不同粒径对起沙量的实际贡献率（A）及植被、风速敏感性试验中casev1 （B）、casev2 （C）、casev3 （D）、casew1 （E）、casew2 （F）、casew3 （G）、casew4 （H）模拟的贡献率

Fig.10 The actual contribution rate （A） of different particle sizes to the sand emission in Erenhot and contribution rates simulated by casev1 （B）， casev2 （C）， casev3 （D）， casew1 （E）， casew2 （F）， casew3 （G）， casew4 （H）

图11 沙源地下游白城站不同粒径沙粒对地面沙尘浓度的实际贡献率（A），植被覆盖率（B）和风速（D）敏感性试验中不同粒径的浓度，植被覆盖率（C）和风速（E）对不同粒径浓度的削减率及植被覆盖率（F）和风速（G）与地面沙尘浓度的拟合

Fig.11 The actual contribution rate of different sizes particle to the surface sand concentration （A） in Baicheng Station in downstream of the sand source， the concentration of different sizes particle in different vegetation coverage （B） and wind speed （D） sensitivity tests， the concentrations reduction rate of vegetation coverage （C） and wind speed （E） to different sizes particle， and fitting of surface sand concentrations in different vegetation coverage （F） and wind speed （G） sensitivity experiments

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