通过改进Revised-MM5方案中风廓线参数提高塔克拉玛干沙漠沙尘模拟

《Atmospheric Environment: X》：Improving Dust Simulation over the Taklimakan Desert through Refinement of Wind Profile Parameters in the Revised-MM5 Scheme

　　

塔克拉玛干沙漠是世界上第二大流动沙丘沙漠，是中国西北部和东亚地区的主要沙尘源，其排放物对全球沙尘循环贡献显著。因此，改进该区域的沙尘预报至关重要。为了解决Revised MM5地表层方案中风廓线函数在塔克拉玛干沙漠适用性有限的问题，研究人员利用塔中站的湍流和梯度观测重新校准了该方案的稳定性参数，并通过敏感性实验评估了影响。估计的冯·卡门常数（k）平均值为0.41，接近经典值（0.40）。重新校准的稳定性参数（不稳定条件下γ_m = 19.0；稳定条件下β_m = 5.8）处于预期理论范围内。使用修订后的参数改进了62%站点10米风速的相关系数（R），同时分别降低了76%和71%站点的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE），在2020年3月至5月的早晨和下午过渡时段改进尤为明显。对于沙尘浓度，所有站点的PM₁₀ MAE和RMSE降低了1–6.5%。对于PM_2.5，R提高了1–4%，MAE和RMSE降低了1–6.8%。沙漠西北部和东部区域的气溶胶光学厚度（AOD）降低了0.1–0.2，有效减少了模型在沙尘模拟中的系统性高偏差。

### 论文解读

#### 研究背景与问题
塔克拉玛干沙漠作为全球第二大流动沙丘沙漠，是东亚地区最为活跃的沙尘源之一，其沙尘排放对区域及下游气候、环境和公共健康具有显著影响。近地面风速是驱动沙尘排放和传输的关键因子，而数值天气模式中地表层参数化方案对风速模拟的准确性直接影响沙尘预报的可靠性。当前广泛使用的Revised MM5地表层方案基于Monin-Obukhov相似理论（MOST，描述近地面层湍流交换），其风廓线函数中的稳定性参数（γ_m、β_m）主要源于美国堪萨斯及澳大利亚等非沙漠地表的观测资料，缺乏对干旱沙漠区域独特地表异质性（如低热容量、强太阳辐射、复杂沙丘地形）的适配。已有研究表明，MOST在塔克拉玛干沙漠仍基本适用，但关键参数需进行局地校准。然而，系统性地将沙漠特定参数引入数值模式并评估其沙尘模拟影响的研究仍较为有限。因此，基于沙漠内部实测数据优化Revised MM5方案中的风廓线参数，对于提升沙尘预报精度具有重要的科学和实际意义。

#### 研究内容与结论
研究人员利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中站（Tazhong station）2020年全年的80米梯度风和涡动相关观测数据，重新校准了Revised MM5方案中风廓线函数的稳定性参数，并基于WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry，气象与化学耦合的区域空气质量模式）开展了敏感性实验，对比了控制实验（CNTL）与修订后实验（REVISED）在近地面风速和沙尘浓度模拟中的表现。研究发现，校准后的冯·卡门常数（k）均值为0.41，接近经典值0.40；不稳定条件下的γ_m为19.0，稳定条件下的β_m为5.8，均处于理论预期范围内。修订后的参数显著改善了塔克拉玛干沙漠及周边区域的风速模拟：62%站点的10米风速相关系数（R）提高，76%和71%站点的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）降低，尤其早晨和下午过渡时段改进效果最为突出。在沙尘浓度方面，所有站点的PM₁₀和PM_2.5误差均有下降，PM_2.5的R提高1–4%，MAE和RMSE降低1–6.8%。气溶胶光学厚度（AOD）在沙漠西北部和东部降低0.1–0.2，有效缓解了模型在沙尘气溶胶负荷上的系统性高偏差。该研究发表于《Atmospheric Environment: X》。

#### 主要关键技术方法
研究中涉及的关键技术方法包括：使用塔中站80米气象塔（2020年1月1日至12月31日）获取的梯度风（10个高度层：0.5、1、2、4、10、20、32、47、63、80米，时间分辨率30分钟）和涡动相关湍流观测数据；通过严格的质量控制流程（剔除仪器故障、缺失值、低风速、风向方差大、摩擦速度低、降水时段数据）筛选有效记录；基于Monin-Obukhov相似理论，利用非线性拟合方法从观测数据中估计冯·卡门常数（k）及稳定性参数（β_m、γ_m）；采用WRF-Chem v4.3模式，设置9公里水平网格间距、100 hPa顶层、32个垂直sigma层，物理参数化方案包括RRTMG短波和长波辐射、Lin微物理、New Grell积云、YSU边界层、Revised MM5地表层、Noah陆面，化学机制采用MOZART和GOCART，沙尘排放方案为GOCART；气象初始和边界条件来自NCEP FNL（0.25°×0.25°），模拟时段为2020年3月1日至5月31日。此外，使用中国气象局国家参考站的地面观测数据、国家环境监测中心PM₁₀/PM_2.5逐时数据以及MODIS MAIAC（多角度大气校正算法）气溶胶光学厚度（AOD）卫星产品（1公里分辨率）进行模型验证。

#### 研究结果

**3.1 参数估计**
通过分析塔中站观测数据，在近中性条件下（-0.01 < z/L < 0.01），估计的冯·卡门常数（k）均值为0.41，与经典值0.40接近，验证了观测数据的可靠性。在不稳定条件下（z/L < -0.01），γ_m均值为19.0，大于方案默认值16.0；在稳定条件下（z/L > 0.01），β_m均值为5.8，略小于默认值6.1。两者均处于理论预期范围内，研究人员据此将校准后的β_m和γ_m值代入Revised MM5方案进行敏感性实验。

**3.2 近地面风速评估**
对比控制实验（CNTL）和修订实验（REVISED）在2020年3–5月期间的10米风速模拟，发现REVISED总体上减少了模型在多数站点的高估偏差，尤其在和田（Hotan）和阿克苏（Aksu）改进最为明显。在塔中站，REVISED降低了各高度的均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE），使平均风速廓线更接近观测，但未能完全修正低风速峰值的概率密度分布。在42个气象站上，62%的站点相关系数（R）提高，76%和71%的站点MAE和RMSE分别降低，最大降幅分别为0.05和0.07。改进效果在凌晨（03:00–06:00 LST）和下午（13:00–16:00 LST）过渡时段最为显著，表明校准后的风廓线函数在多数地区增强了模拟性能。

**3.3 沙尘浓度评估**
通过对比CNTL和REVISED模拟的PM₁₀浓度，REVISED显著降低了沙尘峰值期间的正常偏差，其中阿克苏、喀什（Kashi）、和田、阿图什（Atushi）的峰值阶段高估减少约1000–2000 μg m^-3。所有站点的PM₁₀ MAE和RMSE降低0.6%–6.5%，喀什和阿克苏的降幅最大。对于PM_2.5，REVISED在多数站点提高了相关系数（R增加1%–4%），除阿克苏略有下降外，所有站点的MAE和RMSE降低1.0%–6.8%，喀什和阿图什改进最大。这表明修订后的方案同时改善了粗颗粒和细颗粒沙尘的模拟精度。

**3.4 气溶胶光学厚度（AOD）评估**
基于MODIS MAIAC AOD产品（0.55 μm）的日均值（匹配MODIS过境时间约03:30–08:00 UTC），CNTL和REVISED均能再现AOD在塔克拉玛干沙漠西北部增强的空间分布，但两者均存在系统高估。REVISED相比CNTL，在沙漠西北部和东部区域AOD降低0.1–0.2，新疆区域平均AOD降低约0.01，表明修订后的参数部分缓解了模型在沙尘气溶胶负荷上的系统性高偏差，改善了其空间分布。

#### 讨论与结论
讨论部分指出，校准后的参数（γ_m=19.0, β_m=5.8）与经典值接近，验证了MOST在极端干旱沙漠地表的基本适用性，但细微偏差反映了沙漠特有的湍流特征：不稳定条件下β_m升高（19.0 vs 16.0）归因于强对流时增强的湍流混合效率，稳定条件下β_m降低（5.8 vs 6.1）则因光滑沙面抑制了机械湍流导致的垂直耦合减弱。尽管改进效果显著，但沿沙漠西、东北、东南边缘的站点仍存在误差增大，这可能源于单站校准无法代表整个沙漠的空间异质性（如绿洲-沙漠对比、复杂地形），未来需结合多站点观测和空间可变参数化方案。此外，沙尘模拟中PM₁₀峰值仍存在高估，可能与默认排放效率过高有关，需进一步研究。研究还指出，改进主要针对稳定和弱不稳定条件，强不稳定或极端沙尘暴条件下的表现需进一步验证，且仅基于2020年春季的单季评估，年际稳健性有待检验。

**结论翻译**
利用塔中站2020年80米气象塔的梯度风和涡动相关测量，研究人员修订了Revised MM5地表层方案中风廓线函数的稳定性参数，并通过敏感性实验量化了对近地面风速和沙尘浓度模拟的影响。主要结论如下：
(1) 在近中性条件下，观测的冯·卡门常数均值为k=0.41，接近经典值0.40。校准后的稳定性参数（不稳定条件下γ_m=19.0，稳定条件下β_m=5.8）处于预期理论范围内，支持了校准的有效性。
(2) 对于10米风速，修订后的参数提高了塔克拉玛干沙漠及其周边62%站点的相关系数，MAE和RMSE分别降低76%和71%的站点。改进效果在凌晨和下午过渡时段最为显著，表明校准后的风廓线函数在多数位置增强了性能。
(3) 对于沙尘浓度，所有站点的PM₁₀ MAE和RMSE降低0.6%–6.6%，喀什和阿克苏降幅最大。对于PM_2.5，除阿克苏（略有下降）外，所有站点的R提高1%–4%，MAE和RMSE降低1.0%–6.8%，喀什和阿图什改进最大。
(4) 塔克拉玛干沙漠西北部和东部区域平均AOD降低约0.1–0.2，新疆区域平均AOD降低约0.01。这些结果表明，提出的校准方案缓解了模型在沙尘气溶胶负荷上的系统性高偏差，并改善了模拟的沙尘空间分布。