青藏高原沙漠化对东亚沙尘气溶胶的敏感性模拟分析

为了认识青藏高原严重沙漠化将产生的沙尘气溶胶及其影响,利用全球气溶胶气候模式CAM3.1对青藏高原沙漠化进行了敏感性模拟试验,进而探讨了高原沙漠对东亚大气气溶胶的最大可能贡献。结果表明,青藏高原上潜在的起沙源区主要分布在临近柴达木盆地的高原西部、藏南地区以及青南高原;高原起沙量春季最大,秋季次之,冬季第三,夏季最小。沙漠化的高原除了显著增加了高原上大气沙尘气溶胶的浓度,也显著增加了中国中西部地区近地面大气边界层的沙尘气溶胶浓度,远距离传输至中国中西部地区、东伸到达中国东海岸,甚至朝鲜半岛、日本直至太平洋上空对流层中部的沙尘气溶胶浓度同样增加明显。青藏高原沙源在近源区(即青藏高原及周边地区)的高贡献主要在低层,而在远源区(如日本岛南部海域及中太平洋区域)的贡献主要在高层。高原沙尘气溶胶极易被扬升到西风带,成为全球最高效率的沙尘远程传输源地。青藏高原沙漠化可能使其成为全球重要的沙尘气溶胶源地。     

京津冀地区一次强沙尘天气过程的成因及特征

利用常规污染物监测资料、卫星资料和再分析资料等,对京津冀地区在2017年春季遭遇的一次强沙尘天气过程进行分析。结果表明,此次过程是由地面冷锋过境,高空槽后冷空气持续补充引起,沙源地主要位于巴丹吉林、腾格里沙漠,随后以西北路径输送至京津冀地区。前期沙源地感热通量迅速增大,与中低层冷平流叠加,导致不稳定层结增强,助于起沙;高空强风速带加强并向下延伸,中低层次级环流发展,不但使沙尘传输并下降至地面,而且使高层高动量和高位涡冷空气下传,促进低空急流形成、低层系统发展,使大风及沙尘天气维持;沙尘过境时,地面至4 km高度存在沙尘型气溶胶,PM_(2.5)和PM_(10)浓度变化趋势较一致并达到重度污染水平,且气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)与空气质量指数(Air Quality Index,AQI)具有较好的时空匹配关系,重污染时段AOD值大于1,污染减弱时AOD值降至0.6以下。     

塔克拉玛干沙漠与撒哈拉沙漠沙尘气溶胶光学特性对比研究

基于2007—2021年CALIPSO和MODIS主、被动卫星遥感探测数据,对塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠的气溶胶光学特性时空分布特征进行探究及对比分析。结果表明：（1）两大沙漠的沙尘气溶胶对总气溶胶的贡献率最大,气溶胶类型季节变化的相对单一性反映了塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠地区存在沙漠沙尘排放对总气溶胶成分的显著影响;（2）塔克拉玛干沙漠气溶胶光学厚度AOD的峰值出现在春季（春季>夏季>秋季>冬季）,而撒哈拉沙漠AOD的峰值出现在夏季（夏季>春季>秋季>冬季）;（3）撒哈拉沙漠总气溶胶抬升高度与塔克拉玛干沙漠相近,但近地面层消光系数明显小于塔克拉玛干沙漠;塔克拉玛干沙漠的消光系数平均值在所有季节中均大于撒哈拉沙漠,故塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶AOD比撒哈拉沙漠的大;相比沙漠沙尘气溶胶,塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠都无明显的污染沙尘和抬升烟活动。上述研究结果揭示了两大沙漠源区沙尘气溶胶光学特性的观测事实与利用大气气溶胶时空变化特征反映区域气候变化的可能性。     

青藏高原地区气溶胶直接辐射强迫的数值模拟研究

通过比较EMAC模式模拟结果和卫星观测结果证实了模式的可信性,进而利用模拟结果分析研究了2010～2012年青藏高原上空气溶胶光学厚度及其直接辐射强迫的时空分布规律。结果表明:所有气溶胶组分中,沙尘、水溶性气溶胶和气溶胶中液态水是高原的主要消光物质,三者年平均消光占比分别为0.27、0.20和0.49。2011年夏季纳布罗火山爆发,高空气溶胶消光在海拔14 km以上显著增强。青藏高原气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布总体上由北向南递减,沙尘气溶胶在高原北部边缘大气顶产生正辐射强迫,气溶胶大气层直接辐射强迫对大气有增温效应,主要出现在沙尘含量高的地区。此外,受纳布罗火山爆发的影响,平流层气溶胶在2011年秋、冬季产生了明显较强的负辐射强迫,相比于无火山爆发的2010年和 2012年,青藏高原上空平流层气溶胶负辐射强迫在2011年秋季和冬季分别增加了55.50%和52.38%。     

非洲地区大气气溶胶光学厚度时空变化及亚速尔高压对沙尘越大西洋传输的影响

研究了非洲地区大气气溶胶光学厚度（AOD）的时空变化及沙尘气溶胶越大西洋海区的传输。结果表明：1）源于撒哈拉沙漠的沙尘及其随赤道东风向西输送使得沙尘气溶胶成为非洲沙漠地区和紧邻的大西洋海区的主要气溶胶组分;AOD高值区和沙尘气溶胶光学厚度高值区在1—7月随赤道辐合带北移同步向北移动,而在8—12月则向南回撤。2）刚果盆地大气气溶胶主要为热带雨林和稀树草原排放的有机碳（OC）和黑碳（BC）气溶胶;其中与生物质燃烧源排放有关的OC、BC高值主要集中在干季（6—9月）的后半段（8—9月）;而生物源OC排放全年连续,其排放峰值出现于雨季开始时;生物质燃烧排放高值期与生物源排放高值期前后相继,形成干季（尤其是后半段）时期的OC、BC光学厚度高值。3）亚马逊河入海口地区主要气溶胶组分为海盐气溶胶,9—11月该区风力输送增强,风向由东南风转变为东风,海盐进入亚马逊河入海口处,形成AOD和海盐气溶胶光学厚度高值区。4）撒哈拉沙漠沙尘气溶胶向大西洋传输的偏北月份为7—9月、偏南月份为1—3月;2000—2016年海区沙尘气溶胶的传输路径存在向南移动的变化趋势,与同期亚速尔高压的增强和沙尘传输路径以北北风分量的增强以及赤道辐合带的移动一致。上述研究结果揭示了利用大气气溶胶时空变化特征反映区域大气环流和气候变化的可能性。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟北大核心CSCD

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

恒河流域和蒙古国南部AERONET站沙尘气溶胶光学物理特性对比分析

沙尘气溶胶作为气溶胶的重要类型之一,对全球和区域水分循环以及亚洲季风系统有着重要影响.利用气溶胶自动观测网(AERONET)印度Kanpur和蒙古国Dalanzadgad两个站点数据,采用阈值法提取了沙尘和人为气溶胶信息并进行了对比分析.结果表明,Kanpur站受印度夏季风影响较大,沙尘气溶胶和人为源气溶胶的排放具有叠加效应,远源输送可能是Kanpur站沙尘气溶胶的主要来源.Dalanzadgad站受东亚夏季风影响较小,春季大风带来了大量的沙尘,这可能与大风天气和植被覆盖度低等因素有关,是春季气溶胶光学厚度显著升高的主要影响因素之一,沙尘具有局地起源特征;在其他时段,人为源气溶胶是当地大气气溶胶的主要来源,但总排放量相对较低.此外,Kanpur站所在的恒河流域大气颗粒物绝对含量远远高于Dalanzadgad所在的蒙古国南部地区.在沙尘天气中,两站颗粒物的光学物理特性相似.     

全球不同类型气溶胶光学厚度的时空分布特征

利用MERRA-2(第2版现代研究与应用再分析)资料分析了1980-2017年全球硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐、沙尘及总气溶胶光学厚度的时空分布特征;选取了北美、北非、南非、印度、中国和印度洋6个典型区域研究了硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶对总气溶胶光学厚度的贡献率。结果表明,硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶在全球非均匀分布,并且具有季节变化;全球总气溶胶的光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)在夏季最大(0.137),春季次之(0.130),冬季最小(0.118);在6个典型区域里,北非地区总气溶胶的光学厚度最大,为0.43;其次是中国的东部地区,为0.41;每个区域其主要气溶胶的类型并不相同,在北美、中国东部及印度中部地区,硫酸盐是主导的气溶胶类型,贡献率分别为66%,63%和42%,在印度洋、南非及北非地区,海盐、有机碳和沙尘分别是最主要的气溶胶类型,贡献率分别为65%,51%和82%;对于黑碳、硫酸盐和总气溶胶,中国东部地区和印度中部地区有较为明显的增长趋势,其中总气溶胶光学厚度的线性增长率分别为0.007 a^-1和0.0056 a^-1,但在2010年以后,中国东部地区出现明显的下降。     

基于AERONET的西亚地区气溶胶光学特性

利用AERONET 10个站点的Level2数据分析得到2010-2017年西亚地区多个气溶胶参数(光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)、吸收光学厚度(Absorption Aerosol Optical Depth,AAOD)、波长指数α、粒子体积谱和单次散射反照率(Single Scatt...     

北方沙尘气溶胶光学厚度和粒子谱的反演

利用CE-318太阳光度计在内蒙古额济纳旗、东胜、锡林浩特三地观测的2002年6月喇3年5月间的太阳直接辐射数据，应用消光法反演大气气溶胶光学厚度[AOT（λ），Aerosol Optical Thickness]和粒子谱分布，并分析其变化特征。结果表明，该地区气溶胶光学厚度具有明显的时空变化：春季最大，冬季最小，AOT（λ=440nm）平均最大值为0．78，最小值为0．13。3个观测点中，额济纳旗的光学厚度最大，东胜最小。光学厚度的日变化主要有4种形式：1）早晨高傍晚低；2）早晨低傍晚高；3）早晚低中午高；4）变化平缓。这主要与沙尘天气的发生、大气层结稳定度和人类活动等因素有关。气溶胶粒子谱分布基本符合Junge谱，在粒径0．3μm、0．6μm和1．0μm处出现峰值。但是在不同天气条件下粒子谱有很大差异，在沙尘暴天气中，大粒子和巨粒子数有明显的增加，粒子数浓度要比晴天背景大气大了约一个量级。春季气溶胶粒子数浓度最大，夏秋季次之，冬季最小，但相差不超过一个量级。     

沙尘气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据GADS(Global Aerosol Data Set)计算了冬夏两季4种类型(积聚型、核型、粗粒型和传输型)沙尘气溶胶0.55μm光学厚度的全球分布。通过分析得出,气溶胶的消光系数和垂直厚度对光学厚度的影响很大。全球沙尘气溶胶分布具有明显的季节和地理差异,4个沙尘暴多发区,分别位于北非、中亚地区、澳大利亚西部和北美西部。中亚地区冬季沙尘气溶胶强度和范围比夏季大,北美和澳大利亚地区则相反,冬季光学厚度最大值位于北非的中部地区,而夏季其最大值位于非洲北部靠近大西洋的地区。沙尘气溶胶对<8μm的辐射吸收作用很弱,散射能力较强;对于>8μm的辐射吸收能力很强,吸收带位主要于8~11μm范围内。     

中国沙漠沙尘气溶胶对沙漠源区及北太平洋地区大气辐射加热的影响

针对2001年春季中国沙漠和北太平洋上空沙尘气溶胶的空间分布情况，利用辐射传输模式，分别计算了沙尘气溶胶对沙漠和海洋大气的辐射加热（冷却）率，并讨论了低云、中云、高云对辐射加热率的影响。结果表明:春季，位于中国沙漠和太平洋上空的沙尘层对大气具有明显的加热作用。当沙漠上空光学厚度为1.0，海洋上空光学厚度为0.3时，取春季平均太阳高度角，沙尘层对应的净辐射加热率分别为2.8 K/d和0.4 K/d。由于WMO推荐的沙尘模型比东亚沙尘模型对太阳辐射吸收强，采用该模型计算得到的中国沙漠和海洋上空的加热率比采用东亚沙尘模型分别高1.5 K/d和0.2 K/d。沙尘对大气的加热率很大程度上依赖于沙尘的大气载荷。这种依赖性首先受太阳高度角的影响， 其次也受地表反照率的影响。云对沙尘层辐射加热（冷却）率的影响与云的高度和厚度有关。低云能够加热沙漠和海洋上空的沙尘大气，冷却地面和洋面。中、高云冷却沙漠上空的沙尘层。在海洋上空，中云对云层以上的沙尘层有加热作用，对云层以下的沙尘层有冷却作用。高云对海洋上空沙尘层的辐射加热（冷却）率的影响比较小，加热还是冷却，取决于云的厚度，当云层较薄时，加热沙尘层，而当云层较厚的时候，有可能冷却沙尘层。     

利用MODIS气溶胶产品研究亚洲季风对气溶胶传输及其分布的影响

利用NASA Terra和Aqua卫星MODIS气溶胶卫星产品,统计了亚洲地区气溶胶光学厚度的空间和季节变化特点,发现东亚与南亚两气溶胶光学厚度高值区年际变化类似,季节变化有所不同。同时结合季风区气候条件,分析亚洲季风对气溶胶分布传输的影响,认为南亚气溶胶光学厚度大值区主要是由于南亚季风和高原地形综合作用形成,东亚地区主要是以当地人类活动产生的气溶胶为主,夏季会受到南亚地区气溶胶输送的影响。光学厚度大值区会随着强季风移动。     

黄土高原南部末次冰期以来沙尘气溶胶的气候效应

沙尘气溶胶是地球上分布最广的自然气溶胶类型之一,也是气候系统中的重要成分。沙尘天气严重影响人类生产、生活和居住环境,对气候变化也存在显著作用。近年来,沙尘气溶胶的气候效应得到越来越多的关注和研究,但人们的工作主要集中在对现代沙尘气溶胶的研究,而对过去沙尘气溶胶气候效应的研究不多。本研究利用黄土粒度及沉积特征,根据现代沙尘暴的沉降特点,研究了60 kaB.P以来中国黄土高原南部地区沙尘气溶胶的辐射效应,结果表明：1）沙尘气溶胶产生的辐射效应主要表现在造成行星系统太阳辐射反射量的普遍增加,即沙尘过程具有明显的降温效应。2）气候效应上主要表现为对气候的负反馈。由沙尘粒度引起的行星反照率在全新世适宜期达最大值,而在冰期有最小值出现;在气候降温事件中,沙尘气溶胶造成行星反照率降低;每一次降温事件发生时气溶胶的降温效应会相应减弱。约60 kaB.P以来沙尘气溶胶给年均温度带来的影响是使其平均降幅在－0.8 K左右。3）利用黄土的粒度分布,结合现代气溶胶的观测可以估算地质时期沙尘气溶胶的气候效应。     

耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性

基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002-2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区,沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶(包括黑碳,有机碳和混合碳)地表质量浓度分别占比为53.6％,32.2％,14.2％;在拉萨站点,模拟的气溶胶地表质量浓度被低估,尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度(AOD)时空分布与卫星观测结果较为一致,均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性,模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季.     

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料,结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料,对比验证了激光雷达资料的反演结果,并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度,两者具有较好的相关性,相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大,主要原因是3—5月是当地沙尘频发期,11—12月是居民集中采暖期,沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小,湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42,冬季0．36,秋季0．30,夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多,占总数的一半,且存在季节差异。兰州上空夏季干净,春季浑浊,冬季次浑浊。     

1984～2000年印度洋与中国地区上空对流层中上层及平流层气溶胶变化和输送特征

利用美国SAGE II (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment II)卫星最新版（6.0版）1.020 μm通道逐日气溶胶消光系数资料，得出了对流层中上层及平流层（10 km以上高度）气溶胶光学厚度的平均分布和变化特征。结果表明:气溶胶光学厚度在低纬度大，在印度洋的岛屿上空有三个高值中心，气溶胶光学厚度高值中心与对流层中上层的上升气流的高值中心相对应。与17年(1984～2000年)年平均相比，近6年（1995～2000年）孟加拉湾至青藏高原东南部上空气溶胶光学厚度明显增加；中国东部地区上空气溶胶光学厚度增加，中西部地区则减小。气溶胶光学厚度存在三个经向的增加带和两个经向的减小带。中纬度与赤道之间的布鲁尔-多普森环流（Brewer-Dobson Circulation）带来的低层大气与对流层中上层及平流层之间的气溶胶输送是导致气溶胶这种经向一致变化的主要因素。气溶胶的这种输送产生的近地面大气污染物向中上层大气输送有可能产生重要的气候变化。     

2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度与沙尘天气

利用敦煌、北京等5个观测站的大气光学厚度[AOT(λ)]资料，分析了2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度的时空分布特征。结果表明，在观测期内各站每月都有大气气溶胶光学厚度高值[AOT(λ＝0．50μm)≥1．04]出现，与我国北方历年在春季发生的沙尘天气的一般时空分布特征基本一致。本文还探讨了大气气溶胶光学厚度与水平能见度以及沙尘天气之间的关系。     

近10a中国沙尘气溶胶研究进展

沙尘气溶胶对全球气候变化的影响是当前国内外研究的热点问题。我国学者对沙尘气溶胶也开展了广泛的研究,尤其是在近10年,科研工作者对沙尘气溶胶的物理化学特性及其对气候的影响进行了重点研究。本文主要对沙尘气溶胶的物理特性（浓度、粒径谱分布、垂直分布特征及光学特性）、化学特性以及气候效应等方面的研究进行了综述,并对今后沙尘气溶胶研究中所面临的科学问题进行了展望。