中国西北地区气溶胶的三维分布特征及其成因

利用CALIPSO卫星遥感资料研究中国西北地区气溶胶的三维分布,分区域按类别讨论气溶胶的出现频率和气溶胶光学厚度（AOD）,并在此基础上,结合MERRA-2再分析数据探讨形成原因。结果表明：中国西北地区气溶胶含量较高,以沙尘和污染性沙尘为主,主要分布在塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和甘肃-内蒙古一带。气溶胶的出现频率季节变化不大,大气中气溶胶含量及其三维分布则有明显的区域性差异和季节变化。夏季,由于大气上升运动明显,气溶胶分布较高,部分气溶胶可以被输送到天山山脉、青藏高原主体,甚至8 km的高空。塔克拉玛干沙漠的气溶胶以自然沙尘为主,主要分布在4 km以下,受地形影响该地区局地环流明显,三维分布主要取决于局地排放和垂直输送,AOD的季节变化与沙尘排放一致,春季>夏季>秋季>冬季。古尔班通古特沙漠和甘肃-内蒙古一带的气溶胶消光系数较小且分布零散,气溶胶种类复杂,除了自然沙尘还有大量的污染性沙尘（出现频率约为0.15,AOD约为0.03,甚至可以大于自然沙尘）、污染性大陆气溶胶和烟尘。这是因为,这些地区受局地排放和远距离输送的共同影响,上游气溶胶在西北风的作用下输送而来和局地排放的气溶胶混合并继续向下游输送,沙尘气溶胶经过远距离输送变性为污染性沙尘。     

基于CALIPSO星载激光雷达的中国沙尘气溶胶观测

基于2006年6月至2012年5月无云条件下CALIPSO星载激光雷达观测资料,分析中国典型地区（塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、戈壁区和华北）沙尘气溶胶分布。结果表明：塔克拉玛干沙漠和戈壁区为沙尘天气发生频率高值区,且前者在各高度层的沙尘发生频率都大于后者。沙尘发生呈季节性分布。塔克拉玛干沙漠在春季沙尘发生频率最大,抬升最高可至10 km,冬季频率最小,高度最低,主要分布在3 km以下。戈壁区在春季沙尘发生频率、抬升高度最大,冬季抬升高度最低,但低层发生频率大于夏、秋两季。在塔克拉玛干沙漠,沙尘光学厚度春季最大约为0.44,冬季最小约为0.17,春,冬季消光系数峰值最大,可达0.25 km^-1,且随高度的递减率大于夏,秋季。在戈壁区和柴达木盆地,沙尘光学厚度春季最大、秋季最小。在华北,沙尘光学厚度春季最大、夏季最小,消光系数在2 km以上春季最大,这主要是由于春季远距离高空传输到华北的沙尘量最多。塔克拉玛干沙漠与柴达木盆地的退偏比为0.2~0.35,戈壁区为0.16~0.28,可能是由于塔克拉玛干沙漠的物质组成与柴达木盆地相同,而与戈壁区不同。华北因低层沙尘与其他气溶胶混合导致退偏振比廓线随高度递增。4个区域对流层上部退偏比全为0.2,表明高空气溶胶可能为来自相同源区的沙尘。     

咸海地区粉尘气溶胶动态变化及潜在扩散特征

咸海水位不断下降导致湖滨荒漠化加剧,尘暴频发,区域环境恶化。利用臭氧观测仪（OMI）气溶胶数据和HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模型,对咸海地区近期粉尘气溶胶变化及其潜在扩散特征进行了研究。结果表明：2005年以来,咸海地区粉尘活动不断增强,OMI气溶胶指数年平均值、方差、中值和最大值均呈现快速增加趋势,2013年OMI气溶胶指数平均值已经上升至1.47;OMI气溶胶指数具有明显的季节变化特征,春季（3-5月）和秋末初冬（11月-次年1月）是两个气溶胶指数峰值区;在相同时间内,春季和冬季的粉尘潜在扩散范围最大,秋季次之,夏季最小,且粉尘潜在扩散表现出明显的经向和纬向扩散特征;受气流和地形影响,粉尘潜在扩散主要有东北和西南两个方向。     

东亚沙尘源区晴空和云上沙尘气溶胶特征

利用2006年6月至2012年12月的CALIPSO Level 2 VFM产品、5 km分辨率的Aerosol Profile、Cloud Layer产品以及MISR反演的产品,揭示了东亚地区不同高度层上沙尘的时空分布特征,重点对比分析了东亚沙尘源区晴空和云上沙尘的垂直分布特征、消光系数和光学厚度。结果表明：塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠是东亚沙尘的主要源区,沙尘出现频率具有显著的季节差异,春季最多,夏秋相当,冬季最少,无论在晴空还是有云条件下,前者出现频率大于后者。对于同一地区而言,云上沙尘出现的最大高度较晴空沙尘更高。塔克拉玛干沙漠云上沙尘消光系数高值区集中在2~4 km,而戈壁沙漠则集中在3~5 km,但是在云层之上晴空和云上沙尘消光系数差别不大。塔克拉玛干沙漠以沙尘气溶胶为主,约占总气溶胶光学厚度的77%,晴空和云上沙尘光学厚度平均值分别为0.22和0.15;戈壁沙尘气溶胶约占总气溶胶光学厚度的52%,晴空和云上沙尘光学厚度的平均值分别为0.09和0.06。     

1991-2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子

利用全球气候模式CAM5.1的20年(1991—2010年)沙尘气溶胶排放量模拟,分析全球沙尘气溶胶排放量的时空变化及其大气环流影响因子。结果表明:20年全球年平均沙尘气溶胶排放总量为1 152±28 Mt,全球沙尘气溶胶排放源主要集中在北非、阿拉伯半岛和中亚、东亚、澳大利亚及北美沙漠地区。北非沙漠地区作为全球最大的沙尘排放源区,占全球沙尘源总量的61.8%。各沙漠区均有显著的沙尘排放的季节变化和年际波动,沙尘气溶胶呈现春、夏季强排放和秋、冬季弱排放的季节循环。相对于沙尘排放的季节变化,其年际变化幅度明显偏弱。基于大气环流指数与沙尘气溶胶排放年际变化的相关显著程度,确定主要影响全球和主要沙漠地区沙尘排放量的大气环流因子:南方涛动指数SOI、北极涛动AO、南极涛动AAO、大西洋年际振荡指数AMO、北太平洋遥相关指数NP以及西太平洋指数WP。全球主要沙漠地区沙尘排放量与大气环流因子之间的相关性具有明显的区域分布特征,在同一沙漠的不同区域甚至可以表现出正负相反的相关性。热带海气相互作用的ENSO循环中,拉尼娜年(厄尔尼诺年)北非地区的沙尘排放量偏多(少),阿拉伯半岛和中亚地区的沙尘排放量偏少(多)。     

中国气溶胶分布的地理学和气候学特征

中国人口地理分界线——胡焕庸线根据人口、地理,气候和经济等特点把中国(不包括港、澳、台地区)分为东、西两部分。用2000~2010年MODIS大气气溶胶光学厚度(AOD)资料,分析气溶胶分布的地理学和气候学特征后发现,胡焕庸线还可被视为中国气溶胶地理学的分界线,在其两侧气溶胶的性质和浓度都有明显差别。在人口稠密和海拔较低的东部,由人类活动产生的气溶胶为主,年平均AOD约为0.45;在西部,自然过程释放的气溶胶主导的AOD约为0.25。近10 a来东部AOD的年际间变化呈现增加趋势,西部AOD出现微弱减少的趋势。东部人为气溶胶年际间变化受亚洲季风影响。西部自然气溶胶年际间变化主要受沙漠地区沙尘气溶胶排放源的影响,沙尘天气过程主要控制其气溶胶的释放。     

2007-2017年中国沙尘气溶胶的三维分布特征及输送过程

利用最新发布的CALIPSO产品，构建了2007-2017年中国沙尘气溶胶的三维分布，并结合HYSPLIT-4模式和再分析数据，探讨了沙尘的三维输送过程。结果表明：中国的沙尘排放源区主要是塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠，沙尘气溶胶出现频率分别为60%和35%。塔克拉玛干沙漠排放的沙尘主要（50%~70%）停留在源地0~6 000 m高度，少部分向东输送至甘肃和内蒙古；巴丹吉林沙漠排放的沙尘则主要向东输送。中国沙尘排放量在春季最大，向东输送最强；夏季，东亚夏季风限制了沙尘向东输送；秋季，沙尘排放减弱，输送强度和夏季相当；沙尘排放量在冬季最小，输送最弱。夏季，沙尘在输送过程中可被抬升至高度5 000 m以上，春季次之，秋、冬季的沙尘主要在低层大气输送。沙尘在向东输送的过程中被抬升并和当地人为污染物混合变为污染性沙尘，华北地区污染性沙尘出现频率高达30%；输送到海洋的沙尘也会与洋面上（0~3 000 m高度）的海盐气溶胶混合，出现频率约为10%。     

中国北部一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布及输送特性

利用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,结合气溶胶模式模拟,分析了2011年4月28—30日发生的强度较大的一次沙尘远距离输送过程中气溶胶的时空分布特征及输送特性。结果表明,此次沙尘过程有两个源区,分别为中国南疆盆地和蒙古国中南部,并在沙尘输送过程中交汇于内蒙古西南部和甘肃地区;源区一（南疆盆地）沙尘主要分布高度在1 km以下,退偏振比平均在0.35左右,色比值平均在0.6左右,且沙尘在输送过程中被抬升到自由对流层,并先后影响内蒙古西南部、甘肃、宁夏等地区,输送到内蒙古、甘肃地区时沙尘主要分布在2.5～3 km高度,退偏振比主要分布在0.3～0.5,色比值主要分布在0.5～0.9。源区二（蒙古国中南部）沙尘先后影响内蒙古中西部地区、甘肃、山西北部、内蒙古中东部地区、河北北部、北京天津和东北地区西部部分地区,沙尘输送到中国内蒙古东部、北京、河北等地区时主要分布在1～4 km高度,退偏振比值主要集中在0.3～0.5,色比值主要在0.7～1.2。     

喀什地区PM10输送路径及潜在源区

基于HYSPLIT模型和2019年9月至2020年8月喀什地区大气颗粒物逐时数据,利用聚类分析、潜在源贡献因子法（PSCF）和浓度权重轨迹法（CWT）分析喀什地区四季PM₁₀传输路径与潜在源区,揭示研究期间喀什地区不同季节PM₁₀的潜在源分布及其贡献水平。结果表明：喀什地区PM₁₀、PM_2.5年均值分别为237.3±268.3、89.3±82.3 μg·m^-3,大气颗粒物以PM₁₀为主;喀什地区气流输送路径主要来自中亚西风气流,其次是来自中国新疆南部;PM₁₀秋季主要贡献源区分布在中亚部分地区以及中国新疆南部区域,贡献水平为250—450 μg·m^-3;冬季主要贡献源区与秋季相似,贡献水平为150—300 μg·m^-3;春季重点贡献源区主要分布在新疆南部塔克拉玛干沙漠区域,贡献水平为250—500 μg·m^-3;夏季主要贡献源区与春季相似,贡献水平为150—250 μg·m^-3。喀什地区重点防范应是塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶的影响,其次是中亚西风气流携带的大气颗粒物远距离输送。     

中国北方一次强沙尘暴爆发的数值模拟研究

 利用意大利国际理论物理研究中心发展的耦合了沙尘模块的区域气候模式（RegCM3）对发生在中国北方2006年4月9~11日期间的一次强沙尘暴的爆发进行了数值模拟研究。与实际观测相比,RegCM3成功地模拟出了本次沙尘暴爆发区域、天气形势及相应的沙尘气溶胶光学厚度（AOD）分布。4月9日6时,沙尘暴首先爆发于塔里木和吐鲁番盆地。受蒙古气旋的影响,24 h后甘肃中部及内蒙古西部地区也开始爆发沙尘暴。源区地面起沙率大于3 mg·m-2·s-1,单位面积上的沙尘载荷量高于3 000 mg/m2。对流层中低层沙尘主要向东输送,可影响我国华北绝大部分地区,本次沙尘暴过程造成中国北方主要城市空气质量的下降。模拟的AOD分布特征与地面起沙率和载荷量分布特征相对应,并与TOMS 卫星观测的气溶胶指数(AI)的区域和中心值具有较好的一致性。AOD分布由西向东呈递减的趋势,且有两个大于2的高值中心,一个位于新疆塔里木、吐鲁番盆地和古尔班通古特沙漠地区;另一个位于河西走廊和内蒙古交界地区。对比他人研究结果,RegCM3对沙尘的起沙、传输等过程以及AOD的时空分布模拟合理。     

Dust storms in Central Asia: Spatial and temporal variations

Dust/sand storms are common events in the arid and semi-arid regions of Central Asia. The region is characterized by strong winds, scarcity of vegetation cover, continental climate with long and dry summers, frequent soil and atmospheric droughts. Central Asian drylands, covered by a great variety of desert types, represent a powerful source of mineral and salt aerosols.The main objectives of this study are to monitor and assess the spatial and temporal distribution of dust storms over the Central Asian region during the last seven decades. The identified active source areas of dust storms are located mainly in the sandy deserts and other types of deserts where the sensitive ecosystems suffered from human impact. The main persistent sources of dust storms are located in the large “dust belt” that extends from west to east over the southern deserts, north of Caspian Sea deserts, south of Balkhash Lake, and Aral Sea region. The results of the analysis show a significant decrease in dust/sand storm frequency during the last decades and considerable changes in the active source areas.     

塔克拉玛干沙漠腹地大气气溶胶中游离氧化铁的测定

大气沙尘气溶胶中铁氧化物含量的测定对研究气溶胶吸收特性有重要的研究意义。采用柠檬酸盐-重碳酸盐-连二亚硫酸盐(CBD)和漫反射光谱法(DRS)对塔克拉玛干沙漠腹地塔中站2006年4月9~11日沙尘暴天气过程前后TSP沙尘样品中的游离氧化铁进行定量和半定量研究,研究得出,塔中游离氧化铁占全铁含量的变化范围在4.55%~8.16%之间(平均值6.36%),全铁占样品总量的5.16%,游离氧化铁占样品总量的0.32%;反射光谱一阶导数曲线峰值在435和560nm对针铁矿和赤铁矿具有识别指示意义。     

20世纪60年代以来中亚地区的盐尘暴

中亚是盐尘暴高发地区之一,由自然因素和人文因素引起的沙质和盐质荒漠广泛分布。据初步估计,平均每年从干涸的咸海盆地通过空气输送出的盐尘为05×10⁶t到20×10⁶~30×10⁶t不等。这些盐尘的沉降受地形、风力和距源地的距离的影响。中亚地区盐尘暴的季节性和频率受降雨的影响很大。盐尘不仅影响气候,还会给人们的健康与经济活动带来不利影响。通过对过去近40年研究工作的总结和分析,对中亚地区盐尘暴的现状及其未来变化有了基本的认识:(1)盐尘的产生、搬运和沉积在中亚地区是目前的普遍现象,特别是在咸海区域。(2)过去近40年的咸海危机证明:适当的自然保护需要很长的时间和大量的资本投入。(3)要缓和目前的现状并创建一个稳定的、健康的环境,在实施各项计划中需要综合考虑社会、经济与生态问题。