一次强沙尘天气过程及其对PM_(10)时空分布的影响

2017年5月3—6日内蒙古出现了一次强沙尘天气,内蒙古各城市AQI值达到500。利用常规气象资料和MICAPS资料,结合HYSPLIT(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory)模式分析本次沙尘天气成因。利用PM_(10)小时监测值和AQI资料,从时空两方面评估沙尘天气对途经各城市PM_(10)质量浓度分布的影响程度。结果表明:地面受冷高压和蒙古气旋影响,冷锋快速东移,高空槽和低涡东移发展,使高空强冷空气南下东移,配合有利的层结条件和外来沙尘的长距离输送,导致沙尘天气爆发;沙尘天气对PM_(10)质量浓度的影响表现为前期主要影响西部和东部,中期对全区均有影响,后期主要对东部有影响。另外,中期为污染最严重时段。空间影响可划分为西部、中部、东部和通辽市4类,且从西到东、从北到南有一定的滞后性,滞后时间为1~10 h。     

基于随机森林和卷积神经网络的FY-4A号卫星沙尘监测研究

利用归一化差值沙尘指数NDDI(Normalized Difference Dust Index)、随机森林RF(Random Forests)和卷积神经网络CNN(Convolutional Neural Networks)算法结合对地静止风云四号气象卫星(FY-4A)中多通道扫描成像辐射计AGRI(Advanced Geostationary Radiation Imager)数据对塔里木盆地沙尘进行监测研究。结果表明,AGRI数据计算得NDDIAGRI沙尘指数在监测沙尘时,需要针对不同时间的AGRI数据取不同的阈值;并且对云和陆地的交错区域,以及一些植被覆盖和荒漠交错区域存在错误识别。RF建立的沙尘监测模型,测试样本精确度(Precision)、召回率(Recall)、F1-score的值都达100%,训练样本的交叉验证精度平均值为99.5%;CNN模型中,训练样本和测试样本的精确值(Accuracy)和损失函数值(Loss)都分别为99.9%和0.1%;因此RF和CNN模型都具有较强的沙尘监测能力。在实际沙尘监测中CNN相比RF在识别沙尘与非沙尘交界处更加精确,RF和CNN在沙尘识别过程中都易将部分沙尘与云混合区域以及戈壁错误识别成沙尘。     

2008年2月29日影响内蒙古西部地区一次沙尘天气过程分析

利用常规观测资料和MICAPS提供的相关资料,对2008年2月29日至3月1日在我区阿拉善盟、巴彦淖尔市西部、鄂尔多斯市西部发生的区域性沙尘暴天气的环流形势及物理量进行分析。分析表明:(1)本次沙尘暴过程基本属于蒙古气旋和干冷锋混合型,有利的气候背景是本次沙尘暴的基础。(2)影响这次沙尘暴天气的高空急流主要是250hPa附近的西风急流,较强西风急流通过动量下传引起地面大风,造成地面减压,促进了蒙古气旋的发展,从而促进了沙尘暴的发展。(3)在40～45°N,95～109°E整层强烈辐合、上升造成很强的抽吸作用可导致强烈辐合,在近地面形成大风和沙尘的扬起提供了较好的条件。     

一次蒙古气旋型强沙尘暴的数值模拟试验

利用沙尘数值预报模式对一次典型的蒙古气旋沙尘暴过程进行了数值模拟试验,结果表明:模式对沙尘区范围、强度及蒙古气旋不同发展阶段沙尘暴的强度、位置和演变进行了较成功的模拟。这次过程沙尘主要源于蒙古国南部及我国内蒙古中、西部荒漠化地区,沙尘以细中粉沙为主(d≤22μm)。模式模拟的沙尘暴日变化强于实况,其原因是模式没有考虑沙尘气溶胶辐射反馈机制。沙尘气溶胶的辐射强迫将削弱大气层结的日变化,从而有利于沙尘暴强度的维持。     

NOAA卫星沙尘暴光谱特征分析及信息提取研究

通过对2000—2002年多次沙尘暴过程NOAA卫星AVHRR资料的分析,研究了沙尘、云、沙漠、戈壁、积雪、裸地、植被等不同目标物的光谱特性,发现沙尘暴在AVHRR-2中各通道均有不同程度的反映。1,2通道中沙尘的反射率较高(介于云和沙漠之间);4,5通道的亮温低于晴空地表高于云;在3通道中沙尘表现的很独特,其亮度温度为所有研究目标物中最高的,表明通道3包含较多的沙尘信息,AVHRR-3取代AVHRR-2后对监测沙尘有不利影响。在此基础上提出定量提取沙尘信息的两种沙尘判识指数,并利用沙尘判识指数成功地提取多次沙尘暴过程的沙尘信息。结果表明：利用多通道组合沙尘判识指数能够对沙尘信息进行有效提取。     

近10年东亚沙尘气溶胶时空分布与起尘通量的数值研究

利用一个耦合了沙尘模型的区域气候模式RegCM3和NCEP再分析资料,对近10年(2000-2009年)东亚地区沙尘气溶胶(直径≤20μm)时空分布特征和起尘通量进行了数值模拟。结果表明,(1)耦合模式能较好地模拟东亚地区沙尘气溶胶的时空分布特点。东亚地区沙尘气溶胶光学厚度、柱含量高值区主要位于塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠。沙尘气溶胶柱含量的季节变化特征明显,春季最大,冬季次之,秋季最小。东亚地区110°E以东,沙尘主要以700hPa高度为中心向东传输。(2)东亚地区起沙源区主要位于塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、藏北沙漠化地区及蒙古国西南部,起沙强度存在明显的季节变化。2000-2009年东亚地区年平均起沙通量为1015.34mg.m-2.d-1,其中62.4%和2.3%分别通过干、湿过程重新沉降在东亚地区,其余35.3%被净释放进入大气或进行远距离传输。     

1—3月北极涛动对北半球热带太平洋和大西洋对流活动的可能影响

利用1979—2008年日分辨率的向外长波辐射资料以及NCEP再分析资料,去除ENSO影响后,分析了1—3月北极涛动对热带太平洋和热带大西洋对流活动及降水的可能影响。结果表明北极涛动偏强(弱)时,热带太平洋和大西洋对流活动显著偏强(弱)。北半球热带大洋冬季平均向外长波辐射与北极涛动指数的相关系数存在两个显著负相关区:一个位于中太平洋区,大致包括13°—20°N、160°E—170°W;另外一个位于热带大西洋,显著区覆盖的范围大体包括5°—20°N、15°—70°W。这些区域的降水量也表现出显著的正相关。向外长波辐射、强对流面积指数、强对流强度指数、平均降水量等指标与北极涛动指数的相关均以冬季同期最高,随时间滞后相关迅速减弱。与此对应的对流层低层大气环流也有显著变化,850hPa风场的变化表现为热带太平洋有异常的气旋性环流,气旋中心区与显著强对流和降水异常区一致。而热带大西洋有显著的经向环流辐合和风切变,与异常对流和降水区吻合。海洋模式的模拟结果表明,与北极涛动有关联的海温分布,很大程度上与大气强迫有关,说明热带1—3月降水和对流活动与海温的关联较弱。北极涛动与热带太平洋、大西洋对流和降水活动之间主要是通过大气环流的变动产生联系的。     

沙尘暴期间戈壁沙地起沙率的观测结果

利用中日合作"风送沙尘的形成、输送机制及其对气候与环境影响(ADEC)的研究"项目敦煌站的沙尘粒子数浓度观测资料,估算了2002年4月敦煌地区两次沙尘天气过程中戈壁沙地的起沙率和起沙量,并分析了地面起沙量(质量通量)的尺度分布。在两次强度较弱、持续时间较短的沙尘天气过程期间,戈壁沙地的平均起沙率为1.58×10-8和9.95×10-9kg·m-2·s-1,最大起沙率为2.77×10-8kg·m-2·s-1。地面沙尘释放量的73%以上为d>5.0μm的大粒子。最后讨论了起沙率与摩擦速度的关系。     

东亚沙尘源区与下游地区气溶胶光学特性比较

利用AERONET观测资料从气候学的角度比较分析了2001-2011年东亚地区沙尘天气发生时沙尘源区和下游区大气气溶胶光学特性。结果表明：沙尘期间沙尘源区气溶胶光学厚度明显大于下游区,而Angstr?m波长指数却小于下游区,当沙尘暴出现时会降至零甚至负值。气溶胶粒子尺度体积谱分布除敦煌为单峰外,其余各站均呈双峰分布,香河和北京的细粒子浓度明显大于西北地区,这可能是由细的沙尘粒子和污染气溶胶共同造成。在440-1020 nm范围内,中国地区气溶胶单次散射反照率平均值为0.93,韩国和日本站分别为0.93和0.94。沙尘源区与下游区相比,复折射指数实部偏大,虚部偏小。总体来说,沙尘天气下东亚地区在4个波段内平均不对称因子为0.70。     

2006年4月11～12日平顶山市沙尘天气中尺度动力机制分析

利用NCEP再分析资料(水平分辨率1°×1°)和同时间的探空、地面资料,分析了2006年4月在平顶山市出现的沙尘天气过程的天气气候背景、影响系统及这次过程的演变和动力机制,结果发现:这次天气过程的主要影响系统是强冷空气和蒙古气旋,强冷平流一方面使低槽、冷锋东移南压,另一方面与暖平流共同作用促进蒙古气旋的发展,造成平顶山市这次沙尘天气过程;沙尘上空螺旋度垂直分布及演变与沙尘天气的出现有一定的对应关系;高低空急流的稳定维持产生两个独立的次级环流,在直接环流北分支的下沉运动有利于高空急流动量下传,促进对流层中低层风力加大,冷锋南压,触发不稳定层结大气,驱动这次天气过程的发生、发展。     

The Northern Path of Asian Dust Transport from the Gobi Desert to North America

The aerosol index (AI) of the Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) satellite data (1979 2001) was analyzed to reveal the climatological long-distance path of dust transport from Asia to North America. The AI in the west coast of the United States is highly correlated with that in the Gobi desert. Additionally, from the TOMS satellite images, it can be seen that very strong plumes advect from Asia to the west coast of North America in typical dust storm cases. When applying the sourcereceptor relationship to detect the northern dust transport path between the Gobi source region and the west coast of the United States receptor region, it is evident that the dust plume can be transported northward beyond 60°N from its source region and that it takes 5 to 6 days to reach the west coast of the United States. The cross correlation technique shown in this work is a useful tool that can be applied in other regions to give useful insights into relationships between major dust sources and downwind receptor locations by using remotely sensed dust observations.     

北京沙尘天气的变化特征及其沙尘源地分析

通过对北京市沙尘天气的变化特征、出现沙尘天气的天气形势、移动路径、关键区域和地表特征的分析,以及与降水量的相关分析,研究了北京市沙尘天气的变化趋势及其沙尘源地的基本特征。结果表明,近56年来,北京市浮尘、扬沙和沙尘暴等天气现象均呈现出不规则的波动减少的变化态势;进入北京的冷空气和沙尘主要有偏西、西北和偏北三条移动路径;蒙古气旋加冷锋是北京产生沙尘天气的最主要天气系统;影响北京的沙尘质点主要来源于我国内蒙古以及中蒙边境地区;从地表特征来看,北京市周边地区存在着大片的沙尘来源地。沙尘天气与降水量的相关分析表明,沙尘源区的春季降水对当年北京市三种沙尘天气的影响突出,而本地的降水更多的是仅仅影响当年的沙尘暴天气。要缓解北京市的沙尘天气灾害,除了在北京市及其周边地区植树造林、建立生态屏障外,还要加强对沙尘源地的监测与管理,坚持以草定畜、适度放牧,严防植被破坏,同时要及时预报沙尘天气的影响范围和持续时间,把危害降到最低程度。     

The Cross-Correlation Function as a Tool for Detecting Source-Receptor Relationships: Application to Asian Dust Transport to North America

The cross-correlation function was used in conjunction with the daily values of the aerosol index (AI) from the Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) to establish and qualify a source-receptor relationship between dust over the Gobi desert and the West Coast of the United States.An objective method that can be used to determine the trajectory of dust transport and the transportation time at different locations along the trajectory across the Pacific are presented in this report.The spring season was analyzed (March to May),and the results showed that dust reaches the western United States in approximately five to six days.Although dust transport from the Gobi desert was demonstrated in the present study,the proposed cross-correlation technique can be applied to other regions and can be used to obtain useful insights on relationships between major dust sources and downwind receptor locations utilizing remotely sensed dust estimates.     

极端干旱区边界层高度与干湿的气候变化特征及相互关系分析

利用1950～2019年ERA5再分析数据,分析了极端干旱区边界层高度（Boundary Layer Height, BLH）和气候干湿因子（干燥度指数,Aridity Index, AI）的时空变化特征及相互关系。结果表明:BLH年均值为695 m,呈现东高西低的分布特点,BLH在东部升高、西部降低。AI均值为0.03,以塔里木盆地、中心戈壁等地为低值中心向四周递增,AI在东部减小、西部增大。时间变化上,1950～1964年、1965～1993年、2010～2019年,BLH波动降低,AI波动增大,1993～2009年 BLH抬升、AI减小。不同下垫面不同时段两者变化80%的年份呈反位相;两者基本为负相关,其中西部绿洲下垫面相关性最强,相关系数达到－0.79。随着东部BLH的抬升、西部BLH的降低,AI显示70年来极端干旱区的范围整体有向东移动的趋势。     

内蒙古夏季降水特征及其与全球海温异常的统计关系

利用1961—2010年内蒙古自治区102个气象站夏季(6—8月)降水量资料,采用EOF、小波分析等方法,对内蒙古地区夏季降水量的空间分布特征和时间演变规律进行了诊断分析。结果表明:内蒙古夏季降水的空间分布既有整体的一致性,也存在东、西部相反变化的差异。近50a来,内蒙古地区夏季降水有减少趋势,并存在6⁸年周期变化;对内蒙古夏季降水与前一年1月到当年8月全球逐月海温求相关,选取影响内蒙古夏季(6—8月)降水的海温关键区(268年周期变化;对内蒙古夏季降水与前一年1月到当年8月全球逐月海温求相关,选取影响内蒙古夏季(6—8月)降水的海温关键区(26⁴2°S,9342°S,93¹40°W)及相应的关键时段(当年1—5月)进行分析,内蒙古夏季降水与关键区海温有很好的负相关关系,关键区海温的异常可预示内蒙古夏季降水异常。     

呼和浩特地区一次强沙尘暴天气分析

通过对2008年5月28—29日呼和浩特大部地区出现的沙尘暴天气进行分析得出:此次沙尘暴是由高空冷涡配合地面蒙古气旋形成的;沙尘主要源于蒙古国西部、南部,在高空锋区的作用下,由冷涡旋转携带而至;大气低层干燥的空气和较强的垂直上升运动为沙尘卷入空中提供了条件;较强的斜压作用出现在低层,这对于有效位能的释放、动能的产生以及气旋的发展有重要作用,同时斜压强迫使动量下传,从而形成强风,触发了沙尘暴;此次沙尘暴主要产生于冷锋附近及其后部。     

乌拉特中旗一次强沙尘暴天气成因分析

利用常规气象观测资料、亚欧天气分析图,对2010年3月19日的一次由蒙古冷涡强烈发展而引发的强沙尘暴天气过程,从天气学成因、动力机制等方面进行分析。表明,强冷空气的卷入使蒙古冷涡强烈发展,为沙尘暴的发生提供了动力条件;蒙古冷涡的垂直结构提供了动量下传机制,在地面冷锋后部形成大风区,为沙尘暴的形成提供了基本条件。通过对这次蒙古冷涡引发的强沙尘暴天气过程的分析,找出蒙古冷涡引发的沙尘暴天气过程的一些特点和预报着眼点。     

影响北京地区的沙尘暴

利用1971－1996年的地面气象月报和地面天气图资料，借助地理信息系统，逐次分析了影响北京地区沙尘暴天气过程的演变规律，确定了影响北京地区沙尘暴天气过程的移动路径和源地。结果表明：北京地区沙尘暴主要发生在春季和初夏，以4月为最多。根据沙尘暴的起源，可将影响北京的沙尘暴天气过程分为外源型和内源型两类。沙尘暴的移动路径主要包括北路和西路两条。外源型沙尘暴的入侵地点集中在：1）内蒙古乌兰察布盟和锡林郭勒盟西部的二连浩特市、阿巴嘎旗；2）哈密市以东至内蒙古阿拉善盟的中蒙边境。内源型沙尘暴的起源地主要集中在腾格里沙漠及其周边地区。     

影响北京地区的沙尘暴

利用1971-1996年的地面气象月报和地面天气图资料,借助地理信息系统,逐次分析了影响北京地区沙尘暴天气过程的演变规律,确定了影响北京地区沙尘暴天气过程的移动路径和源地。结果表明:北京地区沙尘暴主要发生在春季和初夏,以4月为最多。根据沙尘暴的起源,可将影响北京的沙尘暴天气过程分为外源型和内源型两类。沙尘暴的移动路径主要包括北路和西路两条。外源型沙尘暴的入侵地点集中在:1)内蒙古乌兰察布盟和锡林郭勒盟西部的二连浩特市、阿巴嘎旗;2)哈密市以东至内蒙古阿拉善盟的中蒙边境。内源型沙尘暴的起源地主要集中在腾格里沙漠及其周边地区。     

Linkage Between the Northeast Mongolian Precipitation and the Northern Hemisphere Zonal Circulation

The long-term relationship between the tree-ring-reconstructed annual precipitation in northeastern Mongolia (PRM) and the Northern Hemisphere Zonal Circulation (NHZC)§defined as the normalized zonal mean sea-level pressure at 60N in May-June-July, is examined in this study. A significant correlation coefficient (0.31) was found between the NHZC indices and PRM based on the dataset for the period of 1872–1995. The mechanisms responsible for the relationship are discussed through analyses of the atmospheric general circulation variability associated with NHZC. It follows that NHZC-related atmospheric circulation variability provides an anomalous southeast flow from the ocean to Northeast Mongolia (northwest flow from Northeast Mongolia to the ocean) in the middle and low troposphere in positive (negative) phase of NHZC, resulting in more (less) water vapor transport to the target region and more (less) precipitation in Northeast Mongolia.