河西走廊入口区下垫面对沙尘天气影响的模拟研究

在利用常规观测资料统计分析2000—2011年和沙尘天气多发年河西走廊入口区代表站点春季风速分布特征的基础上,采用区域气候模式（Regcm4.3.5.6）和欧洲中心更新的4DVar同化的ERA-interim资料,分析了河西走廊入口区下垫面类型改变对2007年4月13日一次沙尘天气过程的影响。结果表明：沙尘暴爆发时,河西走廊为风速大值区,风速8～10 m·s^-1;区域气候模式模拟的沙尘特征量与站点观测的沙尘天气分布对比发现,模拟的沙尘区的发展变化能较好地表征这次沙尘天气过程的变化;河西走廊入口区植被由沙漠改为落叶阔叶林后,发生沙尘天气时该地区风速有所减小,减小平均值为3 m·s^-1,且风速越大,减小越明显。不同粒径沙尘的起沙率和沙尘粒子柱含量对下垫面类型改变的响应有所不同,减小量最大分别达到-50 mg·m^-2·d^-1和-50 mg·m^-2,0.01～5.0 μm粒径沙尘减小范围和强度相差不大,5.0～20 μm粒径沙尘由于粒径最大减小最明显,由于模式中考虑的2.5～5.0 μm粒径沙尘在大气中所占比例小,减小量级和范围最弱。改变下垫面类型使得起沙率和沙尘粒子柱含量在沙尘天气最强时刻减少最显著。     

沙尘影响下海雾过程气溶胶和雾水组分特征

对2010年3月广东湛江东海岛海雾外场观测试验中获得的雾水样本和气溶胶资料进行分析,研究了海雾中气溶胶和雾水组分的特性以及沙尘过程对其演变的影响。结果表明：东海岛的气溶胶数浓度比内陆城市低1个数量级,环境相对清洁,其早晚的峰值明显,午后存在一个低值。气溶胶谱呈单峰分布,峰值半径为0.02~0.1 μm。雾日的气溶胶数浓度明显低于非雾日,最大值分别集中在0.05~0.1 μm和0.1~0.5 μm。雾过程开始后气溶胶数密度下降,尤其是小粒子端数密度减少显著;雾过程结束后气溶胶数密度会恢复到正常数值。受沙尘影响的过程中雾水中Ca²⁺和Mg²⁺明显增加,气溶胶粒子谱拓宽,直径大于1μm的气溶胶数密度高于其他雾过程;沙尘过境后气溶胶谱变窄,数密度显著减少,离子浓度较低。     

格尔木地区沙尘气溶胶硝酸盐含量及来源

沙尘气溶胶中硝酸盐的含量和来源对于全球氮排放估算具有重要意义。为了探讨格尔木沙尘气溶胶中硝酸盐的含量和来源,我们在格尔木2008年沙尘过程多发期1-6月进行了连续观测,并对收集的沙尘气溶胶样品进行了详细的水溶性离子色谱分析。结果显示:沙尘天气的大气总悬浮颗粒物(TSP)平均浓度及NO₃^-平均浓度分别为2 015.94 μg·m^-3和1.8 μg·m^-3,非沙尘天气两者平均浓度分别为274.68 μg·m^-3和0.74 μg·m^-3。观测期间,格尔木NO₃^-浓度和TSP浓度存在明显的季节变化,NO₃^-和TSP浓度变化均为春季>夏季>冬季。TSP与NO₃^-浓度的相关系数为0.67,春季两者相关系数为0.71,且Ca²⁺与NO₃^-浓度显著相关,推测格尔木沙尘气溶胶中NO₃^-离子可能主要来源于干旱区的地表物质。非沙尘天气期间NO₃^-/TSP浓度比值高于沙尘天气,且分布较为分散,表明非沙尘天气NO₃^-浓度受到人为源或气象条件的影响。     

沙尘分析及等离子空气清洁系统沙尘去除效果的评价

本研究对在中国和韩国采集的沙尘的粒径分布及质量浓度进行了测定,使用黄沙标准物质对基于静电沉降原理的等离子空气清洁系统的去除沙尘效率进行了评价。本研究所使用的黄沙采集于北京和汉城,其粒径中值在7.0~80μm之间,浓度范围为300~1462μg·m^-3。在单通道测试中,沙尘去除效果随粒径增大和流速降低而增加。系统速度为1.0m·s^-1时,去除率大于80%。在27m2的房间中,进行多通道测试时,浓度为300μg·m^-3的大气颗粒物仅用10min即可降至150μg·m^-3。因此,等离子空气清洁系统能够有效地去除沙尘及保持室内空气质量。     

武威市降水pH值和电导率对沙尘天气的指示意义

对武威市2013年7月至2014年6月收集的降水样品pH值、电导率和主要阴阳离子浓度进行测定和分析。结果表明：（1）降水样品的pH值6.69～8.84,平均值7.52。降水样品电导率33.9～766 μS·cm^-1,平均182.07 μS·cm^-1。（2）电导率冬季 >春季 >夏季 >秋季,pH值春季 >夏季 >秋季 >冬季。pH值与电导率呈显著的负相关,与风速呈正相关;电导率与降水量呈显著的负相关,与风速呈显著的负相关。（3）pH值和电导率都会随着沙尘事件的发生表现出增加的趋势。当沙尘事件发生的情况下,Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、Cl^-和NO₃⁺的离子浓度都呈现增加的趋势,但从各离子浓度变化幅度对沙尘事件的响应来看,Na⁺、K⁺和NO₃^-对沙尘天气比较敏感,反应强烈。     

西安沙尘天气特征及其对空气质量的影响

利用1971-2003年西安市常规气象观测资料、2001-2003年西安市区主要污染物日均浓度资料和2002年3月一次重度污染事件逐时的PM₁₀浓度资料,分析了西安市沙尘天气的时间分布特征及其对主要空气污染物浓度的影响。结果表明:西安市沙尘天气近30多年来总体呈波动式明显减少的趋势,但2001-2002年有所增多,2003年又减少。沙尘天气主要出现在春季,4月最多,占全年天数的22.6%。沙尘天气对西安空气质量影响显著,可使3~4月PM₁₀月浓度平均提高12.1%,在分析的一次强沙尘暴个例中,一小时内PM₁₀浓度最高增加了0.585mg·m^-3,达到0.970mg·m^-3,从而造成严重的空气污染事件。     

塔克拉玛干沙漠腹地黑碳气溶胶浓度

利用2006年3月-2007年2月塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站黑碳测量仪的观测数据,结合同期PM₁₀、能见度及常规气象观测资料,分析了沙漠地区大气中黑碳气溶胶浓度的变化特征及其影响因子。结果表明：观测期间黑碳浓度小时平均值为1.81±1.58 μg·m^-3,日平均浓度为1.72±0.85 μg·m^-3,区域本底值为0.78 μg·m^-3;日变化呈单峰,与其他地区的双峰、三峰型不同;季节变化特征明显,春、冬季黑碳浓度较高,秋季较低,春季大量沙尘增加了气溶胶的吸收特性,黑碳测量仪观测的黑碳浓度要高于近地面大气中实际的黑碳浓度;黑碳浓度小时平均值与风速呈显著非线性相关,不同风向下黑碳浓度水平有较明显的差异,该地区黑碳浓度的变化与盛行风向上来自污染较严重地区的气团输送有关,并且受局地沙尘和排放源的影响。     

沙尘对兰州市大气环境质量的影响

利用1951-2010年甘肃省气象局地面观测站沙尘气象资料和2006-2010年兰州环保局PM₁₀、SO₂、NO₂质量浓度资料,分析了兰州市沙尘天气时间变化特征及其对SO₂、NO₂、PM₁₀等大气污染物浓度的影响。结果表明:近60年来兰州市沙尘天气总体上呈现振荡性减少的趋势,沙尘暴、扬沙和浮尘年变化倾向率分别为-0.15 d、-0.72 d和-0.97 d,这与上游沙尘源区沙尘天气振荡性减少有关。沙尘对兰州地区SO₂和NO₂质量浓度影响不大,对PM_2.5质量浓度和PM_1.0数浓度的变化有一定的贡献,但对PM₁₀质量浓度影响非常大,沙尘对春季PM₁₀质量浓度的贡献率在18.4%～43.1%。对2007年5月10日一次强沙尘天气过程研究发现,随着沙尘天气的侵入,兰州市不同粒径气溶胶的浓度陡然上升,然后达到较高的浓度水平,之后由于沙尘天气的减弱、消退或离境,不同粒径气溶胶浓度也逐渐降低并缓慢恢复到正常水平。     

基于风廓线雷达的北京春季一次“先霾后沙”空气污染过程分析

利用NCEP再分析资料、逐小时污染物浓度数据、风廓线雷达及地面常规观测资料，对北京2018年3月26—29日一次“先霾后沙”的空气污染过程进行了分析。结果表明：霾污染期间PM_2.5峰值浓度为242 μg·m^-3，PM_2.5/PM₁₀值为0.86。受蒙古气旋影响，PM₁₀浓度出现爆发性增长，增长速率达到912 μg·m^-3·h^-1，PM_2.5/PM₁₀值下降至0.11。霾主要影响时段边界层内以西南风为主，平均通风量为15 907 m²·s^-1，大气边界层以稳定的弱上升或下沉运动为主；而沙尘影响时段平均通风量为9 226 m²·s^-1，沙尘天气爆发前边界层明显的下沉运动先于地面污染物浓度的变化。基于后向轨迹模式和潜在源贡献分析方法PSCF计算结果，霾影响时段河北中南部、山西中部等地对北京PM_2.5贡献较多；而沙尘影响时段，北京地区的PM₁₀主要来源于内蒙古中部和辽宁西部。     

内蒙古一次沙尘过程的数值模拟

利用WRF-chem模式耦合Shao04起沙参数化方案，研究了2015年内蒙古春季一次冷涡沙尘过程。对比分析模式模拟结果和Micaps、CLIPSO、PM₁₀观测资料后发现，WRF-chem可以较好地刻画沙尘的水平和垂直输送。此次沙源地主要分布在蒙古国南部、内蒙古中部偏北区域和浑善达克沙地。蒙古国南部和内蒙古中部偏北区域最大起沙量分别为77.4 g·m^-2和112.7 g·m^-2，最大干沉降分别为253.2 μg·m^-2·s^-1和427.2 μg·m^-2·s^-1，内蒙古中部偏北区域的沙尘柱总量（87.3 g·m^-2）大于蒙古国南部（41.3 g·m^-2）。浑善达克沙地土壤干燥，所以沙尘排放量（215.6 g·m^-2）、柱总量（132.7 g·m^-2）、沉降速率（809.3 μg·m^-2·s^-1）均较高。沙尘在锋前暖湿气流的抬升作用下，可以实现上对流层-下平流层之间的输送，高层的沙尘虽然浓度较低，却可以输送更远。沙尘气溶胶夜间增加大气层顶向上的长波辐射，同时加热大气，增加边界层高度。     

基于FTIR和MODIS数据估算新疆沙漠宽波段地表比辐射率

基于FTIR和MODIS数据,建立了新疆沙漠宽波段（8～13.5 μm）地表比辐射率的最优估算模型。首先,利用傅立叶变换热红外光谱仪观测的塔克拉玛干沙漠地表比辐射率光谱数据,结合同期MODIS温度/比辐射率产品MOD11A1的29、31和32波段比辐射率值和MOD09A1的第7波段反射率值,建立宽波段地表比辐射率估算模型,并分别采用观测数据和光谱库数据验证了模型的精度,估算结果的均方根误差分别为0.0041和0.0081。其次,选择最优估算模型,利用MODIS数据,估算了新疆4个沙漠的宽波段地表比辐射率,得到了沙漠地表比辐射率的空间分布特征。结果表明：塔克拉玛干沙漠和库鲁克库姆沙漠气候干燥稳定,地表比辐射率分布较为均匀,范围为0.850～0.915;古尔班通古特沙漠受到植被和地表水分的影响,比辐射率空间分布不均匀,范围为0.890～0.915;库木塔格沙漠的地表比辐射率分布与其羽状地表类似,范围为0.860～0.910。     

克拉玛依大气降水化学组分及来源分析

利用2016年在克拉玛依酸雨观测站采集的降水样品，分析了降水中主要阴阳离子（F^-、Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-、Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）、重金属元素（Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Hg）、总碳总氮浓度特征及可能的来源。结果表明：该区降水pH值在5.1~6.88之间，雨量加权平均值为6.25，其中pH>5.6的样品占94%。降水中各离子雨量加权浓度的大小顺序为Ca²⁺> NH₄⁺> SO₄^2-> NO₃^-> Cl^-> Mg²⁺> Na⁺>K⁺>F^-，表现出了内陆性大气降水的特征，其中Ca²⁺是最主要的阳离子，年均值为182.09 μeq·L^-1，SO₄²是最主要的阴离子，年均值为87.28 μeq·L^-1，表明硫酸盐是该地区降水中的主要致酸物质。降水中总离子浓度秋季最高，春夏次之，冬季最低，其中SO₄²、NO₃^-、NH₄⁺、Ca²⁺、Na⁺浓度变化明显。相对酸度（FA）和中和因子（NF）计算结果表明99.5%的降水酸度被碱性成分中和，其中Ca²⁺的中和能力最强，其次是NH₄⁺。降水中重金属元素Zn的均值最大，其次是Fe，最小的是Pb，与国内外城市比较，克拉玛依大气降水中大部分重金属含量都不高，其降水中有毒重金属污染较轻。可溶性总碳（DTC）、可溶性有机碳（DOC）和可溶性无机碳（DIC）浓度变化范围大，分别为1.62~9.97 mg·L^-1、1.62~7.19 mg·L^-1和0~3.75 mg·L^-1，平均浓度分别为4.37 mg·L^-1、3.60 mg·L^-1和0.78 mg·L^-1，可溶性总氮（DTN）的浓度变化范围为0.64~8.01 mg·L^-1，年均含量为2.69 mg·L^-1，都与降水量呈负相关关系，而DOC和DTN的湿沉降通量与降水量呈明显的正相关关系。基于相关性分析表明，SO₄^2-和NO3^-主要来自燃煤和化石燃料燃烧，Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺主要来自风沙、扬尘，大气中铵类化合物主要以铵的硝酸盐形式存在。各重金属元素之间相关性差异较大，重金属主要污染源为金属冶炼、燃煤及人为活动。克拉玛依大气降水的化学组成特征主要受人为活动、化工生产、燃煤以及沙尘活动等影响。     

兰州市沙尘天气污染特征及潜在源区

为了解兰州市沙尘天气期间大气污染特征，选取2016—2017年兰州市国家大气环境监测网络系统21个监测站点逐小时数据，对沙尘天气过程中的污染物特征进行分析。在此基础上，结合地面气象参数，运用HYSPLIT模型聚类计算和激光雷达观测等手段，对颗粒物来源和传输过程进行潜在源区贡献因子（PSCF）和浓度权重轨迹（CWT）分析。结果表明：兰州沙尘天气主要受西北方向、东偏北短距离传输、北部内蒙古路径3类气团影响，其中西北方向气团影响沙尘天气持续时间较长，沙尘过程中消光系数最高，环境空气质量转差显著，其他两类气团影响沙尘天气持续时间较短，有利于污染扩散；沙尘天气发生前期PM₁₀与气态污染物呈现正相关，沙尘天气过程中为负相关，沙尘天气后则再次转为正相关，沙尘天气对气态污染物浓度有降低效果；春季兰州地区颗粒物潜在区分布相对集中，主要来自于兰州西北部河西走廊，PSCF值大于0.7；冬季颗粒物潜在源区分布范围较广，PSCF值集中在0.7~0.9，其中对PM₁₀较大贡献区集中在新疆东南部，贡献值240~320 μg·m^-3。     

蒙古高原风蚀颗粒物空间过程数值模拟及预报

基于WRF-IWEMS耦合模型对2016年3月1~9日发生在蒙古高原的强沙尘天气过程进行数值模拟,着重模拟了尘源、粉尘传播路径以及粉尘扩散过程中浓度变化和影响范围,并采用卫星影像、站点监测数据与模型结果进行对比分析。结果表明：此次风沙天气过程的尘源分布在新疆哈密地区、阿拉善高原、中蒙边境戈壁地区以及浑善达克沙地部分地区,粉尘自源区分别沿河西走廊、贺兰山区、张家口等地扩散至华北和京津地区。蒙古高原土壤风蚀可使华北地区来自自然源的大气颗粒物PM₁₀、PM_2.5浓度分别达到1 000 μg·m^-3、200 μg·m^-3以上,还可使华北地区大气颗粒物浓度高于200 μg·m^-3的天气持续48 h以上。     

沙坡头地区沙尘气溶胶质量浓度的试验观测研究

中国北方沙尘气溶胶的理化特征及其气候效应受到了广泛关注,但现有的研究大都是基于较短时段和典型事件的试验观测。本项研究利用大流量采样器和安德森采样器,对沙坡头地区沙尘气溶胶的质量浓度特征进行了长达3a的监测,获得了该地区沙尘气溶胶的年变化特征,并与背景气象资料和降尘观测结果进行了对比分析;针对典型天气过程的观测结果表明,不同天气条件(背景大气、浮尘、扬沙和沙尘暴)下TSP浓度存在倍数关系和量级的差异,其质量浓度随粒径分布特征也明显不同;两种采样器观测结果的对比分析也表明,局地沙尘释放是沙坡头地区大气气溶胶的主要来源,但在沙尘暴过程中,远源沙尘输送的贡献也不容忽略。     

青海湖东岸沙地风成沉积物粒度敏感组分及其古气候意义

粒级-标准偏差的计算可用来提取沉积序列的粒度敏感组分。采用线性粒级和对数粒级两种粒度划分方法,对青海湖东岸沙地多个风成砂-古土壤沉积剖面进行了系统分析。结果表明：粒级划分对于敏感组分提取结果具有一定的影响,对数粒级提取的粗粒敏感组分比细粒组分具有更大标准偏差,而线性粒级的提取结果则显示细粒组分对于环境变化更为敏感;两种方法提取的细粒敏感组分差异较大,而较粗组分和粗粒组分较为一致。在运用粒级-标准偏差法提取环境敏感粒度指标时,两种划分方法都能有效地提取粗粒敏感组分,而在提取细粒敏感组分方面线性粒级较对数粒级划分法能取得更好的效果。采用线性粒级-标准偏差法提取了青海湖东岸沙地风成沉积物粒度敏感组分,发现黏粒组分（0~4μm）可以作为夏季风强度变化的替代性指标,中细砂组分（144~321μm）可以指示风沙活动的强弱,极细砂组分（60~126μm）可能受局部地形的影响较大,其古气候意义有待进一步查明。     

脆弱生态带典型区域几种锦鸡儿属优势灌木的光合特征

小叶锦鸡儿在原产地科尔沁沙地光合速率可达12.21μmol·m^-2·s^-1,引种至腾格里沙漠后降低了11.63倍,光合日变化曲线由"凹谷"型变为"单峰"型;毛乌素沙地中间锦鸡儿的光合速率在引种前为4.5μmol·m^-2·s^-1,引种后降低了3倍,光合日变化曲线由"双峰"型变为"单峰"型;在相同的环境条件下,柠条和中间锦鸡儿光合等特性相似,以小叶锦鸡儿光合速率最低,引种前后降幅最大,说明其对引种地的适应性不及中间锦鸡儿。     

利用扫描电镜法统计颗粒粒径分布的最小样本量

对于微量沉积物,利用扫描电镜获得的颗粒图像统计粒度参数是一条有效的途径,但需要解决被统计颗粒的最小样本量这一基本问题。使用北京市区降尘、中国北方的淡黑钙土和栗钙土3种微量样品,利用S-4800型扫描电镜获得的图片,对颗粒平均粒径、标准差和标准误,以及偏度和峰态等粒度参数进行了统计分析,旨在确定不同平均粒径的微量样品的最小统计样本量。结果表明：对于平均粒径约25μm的降尘样品,最小样本量为800;平均粒径100μm的淡黑钙土,最小样本量为1100;平均粒径约180μm的栗钙土,最小样本量为1200。