尘卷风结构特征及其电场数值模拟研究

尘卷风是地球上常见的小型风沙灾害输移系统,但在火星上却大的多。而且尘卷风内部的电场对火星探测器产生严重的电磁干扰。通过建立尘卷风及其电场形成的模型,对尘卷风结构特征及电场进行数值计算。研究表明：尘卷风的形成机理可以用热对流泡理论来解释。沙粒在尘卷风中出现分层现象,粒径小的沙尘往往在粒径大的沙尘上面。尘卷风中带正负电荷的沙粒大约各占23.4%,荷质比大约为60 μC·kg^-1时,尘卷风数值模拟结果与野外观测值吻合。在尘卷风发展过程中,尘卷风电场大约需要60 s达到稳定。而且电场关于尘卷风中心基本对称,并且在尘卷风中心电场强度较大,在离尘卷风较远的地方,电场趋于零。在距离尘卷风中心一定距离处电场随高度增大先增大后减小,大约10 m以下电场随高度增大而增大,在10 m以上电场随高度增大而减小。     

中国北方地区尘卷风时空分布的数值模拟

尘卷风是沙尘气溶胶的重要来源,它可能对全球和区域环境、气候有重要的影响。为了获得尘卷风起沙量的时空特征,通过利用尘卷风起沙参数化方案并将其耦合到WRF(Weather re-search and forecasting model)模式中,模拟了中国北方尘卷风的日月时空变化特征。结果表明:(1)在10:00—14:00(北京时),每日空间分布从东往西尘卷风逐渐出现且强度逐渐增强,然后在14:00—20:00,尘卷风区域从东逐渐向西收缩且强度逐渐减弱。月空间分布从3月起逐渐在塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠和柴达木盆地出现了尘卷风中心,然后逐渐扩展到所有沙漠并在6月达到峰值。7月以后尘卷风出现区域与强度急剧下降,到10月已经没有尘卷风出现。(2)塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠的尘卷风日变化均呈单峰分布,从早晨09:00开始出现,到14:00—15:00达到峰值,之后快速下降。其月变化趋势大体均呈单峰分布,从3月开始尘卷风出现并且强度增加,到6月达到峰值,然后快速下降,9月底尘卷风消失,巴丹吉林沙漠尘卷风波动幅度大于塔克拉玛干沙漠。(3)模拟与观测的尘卷风日、月时间变化特征在细节上略有不同,但二者的趋势是大体一样,表明尘卷风起沙参数化方案具有较高的适用性。这一研究成果将有助于我们对沙尘气溶胶的来源、环境和气候变化的深入理解。     

塔克拉玛干荒漠-绿洲过渡带尘卷风活动特征——以肖塘为例

利用1992-2011年塔克拉玛干沙漠北缘荒漠-绿洲过渡带肖塘气象站的观测资料，分析了该地区尘卷风的年、月变化规律及其与气象因子的关系。结果表明：（1）1992-2011年尘卷风发生日数总体呈波动递减趋势；尘卷风主要发生在3-9月，占全年总日数的90.9%，其中4-7月占全年总日数的70%左右。（2）尘卷风月发生日数随月平均地表与1.5 m高处温差的增大而线性增加（r=0.875，P<0.01）。（3）尘卷风月发生日数随着月平均风速的增大而幂函数增加（r=0.89，P<0.01）。（4）尘卷风月发生日数随月平均相对湿度的增大而线性减少（r=-0.869，P<0.01）。     

沙尘天气、尘卷风对沙漠地区起沙量的贡献

降尘量能很好地反映整层沙尘气溶胶的信息。基于WRF/Chem沙尘暴模式及大气边界层的观测资料,获得了包括尘卷风起沙过程的日、月和年总起沙量,进而分析它们与自然降尘量之间的关系。结果表明:(1)半定量的沙尘天气日数与逐月降尘量呈极显著的正相关,但无法更精细地量化降尘量的来源;(2)模式量化计算的沙尘天气起沙量与降尘量的变化大体一致,它对总起沙量的平均贡献率为76%;(3)尘卷风对总起沙量的贡献达到了24%,在无沙尘天气的时段,降尘量100%来自尘卷风的起沙量;(4)沙尘天气和尘卷风构成的总起沙量和降尘量在月、年变化都有极其显著的正相关,均通过了0.001极显著检验。     

基于泥炭记录的过去150 a东北山地大气粉尘沉降

为了探究过去150 a来大气粉尘沉降历史及其对季风边缘区和季风影响区的影响差异,利用长白山典型雨养泥炭灰分粒度、成岩化学元素、²¹⁰Pb和¹³⁷Cs年代等指标重建过去大气粉尘变化,并与大兴安岭摩天岭雨养泥炭粉尘记录进行比较。东北山地泥炭灰分主要以粘土颗粒和粉砂颗粒物为主。中值粒径和成岩元素特征也初步揭示东北山地泥炭中矿物灰分主要源于蒙古国和中国北方沙漠和沙地的土壤尘。大气土壤尘降通量自19世纪初至20世纪60年代表现出逐渐增加的趋势,与区域近代化、工业化和战争等人类活动强度增加一致。在过去60 a间具有减小的趋势,与区域自然尘暴的监测数据吻合较好。东北地区长距离传输的大气土壤尘降通量背景基线为(5.2±2.6) g m^-2 a^-1。长白山大气土壤尘降通量（5~38 g m^-2 a^-1）小于大兴安岭（14~68 g m^-2 a^-1）,揭示了大气尘降随着与尘源区的距离增加而递减,对东北地区西部的影响要强于对东部的影响。     

风蚀事件中农田土壤PM10释放特征

地表风蚀导致的粉尘释放涉及全球变化研究的热点。自然条件下对粉尘释放的观测可以为风洞试验结果提供验证并为开发预测模型提供数据支撑与关键参数。本研究在河北坝上风蚀区，通过观测风蚀事件中农田近地表PM₁₀浓度、垂直通量与流失通量，以及风速和风沙流强度的变化，探讨农田风蚀过程中的粉尘释放特征。结果表明：地表风蚀释尘对近地表粉尘浓度的影响随高度增大而逐渐减弱，各高度的粉尘浓度变化趋势与摩阻风速、输沙率变化趋势相同；粉尘垂直通量和流失通量与摩阻风速呈幂函数关系，与输沙率呈线性关系；农田土壤跃移颗粒的轰击效率α数量级为10^-7m^-1。     

东北印度洋大气粉尘现代沉积过程分析

海洋大气粉尘是海气相互作用的桥梁。由于现代大气粉尘沉积在时空尺度上具有广泛性和可观察性,使其成为研究海洋海气相互作用的重要基础和手段。而位于世界屋脊青藏高原南翼的东北印度洋,是全球海洋生产力最强和生物多样性最丰富的海域之一,然而,关于海洋现代粉尘的研究还未见相关的报道。文章通过对东北印度洋2020年9―11月的大气粉尘进行走航收集,分析大气粉尘样品沉积通量,利用空气粒子模型模拟粉尘传播途径,对粉尘石英颗粒进行扫描电镜及能谱分析;再结合全球遥感数据,首次对东北印度洋大气粉尘沉积的现代过程进行探讨。研究发现,东北印度洋大气粉尘沉积通量变化在221~1 221 mg/cm²/d之间,研究期内粉尘日沉积通量最高值出现在冬季风盛行的11月中旬,而最低值则在夏季风控制的9月下旬,前者通量约是后者6倍;粉尘沉积通量变化主要受粉尘源区距离的影响,而粉尘粒径大小和风力强度有关。空气粒子模拟结果显示,粉尘的传播过程受大气环流系统的季节性和区域性控制,结合大气气溶胶数据可进一步探讨粉尘的源汇过程。此外,现代粉尘石英颗粒表面结构具有明显的风成环境沉积特征,石英颗粒磨圆度较好,具有蛇曲脊或“U”型坑,明显区别于水成环境下石英颗粒磨圆度差,具有贝壳状断口及“V”型坑等特征,可作为在沉积物中区分不同搬运动力组分的依据。     

祁连山西段冰川积雪中大气粉尘沉积特征

基于2012 年夏季野外考察、微粒粒度测试和扫描电镜(SEM-EDX) 微观形貌观测研究, 对位于我国青藏高原东北缘的祁连山西段典型极大陆型冰川区老虎沟12 号冰川、野牛沟十一冰川积雪中大气粉尘沉积进行了分析研究。两冰川区积雪中微粒的平均质量浓度分别是3461 μg/kg、2876 μg/kg, 年均沉积通量分别是207.6 μg/cm²、143.8 μg/cm²。将本研究区与其他区域冰川积雪中粉尘浓度对比研究表明, 冰川受周边粉尘源区影响较大。雪坑微粒浓度剖面和离子相关性分析表明, 祁连山西段冰川积雪中污化层富含亚洲粉尘的富Ca²⁺、Na⁺矿物;微粒体积-粒径分布众数介于3~22 μm, 两冰川区的粒径众数分别为12.6 μm和12 μm, 粒径分布均显示了单结构模式, 同时反映了祁连山冰川区与毗邻的天山地区雪冰中粉尘粒径分布模式的相似性和粒径众数的差异性。通过SEM-EDX对粉尘颗粒的微观结构研究发现, 颗粒绝大多数为形貌不规则的矿物粉尘颗粒, 和很少数量的飞灰颗粒等。同时, 对粉尘来源结合Sr-Nd同位素测定和气团后向轨迹分析进行验证, 认为位于研究区北边的巴丹吉林沙漠是祁连山12号冰川区粉尘最可能的源区。     

若干风蚀粉尘释放模型述评

粉尘气溶胶对大气、陆地和海洋多方面的影响促进了粉尘释放的模拟研究。Gillette和美国FPA的粉尘释放模型相对地比较简单，主要考虑了摩阻速度和土壤质地对粉尘释放的影响，没有考虑粉尘释放过程的微观机制；邵亚平和Alfaro等人的DPM粉尘释放模型都通过土壤粒度分布、粗糙度和起动摩阻速度等参数表达了地表特征对粉尘释放的影响，且都描述了粉尘释放的微观机制。20多年来粉尘释放的模拟研究取得了重要进展，主要表现在通过室内和野外实验证实了粉尘释放的主要机制为跃移颗粒的冲击，并分别从粉尘的结合能与跃移颗粒动能及跃移颗粒产生的弹坑体积角度来描述这个微观机制。然而所有的模拟工作只是从某一方面反映了粉尘释放过程，对粉尘释放机制还没有完全了解清楚，特别的是目前关于粉尘结合能研究还有很大的不确定性，这也是粉尘释放模型需要改进的地方。     

粉尘干沉降研究

 粉尘在地球系统中的循环是一个受到广泛关注的研究领域,而粉尘干沉降是该循环中的关键一环。从粉尘干沉降的基本特征入手,分析粉尘在大气边界层中的运动规律和地表收集粉尘的物理过程;结合颗粒性质,地表特征以及流场条件等因素,对粉尘干沉降的研究工作进行了简要的回顾;分析并比较了现有的粉尘干沉降方案和实验结果,对影响粉尘干沉降过程的主要因素进行了讨论。通过对已有工作的总结和分析,指出了粉尘干沉降研究中存在的主要问题及其发展趋势。     

利用风云-1C气象卫星监测南疆沙尘暴研究

利用我国新近发射的风云-1C极轨气象卫星,对1999年5月13~14日发生在塔里木盆地至河西走廊西部的沙尘暴与浮尘扬沙天气进行分析。发现本次沙尘暴过程仅发生在盆地南部并沿昆仑山、阿尔金山等山脉北麓向偏东方向移动,然后影响到敦煌附近并逐渐减弱为浮尘扬沙天气。同时进行天气气候学分析和解释。说明风云-1C在环境监测方面可以发挥极好作用。     

Clearing enhances dust devil formation

In the southwest of Western Australia, the large scale replacement of native perennial vegetation with agriculture based on winter growing annual species leads to a significant change in the surface albedo and roughness. Whilst the redistribution of the surface energy balance impacts on cloud climatology, the reduced roughness of the agricultural area has enhanced the injection of aerosols into the atmosphere through the increased potential for dust devils. Although the native vegetation experiences a higher sensible heat flux, it is the reduced frictional drag of the cleared agricultural lands that enhances the potential for dust devil formation and thus provides an additional source of atmospheric aerosols.     

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%。     

沙尘模式地表起沙参数不确定性分析

 起沙的参数化方法对沙尘天气的预报质量起着至关重要的作用。首先分析了目前应用广泛的沙尘模式中的参数土壤塑性压力P和cy对地表水平沙通量与垂直沙尘通量计算结果的影响,然后利用WRF-Chem3.0模式对2007年3月27—28日发生在我国西部地区的一次沙尘过程进行了模拟,分析了由于参数值选取的误差而造成沙尘模拟的不确定。结果表明,土壤塑性压力P对模拟结果有很大影响,P值的改变不仅影响PM10浓度大小的预测,而且还影响其浓度中心位置以及分布范围;cy值仅影响沙尘区域内PM10浓度大小的预测,对浓度中心位置和分布范围大小的预测没有影响。     

青藏高原沙尘天气的遥感研究

由于分布在青藏高原上的气象观测站点稀少,难以对沙尘天气进行充分的地面观测。通过对近年来的5次沙尘天气进行遥感识别,分析了青藏高原沙尘天气过程、影响范围和沙尘来源。结果表明,青藏高原在冬春季存在明显沙尘天气,主要分布在藏北高原、藏南谷地和青海高原地区,这与高原大风对地面的风蚀有密切关系。卫星遥感作为一种重要的观测手段,提供了对高原沙尘天气的有效观测。