额济纳地区沙尘气溶胶质量浓度特征初步分析

为更好地理解亚洲沙尘源区气溶胶特征,在巴丹吉林沙漠边缘额济纳地区进行了野外观测。通过对沙尘源区之一的额济纳地区沙尘气溶胶的长期临测,获得了其区域代表性沙尘气溶胶理化特征。其TSP年变化以5月最大,9月最小,这与气象条件密切相关。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,其质量浓度随粒径的分布特征也明显不同。总体上讲,额济纳地区清洁大气中沙尘气溶胶浓度量级为10^2μg／m^3,而浮尘,扬沙及沙尘暴期间沙尘气溶胶质量浓度量级为10^2μg/m^3,超强沙尘暴沙尘质量浓度可达量级为10^4μg／m^4,在不同风向影响下,气溶胶粒径分布呈现不同特征;与沙坡头、敦煌地区相比,具有其独特的区域特性。     

塔克拉玛干沙漠中心的沙尘气溶胶观测研究

沙尘气溶胶严重影响中国北方的空气质量,作为一种重要气溶胶并影响区域的辐射平衡。塔克拉玛干沙漠每年释放大量的沙尘气溶胶,而位于塔克拉玛干沙漠中心的塔中站,提供了对沙尘气溶胶的近距离观测。利用该站地面太阳光度计的观测数据分析了沙尘气溶胶的年变化特征,并分析了该站光学厚度、能见度、大气飘尘质量浓度（PM10）和大气总悬浮颗粒物浓度（TSP）之间的相关性。结果显示,气溶胶的440 nm光学厚度在春季最高、秋季最小,440 nm光学厚度与能见度呈现负幂函数关系,TSP与PM10呈现线形相关关系,PM10与能见度呈现负幂函数关系。     

塔克拉玛干沙漠腹地大气气溶胶散射特征研究

利用沙漠腹地塔中气象站积分浊度计的2004年观测资料,结合同期PM10质量浓度、能见度和常规气象资料,分析了塔克拉玛干沙漠腹地气溶胶散射系数的变化特征,以及气溶胶散射系数与PM10质量浓度、能见度的关系。研究表明,2004年塔中气溶胶散射系数、PM10质量浓度、能见度日平均值分别为124.74±187.30 Mm-1,538.9±841.7 μg·m-3,12 748±7 274 m。塔中气溶胶散射系数小时平均值出现频率最高的区间主要在100 Mm-1以下,中午气溶胶散射系数小,早晚气溶胶散射系数大;冬春两季的凌晨空气中含有较多的粒子,气溶胶散射系数较大;气溶胶散射系数小时平均值与PM10质量浓度变化规律基本一致,2004年1—6月的气溶胶质量散射系数平均值为0.37 m2·g-1;散射系数与能见度日平均值非线性相关较好,两者呈负幂函数关系。     

基于CE318观测的广州市气溶胶粒子谱分布特征

基于CE318太阳光度计观测数据,采用消光法对广州市2011年全年的气溶胶粒子体积浓度、数浓度、体积谱、数浓度谱的全年总体特征,季节性特征及日变化进行了分析。结果表明：1）广州市气溶胶粒子体积浓度年均值为0.45 μm³/μm²,春季最高,夏季最低;且粒子体积浓度与浑浊度的相关系数达到0.956。2）广州市气溶胶体积谱为双峰型,数浓度谱为单峰型。半径＜0.1 μm的细粒子为气溶胶主控粒子,主要由水溶性粒子和煤烟组成。3）广州市的气溶胶污染主要与工业、交通等人为污染有关;其主要成分为水溶性粒子和煤烟,此外还存在少量的沙尘和海洋气溶胶粒子。4）一天当中气溶胶粒子体积浓度随着人类活动增加逐步上升,T 12:00―15:00时段细粒子的体积浓度为一天中最高。     

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。     

激光雷达在沙尘观测中的应用——2004年春季北京和呼和浩特沙尘天气的解析

2004年春季（2003年12月至2004年5月）利用激光雷达在北京和呼和浩特对沙尘天气进行了连续观测。利用激光雷达的数据导出了沙尘和大气污染物气溶胶消光系数的关系,对两个地点的沙尘天气特征和大气污染特征进行了探讨。该期间在呼和浩特观测到较大型的沙尘事件（消光系数大于0.3·km-1）有9次,这些起源于蒙古国/内蒙古的沙尘事件晚于呼和浩特6~10 h在北京被观测到。在呼和浩特观测到的沙尘云块的高度普遍较低（由地表至高空1~2 km）,而在北京较高一般可达到2~4 km,同一沙尘事件的最高浓度（消光系数）是呼和浩特高于北京。在北京观测到的沙尘天气共有17次,其中包括数次小规模的沙尘事件在呼和浩特未观测到。从北京及呼和浩特的观测结果可以看出,北京地区3~5月沙尘的背景浓度高于呼和浩特,北京地区具有明显的区域规模大气污染特征,而呼和浩特只具有局部规模的大气污染特征。     

沙尘气溶胶的光学特性及辐射强迫效应

在采用OPAC折射指数资料库和对数分布的基础上,利用MIE散射理论和一个简单的概念模型研究了沙尘气溶胶的辐射特性及全球直接辐射强迫值,分析了单相系沙尘气溶胶的消光、散射、吸收效率因子与粒径的关系,讨论了多相系沙尘气溶胶的光学参数随波长的变化特征。结果表明,消光效率因子和散射效率因子随粒径增大而衰减振荡,随波长增大振荡特性逐渐消失。消光系数对众数半径的变化很敏感,单次散射反照率和非对称因子对众数半径的变化不敏感。沙尘气溶胶的直接辐射强迫受气溶胶的单次散射反照率影响很大,随着众数半径的增大,沙尘气溶胶的负的直接辐射强迫值在减小,正辐射强迫值在增大。     

大连地区一次沙尘过程的激光雷达观测研究

利用激光雷达、PM10观测、地面及探空等综合观测资料,针对大连地区2006年4月7—8日的沙尘过程,基于Fernald积分法反演了沙尘过程气溶胶消光系数,分析了沙尘过程的时空分布特征及沙尘气溶胶的垂直结构,并对沙尘严重影响地面的原因进行了初步探讨。结果表明,激光雷达探测可以精确反映沙尘气溶胶的垂直结构和时空变化信息,并且能弥补人工气象观测的不足;此次沙尘影响高度较低,主体过境时沙尘层中心高度小于0.5 km。沙尘层内消光系数最大达到0.96 km-1;激光雷达反演得到的180 m高度处的气溶胶消光系数与地面PM10浓度吻合较好;沙尘影响地面时,地面PM10浓度增大,相对湿度明显降低。大气低层逆温和近地面风速等气象条件对沙尘影响地面的时间和程度有很大作用。     

沙尘天气下黑河流域大气长波辐射遥感估算

由于沙尘气溶胶散射和吸收机制的复杂性,目前还没有成熟的可应用于沙尘天气的大气长波辐射反演算法。通过对比分析常见的沙尘、城市、乡村、海洋气溶胶对大气长波辐射强迫和MODIS通道辐亮度影响的基础上,提出利用气溶胶光学参数对线性模型进行修正,构建了适用于沙尘气溶胶条件下的大气长波辐射估算模型,并利用黑河流域4个观测站点(花寨子荒漠站、混合林站、黑河遥感站和张掖湿地站)实测数据对模型的应用能力进行检验。结果表明：4个站点遥感反演的大气长波辐射均方误差为17.1～20.4 W·m^-2,偏差为-12.3～-1.8 W·m^-2。由于考虑了沙尘气溶胶的光学厚度变化和辐射强迫效应,修正后的模型可显著提高沙尘气溶胶影响下大气下行辐射的反演精度,减少长波辐射应用中的不确定性,对干旱区地表能量收支研究提供了重要参考。     

半干旱区气溶胶散射特性研究

利用2005年1月至9月锡林浩特观象台积分浊度计的观测资料,结合同期的PM10质量浓度、能见度以及常规气象资料,分析了半干旱地区气溶胶的散射系数变化特征,讨论了它的季节变化、日变化、不同沙尘天气下气溶胶散射系数的变化情况,以及散射系数与PM10质量浓度、能见度的关系。结果表明1月至9月散射系数总体呈先下降再升高的趋势,日变化呈明显的双峰型;散射系数能很好的反映沙尘天气的强度;它与PM10质量浓度变化规律基本一致,两者之间具有很好的相关性;散射系数与能见度呈指数相关关系。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶质量浓度垂直分布特征

 利用Grimm 1.108、Thermo RP 1 400 a以及TSP等仪器于2009年1月至2010年2月对塔克拉玛干沙漠腹地塔中不同高度沙尘气溶胶质量浓度进行连续观测,结合天气资料进行分析。结果表明:①80 m高度PM10质量浓度最高,80 m高度PM2.5和PM1.0质量浓度明显低于4 m高度PM10,80 m高度PM1.0质量浓度最低。频繁的沙尘天气是影响不同粒径的沙尘气溶胶浓度含量的主要因素。②夜间至日出,PM质量浓度逐渐降低,最低基本上出现在08:00,随后质量浓度逐渐增大,18:00前后浓度达到最高值,然后又逐步降低。其规律与风速的昼夜变化完全一致。③TSP月平均质量浓度高值主要集中在3—9月,其中4月和5月浓度最高,随后逐渐减低。3—9月也是PM月平均质量浓度的高值区域,4 m高度PM10月平均质量浓度最高发生在5月,其浓度为846.0 μg·m-3。80 m高度PM10浓度远高于PM2.5和PM1.0浓度,PM2.5和PM1.0浓度相差较小。风沙天气对大气中的不同粒径粒子的浓度含量影响较大,风沙天气越多,粗颗粒含量越高,反之则细颗粒越多。④沙尘天气过程中不同粒径沙尘气溶胶质量浓度变化具有晴天<浮尘天气<扬沙天气<沙尘暴天气的规律。各种沙尘天气中,PM10/TSP表现为晴好天气高于浮尘天气,浮尘天气远高于扬沙和沙尘暴天气。⑤沙尘天气过程中,沙尘气溶胶浓度随着粒径的减小,浓度逐渐降低。不同高度、不同粒径的沙尘气溶胶质量浓度每隔3~4 d形成一个峰值区,与每隔3~4 d出现沙尘天气强度增强过程直接相关。     

半干旱地区大气颗粒物浓度及粒径谱特征的观测研究

采用兰州大学半干旱气候和环境观测站（SACOL）2007年11月1日至2008年10月31日的APS-3321粒径谱仪的连续观测资料,对该地区大气颗粒物的浓度变化和粒径分布特征进行分析研究。结果表明,该地区颗粒物浓度年变化呈单峰值型,无论是数浓度还是质量浓度峰值均出现在12月,数浓度6月最低,质量浓度9月最低;和其他地区相比,无论数浓度还是质量浓度,均低于污染较严重的城市,但高于内陆清洁地区。数浓度和质量浓度平均日变化均呈单峰值型,都在上午11：00BST左右达到峰值,下午18:00BST左右达到谷值,但质量浓度峰值出现时间随季节而有所差异。颗粒物浓度的年变化和背景风场主导风向的年际变化有一定关系,而局地垂直风速及水平风向的昼夜转换对颗粒物浓度的日变化有较大的影响。数浓度粒径谱分布特征呈单峰值型,主要集中在0.673 μm左右;质量浓度粒径谱分布特征呈双峰值型,第一个峰值出现在0.777 μm左右,第二个峰值出现在5.048 μm左右。降水对大于1 μm的粒子的去除效果非常明显。当沙尘天气发生时,数浓度和质量浓度与背景天气条件下相比增大了22%和127%。     

内蒙古半干旱草原沙尘天气对近地层微气象学特征影响分析

利用锡林浩特国家气候观象台2011年4-5月近地层微气象、地表辐射和湍流通量观测数据,对比分析了内蒙古典型半干旱草原下垫面在晴天、扬沙和沙尘暴天气下各气象要素、地表辐射分量和能量平衡的变化特征。对于半干旱草原区,地面风速越大沙尘天气越强;沙尘过程开始前地面空气较暖,开始后地面空气转为相对较冷的状态;沙尘气溶胶含量越高,5 cm地温日变化趋势越弱,在沙尘过程中5 cm地温值越小。沙尘气溶胶含量越高,太阳总辐射越弱,大气长波辐射越强;地表反射辐射与总辐射有相同的日变化特征;沙尘气溶胶白天使净辐射值减小,夜间使净辐射值增大。沙尘天气直接辐射衰减非常明显,而且散射辐射在总辐射中占很大的比重。沙尘气溶胶对紫外辐射的削弱很强,并且沙尘含量越高,对紫外辐射的削弱越强。沙尘气溶胶的辐射强迫作用对地表能量平衡产生影响,使向上的感热和潜热输送减弱,使向上的土壤热通量增强或向下的土壤热通量减弱。     

河西走廊边界层高度与风沙强度的关系

以中国风沙高发区河西走廊为研究对象，应用河西走廊敦煌、酒泉、张掖和民勤4站2006—2017年逐日19：00每50 m加密高空资料和07：00规定层、特性层高空资料，分别采用平滑位温法、T-LnP法，统计分析了该区边界层高度的变化特征及其影响因子、边界层高度与风沙强度的关系，得出边界层高度与风沙强度成正比。进一步从地面风速、相对湿度、地气温差日变化得到春季午后风沙天气多发和强发的主要成因，得到了沙尘暴不同环流形势下的边界层高度持征，以及高空风速≥15 m·s^-1的最低高度与风沙强度的关系，从而为风沙天气预报提供技术帮助。结果表明：河西走廊年均边界层高度1 700~2 200 m，4—6月较高，在3 000 m以上，敦煌4—5月在3 500 m以上。边界层高度与最高气温、最低气温和0 cm最高地温较密切，与最高气温、极大风速成正比。边界层高度随着风沙强度的增强而增高，4月强沙尘暴和大风的边界层高度均大于3 100 m。春季风速随着风沙强度的增强而增大，最大风速集中时间在12：00—18：00，春季13：00—14：00风速最大、相对湿度最小、地气温差最大，因而也是风沙天气出现最多和强度最强的时段。沙尘暴持续时间越短，边界层越高，4—6月下午的沙尘暴较高，为2 800~3 100 m。沙尘暴不同环流形势的边界层高度中西风槽型整体较低；平直西风型4、6月和8月较高，均达3 100 m以上，8月为3 580 m；而西北气流型高于西风槽型，5—6月大于3 200 m。不同风沙强度高空风速≥15 m·s^-1的最低高度，冬春季较低，夏秋季高；浮尘较高为4 884 m，大风伴沙尘最低为2 471 m，大风沙尘暴07：00较19：00高600 m左右，明显较边界层高1 000~2 000 m。     

毛乌素沙地风况及输沙势特征

利用毛乌素沙地腹地野外实测风速风向数据，系统分析了毛乌素沙地的起沙风和输沙势的变化特征。结果表明：（1）毛乌素沙地的起沙风和输沙势主要分布在NW、NNW和N等3个方位。（2）毛乌素沙地春季（3—5月）起沙风频率和输沙势最大，分别占全年的46.23%和52.97%。（3）起沙风频率的日内变化呈单峰曲线：16：00起沙风频率最大，为22.11%。起沙风平均风速的日内变化呈双峰曲线：00：00起沙风平均风速最大，为7.84 m·s^-1；14：00起沙风平均风速为7.63 m·s^-1，是次峰值。（4）毛乌素沙地年输沙势为66.75 VU，按照Fryberger风能环境划分标准，属于低风能环境；方向变率指数RDP/DP为0.51，中比率，钝双峰风况，其中偏北峰值远大于偏南峰值。     

沙枣树干液流的动态研究

利用热平衡方法,研究了黑河下游额济纳绿洲中沙枣(Elaeagnus angustifolia L.)树干液流的特点及其与环境因子的关系,结果表明：①在整个生长季的晴天, 沙枣树干液流的日变化呈现明显的单峰窄峰曲线;液流在10：00时迅速上升,在12：00时达到高峰,14：00时又迅速下降;日累计液流为2.43 L·d－1,白天液流量占全天的92.6%~93.9％,晚上占6.1%~7.4％;由于存在根压,沙枣在夜间有微弱上升液流。② 1月份液流量最小为22.0 L;7月份最大,为76.6 L;非生长季节的液流量占全年液流的35.6％;生长季节占64.4％。③生长季液流速率与环境因子逐步回归分析表明,树干液流受环境因子的综合影响,在日变化中大小依次是净辐射、总辐射、空气温度、风速和相对湿度,相关系数为0.69,决定系数为0.49;在季节变化中影响大小依次是空气温度、总辐射、净辐射、相对湿度和风速,相关系数和决定系数都是0.91。     

半干旱区冬春季黑碳气溶胶吸收特性的观测研究

利用2006年4月和12月锡林浩特观象台黑碳灰度仪的观测资料,分析了半干旱地区黑碳气溶胶浓度的变化特征,讨论了引起这些变化特征的影响因子。结果表明,黑碳气溶胶浓度冬季远大于春季,日变化呈明显的双峰型;讨论了风速对黑碳气溶胶浓度不同影响的范围,可知风速在较小的情况下（小于3.5 m·s-1）,黑碳气溶胶浓度值随风速的增大而减小;在3.5~4.5 m·s-1之间,风速增大,黑碳气溶胶浓度值也增大;风速较大（大于4.5 m·s-1）后,黑碳气溶胶浓度与风速之间没有明显的相关性。冬季12月由于黑碳气溶胶吸收作用造成的消光占总气溶胶消光的25%。     

沙漠与城市气溶胶散射系数变化比较

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站和中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所承担的乌鲁木齐大气成分观测站2010年1月1日至12月31日的单波段积分浊度计的观测资料,分析了沙漠（塔中）和城市（乌鲁木齐）两种不同下垫面地区的气溶胶散射系数的变化特征。（1）散射系数小时平均值：塔中地区变化范围在39.6～8 442.8 Mm^-1,平均值318.4 Mm^-1;乌鲁木齐变化范围在28.9～6 590.0 Mm^-1,平均值451.5 Mm^-1;乌鲁木齐小时平均值在1 000 Mm^-1以上的高值区间大于塔中地区。（2）散射系数日变化：塔中呈现单峰变化,其中最大值387.0 Mm^-1出现于凌晨02：00,最小值276.4 Mm^-1出现于午后的17：00;乌鲁木齐呈现三锋变化,3个峰值分别出现于09：00、14：00、22：00,与塔中地区存在明显差异。（3）散射系数月均值变化：塔中的月平均值最大是4月,为500.2 Mm^-1,最小是2月,为145.9 Mm^-1;乌鲁木齐月均值最大在2月,为1 086.3 Mm^-1,最小值在7月,为101.1 Mm^-1,两地区月均值变化整体呈现相反的现象。（4）散射系数季节变化：塔中地区春季>夏季>秋季>冬季;乌鲁木齐冬季>秋季>春季>夏季。