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。     

额济纳旗典型地表沙尘释放潜力及沙尘天气频发成因

额济纳旗位于极端干旱的内陆河下游，绿洲退化严重，沙尘天气频发，已成为内蒙古西部主要沙尘源区。为揭示该区域沙尘频繁成因，对区域4种典型地表（富沙砾戈壁、富沙戈壁、绿洲退化地、绿洲）沉积物组分、风蚀强度、沙尘释放强度、多年平均月沙尘日数及大风日数等进行了综合分析。结果表明：以风沙活动为主要特征的绿洲退化地，粉沙黏土组分含量高，PM₁₀沙尘释放强度大（0.2796 kg·d^-1·m^-2），为研究区强沙尘释放地表；富沙及富沙砾戈壁地表，风蚀强度大，但粉沙黏土组分含量低，PM₁₀沙尘释放强度较大（0.1267 kg·d^-1·m^-2，0.0672 kg·d^-1·m^-2）；尽管绿洲地表粉沙黏土组分含量高，但由于植被、水分等因素的制约，其PM₁₀沙尘释放强度最小（0.0240 kg·d^-1·m^-2）。额济纳旗绿洲被大面积强沙尘释放源（绿洲退化地和戈壁）包围，局地沙尘内循环过程中粉尘颗粒的富积，为当地高频沙尘天气提供了丰富的尘源，这是额济纳旗沙尘天气频发的主要原因。     

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。     

沙漠人工植被区土壤呼吸初探

2003年9月底,在沙坡头铁路北面的1956年、1964年、1981年和1987年始植的人工植被区和流动沙丘的迎风坡,分别在阴天、晴天和雨后用CI301SR测定土壤呼吸速率,结果表明:土壤呼吸速率在各样地间、日期间和互作均达到极显著水平;尤其是雨后样地间的差异非常明显。1956年始植、1964年始植、1981年始植、1987年始植样地和流沙不同天气状况下的平均土壤呼吸速率分别为-0.1537μmol·s^-1·m^-2、-0.0995μmol·s^-1·m^-2、-0.0583μmol·s^-1·m^-2、-0.0754μmol·s^-1·m^-2和-0.0336μmol·s^-1·m^-2;阴天、晴天和雨后不同样地的平均土壤呼吸速率分别为-0.0342μmol·s^-1·m^-2、-0.0778μmol·s^-1·m^-2和-0.1403μmol·s^-1·m^-2。在沙漠人工植被区,影响土壤呼吸的主要因子是水分,其次是温度与植物群落类型和发育阶段。     

氮添加对黄土高原草原生态系统净碳交换的影响

以黄土高原典型草原为对象，采用静态箱-红外分析仪联用法进行野外原位试验，研究氮添加对生态系统CO₂通量的影响。设置6个氮添加水平，分别为N0（0）、N1（1.15 g·m^-2·a^-1）、N2（2.3 g·m^-2·a^-1）、N3（4.6 g·m^-2·a^-1）、N4（9.2 g·m^-2·a^-1）和N5（13.8 g·m^-2·a^-1），氮素类型为尿素（（NH₂）₂CO）。结果表明：氮添加处理没有改变生态系统碳交换的季节动态趋势，但是增加了生态系统净碳交换能力（NEE）、生态系统呼吸（ER）和总生态系统生产力（GEP）的峰值。N2、N3、N4、N5处理的NEE生长季绝对累积量分别比对照增加62%、45%、72%和48%；ER累积量分别增加66%、69%、78%、70%；GEP累积量分别增加65%、66%、77%、68%。氮添加处理增强了黄土高原典型草原植物生长季的碳汇功能。0~10 cm层土壤温度和湿度是影响黄土高原典型草原生态系统净碳交换的重要因素。     

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。     

东亚沙尘光学特性及其对辐射强迫和温度的影响

利用塔克拉玛干沙漠沙尘复折射指数数据对RegCM4-Dust耦合模式中的沙尘光学特性进行了更新,研究了东亚沙尘气溶胶光学特性对辐射强迫和温度的影响。结果表明：东亚沙尘气溶胶光学特性与模式默认值（OPAC模型）存在明显的差别,主要表现在：消光能力较弱;吸收性较弱,散射性较强;前向散射较弱,后向散射较强。2006年春季沙尘气溶胶光学厚度高值区主要位于塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠,鄂尔多斯高原及黄土高原等地区,最大值出现在巴丹吉林沙漠。采用东亚沙尘光学模型模拟2006年春季东亚地区大气顶净强迫为-4.86 W·m^-2,其中短波强迫为-5.34 W·m^-2,长波强迫为0.48 W·m^-2;地面净强迫为-11.23 W·m^-2,其中短波强迫为-13.70 W·m^-2,长波强迫为2.47 W·m^-2。2006年春季沙尘气溶胶导致东亚地区整体地面降温约0.21℃,陆地上降温明显,而海洋上温度变化不明显,甚至出现升温,这样将导致海陆间热力差异的改变,从而对东亚季风环流产生影响。     

沙地玉米水分利用效率日变化特征

以科尔沁沙地玉米农田生态系统为研究对象，利用涡度相关技术和便携式光合作用测定系统（LI-COR6400）同步观测玉米（郑单958）主要生育期（苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期）群体和叶片尺度瞬时CO₂交换及水汽交换速率，并分析其水分利用效率的日变化特征。结果表明：各生育期玉米群体尺度瞬时CO₂交换速率分别为-2.205、-26.113、-26.118、-8.201、-3.672 μmolCO₂·m^-2·s^-1，叶片尺度光合速率分别为27.57、59.55、24.38、22.03、20.09 μmolCO₂·m^-2·s^-1。各生育期群体水分利用效率（WUE_C）的日动态呈现“L”型，峰值出现在日出后（约06：00），分别为0.025、0.039、0.088、0.058、0.191 gCO₂·g^-1H₂O，叶片尺度瞬时水分利用效率（WUE_L）的日动态呈“~”型，峰值出现在06：00—10：00，分别为0.029、0.041、0.017、0.019、0.024 gCO₂·g^-1H₂O。玉米各生育期群体及叶片尺度瞬时CO₂交换速率和水分利用效率均存在明显差异。     

沙尘天气对榆林市环境空气质量的影响

基于2013—2018年榆林市沙尘天气和环境空气质量逐日数据,定量分析了沙尘天气对榆林市空气质量指数（AQI）、可吸入颗粒物（PM₁₀）和细颗粒物（PM_2.5）的绝对贡献和相对贡献率。结果表明：沙尘天气对榆林市AQI的贡献率为0.7%—11.1%（平均值±标准差6.4%±3.8%）;对PM₁₀的绝对贡献为1.0—13.1 μg·m^-3（平均8.2±5.4 μg·m^-3）,相对贡献率5.4%±3.5%;对PM_2.5的绝对贡献为-0.4—3.5 μg·m^-3,沙尘天气对PM_2.5的影响小于对PM₁₀。沙尘天气对榆林市空气质量的影响季节差异很大,春季贡献最大,秋冬季贡献较小。沙尘天气对榆林市区和郊区的影响程度不同,这可能与局部气象条件和地形条件等因素有关。     

2016—2020年沙尘天气对陕西省空气质量的影响特征

基于2016—2020年陕西省环境空气质量监测数据,分析沙尘天气对陕西省空气质量的影响特征。结果表明：（1）陕西省域沙尘天气过程每年发生9—19次,沙尘影响日每年20—46 d;春季为沙尘天气高发季,5月和3月为高发月;沙尘天气过程发生频数空间分布整体表现为自北向南、自东向西递减。（2）各城市沙尘天气过程持续时间2—120 h,关中城市持续时长总体高于陕北和陕南城市;不同沙尘天气过程PM₁₀峰值浓度变化范围大,最高值出现在榆林（3 219 μg·m^-3）。（3）2018年沙尘天气对陕西省PM₁₀年均浓度影响最大,2020年影响最小,年均浓度绝对贡献分别为9.3 μg·m^-3 和2.9 μg·m^-3;各城市沙尘影响日超标占比66.7%—89.7%,污染等级以轻度和中度污染为主,严重和重度污染较少;榆林、延安和商洛的严重污染100%来源于沙尘天气,关中5市的严重污染20.5%—66.7%来源于沙尘天气。     

沙冬青对土壤水分变化的生理响应

沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus(Maxim))是生长在沙漠地区及干旱荒漠区的常绿灌木,在干旱环境条件下形成了独特的生物学特性与生理生态适应性。研究结果表明,灌水前后沙冬青的光合作用和蒸腾作用变化很大。在土壤干旱时,其光合速率变化的日平均值仅为2.14μmol·m^-2·s^-1,其最大值仅为3.5μmol·m^-2·s^-1;此时叶片蒸腾速率变化的日平均值为7.03mmol·m^-2·s^-1,最大值为10.5mmol·m^-2·s^-1。而在土壤水分充足时,其光合强度和蒸腾强度明显提高,叶片光合速率的日平均值为5.97μmol·m^-2·s^-1,最大值为8.5μmol·m^-2·s^-1,均为干旱时的2倍以上;此时叶片蒸腾速率的日平均值为23.5mmol·m^-2·s^-1,最高值达30.1mmol·m^-2·s^-1,均为干旱时的3倍左右。分析沙冬青叶片气孔的调节作用与叶片的光合作用和蒸腾作用的关系可知,其气孔活动与蒸腾作用保持较为密切的相关关系,而其光合作用虽然也受气孔活动的影响,更主要是与其自身的生理生化特性有关。     

科尔沁沙地不同类型沙地植被恢复过程中地上生物量与凋落物量变化

植物体生长、死亡及分解是沙地生态系统物质周转的重要环节。以科尔沁沙地流动沙丘、固定沙丘及草地为研究对象,通过对2009-2011年3个生长季各生境植被特征、地上生物量和凋落物的测定,分析了沙地恢复过程中地上生物量和凋落物量的变化趋势和季节动态。结果表明:(1) 地表植被存在显著的生境差异,植被盖度、生物量和密度等均表现为草地 > 固定沙丘 > 流动沙丘。(2) 3类生境地上生物量均存在显著的单峰曲线的季节差异性,其中草地最大生物量分别出现在7月(2009年)和8月(2010、2011年),最大生物量为163.71~247.64 g·m^-2;固定沙丘最大生物量均在2009、2010、2011年7月达到最高,分别为96.13、96.02、102.74 g·m^-2,流动沙丘最高地上生物量为17.48~20.10 g·m^-2,分别出现在7月(2009年和2010年)和9月(2011年)。(3) 2009、2010、2011年3类生境中的年最大凋落物量分别为21.0、267.6、370.1 g·m^-2,其中草地和固定沙丘中凋落叶和凋落枝等非立枯有较大比重,流动沙丘凋落物主要为立枯;同时各生境凋落物具有与地上生物量相反的季节特征。     

放牧对呼伦贝尔典型草原植物生物量分配及土壤养分含量的影响

在内蒙古呼伦贝尔草原克鲁伦河流域选取轻度、中度和重度3个放牧区研究植物地上和地下生物量、根冠比及土壤有机质、氮、磷等养分含量对放牧强度的响应。结果表明:重度放牧区的地上生物量(89.73 g·m^-2)显著低于轻度(565. 61 g·m^-2)和中度放牧区(488. 92 g·m^-2),地下生物量(1 029. 90 g·m^-2)则显著高于轻度(604.92 g·m^-2)和中度放牧区(418.38 g·m^-2)。重度放牧区的根冠比为11.54,显著高于轻度(1.11)和中度放牧区(0.89)。土壤有机质及各养分含量随着放牧强度的增加先显著降低而后显著增大,中度放牧区的养分含量最低。     

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。     

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。     

科尔沁沙地中南部34种植物叶功能性状及其相互关系

以科尔沁沙地中南部34种主要植物为研究对象,分别测定叶片鲜重(FW)、干重(DW)、干物质含量(LDMC)、面积(LA)和比叶面积(SLA),比较不同生活型(一二年生草本、多年生草本、灌木)和功能型(C₃、C₄植物)的叶片性状的差异性,探讨沙地植物叶片性状相互之间的内在联系及其对环境的适应性。结果表明:一二年生草本的LDMC(0.23 g·g^-1)显著小于多年生草本(0.31 g·g^-1)和灌木(0.32 g·g^-1);而一二年生草本的SLA(22.14 m²·kg^-1)显著大于多年生草本(17.18 m²·kg^-1)和灌木(13.41 m²·kg^-1)。一二年生和多年生C₄植物的LDMC显著大于C₃植物;多年生C₄植物SLA显著大于C₃植物;C₃植物的LDMC表现为一二年生草本<多年生<灌木。沙地植物的叶鲜重、叶干重和叶面积三者间极显著正相关,植物叶干重与SLA显著负相关;C₄植物和多年生植物叶干重与SLA显著负相关。沙地不同生活型、功能型植物叶片的功能性状差异明显,沙地灌木和多年生植物能够较强的适应干旱环境,一二年生草本则具有较强的保持体内营养和获取土壤资源的能力。