基于卫星遥感的中国西北地区沙尘天气发生机理及传输路径分析

利用CALIOP/CALIPSO以及OMI/Aura卫星资料,结合HYSPLIT后向轨迹模式,分析了2009、2010、2011年4月下旬西北3次沙尘暴过程中高空流场分布、沙尘气溶胶的垂直分布以及输送气流轨迹.蒙古气旋和冷锋是导致沙尘天气的主要系统,在对流层的中下层区域,沙尘气溶胶在混合型天气系统下主要分布在0～7 km,自西向东移动;在纯冷锋型天气系统下,沙尘气溶胶则主要分布在0～4 km,自西向东南移动;两种天气系统在发展最强烈时,沙尘气溶胶的垂直分布高度均在3 km以上,退偏振比为0.5左右,双波信号比为1.0以上;在沙尘天气减弱时,沙尘气溶胶的垂直分布高度在0～2 km,退偏振比为0.3,双波信号比为0.8左右.混合型天气沙尘气溶胶主要垂直分布高度为3～7 km,较纯冷锋型沙尘粒子高.     

中亚沙尘气溶胶时空分布特征及潜在扩散特性分析

中亚地处干旱和半干旱气候区,是全球沙尘气溶胶贡献度较大的区域。利用中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectrometer, MODIS）和云—气溶胶偏振雷达（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization, CALIOP）遥感数据,从宏观角度对2002-2015年中亚地区气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）时空分布特征及沙尘气溶胶光学特性垂直分布特征进行分析,利用拉格朗日混合型的扩散模型（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory, HYSPLIT）讨论沙尘运输的季节性变化。结果表明：① 中亚AOD空间分布呈现显著的季节性差异,四季均值春（0.412）>夏（0.258）>冬（0.167）>秋（0.159）,14年间呈现增加趋势;② 中亚AOD高值区域主要集中于咸海地区和新疆的塔里木盆地,其中,咸海地区AOD年均值为0.278,年均增幅为3.175%,主要受咸海退化所导致的干涸湖底裸露面积加大的影响;塔克拉玛干沙漠地区AOD年均值为0.421,年均增幅0.062%,主要受温度和风速两方面的影响,不同季节下主导因素略有差异;③ 尘源区气溶胶主要集中在近地面0~2 km范围内,沙漠上空气溶胶退偏比范围（10%~45%）略大于咸海上空（15%~30%）;咸海地区色比值（0.3~0.8）小于沙漠地区（0.5~0.9）,且在0~2 km和4~6 km有两个高频色比值分别为0.5和0.3,说明相比沙尘气溶胶,咸海地区的盐尘气溶胶球形程度较高,颗粒更小,飘散高度更高;④ 咸海地区盐尘潜在扩散方向主要以东北,西南和南为主,向东北方向的扩散距离最远,影响范围可达俄罗斯中部地区,西南方向扩散路径高度和距离较近,主要影响乌兹别克斯坦和土库曼斯坦,但发生比例相对较高,塔克拉玛干沙漠地区起尘后大部分沙尘颗粒仍沉降在尘源区附近,向东部地区扩散的沙尘气溶胶,主要影响中国青海、甘肃、宁夏、陕西等地区。     

一次强沙尘暴过程中沙尘气溶胶空间分布的初步分析

利用地面观测资料分析了2008年5月25日至29日沙尘天气的发生、发展情况,利用Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations（CALIPSO）资料分析了沙尘气溶胶在传输过程中的垂直分布状况,结合HYSPLIT模式,对此次沙尘天气过程中沙尘气溶胶的传输路径做了分析。结果表明,此次沙尘天气过程是由蒙古气旋造成的,沙尘由低空急流向远方输送;地面沙尘天气主要发生在气旋和反气旋之间强烈的北风或西北风气流中;在此次沙尘天气过程中,沙尘气溶胶的退偏振比在0.10~0.38之间,沙尘主要分布在海拔2 km到4 km之间,最高可达到5 km。     

基于CALIPSO星载激光雷达的中国沙尘气溶胶观测

基于2006年6月至2012年5月无云条件下CALIPSO星载激光雷达观测资料,分析中国典型地区（塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、戈壁区和华北）沙尘气溶胶分布。结果表明：塔克拉玛干沙漠和戈壁区为沙尘天气发生频率高值区,且前者在各高度层的沙尘发生频率都大于后者。沙尘发生呈季节性分布。塔克拉玛干沙漠在春季沙尘发生频率最大,抬升最高可至10 km,冬季频率最小,高度最低,主要分布在3 km以下。戈壁区在春季沙尘发生频率、抬升高度最大,冬季抬升高度最低,但低层发生频率大于夏、秋两季。在塔克拉玛干沙漠,沙尘光学厚度春季最大约为0.44,冬季最小约为0.17,春,冬季消光系数峰值最大,可达0.25 km^-1,且随高度的递减率大于夏,秋季。在戈壁区和柴达木盆地,沙尘光学厚度春季最大、秋季最小。在华北,沙尘光学厚度春季最大、夏季最小,消光系数在2 km以上春季最大,这主要是由于春季远距离高空传输到华北的沙尘量最多。塔克拉玛干沙漠与柴达木盆地的退偏比为0.2~0.35,戈壁区为0.16~0.28,可能是由于塔克拉玛干沙漠的物质组成与柴达木盆地相同,而与戈壁区不同。华北因低层沙尘与其他气溶胶混合导致退偏振比廓线随高度递增。4个区域对流层上部退偏比全为0.2,表明高空气溶胶可能为来自相同源区的沙尘。     

中国西北地区气溶胶的三维分布特征及其成因

利用CALIPSO卫星遥感资料研究中国西北地区气溶胶的三维分布,分区域按类别讨论气溶胶的出现频率和气溶胶光学厚度（AOD）,并在此基础上,结合MERRA-2再分析数据探讨形成原因。结果表明：中国西北地区气溶胶含量较高,以沙尘和污染性沙尘为主,主要分布在塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和甘肃-内蒙古一带。气溶胶的出现频率季节变化不大,大气中气溶胶含量及其三维分布则有明显的区域性差异和季节变化。夏季,由于大气上升运动明显,气溶胶分布较高,部分气溶胶可以被输送到天山山脉、青藏高原主体,甚至8 km的高空。塔克拉玛干沙漠的气溶胶以自然沙尘为主,主要分布在4 km以下,受地形影响该地区局地环流明显,三维分布主要取决于局地排放和垂直输送,AOD的季节变化与沙尘排放一致,春季>夏季>秋季>冬季。古尔班通古特沙漠和甘肃-内蒙古一带的气溶胶消光系数较小且分布零散,气溶胶种类复杂,除了自然沙尘还有大量的污染性沙尘（出现频率约为0.15,AOD约为0.03,甚至可以大于自然沙尘）、污染性大陆气溶胶和烟尘。这是因为,这些地区受局地排放和远距离输送的共同影响,上游气溶胶在西北风的作用下输送而来和局地排放的气溶胶混合并继续向下游输送,沙尘气溶胶经过远距离输送变性为污染性沙尘。     

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%。     

气溶胶光学厚度的分布特征及其与沙尘天气的关系

 利用MODIS卫星遥感光学厚度资料，分析了中国大气气溶胶光学厚度的时空分布特征，并与同期沙尘天气进行了对比和相关分析，结果表明：①中国主要内陆地区的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness，简称AOT)分布有4个高值区：①分别位于南疆盆地和青海\,甘肃、内蒙古中西部地区、四川盆地和长江黄河下游地区。②春季北方特别是西北的AOT值明显高于南方，冬季南北AOT值差别不大。③南疆盆地和内蒙古中东部地区AOT值随季节变化明显，而四川盆地、长江黄河下游地区AOT值没有明显的季节变化。④南疆盆地、青海、内蒙古等地区沙尘天气过程与AOT值同步变化。⑤在沙尘天气的多发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气有较好的相关性；沙尘天气的少发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气基本不相关。因此可以推断，中国北方，特别是干旱荒漠区，大气气溶胶主要来自沙尘天气过程引起的地面沙尘释放。     

东亚沙尘源区晴空和云上沙尘气溶胶特征

利用2006年6月至2012年12月的CALIPSO Level 2 VFM产品、5 km分辨率的Aerosol Profile、Cloud Layer产品以及MISR反演的产品,揭示了东亚地区不同高度层上沙尘的时空分布特征,重点对比分析了东亚沙尘源区晴空和云上沙尘的垂直分布特征、消光系数和光学厚度。结果表明：塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠是东亚沙尘的主要源区,沙尘出现频率具有显著的季节差异,春季最多,夏秋相当,冬季最少,无论在晴空还是有云条件下,前者出现频率大于后者。对于同一地区而言,云上沙尘出现的最大高度较晴空沙尘更高。塔克拉玛干沙漠云上沙尘消光系数高值区集中在2~4 km,而戈壁沙漠则集中在3~5 km,但是在云层之上晴空和云上沙尘消光系数差别不大。塔克拉玛干沙漠以沙尘气溶胶为主,约占总气溶胶光学厚度的77%,晴空和云上沙尘光学厚度平均值分别为0.22和0.15;戈壁沙尘气溶胶约占总气溶胶光学厚度的52%,晴空和云上沙尘光学厚度的平均值分别为0.09和0.06。     

欧亚大气环流对中国北方夏季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘天气观测资料分析了中国夏季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的夏季沙尘指数51年来均呈现出减小的趋势。通过分析夏季沙尘指数典型高、低值年环流场发现：500 hPa高度场上强烈发展的高原-贝加尔湖平均脊和减弱的东亚大槽,减少了高空低值系统对南疆和内蒙古中西部地区的影响,地面场上“北负南正”的变压场分布使得两个地区西风和西北风减小,最终导致夏季南疆和内蒙古地区沙尘天气减少。沙尘指数高值年时影响两个地区天气系统的差异在于：影响南疆地区的天气系统主要是高空的西路冷空气和地面场上发展的南疆热低压,而影响内蒙古地区的则是北路和偏北路冷空气以及地面场上强烈发展的蒙古-内蒙古热低压。     

欧亚大气环流对中国北方春季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘观测资料分析了中国春季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的沙尘指数51年来都呈现出减小的趋势,其中内蒙古沙尘指数总体较小、年际变化较大,而南疆沙尘指数的波动较小。通过分析南疆和内蒙古沙尘指数典型高、低值年春季环流场发现,控制两个沙尘源区的环流场存在明显差异:南疆沙尘指数低值年时,西路入侵的冷空气减少,受此影响蒙古气旋和南疆热低压减弱,导致南疆地区近地面西风减弱,最终导致南疆沙尘天气减少;内蒙古沙尘指数低值年时,西北路和北路冷空气入侵次数减少,地面场上西伯利亚冷高压和蒙古高压减弱,并且蒙古气旋的发生发展受到限制,导致内蒙古西部近地面西北风和偏西风减小,最终导致内蒙古地区沙尘天气减少。     

中国北方沙尘暴现状及对策

中国北方主要包括:甘肃河西走廊及内蒙阿拉善盟;新疆塔克拉玛干沙漠周边地区;内蒙阴山北坡及浑善达克沙地毗邻地区和蒙陕宁长城沿线四个主要沙尘暴中心和源区。我国沙尘暴从20世纪50年代以来呈波动减少之势,90年代在减少中有回升,2000年和2001年更是急剧增加,预示着新一轮沙尘暴活跃期已经开始。生态环境恶化和气象条件的变化是我国北方沙尘暴增多的原因。目前人类控制天气的能力还很有限,减缓沙尘暴灾害频度与强度的关键在于搞好地面的生态保护与建设。坚持"预防为主、保护优先、防治并重"的生态保护与建设方针;建立和完善生态保护的法规和政策体系,停止导致生态环境继续恶化的一切生产活动,对于超出生态承载能力的地区可以采取一定的生态移民措施。     

2018年春季中国北方大范围沙尘天气对城市空气质量的影响及其天气学分析

利用多源卫星数据、空气质量数据和再分析资料ERA-Interim分析了2018年春季中国北方一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶的光学特性及垂直结构、沙尘天气对颗粒物浓度及空气质量的影响及其机制。结果表明：（1）2018年3月27-30日中国北方地区气溶胶光学厚度、吸收性气溶胶光学厚度和气溶胶指数分别大于0.4、0.035和1.0。沙尘气溶胶主要分布在地面至8 km的范围内，且体积退偏比大部分在0.06~0.4，色比0.6~1.2。（2）各城市颗粒物浓度在一定程度上均受到沙尘天气的影响。3月27-28日，PM_2.5和PM₁₀的平均值分别是国家一级标准的4.1倍和4.3倍。29-30日，PM_2.5和PM₁₀的平均值分别是国家一级标准的3.5倍和3.4倍。28日河北张家口PM₁₀/PM_2.5达4 d之最，最大比值为10.9。（3）低层贝加尔湖高压南压对内蒙古西南部及河西走廊地区的起沙有重要影响，河套地区地面气旋和低层切变是造成华北西部起沙的关键因素，鄂海地区高压脊和东北地区地面的低压系统有利于东北地区的起沙。     

Modern dust storms in China: an overview

This paper discusses the sources, spatial distribution, frequency and trend of dust storms in China. Most dust storms in China originate from one of three geographic areas: the Hexi (River West) Corridor and western Inner Mongolia Plateau, the Taklimakan Desert, and the central Inner Mongolia Plateau. Dust is most likely from deteriorated grasslands, Gobi, alluvial, lacustrine sediments and wadis at the outer edge of deserts. But deserts themselves contribute only slightly to the dust storm directly. Two geographic areas frequently have dust storms: one is in the western Tarim Basin, a ground surface of deteriorated land and wadi, but it only affects its neighboring areas, and the other one is in the western Inner Mongolia Plateau, a ground surface of Gobi, alluvial and lacustrine sediments, but it causes most of the dust storms in north China. Generally speaking, dust storms have reduced in most regions of China from the 1950 to 2000. Dust storms are highly correlated with human activities and climate changes.     

西北地区气候因素对沙尘暴影响的模型研究

气候因素是沙尘暴形成的必要条件之一,建立适合于西北地区衡量气候因素对沙尘暴影响的定量模型极为重要。在前人的沙尘天气模型基础上,强调在西北地区利用温度、降水量、蒸发量综合考虑地区水分均衡来计算干燥指数,并与大风日数和风速计算的风速影响指数共同建立新的沙尘暴气候影响指数模型。将模型实际应用于新疆、青海、甘肃、陕西、宁夏和内蒙古等西北6省区,利用6省区1961—1980年的气象资料进行回归分析,结果表明,气候影响指数D和沙尘暴日数S之间具有良好的相关性。并选取1981—2005年陕西、甘肃和内蒙古3地气象资料计算的沙尘暴日数预测值与3省区的实际值作比较,发现模型拟合程度较好,且在揭示气候影响因子对沙尘暴影响作用方面,效果较为显著。     

近年来GRAPES-SDM沙尘模式预报效果检验评估

使用天气学检验方法,对中国气象局兰州干旱气象研究所目前使用的GRAPES-SDM沙尘暴预报业务模式在2008-2011年春季沙尘天气预报情况进行检验评估。结果表明：①自2008年以来,GRAPES-SDM沙尘暴模式对中国北方区域沙尘天气的模拟预报能力较好,TS评分和预报效率保持较高的水平;②模式对内蒙古地区、河套地区及甘肃河西地区的预报效果最好,但常有空报或预报沙尘强度偏强的现象;模式能预报出南疆盆地的沙尘天气,但常有预报范围偏小、强度偏弱的现象;对青海地区的沙尘天气常有漏报现象;③模式对沙尘暴频发地区的预报效果较好,对沙尘天气偶发地区容易漏报,模式对新疆东部、内蒙古中西部地区空报较多;④模式对大范围沙尘天气过程的预报能力较好,对零星沙尘天气预报能力较差。通过检验,我们还提出了改进和完善GRAPES-SDM沙尘暴预报系统的一些建议。