贺兰山两侧沙漠及污染城市CCN分布特征的观测研究

 利用DMT公司生产的连续流单过饱和度云凝结核计数器2007年8月在内蒙古自治区阿拉善左旗、宁夏回族自治区石嘴山市惠农区进行观测,并利用机载PMS观测资料,探讨贺兰山两侧云凝结核(CCN)在近地面和高空的垂直变化。分析表明,CCN主要来源于下垫面,污染地区的浓度明显高于沙漠地区,城市污染对CCN浓度的影响很大。CCN浓度的日变化非常明显。不同过饱和度下粒子谱谱型不同,主要表现为单峰型。过饱和度越大,活化的CCN数目越多,产生的粒子半径越大。高空观测表明,CCN、气溶胶数浓度在近地面较高,随高度的上升逐渐降低,遇到逆温层会出现浓度的跃升,其活化液滴谱型表现为双峰型,与地面相比,粒子谱向大粒子端移动,峰值半径在4 μm和6 μm左右。气溶胶粒子浓度主要集中在粒径0.3 μm以下;根据公式N＝CSK对地面的CCN活化谱进行拟合,接近大陆型核谱。不同地区及同一地区不同时间范围,CCN浓度、活化谱及活化后的液滴谱存在差异,需要在不同地区、不同季节对CCN谱型演变特征进行长期连续观测,从而认识CCN浓度及谱型的变化对云雾降水过程及气候变化的作用。不同地区可充当CCN气溶胶的谱分布及表面化学成分不同,其对CCN数浓度及谱分布的影响也不同,在观测中需要增加化学成分的观测,深入了解CCN浓度的时空分布特征。     

祁连山浅山区降水化学的环境意义

通过连续收集降水样品对祁连山浅山区民乐县大气降水特征及水汽来源进行研究,运用相关分析和主成分因子分析,探讨了2013 年5 月27 日至2014 年7 月7 日祁连山民乐地区降水常量离子的化学特征。结果表明：研究时段内降水离子浓度由大到小依次为Ca²⁺ >SO₄^2- >NH₄⁺ >Cl^- >Na⁺ >NO₃^- >Mg²⁺ >K⁺,其中Ca²⁺和SO₄^2-是高浓度离子,阳离子总浓度远远高于阴离子总浓度。降水pH 平均值为7.44,降水电导率的变化范围为4.0 μs·cm^-1～940.0 μs·cm^-1,平均值为167.93 μs·cm^-1。Ca²⁺离子和SO₄^2-离子分别占阳离子和阴离子总浓度的47%和44%。各阴阳离子随季节变化表现出明显的波动趋势,冬、春季节降水极少时阴阳离子浓度较高,而在夏季降水较多时各离子浓度较低。冬春季频繁的沙尘暴活动造成大气陆源气溶胶浓度升高,且该时段降水量少,因此降水离子浓度升高。相关分析和主成分因子分析结果表明,祁连山浅山区民乐县的降水化学离子主要来源于陆源物质,农业生产和人类活动产生的气溶胶是次要来源。     

甘肃省武威市大气降水特征及水汽来源

对2013年4月至2014年7月甘肃省武威市降水事件中常量离子进行测定,运用相关分析、富集因子分析、因子分析和HYSPLIT后向轨迹分析对常量离子的化学特征进行分析。结果表明：武威市降水pH值的变化范围为6.69～8.84,加权平均降水pH值为7.56;降水电导率的分布范围为33.9～1 011 μS·cm^-1,加权平均降水电导率为191.07 μS·cm^-1;降水中离子浓度SO₄^2- > Ca²⁺ > NO₃^- > Na⁺ > Cl^- > K⁺ > Mg²⁺ > NH₄⁺ > F^-。SO₄^2-、Ca²⁺、NO₃^-、Cl^-和Na⁺浓度占总离子浓度的92.14%;阴阳离子浓度随季节变化均表现出显著的波动,Na⁺、Ca²⁺、NH₄⁺均在春季出现最大值,K⁺、Mg²⁺、F^-、Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-均在冬季出现最大值。人类活动产生的污染对武威市降水离子浓度有很大影响,特别是工农业生产以及人类活动排放SO₂、NO_x以及氯化物等污染物。据水汽通量、流线分布和后向轨迹将武威市的降水划分为西风源降水和混合源降水（受季风和西风共同影响）。     

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。     

科尔沁沙地奈曼地区地下水水质时空变化特征

区域地下水水质是水质评价的重要内容,也是合理制定地下水开发利用及保护治理方案的基本前提。以科尔沁沙地奈曼地区地下水水质为研究对象,选取2005-2014年地下水水质监测数据,分析地下水水质时空变化特征。结果表明：近10年来奈曼地区地下水水质各指标均值均低于地下水Ⅱ类标准,pH值、NO₃^-含量、化学需氧量（COD_cr）在局部地区出现超标现象,但水质总体较好;该地区地下水矿化度（TDS）与Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、HCO₃^-、SO₄²⁺浓度及COD_cr具有明显的正相关关系,即随着Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、HCO₃^-、SO₄²⁺、COD_cr浓度的增加,TDS也会增加;各主要指标浓度随时间呈下降趋势,SO₄²⁺、Na⁺、HCO₃^-浓度及TDS较稳定,而Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、PO₄^3-浓度及COD_cr随时间变化较为明显;Ca²⁺、Mg²⁺ 、HCO₃^-、SO₄²⁺浓度及TDS农田非灌溉井> 农田灌溉井> 沙地水位井,Na⁺、COD_cr浓度沙地水位井> 农田非灌溉井> 农田灌溉井,NO₃^-浓度沙地水位井> 农田灌溉井> 农田非灌溉井;该地区地下水水质变化主要与碳酸盐岩溶解、农药化肥的使用、工业及生活污水排放有关。     

内蒙古奈曼旗中部沙地土壤剖面特征

通过对奈曼旗中部不同沙地土壤剖面特征和有机质含量分布的分析认为:灌溉农田土壤具有8层结构,沙层与粘土层交错叠置。旱作农田土壤虽然也具有8层结构,但是只有一层粘土,撂荒地土壤只有3层,而且完全是沙层,保水保肥性能最差。此外,灌溉农田土壤0~30 cm土层的有机质的含量约0.712 g·cm^-3,旱作农田和撂荒地相应土壤层的有机质含量分别只有0.403g·cm^-3和0.420 g·cm^-3。同一土壤剖面的有机质含量随着深度的增加而减少。     

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。     

荒漠绿洲湿地土壤水热盐动态过程及其影响机制

以甘肃临泽荒漠绿洲湿地为研究对象，通过对土壤温度、含水量、电导率及蒸散量的野外观测，在植物生长期和冻融期分别深入分析水热盐耦合运移过程及其影响因素，探讨水热梯度对盐分运移及其分布格局的控制作用。结果表明：土壤温度整体呈现出春夏季逐渐升高、秋冬季降低趋势。在冻结期，土壤表现为脱盐状态，表层电导率由2.8 mS·cm^-1降到1.2 mS·cm^-1；而在消融期为积盐状态，表层电导率由1.2 mS·cm^-1升到3.7 mS·cm^-1。在生长期，土壤含水量和电导率波动较为剧烈，表层含水量27%~43%，表层电导率3~5.5 mS·cm^-1，土壤脱盐、积盐反复出现。全年蒸散量总体呈单峰变化趋势，年蒸散量507 mm；土壤电导率与蒸散量呈正比关系，与地下水位呈负相关关系；蒸散发作用是土壤表层积盐的主要驱动力，而地下水波动影响着湿地脱盐、洗盐过程。因此，荒漠绿洲湿地土壤盐分累积过程是水分运移和热量传输过程发生变化的结果。     

基于分布式感知深度神经网络的高分辨率PM2.5值估算

细颗粒物（PM_2.5）个体暴露水平是健康效应研究中的关键问题,然而历史数据缺失和地面监测点覆盖范围小阻碍了相关研究。基于美国国家航空航天局遥感数据提供的气溶胶光学厚度（AOD）,融合地面监测、气象等多源数据进行建模来估算近地面PM_2.5浓度,所得结果的空间覆盖范围广、时间连续性强、方法成本低。本文基于2018年京津冀鲁地区,引入气象、NDVI、时间节点、空间标识等50个特征分析AOD-PM_2.5关系。鉴于传统插补方法单一所造成的信息损失,运用时空多视图插补方法来提高插补的精度和广度。考虑到特征的滞后作用、特征间相关性与偏相关性所导致的复杂关系,运用分布式感知深度神经网络模型来分别捕捉多源特征间的高阶特性。结果表明：① 时空多视图插补方法的相对误差为27.5%,数据平均缺失52.1%降至4.84%。② 分布式感知深度神经网络模型在时间预测上平均绝对误差、相对误差、均方误差、均方根误差分别为17.7 μg/m ³、46.8%、766.2 μg ²/m ⁶、26.9 μg/m ³,空间上,为16.6 μg/m ³、41.8%、691.5 μg ²/m ⁶、26.6 μg/m ³,从精度、稳健性、泛化能力和耗时方面综合来看,结果优于线性统计模型和常见深度学习架构。     

荒漠地区包气带氯离子与硝酸盐的空间分布特征

荒漠地区包气带中的Cl^-、NO₃^-与生态环境有密切联系,与地下水安全有直接联系。主要以荒漠地区包气带Cl^-、NO₃^-为研究对象,通过对Cl^-、NO₃^-在包气带及不同土壤类型中的分布特征进行研究,表明强烈的蒸散发作用使Cl^-、NO₃^-呈活塞式分布,同时植物对水分的吸收以及对NO₃^-的优先吸收使NO₃^-表现出不同的分布特征。土壤中的NO₃^-可能被植物优先吸收并遵循营养循环,使表层土壤中出现极大值,随后逐渐减小。靠近表层土壤出现NO₃^-峰值和较高的NO₃^-/Cl^-原子比率反映了蓝藻菌活跃的固N作用;相对较大的NO₃^-/Cl^-原子比率伴随着较低的Cl^-说明在干旱地区稀疏的植被覆盖条件限制了对NO₃^-的吸收作用。不同的土壤类型中,Cl^-、NO₃^-表现出不同的分布特征,在粘性土壤中,NO₃^-、Cl^-浓度随含水率的减小而减小。     

气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究

利用中尺度气象模式WRF中一个含有云凝结核CCN活化过程的双参数云微物理方案（NSSL 2-mom+ccn）,研究不同气溶胶导致的初始CCN浓度对云物理和降水过程的影响。完整地模拟了北京市2015年7月16-17日一次典型的从小雨到暴雨连续降水过程,包括降水主要集中的时间段,雨带的西北—东南走向,降水初期普降小雨、后期转变为中到大雨甚至局部地区出现暴雨,24小时最大累积降水量可以达到65 mm,模拟结果与实测符合较好。模拟得到的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,与其他研究根据地面降水与能见度资料统计分析的结论相一致。比较详细地给出了气溶胶对云的微物理结构、水成物时空分布以及微物理过程的转化率的影响。     

中天山山区大气总水汽量和云液水量的遥感研究

使用QFW-1型双通道微波辐射计,于2002年盛夏(7月10日至8月5日)在天山山区乌鲁木齐河流域上风方的小渠子进行了大气积分水汽和云中积分液水量的遥感观测。观测表明;中天山山区盛夏的晴天平均大气水汽含量与目前公认的亚洲大气中的水汽含量相近;晴天的平均大气水汽量具有明显的日变化。对降水云系的液态水含量及其变化遥感监测表明:云系降水具有先兆性;不同类型降水性云的降水临界值不同;云液水由0.5 mm开始上升到降水临界值的降水酝酿期的时间,可以作为天山山区人工增雨实施播云作业的重要参照指标。     

西北干旱半干旱区一次层状云系微物理特征分析

利用西北干旱半干旱区一次飞机探测资料、卫星资料，分析了层状云微物理结构以及作业前后云微物理变化，结果表明：（1） 此次层状云系垂直结构配置为冷暖两层，云层发展厚实。云的垂直和水平分布极不均匀。相对层积云，高层云小云粒子浓度低，大云粒子浓度高，液态含水量高。小云粒子浓度尤其是峰值区域与平均直径呈明显反相关。大于60个·cm^-3和35个·L^-1的小云、大云粒子浓度分别主要由3.5~10 μm、50~200 μm粒径段决定。（2） 不同高度云粒子谱为单峰或双峰分布，总体呈单调递减趋势，但云形成和增长条件存在差异。强可播、不可播和可播性冷云粒子谱基本符合负幂指数的单调递减规律，云粒子浓度差异较大，自然冰晶浓度不可播云较高，可播云次之，强可播云较低。（3） 作业后小云粒子浓度明显降低，在6.5~20 μm粒径段降低了2个量级左右，大云粒子浓度明显增加，谱宽增大，尤其在大于150 μm粒径段。     

冰川下垫面对夏季云结构和云水含量的影响——以祁连山区疏勒南山为例

云水含量和云结构参量是天气预报、高山区水循环过程分析的基础。基于2012-2015年夏季CloudSat卫星遥感资料的2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF和2B-GEOPROF-LIDAR,结合中国第二次冰川编目数据及气象资料,对祁连山地区疏勒南山冰川区与非冰川区云水含量和云类型特征进行分析。结果表明:(1)云水含量的垂直分布受下垫面和云类型的影响,主要表现为有冰川覆盖的高山上空降水云类型以深对流云为主,无冰川覆盖的高山上空降水云类型以雨层云为主。(2)疏勒南山地区高含水量主要分布在5 km以下的中低层云中,且冰川区气流垂直运动较非冰川区活跃。(3)疏勒南山冰川区云水含量平均值为0.07 g·m^-3,非冰川区云水含量平均值为0.17 g·m^-3,云水的空间变化在一定程度上能够反映降水和水汽的分布状况。     

保水剂处理土壤的抗风蚀性能研究

将不同浓度的保水剂,在不同风速和不同喷洒量的条件下施用于黄土、粉煤灰、风沙土中,对其胶结作用所具有的抗风蚀性能进行了野外及风洞实验。结果显示:在净风条件下,保水剂固沙、抑制扬尘效果显著;在风沙流条件下,保水剂大浓度(50g·m-3)时具有明显的抗风蚀、抑制沙尘的效果;不同土类在风力为20m·s-1内,保水剂对黄土、粉煤灰、风沙土的固定、抑制扬尘效果显著。20m·s-1以上时,保水剂对黄土、粉煤灰、风沙土的固定、抑制扬尘效果随保水剂浓度的增大抗风蚀强度随之增强。但保水剂和固沙复合材料共同施用于风沙土,防风蚀效果更为显著;生产应用中,建议保水剂对风沙土的应用浓度为560g·m-3,对黄土的应用浓度为140～280g·m-3,对粉煤灰的应用浓度为50～140g·m-3。     

沙漠地区不良工程地质现象——以塔克拉玛干沙漠腹地为例

风沙土是形成于干旱区、半干旱区的一种特殊性质的土。由于风沙土赋存环境及其工程地质性质的特殊性,沙漠地区的工程建筑要经受更为严酷的自然环境的考验,常常引起不良的工程地质现象,影响工程建筑的安全运行。沙漠地区的地质灾害主要为盐害、沙害及地基不均匀沉降。本文分析了产生这些不良工程地质现象的原因及条件,并提出防治意见。     

基于 MODIS 和 CloudSat 的京津冀降水冰云季节分布特征

利用 2008 年 9 月~2016 年 8 月 Aqua MODIS 和 CloudSat 卫星数据，筛选出京津冀地区的降水 冰云，同时将其分为 4 个区域讨论，得到关于该地区降水冰云 4 个季节的分布特征，为该地区的人 工影响天气提供依据。结果表明：京津冀整个地区的降水冰云在夏季的发生率都较高，且发生率 有上升的趋势。从整个地区看来，京津冀地区的降水冰云的云顶高度在冬季最低、夏季最高，云顶 温度的最小值在冬季最高、夏季最低；京津冀地区的降水冰云在春夏秋 3 季均以单层云为主，而在 冬季则以双层云为主；京津冀地区的降水冰云的类型按春夏秋冬分别为 7 种、7 种、6 种和 5 种，且在 夏季该地区的降水冰云以深对流云为主（占 48.3%），而其他季节以雨层云为主；京津冀地区降水冰 云微物理量（包括冰水含量、粒子数浓度、粒子有效半径）主要分布高度分别为 0~13.5 km（春季）、 3.5~17.0 km（夏季）、1.0~14.0 km（秋季）、0~11.0 km（冬季）。冰水含量、粒子有效半径和粒子数浓度 的分布高度和最大值均在夏季最高，但粒子有效半径在秋季最低，冰水含量和粒子数浓度在冬季 最低。这 3 种微物理量随高度的分布特征夏季在京津冀各分区较为一致，都呈单峰结构，在其他季 节差异较大。     

京津冀夏季强降水下冰云宏微观特征

根据Aqua MODIS 2级云产品和Cloudsat的2级产品资料，结合降水数据和MODIS L1B级辐射率数据，对发生在京津冀地区夏季的三次强降水过程中冰云的宏微观物理量的特征进行分析，并探究这些物理量和降水强度的关系。结果表明：在水平分布中，强降水过程中降水强度高值区内云相为冰云，冰云云顶高度在8~17 km，冰云粒子有效半径、冰云光学厚度、冰水路径分别最高可达60 μm、 150、 5 000 g?m^-2；冰云光学厚度、冰水路径、冰云云顶高度随降水强度增大而增大。在垂直分布中，冰云主要分布在3.5 km以上，发生强降水站点的冰云为深对流云，冰云粒子有效半径、冰水含量、冰云粒子数浓度分别最高可达150 μm、 3 000 mg?m^-3 、 500 L^-1；冰云粒子有效半径高值区存在于云层中下部，且随高度上升而减小，冰云粒子数浓度高值区存在于云层中上部，且随高度上升而增加，冰水含量高值区则存在于云层中部；冰云粒子有效半径、冰水含量、冰云粒子数浓度在9 km以上随降水强度增大而增大。     

基于卫星资料的气溶胶对冰云影响及分布特征分析

通过利用2010年1月—2016年12月CALIOP(the Cloud-aerosol lidar with orthogonal polariz?ation)冰云和气溶胶3级月平均产品和MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气3级日平均产品研究气溶胶和冰云空间分布特征及气溶胶对冰云的影响。结果表明:纬度与冰云的分布密切相关,在热带附近的高空区域冰云样本数存在极大值区,随着纬度增加,冰云样本数的最大值和大值区所处的高度也在逐渐减小,且南北半球存在差异;气溶胶在地面附近以赤道为对称的低纬度地区存在极大值,北半球气溶胶能发展到5 km左右,而南半球在3 km左右;气溶胶与冰云随时间变化趋势较为一致,冰水含量和冰云粒子半径随时间变化存在相反的关系,气溶胶与冰水含量和冰云粒子半径的变化在时间上没有较好对应;清洁区域由于海盐粒子作用表现出较大的气溶胶光学厚度,但这不影响清洁区具有较小的冰云光学厚度;气溶胶促进了0℃~-10℃和-20℃~-40℃之间的冰云形成;随着温度降低,云中冰水含量减小,冰云粒子半径增大,在污染区域,冰水含量相对于清洁区域更小,冰云粒子半径也小于清洁区域。