塔克拉玛干沙漠腹地及周边地区PM10时空变化特征及影响因素分析

利用Thermo RP 1400a对塔克拉玛干沙漠腹地塔中及周边的哈密与和田进行了长达6 a多的沙尘气溶胶PM10连续观测,结合气象资料,分析了该区域沙尘气溶胶PM10的基本特征及影响因素。其结果是:①在哈密、塔中与和田,浮尘、扬沙日数呈上升趋势,沙尘暴日数变化不明显,沙尘天气出现的频率和强度是影响沙漠地区沙尘气溶胶PM10浓度的主要因素。②PM10质量浓度具有明显的区域分布特征,塔克拉玛干沙漠东缘的哈密最低,其次为沙漠南缘的和田,最高的为沙漠腹地的塔中。③每年3—9月是哈密PM10质量浓度的高值时段;塔中与和田PM10质量浓度高值时段分布在3—8月,平均浓度分别在500~1 000 μg·m-3之间变化。④哈密、塔中与和田PM10季节平均浓度变化特征,春季>夏季>秋季>冬季;PM10平均浓度最高的塔中,春季在1 000 μg·m-3左右变化,夏季在400~900 μg·m-3之间,秋冬两季浓度较低基本上在200~400 μg·m-3之间变化。⑤哈密、塔中与和田沙尘暴季节PM10浓度远高于非沙尘暴季节,沙尘暴季节浓度基本上为非沙尘暴季节浓度的两倍以上;塔中2004年和2008年沙尘暴季节平均浓度分别是非沙尘暴季节的6.2倍和3.6倍。⑥沙尘天气过程中PM10质量浓度变化具有以下规律,晴天<浮尘天气<浮尘、扬沙天气<沙尘暴天气。⑦风速大小直接影响大气中PM10浓度,风速越大浓度越高。气温、相对湿度和气压是影响沙尘暴强度的重要因素,也间接影响大气中PM10浓度的变化。     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气边界层O3廓线分析

为了揭示塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气边界层O3的浓度变化特征,利用系留气艇于2008年1月18—25日在塔中地区进行了大气边界层O3观测试验,结合相关资料,初步分析了塔中地区冬季边界层O3浓度垂直分布特征及其与温度、湿度的关系。其结果是:①塔中地区臭氧浓度集中分布在10~50 ppb之间,其中试验期间观测到O3最大浓度值56.1 ppb,最小浓度为2.6 ppb,臭氧的最大浓度基本都在40 ppb左右,日平均浓度为34.4 ppb。②大气边界层O3的浓度廓线可分为峰值型、均匀型、增长型3种,其中均匀型所占比重最大。③大气边界层O3浓度与温度、湿度密切相关,逆温及空气中水汽的增加会导致臭氧浓度降低。④大气边界层O3有明显的日变化,越贴近地面日变化越明显,其变化特征与太阳辐射有着密切关系。臭氧浓度夜晚较低,日出后开始增加,午后达到一天中的最大值;随着日落,臭氧浓度开始减小,在清晨达到最小值;臭氧浓度日最大值出现在17:00,最小值出现在08:00。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射与能量平衡

利用2013年塔克拉玛干沙漠塔中流动沙面地表辐射、土壤热通量、土壤温湿度和湍流通量观测资料,分析了沙漠腹地地表辐射和能量收支特征及闭合状况。结果表明：除潜热通量外,其余地表辐射各分量和能量平衡分量的月平均日变化结果整体均表现为标准的单峰型日循环形态,其中R_s↓与R_s↑变化同步,R_l↑、R_l↓滞后R_s↓0.5 ~ 1 h。各分量均表现出夏季高、春秋季次之、冬季低的季节波动性。干旱和极低的植被覆盖造成沙漠腹地全年潜热通量始终较为微弱,约占净辐射的2.8%,感热通量成为能量的主要消耗形式,约占净辐射的49%。偶尔的降水会刺激潜热通量突然增加。地表反照率相对较高且稳定,日变化呈早晚大、正午小的“U”型趋势,并具有明显的冬季高、夏季低的季节波动性,年均值0.28,月均值0.25~0.32。能量残差各月的日变化也均呈单峰曲线,日出后和日落前能量闭合程度最佳,并出现过闭合现象,全年夏季小,春秋季次之,冬季较大,月平均日峰值5.1~99.9 W·m^-2。土壤表层热储存是影响该地区能量平衡的重要因子之一,考虑表层土壤热存储后,地表能量闭合率达75.3%,能量闭合率夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季,白天相比夜间有大幅提升。     

沙尘天气下输沙率的野外观测与分析

2014年7月—2014年8月借助风速仪、微梯度集沙仪,通过野外监测系统获取的试验数据,对塔中地区2014年7月—2014年8月沙尘天气过程中贴地层输沙率进行分析,得出:0～85 mm高度内,随着风速的增大,35～85 mm无论是绝对的输沙量还是相对的输沙量都减少。0～85 mm高度内,各层输沙率最大值均出现在风速为8 m·s-1左右,波动较为显著;最小值出现在6.5 m·s-1左右,波动不明显;沙尘天气中,输沙率最大值出现在5～15 mm高度,最小值出现在35～85 mm高度。扬沙天气中,风速9.2 m·s-1时,输沙率最大值在0～5 mm处。沙尘暴天气,拐点风速为7.5 m·s-1,7.5 m·s-1时,输沙率增加不显著,7.5 m·s-1时,输沙率增加显著。通过微梯度集沙仪获得的上述试验数据是风沙工程设计的一个极重要工程参数,具有重要的实践意义。     

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。     

塔克拉玛干沙漠腹地区域性与局地性沙尘暴特征分析——以塔中为例

塔克拉玛干沙漠近几年来沙尘暴发生频率增加,强度增大,为了研究不同尺度沙尘暴的规律,利用2005-2014年塔克拉玛干沙漠腹地塔中及周边14个气象台站沙尘暴资料,给出塔克拉玛干沙漠腹地塔中区域性与局地性沙尘暴天气过程的定义,从区域性与局地性沙尘暴持续时间,能见度,类型,时间变化等特征进行分析。研究结果表明：(1)10塔中发生沙尘暴170d比沙漠南缘和北缘高,比肖塘少,其中区域性沙尘暴80d,局地性沙尘暴90d,天气过程区域性64次,局地性80次;(2)塔中区域性沙尘暴不论是持续时间还是能见度总体上比局地性沙尘暴持续时间长,能见度低;(3)区域与局地沙尘暴可以按主导风向分为5类,但各类沙尘暴在区域性与局地性沙尘暴中表现出季节分布;(4)区域性与局地性沙尘暴10a波动增长,区域性沙尘暴多发生在春季,局地性沙尘暴多发生在夏季,区域性沙尘暴年际和年内变差系数都小于局地沙尘暴,一日中区域性与沙尘暴白天多于夜晚。     

人工绿地与自然沙地蒸散的计算与变异研究

利用中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地2014—2015年自然沙地与人工绿地加密观测试验时次数据,采用GB/T 20481-2006气象干旱等级的蒸散算法,详细计算自然沙地、人工绿地以时次为单位的蒸散值。计算过程中采用多种参数算法,增加了观测数据的利用率,提高了计算精度,并尝试通过影响因子的变量赋值研究,量化蒸散的计算增减。结果表明:（1）自然沙地与人工绿地蒸散计算值都较好地刻画出了蒸散的年内变化,自然沙地计算值量级更贴近实际观测值,这与蒸散计算方法适用性有关。（2）人工绿地蒸散计算值在植被生长季与观测值的差值较大,自然沙地与观测值的差值较小;冷季人工绿地蒸散计算值与观测值接近,自然沙地计算值与观测值的差相对较大。（3）饱和水汽压与实际水汽压之差、2 m平均气温、2 m平均风速、饱和水汽压的斜率是计算蒸散的主要影响因子,其中饱和水汽压与实际水汽压之差和2 m平均风速随着赋值递增,蒸散差值时次百分比与年累计差值呈线性增长。2 m平均气温随着赋值递增,蒸散差值时次百分比与年累计差值表现比较稳定,饱和水汽压的斜率随着赋值递增,蒸散差值时次百分比与年累计差值略有递减。因此,GB/T 20481-2006气象干旱等级的蒸散算法在塔克拉玛干沙漠的适用性较好,人工绿地比自然沙地计算精度更高。      

塔克拉玛干沙漠荒漠过渡带春季风沙活动特征——以肖塘为例

 通过对沙尘暴强化观测试验期间风速、跃移颗粒数、输沙量等资料的统计与计算,对塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带肖塘地区春季风沙活动进行了研究。结果表明,肖塘地区春季2 m高度1 s时距的起沙风速为4.9～5.0 m·s-1,1 min时距的起沙风速为4.4 m·s-1;起沙风速随着风速等级的增加,出现的频率相应减少,主要集中在4.4～8.4 m·s-1 之间;输沙势、输沙量的方位分布与起沙风相似,以ENE、E和ESE 3个方位为主,观测期间（1个月）总输沙势为80.8 VU,合成输沙势为13.7 VU,合成输沙势方向为241°;最大可能输沙总量为1 921.8 kg·m-1,合成输沙量为286.8 kg·m-1,合成输沙方向为235°,与输沙势的合成方向一致。     

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。     

乌鲁木齐市冬季混合层厚度及对大气污染影响的个例分析

利用国标法、罗氏法对乌鲁木齐市2008年1月11—13日的混合层厚度进行了计算,并用实测的混合层厚度验证了两种方法在乌鲁木齐的应用效果,最后分析了混合层厚度对大气污染的影响。结果表明:国标法、罗氏法计算的混合层厚度比实测的偏大,在用国标法与罗氏法求一个地区的混合层厚度时,进行大气稳定度分级及选用地面风速时要适当进行调整;观测期间乌鲁木齐市的平均混合层厚度在154 m左右,最大值在350 m左右;相对于地面风速,地面气温对混合层厚度的影响较为明显;混合层厚度对大气污染具有显著影响。