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.     

影响北京的两次沙尘过程传输特征对比分析

2017年5月4-5日和2015年3月28-30日两次影响北京的沙尘天气均包含外来输送及沙尘回流过程。采用常规气象观测资料、大气成分资料、CALIPSO卫星监测及风廓线雷达数据等,对两次过程中的气象要素变化、传输轨迹、天气学条件、边界层特征等进行分析。结果表明：两次过程均由蒙古气旋引起,远距离传输过程中经沙源地传输的沙尘气溶胶可被抬升至700 hPa以上高度,主要传输层位于对流层中低层;高空急流强度、入口区位置及次级环流的结构对沙尘传输及影响区域有重要指示意义;沙尘回流主要受大气中低层偏南风输送带的影响,主要传输高度为1 km以下的低层大气,北京与回流上游城市PM₁₀浓度变化的时间滞后性与前期沙尘天气是否得到彻底清除有关。     

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。     

沙尘天气中气溶胶光学特性的时空分布特征

选取内蒙古境内额济纳旗、乌拉特中旗、东胜、朱日和、锡林浩特5个站的几次沙尘天气过程和晴朗天气下CE-318太阳光度计资料,计算出大气气溶胶光学厚度,结合气象资料分析在沙尘天气发生过程中气溶胶光学厚度的时空分布特征。分析结果显示,在沙尘天气发生过程中,气溶胶光学厚度是一个相当敏感的变量,其随沙尘的发生、发展和消亡表现出明显不同的日变化特征,且光学厚度值随着沙尘天气的发生和发展,在其空间分布变化上与沙尘天气本身的空间分布变化具有很好的一致性,可以很好的反映沙尘输送过程。此外气溶胶光学厚度与大气稳定度也有一致的日变化趋势。因此,对于大气气溶胶光学厚度的监测可以为沙尘天气的预报提供较为准确的客观依据。     

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。     

2010春季我国一次强沙尘暴过程分析

2010年3月18~23日,一次强沙尘暴天气过程先后影响了我国21个省(区、市),影响范围约282×104km2,2.7×108人口遭沙尘天气侵袭。通过应用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°全球格点再分析资料,从沙尘暴爆发前后的天气形势、气象要素场的特征以及起沙和传输的动力机制等方面对这次沙尘暴过程进行初步分析。同时,利用每日空气污染指数资料和北京能见度资料,分析了沙尘暴期间全国空气污染物浓度的分布和北京地区能见度的变化。结果表明:这次沙尘天气分两个阶段,第一阶段为3月18~21日,第二阶段为3月21~23日,从影响范围及强度方面来说,第一阶段沙尘过程强于第二阶段。蒙古气旋强烈发展是引发此次沙尘暴的主要原因。沙尘暴基本沿西北到华北,华北到华南的路径传播。空气污染指数及能见度变化基本反映了此次沙尘暴的移动路径和强度变化。此次沙尘暴天气的沙尘源地位于蒙古国南部以及中国的新疆南部、东部和内蒙古中西部地区。由于热力和动力(涡度)两种因子的联合作用,使地面气旋一面向前移动,一面加深发展,高空槽因冷平流加深,并因涡度平流而向前移动。冷锋锋生加强,产生大风天气,是引发沙尘暴和推动沙尘长距离输送的动力因子。     

中国北方一次沙尘天气过程的数值模拟

选取中国北方地区2012年4月22-24日的一次沙尘天气过程,综合分析了多种地面与卫星观测资料,并在此基础上采用WRF-Chem模式（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）对本次沙尘天气过程的起沙和传输进行数值模拟,并与卫星遥感、地面激光雷达等观测数据进行对比验证。结果表明：此次过程是由地面冷锋和高空短波槽共同作用引起的。WRF-Chem模式模拟结果较好再现了此次沙尘过程的时空分布特征,与地面观测的沙尘天气发生地点基本一致。沙尘天气发生前后,地面观测站各气象要素有明显变化,表现出大风、降温、正变压。WRF-Chem模式模拟的气温和湿度变化趋势与观测基本一致。地面观测得到的PM₁₀质量浓度与消光系数在沙尘过程期间均上升达到高值,模拟能够很好地反映PM₁₀质量浓度的整体变化趋势,但峰值低于观测结果。采用HYSPLIT模式进行后向轨迹模拟,进一步表明本次沙尘过程的源地主要为塔克拉玛干沙漠与古尔班通古特沙漠。前向轨迹模拟结果表明沙尘传输路径自新疆起始,途经内蒙古、甘肃、宁夏、陕西。     

冷锋型和蒙古气旋型沙尘天气过程典型个例对比分析

利用观测资料和NCEP再分析资料,对冷锋型和蒙古气旋型两类沙尘天气过程的典型个例进行对比分析。结果表明:斜压强迫在两类过程中均较为显著,冷锋型沙尘天气过程中,随高度降低高空槽明显加深;蒙古气旋型则在对流层低层（850 hPa）、中层（500 hPa）形成切断低压。冷锋型沙尘天气过程高空锋区位置较蒙古气旋型偏南,且南压更为明显;冷锋型沙尘天气过程沙尘天气区位置也较蒙古气旋型偏南,且主要向东南方向扩展。冷锋型地面高、低压强度对比明显大于蒙古气旋型,且地面风速与能见度的反相关性高于蒙古气旋型,锋后降温也较蒙古气旋型显著。冷锋型锋前上升运动中心位于700 hPa,锋后下沉运动中心位于600 hPa。蒙古气旋型气旋中心及其附近300 hPa以下均有强的上升运动。冷锋型锋面附近正涡度随高度增高而增大,蒙古气旋型气旋中心及其附近为正涡度。最后给出了冷锋型和蒙古气旋型沙尘天气过程的天气学概念模型。     

2011年4月28-29日中国北方强沙尘暴发生机制位涡分析

利用实况观测资料及NCEP1°×1°再分析资料和位涡理论,对2011年4月28-29日发生在中国北方的一次强沙尘暴发生机制进行研究.结果表明:500 hPa强斜压槽为此次沙尘暴的主要影响系统,同时,高原到新疆低层暖高压为沙尘暴的发生提供了有利的不稳定条件;沙尘暴主要发生在地面冷锋后部,是一次锋面后部大风型沙尘暴过程,地面3h变压(▽P3)对沙尘天气的移动路径有明显的指示作用;强沙尘暴发生前CAPE增大,形成了有利的不稳定条件;500 hPa位涡对沙尘暴影响系统有明显的指示意义,0.5 PVU等值线可作为沙尘天气区的分界线;此次沙尘暴发生过程在位温剖面上表现为高纬的冷空气向低纬度扩展的过程;等熵面高值位涡系统由高层向低层下滑中,由于等熵面坡度增加和位涡守恒,使低层垂直涡度增大,导致地面气旋环流的发展和风速的增强,从而导致了此次沙尘暴天气的发生.     

中国北部一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布及输送特性

利用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,结合气溶胶模式模拟,分析了2011年4月28—30日发生的强度较大的一次沙尘远距离输送过程中气溶胶的时空分布特征及输送特性。结果表明,此次沙尘过程有两个源区,分别为中国南疆盆地和蒙古国中南部,并在沙尘输送过程中交汇于内蒙古西南部和甘肃地区;源区一（南疆盆地）沙尘主要分布高度在1 km以下,退偏振比平均在0.35左右,色比值平均在0.6左右,且沙尘在输送过程中被抬升到自由对流层,并先后影响内蒙古西南部、甘肃、宁夏等地区,输送到内蒙古、甘肃地区时沙尘主要分布在2.5～3 km高度,退偏振比主要分布在0.3～0.5,色比值主要分布在0.5～0.9。源区二（蒙古国中南部）沙尘先后影响内蒙古中西部地区、甘肃、山西北部、内蒙古中东部地区、河北北部、北京天津和东北地区西部部分地区,沙尘输送到中国内蒙古东部、北京、河北等地区时主要分布在1～4 km高度,退偏振比值主要集中在0.3～0.5,色比值主要在0.7～1.2。     

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。     

浑善达克沙地春季沙尘暴期间沙尘启动及传输特性研究

沙尘暴是一种强烈的风蚀过程,同时又加剧了荒漠化进程。沙尘气溶胶的生态环境及气候效应已成为国际社会关注的焦点问题。采用“IMGRASS”春季野外实验期间在内蒙古浑善达克沙地东南部的桑根达来观测点得到的沙尘气溶胶的粒谱,计算了该沙地10 m高度的沙粒启动速度,并估算了该沙地沙尘气溶胶的传输距离。     

利用EP/TOMS气溶胶指数分析中国和韩国的沙尘天气过程

利用 EP/TOMS卫星反演气溶胶指数、卫星云图和天气形势,研究了沙尘天气对大气气溶胶的贡献以及中国和韩国沙尘天气过程的强度及其演变。结果表明,TOMS气溶胶指数高值对应着沙尘天气的出现地区,可以判别和监测大规模沙尘天气,而且TOMS气溶胶指数能结合卫星云图、大气环流分析,对沙尘天气的影响范围和传输路径进行有效地预报。另外气溶胶指数能排除云的影响并准确地检测到云覆盖的地区。     

地气温差对沙尘源区不同下垫面沙尘输运结构的影响

 大量研究及统计数据表明,下垫面向大气输送的热量能够为沙尘暴天气的发生、发展提供能量并对其产生重要的影响。在对2006年1月至2007年5月间所发生的27次沙尘暴发生当日14:00地-气温差进行统计的基础上,对它们之间的联系及影响进行研究,分析了3种下垫面条件下沙尘暴的沙尘水平通量和沙尘质量体积浓度对地-气温差的响应,以期为预警预报和防治沙尘暴的提供科学依据。结果表明:①当地-气温差超过20 ℃时,绿洲内部的沙尘暴沙尘水平通量和沙尘质量体积浓度垂直变化规律将发生一定程度的改变,尤其是沙尘质量体积浓度,将随高度的增加降低。②绿洲内部沙尘暴沙尘质量体积浓度和沙尘水平通量的垂直变化规律较荒漠和荒漠-绿洲交错带对地-气温差敏感。     

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...     

一次强沙尘暴活动对中国城市空气质量的影响

对2006年4月8—12日发生在中国北方地区的一次强沙尘暴天气过程及其对中国大陆城市空气质量的影响进行了分析研究。结果表明：①造成此次沙尘天气过程的直接原因是伴随着西伯利亚强冷空气南下的冷锋自西北向东南方向的移动。沙尘暴鼎盛时期卫星观测的中国境内大气沙尘气溶胶指数（AI）的分布存在一个高值区和两个次高值区。高值区位于内蒙古西部地区、河西走廊和河套地区;两个次高值区分别位于塔克拉玛干沙漠及华北至东北地区。与此同时,地面观测的最小能见度小于10 km的气象站点分布最密集的地区也主要分布在上述3个区域。AI的分布与最小能见度的分布之间有着很好的一致性。②这次沙尘天气过程的影响范围主要在33°N以北。从西到东沙尘天气影响的程度逐渐减轻,受污染最严重的城市集中在西北地区东部。根据锋面过境时间与发生大气污染事件时间的对比可将受沙尘天气影响的城市大致分为两类：第一类城市大气污染事件发生在冷锋过境期间（Ⅰ类城市）,第二类城市大气污染事件发生在冷锋过境前（Ⅱ类城市）。Ⅰ类城市受沙尘过程影响发生空气污染事件的持续时间相对较短,空气污染事件主要出现在锋面过境前后。Ⅱ类城市受沙尘过程影响发生空气污染事件的持续时间相对较长,空气污染事件的出现时间要明显超前于锋面过境时间。两类城市的共同特征是能见度与空气污染指数（API）之间存在着良好的反位相关系。     

论特强沙尘暴(黑风)的物理特征及其气候效应

在总结过去研究结果的基础上,对特强沙尘暴的发生机制进行了进一步的理论分析,探讨了大气强对流对特强沙尘暴(黑风)形成的作用;从物理上系统解释了特强沙尘暴天气的沙尘壁特征;概述了特强沙尘暴的大气沙尘粒子尺度和垂直分布;定性评估了沙尘暴的直接和间接、短期和长期气候效应;最后,还讨论了沙尘暴研究中存在的一些关键科学问题。