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。     

风速和植被对内蒙古地区沙尘天气影响的数值模拟

利用WRF-Chem模拟研究了植被覆盖率和风速对内蒙古地区一次沙尘过程起沙、输送及沙尘粒径分布的量化影响。同时基于内蒙古地区119个国家站1991—2020年沙尘日数据及中国全球大气再分析数据统计了内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数、风速及植被覆盖率时空分布。结果表明,内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数减小,植被覆盖增加,纬向（经向）风在内蒙古沙尘多发区显著减小。植被覆盖增加对沙尘的影响强于风速减小：植被覆盖率增加5%与风速减小30%对起沙的削减相当,且植被和风速均对沙源地小粒径沙尘的削减作用更强。因此植树造林可以选在细沙粒为主的半荒漠化地区优先开始,在保护原生植被和合理利用水资源的基础上,植树造林最终使植被覆盖率增加10%～15%即可。     

沙尘天气影响因子的对比分析

对比分析了2002年和2003年春季沙尘天气发生的大气环流及地表条件特征, 并利用具有风沙物理过程的沙尘数值模拟结果和动力诊断技术, 探讨了2002年和2003年典型沙尘天气过程和冷空气过程中大气动力条件的作用。结果表明, 沙尘天气的强度、发生范围主要是由大气的动力条件所决定的, 而沙源区地表特征的变化对沙尘天气的发生起着重要的作用, 沙尘天气的强度和影响范围主要决定于沙尘的垂直输送过程。此外, 还总结出了沙尘天气中垂直输送-水平传输-沉降过程的概念模型。     

起沙系数对沙尘数值模拟影响的研究

通过综合考虑地表条件,如土地利用、土壤类型、植被覆盖与土壤湿度等,定义了起沙系数,用于改进沙尘数值预报模式中的起沙通量,为沙尘数值预报模式提供客观准确的地面起沙条件,提高了沙尘天气分布预报的准确率\.起沙风系数的引入能够对沙尘数值模拟产生较大的影响,若起沙系数中应用较高精度的土壤水分资料与土壤类型,将能更准确地反映起沙系数的作用。     

兰州市沙尘和非沙尘天气降尘的粒度特征比较

选择兰州市典型沙尘天气和非沙尘天气收集两类降尘,并对其进行粒度测定。结果表明：两种类型降尘粒度特征差别明显。总体上看沙尘天气和非沙尘天气降尘都以粉砂为主,但沙尘天气降尘粒度比非沙尘天气降尘偏粗,分选更差。非沙尘天气降尘粒度频率曲线呈双峰态分布。而沙尘天气降尘则呈单峰正偏态分布特征,说明沙尘天气沉降物来源比较单一。沙尘天气和非沙尘天气降尘的粒度分布曲线与兰州黄土的十分相似,说明现代降尘是地质时代风尘活动的继续,现代风积作用仍在进行。而它们粒度参数之间的差异可能与降尘堆积物的粘土化过程有关。     

清代西北地区的沙尘天气

通过对《清史稿》、《清实录》、西北各地清和民国时期所修的地方志及其他史籍较为系统全面的查阅,经过整理和分析,最后确定从历史文献中可识别出清代西北地区共有62次沙尘天气事件。根据这62次沙尘天气事件的分析发现:清代西北地区沙尘天气的发生在时间上呈明显的波状起伏,1650至1710年代和1810至1910年代西北地区沙尘天气出现较频繁,1710至1810年代西北地区沙尘天气发生较少;就季节而言,春季是清代西北地区沙尘天气发生的最集中季节;就空间分布而言,清代西北地区的沙尘天气大致有4个多发地带:即以西安、渭南为中心的关中平原地区,以镇原、庆阳为中心的陇东黄土高原地区,以中卫、古浪、永登、山丹为中心的河西走廊地区,以米脂、子长为中心的陕北黄土高原地区;清代西北地区沙尘天气的发生与气温变化关系紧密,但与降水变化的关系不明显。     

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。     

青藏高原沙尘天气的遥感研究

由于分布在青藏高原上的气象观测站点稀少,难以对沙尘天气进行充分的地面观测。通过对近年来的5次沙尘天气进行遥感识别,分析了青藏高原沙尘天气过程、影响范围和沙尘来源。结果表明,青藏高原在冬春季存在明显沙尘天气,主要分布在藏北高原、藏南谷地和青海高原地区,这与高原大风对地面的风蚀有密切关系。卫星遥感作为一种重要的观测手段,提供了对高原沙尘天气的有效观测。     

兰州市沙尘和非沙尘天气沉降物的化学特性比较

选择兰州市典型沙尘和非沙尘天气收集两类降尘,并对其元素组成进行测定。结果表明：兰州非沙尘和沙尘天气沉降物中含量较高的主要元素分别为Si、Ca、Al、Fe和Si、K、Ca、Al,含量最低的主要元素均是Ti;含量较高的微量元素是Mn、Ba、Zn、Sr和Mn、Ba、Sr、Zr,含量较低的微量元素均是Nb、Co、Y、As;兰州非沙尘和沙尘天气沉降物中主要元素及微量元素含量的排序差异较小,但是两种样品同种元素的丰度值存在较大变异,说明两种沉降物的来源有一定的差异。兰州非沙尘天气沉降物中Si、Fe、Mg、K、Na、Ti、V、Mn、Co、Ni、Rb、Sr、Y、Zr、Nb等元素主要来自于地壳源,Ca、Cr、Cu、Ba、Pb、Zn、As等元素与本地的人类污染活动有关,其中Pb、Zn、As是兰州重要的污染元素。沙尘天气沉降物中多数元素来自于外地入侵的沙尘,部分元素如Pb、Zn、As、Cu、Cr、K、Ni可能源于沙尘天气长距离传输途中矿物气溶胶与沿途污染源排放的污染物的混合。     

中国沙尘天气变化的时空特征及其气候原因

根据中国大陆1954-1998年338站沙尘天气频次（日数）资料、1948-1999年NCEP/NCAR850hPa位势高度资料、1950-1998年中国160站月降水和气温资料分析了中国沙尘天气与降水、气温及扰动涡旋的相关关系，分析发现，沙尘天气的出现与气温和扰动涡旋的关系密切，表现为沙尘天气频次与冬春气温存在显著的负相关，而与春季850hPa上的扰动涡旋有显著的正相关，基于上述关系建立了一个描述中国沙尘天气特征的指数：沙尘指数，通过分析发现沙尘指数能较好地反映中国北方除新疆以外地区沙尘天气的变化规律。     

区域气候模式对中国沙尘天气气候特征的模拟研究

现有的沙尘天气数值预报模式多选用中尺度天气模式单向耦合起沙模式的方式,不适合用来模拟沙尘气溶胶的长距离输送过程,也无法研究沙尘气溶胶辐射效应对气象场的反馈及气候变化的影响。利用一个耦合沙尘模式的高分辨率区域气候模式,模拟了2001年中国北方沙尘天气爆发的时空分布特征。模拟结果与站点观测结果对比发现,模式能够较好地模拟出中国北方主要的沙尘源地分布及沙尘天气爆发的季节变率。分析不同粒径沙尘颗粒的垂直分布特征发现,沙源地表土壤粒子特征、地形对起沙颗粒的大小都有影响;直径超过5 μm的大粒子是北方沙尘天气的主要成分,而影响长江以南的沙尘天气主要以1 μm以下的小粒子为主。对沙尘传输路径的模拟结果和实况观测发现,来自于不同沙源的沙尘天气其影响的范围有显著差异,模式能够较好地模拟出中国主要沙尘传输路径。     

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。     

地面加热对沙尘暴数值模拟结果的影响研究

利用沙尘数值预报模式并针对2002年3月18—20日典型沙尘暴过程,模拟研究了地面热通量对沙尘暴的影响及其机制。结果发现,沙尘天气数值预报模式较准确地模拟了本次沙尘暴过程。模式对白天地面加热强度和夜间地面冷却强度均有一定程度的高估。地面热通量能够使沙尘暴明显增强,同时也通过导致地面风速、层结稳定度、地面摩擦速度产生明显的日变化,进而导致沙尘暴强度的日变化。地面热通量影响地面风速的方式是导致混合层形成,从而有利于产生高空动量下传。另外,沙尘暴发生时地面热通量主要影响地面和行星边界层中的天气要素,随时间推移地面热通量能够持续影响上升运动强度,且这一影响从边界层逐渐向上扩展到自由大气,并达到500 hPa以上。     

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。     

近年来北京沙尘天气特征及成因分析

针对2000-2002年北京沙尘天气增加和2003年沙尘天气迅速减少的现象,统计分析了近几年北京沙尘天气的特征和出现的特点,并从大气环流形势、气候特点、气象要素以及可能影响北京沙尘天气的沙源状况进行分析。2000-2002年春季,我国处于西北气流的控制之下,冷空气势力强,以西或西北路径影响我国。2003年春季亚洲东北部高压脊偏强和日本海气旋较弱,使得冷空气路径偏北,入侵我国的冷空气势力较弱,产生大风沙尘的动力条件减弱。气候特点分析表明,1999-2002年北方大部分地区降水量持续偏少,年平均气温偏高,造成土壤水分蒸发强烈,土壤干燥疏松。2002年冬季至2003年春季,北方地区降水量较常年明显偏多,北京周边地区的主要沙源地一直被积雪覆盖,植被覆盖度扩大,有效抑制了沙尘天气的形成。     

西藏贡嘎沙尘天气气候及环流特征

利用1978-2012年西藏贡嘎的浮尘、扬沙和沙尘暴资料,分析了贡嘎沙尘天气的气候特征。结果表明:贡嘎沙尘天气冬、春季最多,秋季较少,夏季很少发生;扬沙和沙尘暴主要发生在午后,浮尘则全天均可发生;近35年来,扬沙和沙尘暴呈波动减少趋势,减少幅度分别约为7 d-10a和2.2 d-10a,浮尘约以0.5 d/10a的幅度呈不显著增加趋势;基于2005-2012年沙尘天气同期红外差值沙尘指数(IDDI)空间分布图和地面流场、沙地分布图,定性得出贡嘎、尼木、南木林、日喀则、拉孜区域的雅鲁藏布江沿岸沙地是贡嘎沙尘天气的沙尘来源。利用沙尘暴天气个例分析了贡嘎沙尘天气的地面气象要素和高空环流特征,发现相对湿度小、风速大、连续多日无降水是沙尘天气的地面气象要素特征,高空环流形势可分为阻塞型(占40%)、干南支槽型(占17%)、西北气流型(占26%)和热低压型(占17%)等4类。