Physicochemistry and Mineralogy of Storm Dust and Dust Sediment in Northern China

Dust sediments collected from 1995 to 1998 in Beijing, Dunhuang, Inner Mongolia, Kashi, the Kunlun Mountains, Lanzhou, Ningxia, the Taklimakan Desert, and Xi‘an, China, were characterized in terms of their physical, chemical, and mineralogical properties. Most aerosols and dust analysed ranged in texture from silty clay to clay loam. Their median particle diameters (Mds) generally ranged between 5 to 63μm,coinciding with those of loess from central China and the finest sand from northwestern China. The dust sediments were characterized by a predominance of SiO2 and Al2O3, followed by K2O. Their SiO2/Al2O3and K2O/SiO2 molar ratios ranged from 5.17 to 8.43 and from 0.009 to 0.0368, respectively. The mass concentration spectrum during a dust storm showed a single peak, rather than the triple peak generally observed under clear sky conditions. The dominant minerals were chlorite, illite, calcite, and dolomite.These physical, chemical, and mineralogical properties were consistent with those of aeolian soils and loess in western and central China. The results suggest that aerosols and fine-gained fractions of dust sediments collected in northern China are mainly composed of soil material transported from the arid and semiarid regions of China and Mongolia by prevailing winds. The rate of deposition and properties of dust falling on eastern China were strongly influenced by meteorological conditions, season, latitude, longitude, and altitude of the sampling sites.     

中国的人为沙漠化因素对亚洲沙尘暴的贡献

以数值模拟与大规模网络观测的对比结果为基础,通过对“去除”已经沙化土地获得的近地面层粉尘浓度的进一步分析,结合已获得的亚洲沙尘暴各源区粉尘释放量结果,提出我国的人为沙漠化因素对亚洲沙尘暴的贡献约为6％的观点。     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

Characterization and Temporal Variation of Asian Dust Aerosol from a Site in the Northern Chinese Deserts

Time series for total aerosol mass and the concentrations of nineteen elements, and the mass particle-size distributions of the elements, were determined for samples collected from a site in the northern deserts of China -Zhenbeitai, one of ground sites of the Asia-Pacific Regional Aerosol Characterization Experiment (ACE-Asia). Nine dust storm (DS) events were observed during the spring of 2001, lasting a combined total of twenty-six days. Peak mass loadings greatly exceeded the average (260 g m^–3), and higher than average dust-element concentrations and wind speeds were also observed during the three-month study. Material balance calculations showed that 82% mass of the total aerosol particles could be ascribed to Asian dust, of which Al, Ca, Fe, K, Mn, Si and Ti accounted for 7%, 6%, 4%, 2%, 0.1%, 32% and 1% by weight, respectively. Modelcalculated dry deposition velocities for 7 dust-elements during dust storm periods averaged 17 cm s^–1 and ranged from 14 to 21 cm s^–1. The estimated dry depositiona of Asian dust for the spring of 2001 was 189 g m^–2, of which 85% was due to dust storms. Factor analysis indicated that 89% of the dust loading during this period was due to remote or regional transport; 11% to local or background dust.     

2010年辽宁一次沙尘天气过程的气象因素及污染特征

利用常规气象观测资料以及环保监测数据,对2010年4月8日辽宁沙尘天气过程的高低空天气形势和主要气象要素进行探讨,并对沈阳地区的空气污染状况进行分析。结果表明：沙尘天气过程主要是受贝加尔湖地区东移冷空气和蒙古低压的共同影响,强大的蒙古气旋造成地面强变压导致地面风速加大,是形成沙尘天气的动力因子;沙尘天气来临前后,风速、能见度和湿度等发生急剧变化;在沙尘天气影响下,沈阳地区的PM10浓度迅速上升,而大风等有利的扩散条件,造成黑碳、气态污染物SO2和NO2浓度出现不同程度的下降。     

2010年辽宁一次沙尘天气过程的气象因素及污染特征

利用常规气象观测资料以及环保监测数据,对2010年4月8日辽宁沙尘天气过程的高低空天气形势和主要气象要素进行了探讨,并对沈阳地区的空气污染状况进行了分析。结果表明：沙尘天气过程主要是受贝加尔湖地区东移的冷空气和蒙古低压的共同影响,强大的蒙古气旋造成的地面强变压导致地面风速加大,是形成沙尘天气的动力因子;沙尘天气来临前后,风速、能见度、湿度等发生急剧变化;在沙尘天气影响下,沈阳地区的PM₁₀浓度迅速上升,而大风等有利的扩散条件,造成黑碳、气态污染物SO₂和NO₂浓度出现不同程度的下降。     

影响三大洲的北非强沙尘暴动力机制WRF-chem模拟与分析北大核心

基于WRF-chem模式对北非2018年3月下旬的典型强沙尘暴过程进行模拟,分析了此次强沙尘发生季节、持续时间、局地特征以及传输路径的关键动力系统与动力机制。鉴于起沙是沙尘暴发生的关键点之一,并且起沙主要取决于风力和下垫面沙源性质,本文测试了三种起沙参数化方案的影响,并将模拟结果与卫星MODIS监测及其再分析资料MERRA-2进行了对比,又经系列统计方法检验。结果显示,宏观思路的起沙方案GOCART比AFWA和UoC两种起沙方案更适合此次大尺度强沙尘暴数值模拟(锋面跨度接近60个经度)。综合沙尘暴关键系统的动力机制分析和数值模拟结果显示,强沙尘暴关键系统为深厚的西风槽、沙尘冷锋锋面和锋后的地面高压反气旋。北非中部深厚的西风槽为后倾槽,该系统稳定,造成沙尘暴持续时间长。沙尘暴锋后反气旋中的下沉气流抑制了扬沙向高层扩散,造成低层能见度恶劣。沙尘锋区结合了动力、热动力以及湿热动力不稳定,因此锋区风力大,地面沙尘驱动力强。而西风槽和强大反气旋依托环流形势,提供了沙尘传输到三大洲的长途输送力。     

“2002.3”华北地区强沙尘暴天气的螺旋度分析

利用MM5非静力中尺度模式和螺旋度计算结果,对2002年3月18-22日华北地区发生的一次强沙尘暴过程进行了分析研究,重点分析了北京及周边地区水平与垂直方向螺旋度和完全螺旋度的结构变化及演变特征,结果表明：螺旋度的演变与强沙尘暴天气的发生、发展有较好的对应关系,将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可以有效提高沙尘暴天气的预报准确度。     

Determining the source of dust storms with use of coupling WRF and HYSPLIT models: A case study of Yazd province in central desert of Iran

Dust storm, which has a significant impact on regional air quality, is one of the most hazardous meteorological phenomena in the arid areas. Yazd province is one of the arid areas in Iran that is exposed to dust storms. In this study, two cases of dust storms of Yazd province are studied with the use of coupling numerical models and aerosol optical depth (AOD) from MODIS data. We investigated synoptic condition of such dust storms that were formed downstream of upper level through in the area by focusing on two storms, on May 24 and 25, 2014. For this purpose, a dynamic coupling of this case is done using WRF output the HYSPLIT model. This model was implemented to investigate the sources of the dust storms by calculating the back trajectories from the receptor sites. The trajectories indicated that the first and the second case storms occurred in the northeast and the south of Yazd respectively. These results also showed a good agreement with MODIS aerosol optical depth data and HYSPLIT back trajectories paths.     

沙尘暴影响下北京沙尘气溶胶的垂直分布及溯源分析

采用云-大气气溶胶激光雷达红外探索卫星观测系统(Cloud-Aerosol Lidarand Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)资料,得出了2013年3月8-11日的一次途经新疆、甘肃、内蒙古等地的沙尘暴,对造成北京的沙尘天气影响下的沙尘气溶胶的空间垂直分布图。在此基础上研究了衰减后向散射系数、退偏振比、色比等光学特性参数。结果表明:在此次沙尘暴影响下造成的北京地区沙尘天气过程中,气溶胶的退偏振比在0.1~0.4之间,色比大于0.3。3月10-11日北京地区的沙尘气溶胶分布高度从3km以下被抬升至约4km。再利用欧拉-拉格朗日混合单粒子轨道模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)和NAAPS全球气溶胶模式,模拟分析了这次沙尘的来源和传输过程,表明此次沙尘起源于南疆盆地和内蒙古中西部,影响甘肃大部、内蒙古中西部、宁夏、山西北部和河北西北部、北京等地区。并用双波长迭代反演法初步反演了3月10、11日北京地区处于沙尘天气情况下的气溶胶光学厚度,分别为0.334和0.621。     

2020年南昌市大气污染特征与潜在源区

基于南昌市大气环境监测、地面气象观料和GDAS等资料,主要采用后向轨迹聚类分析、潜在源贡献因子和浓度权重轨迹分析方法,分析了2020年南昌市大气污染特征和污染物潜在源区。结果表明:1)南昌市春、夏、秋季以O_(3)污染为主,冬季以PM_(2.5)污染为主。2)大气污染物质量浓度日变化具有明显的季节性特征,PM_(2.5)和PM_(10)在春、秋、冬季呈双峰形分布,NO_(2)在秋、冬季呈弱双峰形分布,春、夏季呈单峰分布,O_(3)呈单峰形分布。南昌市东部大气污染较西部更严重。3)南昌市气流输送季节差异明显,春、秋、冬季主要受偏北气流影响,夏季主要受偏南气流影响。本地源是南昌市大气污染的主要潜在源,安徽省南部、湖北省东部、上饶市西部和九江市的区域输送也有一定贡献。     

北京奥运期间气溶胶中水溶性无机离子浓度特征及来源解析

2008年7—10月在中国科学院大气物理研究所采集气溶胶样品,用离子色谱进行水溶性无机离子分析,并对其组成、质量浓度变化特征、相关性及存在形式、来源解析等方面进行研究。结果显示,整个采样期间,SO42-、NO3-和NH4＋是最主要的水溶性离子,主要以（NH4）2SO4和NH4NO3形式存在;SO42-、NO3-和NH4＋、Ca2＋和Mg2＋的相关系数都较高,具有很好的同源性。NO3-/SO42-质量浓度比值表明,奥运前,固定源（燃煤）对水溶性离子的贡献大于流动源（机动车）,而奥运期间和奥运后则相反。因子分析表明,交通、燃煤、土壤、建筑尘和生物质燃烧源是采样期间北京大气污染的主要来源。     

东亚沙尘源区与下游地区气溶胶光学特性比较

利用AERONET观测资料从气候学的角度比较分析了2001-2011年东亚地区沙尘天气发生时沙尘源区和下游区大气气溶胶光学特性。结果表明：沙尘期间沙尘源区气溶胶光学厚度明显大于下游区,而Angstr?m波长指数却小于下游区,当沙尘暴出现时会降至零甚至负值。气溶胶粒子尺度体积谱分布除敦煌为单峰外,其余各站均呈双峰分布,香河和北京的细粒子浓度明显大于西北地区,这可能是由细的沙尘粒子和污染气溶胶共同造成。在440-1020 nm范围内,中国地区气溶胶单次散射反照率平均值为0.93,韩国和日本站分别为0.93和0.94。沙尘源区与下游区相比,复折射指数实部偏大,虚部偏小。总体来说,沙尘天气下东亚地区在4个波段内平均不对称因子为0.70。     

2010年民勤沙地近地面沙尘气溶胶浓度特征

为了更好地研究沙尘气溶胶起沙和输送特征,2010年4—5月,在民勤周边沙地利用EZ LIDAR ALS300&ALS450型激光雷达和 GRIMM 180型颗粒物采样器进行了大气气溶胶的外场连续观测,取得了晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴天气条件下沙尘气溶胶总后向散射垂直剖面图和PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度采样资料,其中包含“0424”特强沙尘暴过程资料。结果表明：春季民勤近地层大气中沙尘气溶胶浓度较高,且随气象要素的变化很大;在整个观测期内,PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0的平均质量浓度分别为202.3、57.4 μg/m³、16.7 μg/m³。在不同天气条件下,PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度的变化有很好的相关性,但变化趋势有所不同。在沙尘暴天气条件下,PM₁₀的日平均质量浓度高达2469.1μg/m³,是背景天气条件下PM10日平均质量浓度的100多倍,是浮尘天气条件下PM10日平均质量浓度的8倍,是扬沙天气条件下PM₁₀日平均质量浓度的2倍。PM_2.5在沙尘暴天气下日平均质量浓度为460.3 μg/m³,是背景天气条件下PM_2.5日平均质量浓度的45倍,是浮尘天气条件下PM_2.5日平均质量浓度的6倍,是扬沙天气条件下PM_2.5日平均质量浓度的1.4倍。PM_1.0在沙尘暴天气条件下的日平均浓度为92.7 μg/m³,是背景天气条件下PM_1.0日平均浓度的13倍,是浮尘天气条件下PM_1.0日平均浓度的7倍,是扬沙天气条件下PM_1.0日平均浓度的1.3倍。可见,风速增大时沙尘粒子浓度的增加对粒子粒径是有选择的,小粒子比重随沙尘浓度增加而相对减小,大粒子比重随沙尘浓度增加而相对增多;通过对“0424”特强沙尘暴过程的研究表明,一次沙尘暴过程往往包括沙尘暴、扬沙和浮尘天气中的两种类型;通过对激光雷达数据分析发现,在强沙尘暴发生过程当中,民勤沙地发生了非常严重的风蚀起沙现象。     

金华地区夏秋大气中过氧乙酰硝酸酯的污染特征

过氧乙酰硝酸酯（PAN）是由VOCs和NO_x的光化学反应生成的一种典型二次污染物,比O₃更适合作为光化学污染的指示剂.2019年6—10月对浙江中部盆地金华市大气中PAN进行了在线监测,并对影响其体积分数变化的因素进行了分析,同时还分析了一次典型的光化学污染过程.结果表明,观测期间PAN的平均体积分数为0.656×10^-9,最高体积分数为4.348×10^-9,日均体积分数水平在0.130×10^-9~2.203×10^-9之间.PAN日变化特征显著,9月为明显的双峰变化,其他月份均为单峰.受气象条件的影响,夏季的污染程度显著低于秋季.9月27—30日典型污染时段内,PAN的小时均值是整个观测期均值的2.8倍,污染以本地积累为主.前体物浓度水平差异与去除机制的不同是影响PAN和O₃相关性的重要因素,此外NO/NO₂的比值是影响PAN生成速率的重要因素,PAN的峰值基本出现在NO/NO₂比值较低的时段.在生成PAN的VOCs物种中,丙烷、乙烷和间/对二甲苯所占比例较大.     

喀什地区浮尘天气特征及一次重污染天气成因分析

根据1961—2018年喀什地区9个国家站浮尘日数逐日观测资料,利用气候学统计、M-K突变检验等方法分析喀什地区浮尘日数的时空分布等气候特征,分析2019年3月19—25日喀什地区出现的强浮尘造成的重污染天气成因。结果表明:喀什地区年平均浮尘日数为71 d,浮尘日数总体呈减少趋势,并于1997年前后发生了显著减少性突变。2019年3月19—25日出现的强浮尘天气过程,持续时间长,影响范围广,乌拉尔山高压脊发展,脊前横槽转竖,在新疆东部回流东灌冷空气是造成此次沙尘过程的天气背景。浮尘天气造成21—24日喀什地区空气污染指数AQI指达500,属严重污染,首要污染物PM_(2.5)和PM_(10)在21日、22日达到峰值,分别为494、1 175μg/m~3。热力、动力条件以及近地面存在逆温层均不利于污染物的扩散。污染过程前后喀什市本站气压与PM_(10)、PM_(2.5)浓度均呈正相关,相关系数为0.762、0.507,均通过0.05显著性水平检验;气温与PM_(10)浓度呈负相关,与PM_(2.5)相关性不明显;相对湿度跟PM10和PM2.5呈正相关,表明气象因子在大气污染过程中对大气环境影响明显。     

四川盆地一次当地排放和沙尘输送双重影响的区域空气重污染过程研究

针对四川盆地大气污染及其成因的特殊性,本文使用四川盆地18个城市的大气污染监测和气象观测数据以及NCEP1°×1再分析资料,对2017年12月19日～2018年1月3日四川盆地由当地过量排放和外来沙尘输送双重影响的区域性大气污染过程进行分析。结果表明：2017年12月19～28日四川盆地环流场配置不利大气污染物扩散,垂直温度层结稳定,在当地污染源持续排放下污染物浓度缓慢上升,此阶段为静稳型大气污染。之后29日冷空气过程打破前期不利污染物扩散的环流场及垂直温度层结,导致气态污染物下降明显,但伴随冷空气活动的外来沙尘使PM10浓度迅速增大,使四川盆地部分城市出现沙尘型重污染;特别是广元地区受沙尘直接影响最严重,PM10浓度是原来的4.5倍;成都市虽没有通过沙尘天气的表观判断,但对颗粒物离子浓度和化学组分都有显著影响;因此,当时PM10和CO浓度24h比值变化受沙尘输送和天气条件共同影响,在不同时段和地区都存在明显差异,初步揭示出由静稳型大气污染向沙尘型污染转换阶段的内在变化特征,具有重要科学价值。     

中国西北不同沙源地区起沙阈值的对比分析与研究

沙尘粒子进入大气所受到的空气动力因子和阴力因子分别用摩擦速度u,和临界摩擦速度u(?)来定量表示。临界摩擦速度是影响沙尘释放和输送的重要参数。文中利用2004年春季浑善达克沙地和2006年春季黄土高原与戈壁3种不同沙源地区开展的微气象学和沙尘暴观测资料,分析了沙尘天气过程中沙尘浓度随摩擦速度的变化关系,估算了临界起沙摩擦速度u(?),并与不同学者给出的结果进行对比。结果表明:沙尘天气过程中,临近起沙阶段,沙尘浓度较低,摩擦速度增加快,为起沙阶段提供了利的动力条件;起沙阶段,动力和热力湍流混合使得沙尘浓度迅速升高;沙尘天气减弱阶段,由于重力沉隆作用,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性递减关系。以空气中的沙尘浓度大于200μg/m~3作为起沙的判据条件,得到浑善达克沙地和戈壁地区的临界起沙摩擦速度分别为0.6和0.45 m/s。由于受地形及非均匀下垫面的影响,黄土高原的临界起沙摩擦速度与风向有关。西北风反映了来自西北方向毛乌素沙地的影响,u(?)为0.35 m/s,偏南风时对应观测站点南部黄土丘陵沟壑区的起沙特征,u(?)为0.7 m/s。黄土丘陵沟壑区的地表粗糙度值和土壤粒子间的相互作用力较大,从而导致了较大的临界起沙摩擦速度。不同的起沙阈值条件和风速频率分布与沙尘释放能力的不同相对应。     

PMF和PCA/APCS模型对南京北郊大气VOCs源解析对比研究

利用PMF模型和PCA/APCS模型对南京北郊大气VOCs进行定性和定量的源解析,并对比了两种模型的结果。结果表明：PMF模型对不同VOCs种类的模拟效果差别较大,而PCA/APCS对不同VOCs种类的模拟效果相近;PMF模型解析的源个数多于PCA/APCS模型,两种模型结果的源性质方面存在很大相似性,但PCA/APCS模型未能区分汽油挥发和汽车尾气源;两种模型源解析出的植物排放源、工业生产源的贡献率较接近,而其他源的贡献率存在差异,PCA/APCS模型解析的溶剂使用源的贡献率高于PMF模型结果,PMF模型解析出的汽油挥发+汽车尾气源的贡献率高于PCA/APCS模型结果。     

Size distributions of aerosol number concentrations and water-soluble constituents in Toyama, Japan: A comparison of the measurements during Asian dust period with non-dust period

Size-separated aerosol number concentrations and water-soluble constituents were measured in Toyama, the Hokuriku district, near the coast of the Japan Sea, during the spring and summer in 2003. The number concentrations of coarse particles were significantly high in April, which was due to Asian dust events called Kosa in Japanese. Particulate nssCa²⁺, which is mostly present in the coarse-mode particles, was significantly high in April. On the other hand, the concentrations of NH₄⁺ and nssSO₄²⁻, which mainly exist as the accumulation-mode particles were not high in April. The mass-size distributions of water-soluble constituents were compared with the size-separated number concentrations of particles. Backward trajectory analysis was also employed to examine the transport process of the air mass in Toyama.