沙尘气溶胶对半干旱区微气象学特征影响的初步研究

沙尘气溶胶通过改变地表—大气间的短波及长波辐射从而对地气间热量传输产生影响,进而影响到地表能量收支平衡以及近地面层气象要素的分布。半干旱区是我国干旱化表现最为剧烈的地区,也是沙尘暴频发地区和主要源区之一。本文利用吉林通榆半干旱区国际协调强化观测计划基准站2006年4～6月近地层微气象、地表辐射通量和沙尘气溶胶浓度观测资料,对比分析了该地区在典型沙尘暴天气、扬沙天气和晴朗天气等不同天气状况下近地层各气象要素、地表能量平衡及辐射收支的变化特征。结果表明,沙尘气溶胶对半干旱地区地面微气象学特征及辐射收支具有明显的影响,且表现出不同于干旱区的若干特性:半干旱区沙尘天气下的平均风速比晴天高约2m.s-1,而相对湿度则降低了约35%。相对而言,气温和浅层地温的变化对沙尘的影响响应较弱。半干旱区在沙尘天气时地表净辐射小于晴天,感热/潜热通量分别约占净辐射的55%和30%,分别远大于/远小于晴天时的情形。该地区气溶胶质量浓度与日均感热、相对湿度、潜热等要素具有明显的相关,相关系数分别高达0.70、-0.75和-0.62。相比之下,干旱区沙尘天气时的感热通量要小于晴天时的值,而且气象要素的响应更加剧烈。     

A Case Study of a Typical Dust Storm Event over the Loess Plateau of Northwest China

Enhanced observational meteorological elements,energy fluxes,and the concentration of dust aerosols collected from the Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory(SACOL) during a typical dust storm period in March 2010 at Lanzhou were used in this paper to investigate the impact of dust aerosols on near surface atmospheric variables and energy budgets.The results show that the entire dust storm event was associated with high wind velocities and decreasing air pressure,and the air changed from cold and wet to warm and dry and then recovered to its initial state.The response of energy fluxes occurred behind meteorological elements.At high dust concentration periods,the net radiation was significantly less in the daytime and higher at night,while the heat fluxes displayed the same trend,indicating the weakening of the land-atmosphere energy exchange.The results can be used to provide verification for numerical model results in semi-arid areas.     

黄土高原半干旱区异常能量闭合率特征分析

以兰州大学半干旱气候与环境观测站（简称SACOL站）4 a的陆面通量数据为基础,利用普通最小二乘法（OLS）和能量平衡比率（EBR）方法,对能量平衡的异常闭合特征及其与相对垂直湍强（RIw）的关系进行了研究,并进行了能量滞后分析。结果表明,能量过闭合和负闭合现象分别主要发生在白天和夜间,大小遵从正态分布;较大异常闭合产生的原因主要是日出日落时净辐射与地表热通量接近以及降水影响造成湍流通量出现异常大值。一般来说,垂直湍流运动越强,异常闭合越少,闭合度越向1收敛,反之亦然。强湍流或极弱湍流都不利于产生异常闭合,过闭合、负闭合的最适相对垂直湍强RIw约为0.11、0.14。另外,能量支出项的相对滞后也是造成包括负闭合在内的异常闭合的原因之一。剔除湍强较弱的点或将地表热通量G0、感热H、潜热LE相位相对净辐射Rn提前30 min后,异常闭合所占比重减少;月平均EBR法过闭合度降低,OLS法闭合度提高。     

敦煌地区沙尘气溶胶质量浓度的观测研究

在沙尘源区进行长期监测是获取区域代表性沙尘气溶胶质量浓度特征的重要研究方法。敦煌位于甘肃省河西走廊的西端,是中国北方主要沙尘源区之一,利用大流量采样器和安德森采样器进行了长达30个月的试验观测研究,获得了该地区沙尘气溶胶的基本特征。其年变化特征与气象资料的年变化关系密切;针对典型天气过程的观测结果表明,不同天气条件（背景大气、浮尘、扬沙和沙尘暴）下TSP浓度存在倍数关系和量级的差异,其质量浓度随粒径的分布特征也明显不同;并与2001年9月-2004年3月在腾格里沙漠东南缘沙坡头地区的一些观测结果进行了比较分析。     

2000年6月4日沙尘暴过境时敦煌地面气象要素及地表能量平衡特征的变化

利用在敦煌进行的"我国典型干旱区陆-气相互作用试验"观测资料,分析了2000年6月4日在我国西北所发生的沙尘暴过境时的地面气象要素的变化以及地表能量平衡变异特征.结果表明,在沙尘暴过境时地面水平风风向经历了从稳定到多次调整,再到稳定,最后崩溃的演变.风向调整时,风速减弱,而调整之后,风速加大,同时伴有很强的上升气流.沙尘暴天气来临前,地面空气呈干热状态,处于低气压控制之下;而在沙尘暴过境时和过境后,地面空气显得相对湿冷,地面气压急剧上升,并处于高压控制之下.沙尘暴过境前后,地表的能量平衡关系遭到破坏,净辐射大幅减少,地气间的感热和潜热输送变弱,土壤全天向上释放热量.     

中国西北大气沙尘光学特性的数值试验

利用 1991年 2月下旬～ 5月中旬HEIFE张掖和沙漠站的大气浑浊度观测、地面辐射观测及同期卫星资料 ,借助NCARCCM 3中的辐射模式CRM ,模拟估算了我国西北大气沙尘气溶胶的部分光学参数 ,单次散射反照率 (ω0 )和光学厚度比 [k(τλ=8～ 14 /τλ=0 .55) ]。计算结果表明 ,清洁天ω0 和k(τλ =8～ 14 /(τλ =0 .55)在沙漠和绿洲均为 0 .94和 0 .1;浑浊天ω0 在绿洲为 0 .90 ,沙漠为 0 .84 ;k(τλ=8～ 14 /τλ =0 .55)在绿洲为 0 .3 ,沙漠为 0 .4。在气候模式中 ,可将我国西部沙尘源区大气沙尘的ω0 和k(τλ =8～ 14 /τλ=0 .55)分别取为 0 .88和 0 .3。     

沙尘传输路径上气溶胶浓度与干沉降通量的粒径分布特征

利用2002年春季中国北京、青岛和日本福冈3个地区的分级气溶胶浓度资料,结合改进的Wil-liams模型,分析了沙尘传输路径上空气动力学直径≤11μm气溶胶(PM11)浓度和干沉降通量的粒径分布特征,并估算了黄海海域春季PM11的干沉降通量及不同粒径气溶胶的贡献。结果表明:3个地区PM11浓度粒径分布在非沙尘时期呈双峰分布,两个峰值分别出现在细颗粒(<2.1μm)部分和粗颗粒(2.1～11μm)部分;沙尘时期,3个地区PM11浓度粒径分布均趋于单峰分布,峰值位于粗颗粒部分,并且越靠近沙尘源地,这种趋势越明显。较强沙尘天气时期,粗颗粒部分的浓度峰值粒径从沙尘源地附近到黄海西岸、东岸呈降低趋势,但在一般沙尘天气时期,这种现象并不明显。沙尘时期和非沙尘时期,3个地区粗颗粒的干沉降通量均随粒径增加而增大,细颗粒的干沉降通量随粒径的变化不明显。虽然沙尘时期粗颗粒沉降通量较非沙尘时期有明显增加,但粗颗粒对PM11干沉降通量的贡献与非沙尘时期相比,并没有明显的变化。较强沙尘天气时期,3个地区粗颗粒的干沉降通量明显高于一般沙尘天气时期;细颗粒的干沉降通量较一般沙尘天气时期略有增加。黄海海域春季沙尘时期PM11的干沉降通量约为31.70～58.59mg.m-2.d-1,非沙尘时期约为8.33～15.94mg.m-2.d-1。粗颗粒是黄海海域春季PM11干沉降通量的主要贡献者,约占PM11干沉降通量的94.2%以上。     

All-Sky Surface Radiation and Clear-Sky Surface Energy Budgets: Summer to Freeze-Up in the Western Maritime Arctic

The 2009 ArcticNet expedition was a field campaign in the Amundsen Gulf–eastern Beaufort Sea region from mid-July to the beginning of November aboard the CCGS Amundsen that provided an opportunity to describe the all-sky surface radiation and the clear-sky surface energy budgets from summer to freeze-up in the data sparse western maritime Arctic. Because the fractional area of open water was generally larger than the fractional area of ice floes, the net radiation at the water surface controlled the radiation budget. Because the water albedo is much less than the albedo of the ice floes, the extent and duration of open water in summer is an important albedo feedback mechanism. From summer to freeze-up, the net all-sky shortwave radiation declined steadily as the solar angle lowered, while coincidently the net all-sky longwave radiation became increasingly negative. The all-sky net surface radiation switched from positive in summer to negative during the freeze-up period. From summer to freeze-up, both upward and downward turbulent heat fluxes occurred. In summer, a positive surface energy budget residual contributed to the melting of ice floes and/or to the warming of the Arctic Ocean's mixed layer. During the freeze-up period, with temperatures below approximately ?5°C, the residuals were mainly negative suggesting that heat loss from the ocean's mixed layer and heat released by the phase change of water were significant components of the energy budget's residual.     

沙尘气溶胶对福建沿海城市空气质量的影响

利用2005-2009年沙尘天气资料、空气污染指数及后向轨迹模型分析了沙尘气溶胶影响期间福建沿海城市的空气质量.结果表明:沙尘影响日数总体上和沙尘天气过程的次数有关,2006和2007年的沙尘影响日较多.沙尘影响日呈单峰型分布,高值区出现在春季(3-6月).沙尘影响期间的空气污染指数较高,年平均API接近或超过轻度污染级别,能见度和PM10浓度之间呈反相关.沙尘气溶胶气团主要通过西北和偏北路径运动至福建沿海城市,其中300m高度的气团有11次经西北路径运动至福建沿海(占50％),有10次经偏北路径运动至福建沿海(占45％);800m高度的气团有12次经西北路径运动至福建沿海(占57％),5次经偏北路径运动至福建沿海(占24％).     

基于模式分析一次沙尘暴过程中沙尘表面非均相化学过程对中国地区污染物浓度的影响

利用戈达德对地观测系统（GEOS）提供的再分析气象场GEOS-5驱动的GEOS-Chem模式,模拟中国地区2009年4月22~29日沙尘暴期间沙尘气溶胶表面非均相化学过程对我国污染物的影响。模拟结果表明,沙尘暴期间,全国平均沙尘硝酸盐和沙尘硫酸盐浓度分别为0.2 μg m-3和0.4 μg m-3,占总硝酸盐（非沙尘硝酸盐与沙尘硝酸盐之和）和总硫酸盐（非沙尘硫酸盐与沙尘硫酸盐之和）的24%和10%。我国西部地区沙尘硝酸盐占比（ > 80%）要大于其他地区,而西部地区的沙尘硫酸盐占比则要小于下游地区。考虑非均相化学反应后,沙尘暴期间,全国平均的二氧化硫（SO₂）、硝酸（HNO₃）、臭氧（O₃）、非沙尘硫酸盐、总硫酸盐、非沙尘硝酸盐、总硝酸盐、NH₃、总铵盐浓度变化量分别为-7%、-15%、-2%、-8%、3%、-2%、14%、21%、-5%。     

中国西北干旱、半干旱区春季地气温差的年代际变化特征及其对华北夏季降水年代际变化的影响

利用我国1951~2000年夏季降水观测资料分析了我国夏季降水的年代际变化特征,表明了我国夏季降水在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,在1976年之后华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重持续干旱,而西北地区从20世纪70年代后期开始,降水增多,且西北地区降水振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5~8年。并且,本文从1960~2000年我国西北干旱、半干旱区的地温、气温观测资料分析了我国西北干旱、半干旱地区的地气温差(Ts-Ta)的变化特征,其结果表明了在20世纪70年代后期以前,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差大部分年份偏低,低于平均值,而从70年代后期之后到2000年,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差偏高。此外,本文还分析了西北干旱区地气温差变化的最大地区新疆西部春季地气温差与我国夏季降水的相关关系,其正相关区分别位于西北地区、东北地区和长江流域,而负相关区分别位于华北地区东部和西南地区,这表明我国西北干旱、半干旱区春季地气温差可能是华北地区夏季降水年代际变化的原因之一。     

放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响

利用涡度相关技术, 于2006年7月27日至8月10日在内蒙古半干旱草原三种放牧强度的下垫面进行微气象观测。本文分析了放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响, 发现: (1)放牧降低植被覆盖率, 使地表反射率增大。(2)放牧使潜热通量减小。而放牧强度最大的锡林河河道潜热通量最大,表明土壤水分状况是半干旱草原地表能量收支的决定性因素。(3)羊草和冬季放牧观测点日平均CO2通量分别为-1.92 g?m-2?d-1和0.73 g?m-2?d-1, 表明放牧可以使草地由CO2的汇转变为源。锡林河河道为CO2的汇, 日平均CO2通量-3.35 g?m-2?d-1, 与羊草比较, 锡林河河道吸收CO2更多, 表明土壤湿度是影响半干旱草原CO2通量交换的重要因素。(4) 放牧通过减小叶面积指数, 减弱植被的光合作用能力。     

用CE-318太阳光度计资料研究银川地区气溶胶光学厚度特性

根据CE-318数据,利用Bouguer定律计算了银川地区的大气气溶胶光学厚度,并分析其变化特征。结果表明,该地区大气气溶胶光学厚度具有明显的日变化和季节变化。日变化有4种类型：1)变化相对稳定;2)整体上呈上升的趋势;3)早晚小,中午大;4)早晨09-11时出现峰值,其他时间变化较小。季节变化则是冬、春季节大,秋季次之,夏季最小;春季大气中的主要成分是沙尘,冬季大气的主要成分是人类活动排放的颗粒物,夏季由于降水多,气溶胶数浓度较低,气溶胶光学厚度较小。     

不同吸湿性的气溶胶对云和降水影响研究进展

气溶胶、云、降水相互关系是现今大气科学的前沿领域。本文总体概括了气溶胶作为云凝结核和冰核,对云宏微观物理特性及降水的影响原理研究的主要成果。并根据气溶胶自身化学性质的吸湿性,从吸湿性气溶胶和非吸湿性气溶胶两方面,重点探讨了模拟研究中,硫酸盐、海盐、沙尘、黑碳气溶胶对于云和降水的影响,以及各类气溶胶与其它类型气溶胶相比,作用于云降水的不同方式。提出之前研究工作的不足,以期为今后该方向的研究提供一些思路。      

沙尘表面非均相吸附系数不确定性及其影响的数值模式研究

本文从实验气溶胶样品、实验技术和分析方法三个方面对以往的实验室研究结果进行综合分析, 归纳总结出适合东亚地区沙尘气溶胶的非均相吸附系数γ的参考值, 并利用区域大气化学模式, 模拟研究了非均相吸附系数γ的不确定性对东亚地区沙尘气溶胶非均相化学过程的影响。为了研究非均相反应对γ的敏感性, 针对其中四种物质(HNO3、N2O5、O3和SO2) 的γ上限值和下限值, 分别进行了T-up (上限值) 和T-low(下限值)两个敏感实验; 针对相对湿度对HNO3和N2O5非均相吸附系数的影响进行了T-rh敏感实验。模拟结果与观测资料进行了对比分析, 结果表明模式可以比较好地反映气态物质、气溶胶浓度的演变过程和非均相反应过程。考虑非均相反应后模拟的硫酸盐和硝酸盐浓度与观测值更接近一些。采用γ参考值的模拟结果总体上比采用γ上限值和γ下限值更合理, 把γ系数作为相对湿度的函数来处理比作为常数处理更合理。沙尘气溶胶通过非均相化学反应, 可以使模拟区域内SO2、NOx和O3的平均浓度下降, 使硫酸盐和硝酸盐颗粒物浓度增加, 采用γ参考值计算得到3 km以下的上述物质的变化率分别为－3.44%、－5.92%、－1.75%、5.22%和23.25%, 显示沙尘表面非均相化学反应对大气化学成分特别是气溶胶有较大的影响; 不同γ取值对上述物质变化率有一定影响, 其中对硝酸盐和臭氧的影响较大, T-up和T-low 模拟结果之间可以相差13.4%和10.1%。     

Impacts of Secondary Aerosols on a Persistent Fog Event in Northern China

The chemistry version of the Weather Research and Forecasting model (WRF/Chem) was coupled with the anthropogenic emission inventory of David Streets to investigate the impacts of secondary aerosols on a persistent fog event from 25 to 26 October 2007, in Northern China. The spatial distribution of the simulated fog is consistent with satellite observations, and the time-height distributions of the simulated boundary layer where the fog formed are also in good agreement with these observations. The sensitivity studies show that the secondary aerosols of SO 4 , NO 3 , and NH 4 formed from gaseous precursors of SO 2 , NO x , and NH 3 had substantial impacts on the formation processes and microphysical structure of the fog event. The decrease of the secondary aerosols obviously reduced the liquid water path and column droplet number concentration of the fog below the 1-km layer, and the corresponding area-averaged liquid water path and droplet number concentration of the fog decreased by 43% and 79%, respectively. The concentrations of NO x and NO 3 were found to be extremely high in this case. The concentration of interstitial aerosol NO 3 was much higher than the SO 4 and NH 4 , but the concentration of SO 4 was highest in the cloud-borne aerosols. The average activation ratios for SO 4 , NO 3 , and NH 4 were 34%, 31%, and 30%, respectively, and the maximum ratios reached 62%, 86%, and 55% during the fog episode.     

Simulation of the Direct Radiative Effect of Mineral Dust and Sea Salt Aerosols in a Doubled Carbon Dioxide Climate

The authors examine the equilibrium climatic response to the direct radiative effect(DRE)of mineral dust and sea salt aerosols in a doubled-CO2climate with two-way coupling of aerosol-climate interactions.In response to the drier and windier conditions,dust emissions increase by 26%in the Sahara Desert and by 18%on the global scale relative to present day.Sea salt emissions increase in high latitudes(60°)but decrease in middle latitudes(30°–60°)of both hemispheres due to the poleward shift of westerlies,leading to a 3%decrease in global emissions.The burdens of dust and sea salt increase by 31%and 7%respectively,because reductions in rainfall over the tropical oceans increase the lifetime of particles in the warmer climate.The higher aerosol loading in the doubled-CO2climate reinforces aerosol DRE by0.2 W m 2,leading to an additional cooling of 0.1°C at the surface compared with the climatic effects of aerosols in present day.The additional cooling from changes in natural aerosols compensates for up to 15%of the regional warming induced by doubled CO2.     

A Case Study on MJO Energy Transport Path in a Local Multi-scale Interaction Framework

A new local kinetic energy (KE) budget for the Madden-Julian Oscillation (MJO) is constructed in a multi-scale framework. This energy budget framework allows us to analyze the local energy conversion processes of the MJO with the high-frequency disturbances and the low-frequency background state. The KE budget analysis is applied to a pronounced MJO event during the DYNAMO field campaign to investigate the KE transport path of the MJO. The work done by the pressure gradient force and the conversion of available potential energy at the MJO scale are the two dominant processes that affect the MJO KE tendency. The MJO winds transport MJO KE into the MJO convection region in the lower troposphere while it is transported away from the MJO convection region in the upper troposphere. The energy cascade process is relatively weak, but the interaction between high-frequency disturbances and the MJO plays an important role in maintaining the high-frequency disturbances within the MJO convection. The MJO KE mainly converts to interaction KE between MJO and high-frequency disturbances over the area where the MJO zonal wind is strong. This interaction KE over the MJO convection region is enhanced through its flux convergence and further transport KE to the high-frequency disturbances. This process is conducive to maintaining the MJO convection. This study highlights the importance of KE interaction between the MJO and the high-frequency disturbances in maintaining the MJO convection.     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

中国北方沙尘气溶胶对云和降水影响的数值模拟研究

已有的研究表明中国北方千旱半干旱地区是对流层沙尘气溶胶的主要来源之一,对当地乃至全球气候都有重要的意义.利用数值模拟研究方法探讨不同干燥程度的大气背景环境下,沙尘气溶胶数浓度对混合云形成和发展的可能影响,并采用析因试验讨论了主次影响因素.结果表明:沙尘气溶胶的增加导致降水减少、延长了云在空中存在的时间,改变了云的空间结构和微观结构.析因分析表明干旱半干旱气候背景条件下,混合云的累计降水量对沙尘气溶胶数浓度变化的敏感性要高于对大气环境湿度的敏感性;沙尘气溶胶数浓度增加导致云累计降水量的减少;沙尘气溶胶数浓度和大气环境湿度对云的累计降水量的影响是复杂的,研究结果可以用于指导降水预报业务.