塔克拉玛干沙漠中心的沙尘气溶胶观测研究

沙尘气溶胶严重影响中国北方的空气质量,作为一种重要气溶胶并影响区域的辐射平衡。塔克拉玛干沙漠每年释放大量的沙尘气溶胶,而位于塔克拉玛干沙漠中心的塔中站,提供了对沙尘气溶胶的近距离观测。利用该站地面太阳光度计的观测数据分析了沙尘气溶胶的年变化特征,并分析了该站光学厚度、能见度、大气飘尘质量浓度（PM10）和大气总悬浮颗粒物浓度（TSP）之间的相关性。结果显示,气溶胶的440 nm光学厚度在春季最高、秋季最小,440 nm光学厚度与能见度呈现负幂函数关系,TSP与PM10呈现线形相关关系,PM10与能见度呈现负幂函数关系。     

塔里木盆地沙尘气溶胶对短波辐射的影响——以塔中为例

利用2006年8—9月塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站的80 m铁塔上,距地1.5 m的KIPP & ZONEN自动辐射仪获取的监测资料,根据沙尘暴资料中PM10的小时浓度变化,参照TSP的变化趋势和塔中地面气象站的能见度和风速,将天气划分为晴空、浮尘和扬沙、沙尘暴三种类型,并分别选取其代表性天气,分析以塔中为代表的沙漠腹地,沙尘气溶胶浓度的变化对短波辐射的影响。结果表明：沙尘气溶胶减弱到达地面的总的太阳辐射,在大气总的透过率上表现为晴空是沙尘暴的2.04倍;直接辐射表现在大气透明系数的变化与沙尘暴、浮尘PM10呈显著负相关,相关系数分别为-0.714,-0.771;沙尘气溶胶改变散射辐射波形,由遁形平顶型改为倒“V”型,增加散射日总量,沙尘暴是晴空的1.68倍,浮尘是晴空的2.12倍。     

典型干旱区沙尘气溶胶光学厚度及粒度谱分布的初步分析

利用中国科学院沙坡头沙漠试验研究站2001年9月至2002年5月的太阳光度计辐射资料,计算了该地区各月平均大气气溶胶光学厚度（AOT）,并对该地区秋、冬、春三季平均的光学厚度进行了比较,同时对日变化也作了分析。此外,从反演的粒度谱分布也可以看出,春季该地区大气中的气溶胶粒子含量远大于冬、秋两季,并可以反映出春季大气层结的不稳定性,但反演方法的精度有限,还有待进一步提高。     

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。     

气溶胶光学厚度的分布特征及其与沙尘天气的关系

 利用MODIS卫星遥感光学厚度资料，分析了中国大气气溶胶光学厚度的时空分布特征，并与同期沙尘天气进行了对比和相关分析，结果表明：①中国主要内陆地区的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness，简称AOT)分布有4个高值区：①分别位于南疆盆地和青海\,甘肃、内蒙古中西部地区、四川盆地和长江黄河下游地区。②春季北方特别是西北的AOT值明显高于南方，冬季南北AOT值差别不大。③南疆盆地和内蒙古中东部地区AOT值随季节变化明显，而四川盆地、长江黄河下游地区AOT值没有明显的季节变化。④南疆盆地、青海、内蒙古等地区沙尘天气过程与AOT值同步变化。⑤在沙尘天气的多发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气有较好的相关性；沙尘天气的少发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气基本不相关。因此可以推断，中国北方，特别是干旱荒漠区，大气气溶胶主要来自沙尘天气过程引起的地面沙尘释放。     

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。     

沙尘气溶胶对直接太阳辐射的衰减研究

基于在腾格里沙漠东南端进行的太阳辐射与气象要素观测,探讨晴空无云时沙尘气溶胶对直接太阳辐射的衰减;并利用太阳辐射观测资料,给出沙漠边缘垂直上空的大气混浊度的变化。根据4月份至9月份的观测资料,只选取天空无云(可测的太阳辐射)的气象条件,研究沙尘气溶胶造成的直接太阳辐射的衰减。结果表明,在晴好天气约为47.0%~2.6%,平均衰减约为16.9%;在沙尘天气约为90%~10%,平均衰减约为38%;沙尘天气气溶胶对太阳辐射衰减变化较大。大气混浊度(atmospheric turbidity:τ_a)在晴好天气下约为0.048~0.631,平均约为0.260;沙尘天气约为0.177~2.475,平均约为0.741。     

河西走廊干旱区气溶胶粒子光吸收特征

利用2008年4-6月在张掖气候观象台的黑碳仪观测资料,结合同时期的PM10浓度和气象要素观测结果,分析了河西走廊干旱区的气溶胶吸收系数变化特征。讨论了气溶胶总体特征、日变化特征、局地风对吸收性气溶胶的输送以及沙尘天气下气溶胶吸收系数变化特征,并估算了沙尘气溶胶的质量吸收系数。结果表明,观测期间气溶胶吸收系数（532 nm）的平均值（标准差）为11.9 Mm-1（10.1 Mm-1）。一日内气溶胶吸收系数有明显的日变化,早（08:00）晚（21:00）有两个峰值,且夜间的气溶胶吸收系数值较白天要高。风向的昼夜转换是影响气溶胶吸收系数日变化的一个重要原因。沙尘气溶胶也有一定的吸收性,其质量吸收系数估算为0.016 m2·g-1。     

沙尘源区与下游地区沙尘期间气溶胶光学特性分析

为了解沙尘传输过程中气溶胶粒子光学性质的变化,利用2001-2008年中国北方4个站点沙尘期间的数据资料,比较分析了沙尘源区与下游地区气溶胶光学特性的差异。结果表明,沙尘期间大量粗粒子对总消光具有强烈贡献,沙尘源区和下游地区粗粒子消光分别占总消光的85.2%和65.8%。沙尘期间沙尘源区与下游地区均表现出较高的气溶胶光学厚度;而源区的Angstrom波长指数明显低于下游地区,当沙尘暴出现时会下降到零甚至负值。沙尘源区与下游区气溶胶体积尺度谱以粗模态峰为主模态峰。在波长440~1 020 nm时,气溶胶单次散射反照率随波长增大而增大,源区与下游地区的单次散射反照率分别达到0.95和0.92。沙尘源区气溶胶的不对称因子大于下游地区,4个波段的平均不对称因子分别为0.73和0.70。     

沙尘气溶胶的光学特性及辐射强迫效应

在采用OPAC折射指数资料库和对数分布的基础上,利用MIE散射理论和一个简单的概念模型研究了沙尘气溶胶的辐射特性及全球直接辐射强迫值,分析了单相系沙尘气溶胶的消光、散射、吸收效率因子与粒径的关系,讨论了多相系沙尘气溶胶的光学参数随波长的变化特征。结果表明,消光效率因子和散射效率因子随粒径增大而衰减振荡,随波长增大振荡特性逐渐消失。消光系数对众数半径的变化很敏感,单次散射反照率和非对称因子对众数半径的变化不敏感。沙尘气溶胶的直接辐射强迫受气溶胶的单次散射反照率影响很大,随着众数半径的增大,沙尘气溶胶的负的直接辐射强迫值在减小,正辐射强迫值在增大。     

东亚沙尘气候效应对地面温度日较差影响的数值模拟

地面温度日较差（DTR）作为重要天气和气候指标,反映昼夜温差极值,比平均气温对地表辐射收支的变化更敏感,对环境变化和气候异常具有重要参考价值。沙尘气溶胶的气候效应是影响岩石圈-大气-海洋系统的重要因子,但目前的研究较少涉及沙尘气溶胶对DTR的影响机制。基于WRF-Chem模式（Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry）揭示2002—2005年沙尘气溶胶气候效应对东亚地面温度日较差的影响。结果表明：WRF-Chem模式可以很好体现东亚气象场和沙尘气溶胶的时空分布特征。沙尘气候效应导致东亚大陆大部分地区DTR减小,沙尘直接辐射效应在其中起决定性作用。在白天,沙尘直接辐射强迫加热大气、冷却地表,减小地面总净辐射而降低日最高温度,导致DTR减小。在中国青藏高原和东北部地区,沙尘气溶胶间接效应占主导地位,导致青藏高原地区积雪覆盖减少,东北地区云水含量减小,间接导致DTR增大。     

河西走廊罕见强沙尘天气传输及其过程持续特征

2021年3月15—19日河西走廊出现了近10 a范围最广、持续时间最长的罕见强沙尘天气过程。利用MICAPS常规气象观测资料以及物理量场资料,从天气气候成因、环流形势演变、物理量诊断等方面分析了此次强沙尘天气的传输及过程持续特征。结果表明：（1）2021年3月14日受强烈发展的蒙古低压槽影响,蒙古国南部及内蒙古中西部爆发了强沙尘暴,前期蒙古国及中国北方异常增暖是导致沙尘暴爆发的诱因之一。（2）受高空贝加尔湖深厚低压槽后西北气流引导冷空气东移南下、高空急流动量下传、配合地面冷锋过境共同影响,蒙古国中西部高低空的沙尘粒子被输送到河西走廊,造成河西走廊15日凌晨到上午出现局地强沙尘暴和扬沙天气。（3）强沙尘暴出现后,700 hPa、850 hPa及近地面内蒙古、华北、宁夏及陕西一带盛行偏东气流将蒙古国及内蒙古的沙尘输送到了河西走廊,造成河西走廊15日下午至19日出现浮尘天气。（4）沙尘天气维持期间,地面冷高压移速缓慢,河西走廊位于地面冷高压后部,地面风速和湿度较小,不利于沙尘的沉降和水平扩散;河西走廊上空盛行下气沉流、逆温层深厚、大气干燥及层结稳定,不利于低层沙尘的垂直扩散和沉降,对沙尘的...     

Radiative forcing and temperature response of dust aerosols over East Asia in the latest decade

A regional climate model, RegCM3, coupled with an online dust module, is used to simulate the radiative forcing (RF) and temperature response of dust aerosols over East Asia in the latest decade (2000–2009). The simulation results show that the geographical and seasonal differences of dust aerosols distribution over East Asia are obvious. There exist two extremes of dust aerosols with column burden (CB) greater than 1,000 mg/m²; one is in the Taklimakan Desert of the Xinjiang Uigur Autonomous Region, China, and the other is in the Badain Jaran Desert of the Inner Mongolian Autonomous Region, China. The maximum value of CB appears in spring, the secondary maximum in winter, and the minimum in autumn. The RF of dust aerosols has distribution characteristics similar to CB. The regional averaged RF over East Asia at the top of atmosphere (TOARF) is ?1.72 W/m² in spring and ?1.17 W/m² in autumn, and that at the surface (SURRF) is ?4.34 W/m² in spring and ?2.33 W/m² in autumn. The temperature at the surface is decreased by dust aerosols; the regional averaged temperature decrease over East Asia is 0.154 °C in spring and 0.085 °C in autumn. There are different impacts of dust aerosols on air temperature at different heights. The air temperature is decreased by dust aerosols in the lower troposphere, but the extent of the decrease diminishes with increasing height. The air temperature is in fact increased by dust aerosols at the height of 300–400 hPa in spring, which is greatly different from that in autumn.     

河西走廊入口区下垫面对沙尘天气影响的模拟研究

在利用常规观测资料统计分析2000—2011年和沙尘天气多发年河西走廊入口区代表站点春季风速分布特征的基础上,采用区域气候模式（Regcm4.3.5.6）和欧洲中心更新的4DVar同化的ERA-interim资料,分析了河西走廊入口区下垫面类型改变对2007年4月13日一次沙尘天气过程的影响。结果表明：沙尘暴爆发时,河西走廊为风速大值区,风速8～10 m·s^-1;区域气候模式模拟的沙尘特征量与站点观测的沙尘天气分布对比发现,模拟的沙尘区的发展变化能较好地表征这次沙尘天气过程的变化;河西走廊入口区植被由沙漠改为落叶阔叶林后,发生沙尘天气时该地区风速有所减小,减小平均值为3 m·s^-1,且风速越大,减小越明显。不同粒径沙尘的起沙率和沙尘粒子柱含量对下垫面类型改变的响应有所不同,减小量最大分别达到-50 mg·m^-2·d^-1和-50 mg·m^-2,0.01～5.0 μm粒径沙尘减小范围和强度相差不大,5.0～20 μm粒径沙尘由于粒径最大减小最明显,由于模式中考虑的2.5～5.0 μm粒径沙尘在大气中所占比例小,减小量级和范围最弱。改变下垫面类型使得起沙率和沙尘粒子柱含量在沙尘天气最强时刻减少最显著。     

水资源约束下西北干旱区河西走廊城市化发展模式

西北干旱区城市化进程受到水资源短缺及其用水结构不合理的双重约束。本文以甘肃河西走廊为例 ,针对河西走廊未来 30年总需水量阈值、经济总量阈值、总人口阈值和城市化水平阈值 ,认为最经济、最节水的城市化发展方针为禁止发展特大城市 ,有选择地培育一个大城市 ,积极发展中小城市 ,科学发展小城镇。据此提出了与水资源约束相适应的西北干旱区河西走廊城市化发展的 6种模式。即 :推行“产业移人”和“环境移民”为主、“人移产业”为辅的城市扩展模式 ;推行“分步到位”为主 ,“一步到位”为辅的城市生态移民模式 ;推行“退一进二”、“退乡进城”的城市用水转换模式 ;推行“节水量城”为主 ,“借水养市”为辅的节水型城市化模式 ;推行“稳粮兴草” ,“稳农强工” ,“活商旺城”的城市产业转换模式 ;推行“一核四极” ,“一轴三带”、“乡镇同兴”的“卅”字型城市空间推进模式     

河西走廊春季透雨日期的变化特征

利用甘肃河西走廊25个测站1971-2007年降水资料,采用EOF、REOF、波谱分析方法,对春季第一场透雨日期的空间特征、时间变化规律进行了诊断分析.结果表明:甘肃河西走廊春季透雨日期在空间场上具有较好的一致性,其第一主分量方差贡献占总体方差的36%.但不同地理条件下透雨日期有所差异,大致可划分为3个区,东南部早,西...     

Simulation on the spatio-temporal distribution and emission flux of dust aerosol over East Asia in 2000–2009

A regional climate model (RegCM3), coupled with an online dust module, is used to simulate the spatio-temporal distribution and emission flux of dust aerosol (smaller than 20 μm in diameter) over East Asia in the period from 2000 to 2009. The model performance is firstly evaluated against available observations. Simulation results show that the model can capture the characteristics of spatio-temporal distribution of dust aerosol very well over East Asia. There always exist two extremes of dust aerosol optical depth (AOD) and column burden (CB), one is in the Taklimakan Desert of Xinjiang Uygur Autonomous Region, China, and the other is in the Badain Jaran Desert of Inner Mongolian Autonomous Region, China. The maximum value of CB appears in spring, secondary maximum in winter and minimum in autumn. To the east of 110°E, dust is transported eastward from a maximum center at a height of 700 hPa over the East Asian continent. Dust emission sources are mainly located in the Taklimakan Desert, Badain Jaran Desert, North Qinghai-Tibetan Plateau and Southwest Mongolia. There is also an obvious seasonal variation of dust emission flux (EF). Annual mean dust EF is 1,015.34 mg/(m 2 ·d), of which 62.4% and 2.3% are re-deposited onto the East Asian continent through a dry and wet deposition process, respectively, and the remaining 35.3% is injected into the atmosphere or subject to long-range transport.     

Vertical distribution characteristics of dust aerosol mass concentration in the Taklimakan Desert hinterland

The different height mass concentrations of dust aerosol data from the atmosphere environment observation station （Ta- zhong Station） was continuously observed by instruments of Grimm 1.108, Thermo RP 1400a and TSP from January of 2009 to February of 2010 in the Taklimakan Desert hinterland. Results show that： （1） The mass concentration value of 80 m PMl0 was higher, but PM2.5 and PM1.0 concentrations at 80 m was obviously lower than 4 m PMl0, and the value of 80 m PM1.0 mass concentration was the lowest. （2） The PM mass concentrations gradually decreased from night to sunrise, with the lowest concentration at 08：00, with the mass concentration gradually increased, up to the highest concentration around 18：00, and then decreased again. It was exactly the same with the changes of wind speed. （3） The high monthly average mass concentration of TSP mainly appeared from March to September, and the highest concentration was in April and May, subsequently gradually decreased. Also, March-September was a period with high value area of PM monthly average mass concentration, with the highest monthly average mass concentration of 846.0 p.g/m3 for 4 m PM~0 appeared in May. The concentration of PM10 was much higher than those of PM2.5 and PM1.0 at 80 m. There is a small difference between the concentration of PM2.5 and PM~ 0. Dust weather was the main factor which influenced the concentration content of the different diameter dust aerosol, and the more dust weather days, the higher content of coarse particle, conversely, fine particle was more. （4） The mass concentration of different diameter aerosols had the following sequence during dust weather： clear day 〈 blowing dust 〈 floating and blowing dust 〈 sandstorm. In different dust weather, the value of PM~o/TSP in fine weather was higher than that in floating weather, and much higher than those in blowing dust and sandstorm weather. （5） During the dust weather process, dust aerosol concentration gradually decreased with particle size decreasing. The dust aerosol mass concentration at different heights and diameter would have a peak value area every 3-4 days according to the strengthening process of dust weather.     

甘肃河西沙尘暴对兰州市空气污染的影响

通过对1975-1997年甘肃河西沙尘暴发生日数和兰州市同期颗粒物污染资料进行统计分析,结果表明:两者有很好的正相关关系,其中,70年代后期和1986年前后甘肃河西沙尘暴的多发年份正好与兰州市同期TSP的高污染浓度相对应;在沙尘暴频繁发生的春季,两者的正相关性更显著(相关系数达0.706),其年际变化趋势几乎完全一致。甘肃河西4月份是全年沙尘暴发生日数最多的月份,使得兰州市在该月份的IP浓度也出现全年的次峰值,从而导致IP浓度的年变化成为双峰型(污染严重的12月份出现主峰值),这有别于SO₂等其它几种主要污染物均呈单峰型(12月份出现峰值)的年变化特征。春季河西大风沙尘暴发生期间,兰州市的TSP浓度会明显升高,此种天气过程结束后,TSP浓度迅速降低,这表明春季河西地区大风沙尘暴天气是影响兰州市区颗粒物污染浓度日变化的主要因素。总之,诸方面的分析结果均表明,甘肃河西沙尘暴对兰州市大气颗粒物污染所产生的重要影响是不可忽视的。     

2021年3月中旬东亚中部沙尘天气地面起尘量及源区贡献率估算

2021年3月中旬,东亚中部包括中国北方大部分地区,爆发了持续性的沙尘天气,引发了人们对于沙尘源区、防风固沙生态建设工程效益的高度关注.提出了一个新的地表起尘量估算方法,使用高精度、大范围的气象数据,计算了这次沙尘天气的地面起沙条件、大风过程中的输沙状况,估算了不同时刻的起尘量,获得了14、15日蒙古和中国北方荒漠地区...