基于SWEEP模型的天津一次典型沙尘污染事件分析

为了分析沙尘天气局地源地表风蚀起尘量与外来源传输路径,针对中国现在沙尘起尘量化的欠缺,应用一次事件的风侵蚀评估模型(SWEEP)来计算天津一次典型沙尘污染事件局地源的总损失量、蠕移+跃移量、悬移量与PM₁₀的量,结合HYSPLIT模型对天津市进行外来源空气颗粒物的轨迹模拟,并分析了空气颗粒物的输送特征。结果表明:在2013年3月9日,天津市郊区12个区县中塘沽单位地块和总起尘量都最大,主要是风速大所致。悬移量在总损失量中比例最大,为85.19%。空气颗粒物的传输路径主要有中国的内蒙古,且当沙尘严重时,不同高度运动轨迹趋于一致。     

21世纪初中国北方沙尘天气特征及其与地面风速和植被的关系研究

利用2002-2010年气象站点观测资料,结合同期归一化植被指数(NDVI)资料,分析了中国北方地区2002-2010年的沙尘天气特征,以及沙尘天气与地面风速和NDVI的关系。结果表明,2002年和2006年是21世纪初的沙尘天气强年,中国北方的沙尘天气总站日数明显偏多;中国北方的沙尘天气与NDVI的0.2等值线位置的变化有关,当其向东进时,沙尘天气也频发,向西退时,沙尘天气也减弱;在植被很少,靠近沙漠的地区,沙尘天气日数和强风日数有很好的正相关性,在沙漠与草原的过渡地带,沙尘天气日数与NDVI有很好的负相关性;当植被指数减小,地表面植被覆盖减少,强风也增强,中国北方的沙尘天气就很可能增强。     

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。     

沙尘天气、尘卷风对沙漠地区起沙量的贡献

降尘量能很好地反映整层沙尘气溶胶的信息。基于WRF/Chem沙尘暴模式及大气边界层的观测资料,获得了包括尘卷风起沙过程的日、月和年总起沙量,进而分析它们与自然降尘量之间的关系。结果表明:(1)半定量的沙尘天气日数与逐月降尘量呈极显著的正相关,但无法更精细地量化降尘量的来源;(2)模式量化计算的沙尘天气起沙量与降尘量的变化大体一致,它对总起沙量的平均贡献率为76%;(3)尘卷风对总起沙量的贡献达到了24%,在无沙尘天气的时段,降尘量100%来自尘卷风的起沙量;(4)沙尘天气和尘卷风构成的总起沙量和降尘量在月、年变化都有极其显著的正相关,均通过了0.001极显著检验。     

基于模式参数化方案的塔中地区临界起沙阈值分析

利用2009年7月4日~29日塔中野外试验观测数据,基于MARTICORENA和SHAO提出的2种起沙模式参数化方案,初步探讨塔中地区不同沙尘天气临界起沙风速,所得结论如下：（1）非沙尘天气,沙尘撞击颗粒数≤ 10 000;扬沙天气,10 001 ≤沙尘撞击颗粒数≤ 20 000;沙尘暴天气,沙尘撞击颗粒数≥ 20 001。（2）基于MARTICORENA起沙参数化方案,临界起沙风速的平均值为4.88 m·s^-1,基于SHAO起沙参数化方案,临界起沙风速的平均值为6.24 m·s^-1,临界起沙风速在非沙尘天气最大,在沙尘暴天气最小。（3）在观测期间沙尘水平通量为732.9 kg·m^-1,其中非沙尘天气125.2 kg·m^-1,扬沙天气80.9 kg·m^-1,沙尘暴天气526.8 kg·m^-1,SHAO起沙参数化方案适合估算总沙尘水平通量以及非沙尘和扬沙天气的沙尘水平通量,MARTICORENA起沙参数化方案适合估算沙尘暴天气沙尘水平通量。     

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。     

东亚沙尘区域时空变化特征分析

沙尘天气是东亚地区常见的灾害性天气之一,强沙尘天气的发生不仅导致建筑物倒塌、人畜伤亡、植被破坏,还会导致火灾、空气污染等环境问题,对人体健康、社会经济活动及其全球沙尘循环产生重要影响。然而从东亚地区沙尘天气在长时间序列区域特征角度上系统分析的研究较少。基于此,本文利用1981—2019年东亚地区697个地面气象站点沙尘数据,分析了其区域时空分布特征。结果表明：空间上,东亚沙尘天气集中在位于内陆干旱区的蒙古国和中国西北地区,其中弱沙尘天气集中在中国北方地区,而强沙尘天气则集中在蒙古国。月变化上,东亚沙尘天气集中在春季（3—5月份）,在相对低纬度的中国青藏高原北麓沙尘天气3月份最多,位于中纬度的中国北方大部分地区4月份最多,而较高纬度的哈萨克斯坦东部和蒙古国5月份最多。年际变化上,40a间东亚沙尘呈减少趋势,尤其是在2000年之后多项生态工程的有效实施下中国北方大部分区域沙尘天气显著减少,但近几年内蒙古中西部地区强沙尘天气呈增长趋势;在生态环境较脆弱的蒙古国和塔克拉玛干沙漠等区域弱沙尘天气和强沙尘天气均呈增长趋势。本研究对准确地掌握东亚沙尘分布特征和防范沙尘灾害具有重要意义。     

近几年沙尘天气对中国北方环保重点城市可吸入颗粒物污染的影响

 利用2000—2008年中国北方17个环保重点城市API指数资料和同期气象资料,评估沙尘天气对中国北方城市大气环境的整体影响,对比分析不同城市空气质量受春季沙尘影响的程度,并以一次强沙尘暴过程为例,探讨其影响中国北方城市空气质量的范围、程度和过程。结果表明,2000—2008年北方环保重点城市大气的首要污染物是可吸入颗粒物,污染状况严重。春季颗粒物高污染状况主要与沙尘天气有关。不同城市受沙尘影响的程度也不同,影响程度自西向东降低,其中对银川、兰州和西宁影响最大。沙尘天气容易造成严重颗粒物污染事件,颗粒物浓度变化可以清楚地反映沙尘的输送、移动及强度变化。即使在并未出现沙尘天气的地区,在上游沙尘输送作用下,颗粒物浓度也会受较大影响。     

2011年春季中国北方沙尘天气过程及其成因

2011年春季,中国共出现了7次沙尘天气过程,其中沙尘暴4次,强沙尘暴2次,沙尘天气频次总体偏少、强沙尘暴偏多,影响范围较广。通过对2010/2011年冬季及2011年春季天气气候特征的分析表明:①2010/2011年冬季,冷空气偏强,气温偏低,有利于土壤冻结,同时新疆大部、内蒙古西部及东北部分地区降水偏少,使得前期地面植被状况偏差,进入2011年春季,中国北方大部地区降水仍偏少,地面植被状况虽未得到改善,但气温仍偏低,土壤解冻较晚,而2011年春季冷空气较常年偏弱,使得2011年沙尘暴发生时间较常年偏晚,且沙尘天气过程偏少;②中国北方沙尘天气常发区域土壤湿度较常年偏高,土壤状况良好,土质不够疏松,是2011年春季沙尘天气偏少的一个重要因素;③2011年春季蒙古国及内蒙古大部地区纬向风为偏西风的负距平区,不利于起沙及沙尘粒子向东输送。     

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。     

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...     

内蒙古中西部沙源地影响沙尘暴扩展过程的数值模拟研究

 通过对2002年3月18—22日沙尘暴过程进行的数值模拟及针对内蒙古中西部沙尘源地影响的敏感性试验研究，结果表明, 内蒙古中西部荒漠化草原生态的迅速恶化是2001年前后沙尘天气的频繁发生的部分原因。由于沙源地海拔高度的不同和风速随高度的变化，在沙尘远距离输送过程中可能出现两个不同高度而相互孤立的优势沙尘输送带，分别位于对流层和地面附近。其传输距离、传输速度、影响地区、影响时间存在巨大差异。内蒙古中西部沙源地的起沙主要通过地面附近的沙尘输送带向东、向南传输。其通过对流层的传输随沙尘区的不断扩展而越来越弱，进而被其他更高海拔高度的沙源地起沙所取代。     

北极涛动对华北沙尘暴频次的影响

This study has investigated the influence of Arctic Oscillation (AO) on dust storm frequency in North China in spring seasons during 1961 2007.There is a significant linkage between dust storm frequency and AO;a negative (positive) AO phase is related to an in-creased (decreased) dust storm frequency in North China.This relationship is closely related to changes in the cold air activity in Mongolia.The cold air activity exerts large impacts on the dust storm frequency;the frequency of cold air activity over Mongolia not only positively cor-relates with the dust storm frequency in North China,but also shows a long-term decreasing trend that is an important reason for the long-term decreasing of dust storm frequency in North China.The AO has large influence on the frequency of cold air activity over Mongolia;a negative (positive) AO phase is highly related to an increased (decreased) frequency of cold air activity over Mongolia,which results in an increased (decreased) dust storm frequency in North China.     

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。     

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。     

中国北方一次强沙尘暴爆发的数值模拟研究

 利用意大利国际理论物理研究中心发展的耦合了沙尘模块的区域气候模式（RegCM3）对发生在中国北方2006年4月9~11日期间的一次强沙尘暴的爆发进行了数值模拟研究。与实际观测相比,RegCM3成功地模拟出了本次沙尘暴爆发区域、天气形势及相应的沙尘气溶胶光学厚度（AOD）分布。4月9日6时,沙尘暴首先爆发于塔里木和吐鲁番盆地。受蒙古气旋的影响,24 h后甘肃中部及内蒙古西部地区也开始爆发沙尘暴。源区地面起沙率大于3 mg·m-2·s-1,单位面积上的沙尘载荷量高于3 000 mg/m2。对流层中低层沙尘主要向东输送,可影响我国华北绝大部分地区,本次沙尘暴过程造成中国北方主要城市空气质量的下降。模拟的AOD分布特征与地面起沙率和载荷量分布特征相对应,并与TOMS 卫星观测的气溶胶指数(AI)的区域和中心值具有较好的一致性。AOD分布由西向东呈递减的趋势,且有两个大于2的高值中心,一个位于新疆塔里木、吐鲁番盆地和古尔班通古特沙漠地区;另一个位于河西走廊和内蒙古交界地区。对比他人研究结果,RegCM3对沙尘的起沙、传输等过程以及AOD的时空分布模拟合理。     

中国北方典型沙尘天气特征研究

 根据API、风速、风向及相关气象数据初步研究了中国北方两次典型沙尘天气的天气特征。两次沙尘天气过程中极大风速大于7.2 m·s-1的气象站占88%。2005年4月27日极大风速超过17.2 m·s-1的气象站有31个,出现频率最高的风向为西西北,28日达到81个,风向为北风,极大风速高值区由内蒙古中东部向东北方向迅速扩大。2007年3月30日极大风速超过17.2 m·s-1的气象站有57个,31日达到68个,风向均为西西北,极大风速高值区分布较为稳定。受沙尘暴影响的地区API显著升高。2005年4月28日呼和浩特、大同、北京3个城市的API分别为418、500、500。2007年3月31日呼和浩特、赤峰、大同3个城市的API分别为500、500、423。对PM10与气象因子的相关性进行分析得出,沙尘暴期间,大气中可吸入颗粒物的浓度与风速存在显著的正相关关系,风速越高的地区,可吸入颗粒物的浓度越大。     

一次沙尘暴过程TSP质量浓度的连续观测和分析

采用大流量大气采集器对2001年4月6~7日特强沙尘暴期间内蒙古阿拉善左旗、包头、呼和浩特、四子王旗、集宁、化德、二连浩特、苏尼特右旗等地大气中TSP浓度进行了连续观测并结合天气资料进行了分析。结果表明,此次沙尘暴过程中,TSP浓度的绝对值大,变化幅度也大,最小值为1.896 mg·m-3,最大值为52.153 mg·m-3,平均值为13.399 mg·m-3。各地TSP浓度变化的时序反映了沙尘暴的影响范围和移动状况的变化,TSP浓度绝对值的变化反映了沙尘暴强度的变化,从开始的较小值逐渐增至最大值,最后再回落到较低水平。内蒙古西部沙尘暴主要源于蒙古国的远距离输送,局地起沙对中部沙尘暴形成具有重要贡献。本次过程TSP浓度最大值达到空气污染程度最为严重的城市冬季TSP浓度极值的10~50倍,表明沙尘天气导致的空气污染远大于一切人为排放源造成的污染。     

中国沙尘暴发生的气象危险度研究

引入沙尘暴发生的气象危险度的概念,通过数学模型、实例计算和数据分析, 得到了定量的沙尘暴发生危险程度评价指标,并绘制了中国沙尘暴发生的气象危险度区划图。结果表明: ①新疆南部地区沙尘暴发生的危险度最大（气象危险度最高达到4级）,其次是内蒙古西部、甘肃北部部分地区（气象危险度最高达到3级）。 ②大风是沙尘暴发生的重要驱动力,每次沙尘天气过程中都伴随较强的风速,但是,沙尘暴天气过程越强,风速越大的现象并不明显。 ③通过绘制中国沙尘暴发生的气象危险度区划图,可以更好地刻画沙尘暴发生危险程度的空间分布特征,同时也为沙尘暴预报和灾害评价提供了重要参考。