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。     

IPCC A1B情景下中国西南地区气候变化的数值模拟

利用ECHAM5/MPI-OM 全球海气耦合模式模拟的当代(1986-2000 年)和IPCC A1B情景下未来(2011-2025 年)2×15a 的模拟输出格点场资料,驱动20 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3 进行西南地区气候变化的数值模拟,主要分析未来地面温度和降水的可能变化。结果表明：①通过与32 个地面气象站观测资料和CRU资料对比分析,RegCM3 能够很好的模拟研究区基准时段地面温度和降水的局地分布特征。②A1B情景下未来西南地区年、四季平均温度均明显增加,北部温度变化幅度大于南部。③最高/最低温度一致升高,冬季最高/最低温度变化幅度大于夏季;年、秋冬季降水有所增加,冬季降水增加明显,而春夏季降水略有减少。④研究区未来春夏季温度升高、降水减少的趋势可能导致局部地区高温、干旱等极端天气的可能性增大;同时冬季降水增加,可能加重局部地区洪涝灾害的风险。     

中国北方强沙尘暴受月相调制现象初探

沙尘暴作为多种因素共同作用的产物,其成因机制的研究不可忽视地球外部环境的影响。通过对49年间(1954-2002)中国北方223例典型强沙尘暴事件分析,计算出了沙尘暴发生日期的月球黄经λm、太阳黄经λs,得到月相角D=(λm-λs)。运用统计分析的方法,发现沙尘暴发生的频次与月相角有明显的相关关系。研究结果发现∶(1)沙尘暴发生的频次的极大值区在〔30°,42°〕和〔306°,318°〕的月相角区间内,低值区在〔78°,90°〕和〔258°,270°〕的月相角区间内;(2)沙尘暴发生有明显的小周期(1/4月波),同时,文章还分析了月相对沙尘暴发生的调制机制,探讨月相影响下固体潮、重力场、大气压等对沙尘暴影响的数量级。     

2001年4月8日强沙尘暴天气的数值模拟研究

利用MM5中尺度气象模式对2001年4月7~9日发生在新疆南部、青海北部、甘肃大部、陕西北部、宁夏和内蒙古的大范围大风、强沙尘暴、寒潮和降雪天气过程进行模拟研究。结果表明:MM5中尺度模式能够模拟出这次天气过程的系统变化,小网格尺度的模拟结果较大网格更能够反映出系统的特征;在地形、地貌相对稳定的情况下,特殊的天气环流形势造成的强而持久的大风和激烈的中尺度垂直对流是这次天气过程的主要原因;从空中槽脊形式的配合、发展趋势,地貌、地形特征,地面大风,降温、降压等特征综合分析,提前24 h就能预示出这次大范围的大风、寒潮和沙尘天气的出现。这次过程的特殊之处是:整个模拟过程中模拟区域内在200 hPa以上有弱的层结不稳定状态出现,对流层中、低层层结稳定;沙尘暴发生区域的主要上升气流出现在上午。     

中国北方典型强沙尘暴的地面加热场特征分析

选取了中国北方16个典型强沙尘暴事件, 利用NCEP/NCAR的日平均全球再分析网格点资料, 对这些典型强沙尘暴事件的地面感热通量场、潜热通量场的分布特征进行了分析; 同时对该区域中强沙尘暴的不同发生区地面的加热场也进行了对比分析。结果表明, 通常在典型强沙尘暴事件发生区表现为正的感热通量和正的潜热通量; 沙尘暴多发区域的南疆盆地表现为以潜热加热为主, 西北区东部表现为以感热加热为主, 华北地区北部则表现为感热和潜热加热同等重要; 南疆盆地和西北区东部沙尘暴的发生受下垫面的影响较大, 华北区北部沙尘暴的发生受下垫面的影响相对较小。     

高空急流对一次强沙尘暴过程沙尘传输的影响

使用GRAPES_SDM沙尘暴数值模式,对2011年4月28-30日中国北方强沙尘暴天气进行分析,讨论高空急流在此次过程中对沙尘传输的影响,得出以下结论:（1）GRAPES_SDM沙尘暴模式较好地模拟了此次沙尘暴过程的范围和强沙尘暴中心,整体模拟效果较好;（2）沙尘天气发生时间及移动路径与200 hPa高空急流的加强、移动发展有很好的对应关系;（3）高空强纬向风速的加强能够促使中低层形成垂直环流圈,其下沉支流使高空动量有效下传到近地面,进而在地面形成大风及扬沙和沙尘暴天气,强沙尘暴中心位于此垂直环流圈的下沉支;（4）等熵位涡与高空急流及地面沙尘浓度分布演变有很好的对应关系,等熵位涡位于高空急流北侧,地面沙尘浓度中心位于高空急流出口区、等熵位涡中心西南侧、等值线密集带;高层高值位涡区向下延伸的路径与高空急流北侧纬向风速等值线密集带有非常好的对应关系。本文还通过对高空急流轴线动力、热力结构垂直剖面的分析,探讨了高空急流对大范围沙尘天气影响的可能机制。     

中国北方沙尘暴现状及对策

中国北方主要包括:甘肃河西走廊及内蒙阿拉善盟;新疆塔克拉玛干沙漠周边地区;内蒙阴山北坡及浑善达克沙地毗邻地区和蒙陕宁长城沿线四个主要沙尘暴中心和源区。我国沙尘暴从20世纪50年代以来呈波动减少之势,90年代在减少中有回升,2000年和2001年更是急剧增加,预示着新一轮沙尘暴活跃期已经开始。生态环境恶化和气象条件的变化是我国北方沙尘暴增多的原因。目前人类控制天气的能力还很有限,减缓沙尘暴灾害频度与强度的关键在于搞好地面的生态保护与建设。坚持"预防为主、保护优先、防治并重"的生态保护与建设方针;建立和完善生态保护的法规和政策体系,停止导致生态环境继续恶化的一切生产活动,对于超出生态承载能力的地区可以采取一定的生态移民措施。     

中国北方沙尘暴出现阈值风速的估计

 提出了沙尘暴阈值风速的概念以及一个使用沙尘暴持续时间和平均风速计算沙尘暴阈值风速的方法,并利用中国北方283个气象台站1991—2000年的月平均风速资料和同期记录的所有沙尘暴持续时间资料,计算了中国北方各个季节沙尘暴阈值风速分布。计算结果有助于沙尘暴的预报工作。     

河西走廓最近一次强沙尘暴的调查分析

１９９６年５月２９－３１日在甘肃河西走廓又出现了一次强沙尘暴天气。从这次强沙尘暴和１９９３年“５．５”强沙尘暴的比较分析可知，春季在河西走廓周围易形成以沙漠为中心的高温低压区，与西西伯利亚向东南方向移植反高压冷气流形成明显的气压梯度，这就是大风的动力源。     

一次强沙尘暴天气的成因分析

利用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料以及MM5模拟结果,对2006年3月27日发生在河北省南部邢台、邯郸等地的一次强沙尘暴天气过程进行分析,结果表明,强沙尘暴天气是由高空横槽和地面冷锋后西北大风引起的,高空急流的加强及中尺度反环流圈的形成,促使高层动量下传到地面则是强沙尘暴发生的另一个重要原因;低层螺旋度正值中心变化对强沙尘暴预报有一定的指示作用;沙尘暴区始终位于低层螺旋度正的极大值中心南侧,沙尘暴爆发时,沙尘暴区上空螺旋度值出现次大值中心,随着螺旋度中心值增大沙尘暴强度增强。     

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。     

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。     

沙尘天气过程对中国北方城市空气质量的影响

2014年4月23-25日中国北方地区经历了一次大范围的强沙尘天气过程.利用13个城市的空气质量和气象数据结合后向轨迹模式和MODIS deep-blue气溶胶光学厚度数据,研究沙尘天气过程对中国北方城市空气质量的影响,特别是对PM_2.5质量浓度的贡献。结果表明:来源于塔克拉玛干沙漠及其周边地区的沙尘途经甘肃西北部和内蒙古中西部的沙漠区进而影响下游城市。MODIS deep-blue气溶胶光学厚度的空间分布能够较好地反映出沙尘的水平运动特征。沙尘天气过程可以使中国北方城市PM_2.5和PM₁₀质量浓度分别增加7.5%～1 141.2%和344.0%～2 562.1%,可以有效地降低SO₂、NO₂和CO气体污染物的浓度,而对O₃的浓度影响较小。银川、大同和库尔勒沙尘天气过程期间平均SO₂、NO₂和CO浓度较非沙尘天气过程期间降低最明显,分别降低约80.0%、78.7%和62.1%。     

黑碳和有机碳气溶胶对大气温度影响的数值模拟

黑碳气溶胶和有机碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成成分,对区域和全球气候有重大影响。利用区域气候模式RegCM3模拟了2000年7月中国黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的辐射强迫,分析了这两种气溶胶对大气温度的影响。结果发现,黑碳气溶胶在模式顶层产生正的辐射强迫,而有机碳气溶胶在模式顶层产生的辐射强迫并非全为正值,在地表两种气溶胶都产生负的辐射强迫。黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的辐射强迫引起的温度反馈表现在:7月这两种气溶胶的加入使得28°—30° N之间的地区的气温显著升高,35°—36.2° N区域气温降低。黑碳气溶胶的升温效应强于有机碳气溶胶。     

“7.17”西北夏季沙尘暴数值模拟

 对2005年7月17日发生在西北地区近20 a来夏季最强的沙尘暴过程进行了数值模拟研究,结果得到:①沙尘暴发生前,沙源处于高温控制下;②起沙是水平低涡和垂直涡叠加而成的一种类似于Benard对流泡的系统扫掠沙源的结果;③起沙主要发生在水平低涡移动方向的右部。     

西北地区气候因素对沙尘暴影响的模型研究

气候因素是沙尘暴形成的必要条件之一,建立适合于西北地区衡量气候因素对沙尘暴影响的定量模型极为重要。在前人的沙尘天气模型基础上,强调在西北地区利用温度、降水量、蒸发量综合考虑地区水分均衡来计算干燥指数,并与大风日数和风速计算的风速影响指数共同建立新的沙尘暴气候影响指数模型。将模型实际应用于新疆、青海、甘肃、陕西、宁夏和内蒙古等西北6省区,利用6省区1961—1980年的气象资料进行回归分析,结果表明,气候影响指数D和沙尘暴日数S之间具有良好的相关性。并选取1981—2005年陕西、甘肃和内蒙古3地气象资料计算的沙尘暴日数预测值与3省区的实际值作比较,发现模型拟合程度较好,且在揭示气候影响因子对沙尘暴影响作用方面,效果较为显著。     

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。     

内蒙古一次沙尘过程的数值模拟

利用WRF-chem模式耦合Shao04起沙参数化方案,研究了2015年内蒙古春季一次冷涡沙尘过程。对比分析模式模拟结果和Micaps、CLIPSO、PM₁₀观测资料后发现,WRF-chem可以较好地刻画沙尘的水平和垂直输送。此次沙源地主要分布在蒙古国南部、内蒙古中部偏北区域和浑善达克沙地。蒙古国南部和内蒙古中部偏北区域最大起沙量分别为77.4 g·m^-2和112.7 g·m^-2,最大干沉降分别为253.2μg·m^-2·s^-1和427.2μg·m^-2·s^-1,内蒙古中部偏北区域的沙尘柱总量(87.3 g·m^-2)大于蒙古国南部(41.3 g·m^-2)。浑善达克沙地土壤干燥,所以沙尘排放量(215.6 g·m^-2)、柱总量(132.7 g·m^-2)、沉降速率(809.3μg·m^-2·s^-1)均较高。沙尘在锋...     

黄土高原地区土地覆盖变化对气候的反馈作用数值模拟

区域尺度土地覆盖变化是自然变化和人类活动共同驱动的结果,同时又对区域气候环境产生反馈。利用欧洲中值数值预报中心（ECMWF） ERA-Interim再分析资料,驱动RegCM4.5区域气候模式,进行了两个时间段（1980-2014、2005-2014）的数值模拟试验。以1：250 000土地利用图为基础,结合植被图、土壤图制作具有高精度、极强现势性的土地覆盖资料,区域模式中陆面过程模式采用BATS,模拟了现实的土地覆盖改变对气候要素的影响,分析了黄土高原地区土地覆盖变化对气候的反馈作用。结果表明：（1） RegCM4.5不但能够较好描述黄土高原气温、降水的时间空间分布特征,也能够模拟土地覆盖变化对黄土高原局地气候变化的反馈。（2）不同土地覆盖变化特征对气候反馈作用不同,荒漠化会引起局部地区气温升高和降水减少,并通过正反馈机制,致使自然植被生长发育受阻;水域旱化会导致夏季气温升高和降水增加,从而加剧干旱洪涝灾害风险;草地覆盖增加会导致春夏季降水量与气温的降低,秋冬季降水量与气温升高。（3）土地覆盖变化对气温与降水的影响在夏季较强。该研究可促进对黄土高原生态治理环境效应的理解,也能深化对土地利用-气候变化之间互馈作用的过程认识,并为区域生态建设对策选择提供参考。