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。     

内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

利用2002-2010年朱日和气象站观测资料,结合同期归一化植被指数(NDVI),叶面积指数(LAI),植被净初级生产力(NPP)资料,分析了内蒙古半干旱区朱日和地区2002-2010年的沙尘天气特征。结果表明：朱日和地区临界起沙风速为9.4 m·s-1,2002-2010年沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率呈波动变化,沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率有很好相关性,超过18 m·s-1的强风极易导致沙尘天气的发生;定义标准化的沙尘天气频率（NfDO）为沙尘天气频率与大于临界起沙风速频率之比,当夏季降水量大于100 mm,夏季最大NDVI、最大LAI和最大NPP分别大于0.24、0.3 g·m-2·d-1和0.6 g·m-2·d-1（以碳计算）时,次年春季NfDO较低,沙尘天气不易发生;反之沙尘天气较易发生。对沙尘天气发生机制的分析发现,夏季有效的降水促进了植物生长,夏季降水量、最大NDVI、最大LAI和最大NPP增大,来年春天土壤不容易侵蚀,沙尘天气不易发生。     

欧亚大气环流对中国北方夏季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘天气观测资料分析了中国夏季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的夏季沙尘指数51年来均呈现出减小的趋势。通过分析夏季沙尘指数典型高、低值年环流场发现：500 hPa高度场上强烈发展的高原-贝加尔湖平均脊和减弱的东亚大槽,减少了高空低值系统对南疆和内蒙古中西部地区的影响,地面场上“北负南正”的变压场分布使得两个地区西风和西北风减小,最终导致夏季南疆和内蒙古地区沙尘天气减少。沙尘指数高值年时影响两个地区天气系统的差异在于：影响南疆地区的天气系统主要是高空的西路冷空气和地面场上发展的南疆热低压,而影响内蒙古地区的则是北路和偏北路冷空气以及地面场上强烈发展的蒙古-内蒙古热低压。     

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。     

起沙系数对沙尘数值模拟影响的研究

通过综合考虑地表条件,如土地利用、土壤类型、植被覆盖与土壤湿度等,定义了起沙系数,用于改进沙尘数值预报模式中的起沙通量,为沙尘数值预报模式提供客观准确的地面起沙条件,提高了沙尘天气分布预报的准确率\.起沙风系数的引入能够对沙尘数值模拟产生较大的影响,若起沙系数中应用较高精度的土壤水分资料与土壤类型,将能更准确地反映起沙系数的作用。     

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。     

新疆沙尘源状况及其沙尘气溶胶释放条件分析

沙尘气溶胶是干旱、半干旱区大气中重要的组成物质, 沙尘天气多发是该区域沙尘气溶胶含量高的主要原因。新疆1/4的土地被沙漠覆盖,塔里木盆地绝大部分地区沙土和沙壤土占地比率大于60%,沙漠沙以细沙为主, 特殊的下垫面为沙尘天气的形成提供了丰富的沙源;沙漠周围的边缘地带、河流两岸、古河道中的土壤类型中粒径小于2.5 μm和粒径小于10 μm的土壤颗粒物中细颗粒物分别达到了50%和20%,是大气沙尘气溶胶中细颗粒物的主要来源和潜在来源。沙尘天气的产生受大风、降水、植被覆盖度、下垫面性质以及大气环流等多种因素的影响。     

欧亚大气环流对中国北方春季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘观测资料分析了中国春季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的沙尘指数51年来都呈现出减小的趋势,其中内蒙古沙尘指数总体较小、年际变化较大,而南疆沙尘指数的波动较小。通过分析南疆和内蒙古沙尘指数典型高、低值年春季环流场发现,控制两个沙尘源区的环流场存在明显差异:南疆沙尘指数低值年时,西路入侵的冷空气减少,受此影响蒙古气旋和南疆热低压减弱,导致南疆地区近地面西风减弱,最终导致南疆沙尘天气减少;内蒙古沙尘指数低值年时,西北路和北路冷空气入侵次数减少,地面场上西伯利亚冷高压和蒙古高压减弱,并且蒙古气旋的发生发展受到限制,导致内蒙古西部近地面西北风和偏西风减小,最终导致内蒙古地区沙尘天气减少。     

古尔班通古特沙漠积雪覆盖、沙尘天气特征及其相互关系

利用TERRA/MODIS MOD10A2雪盖产品数据和地面观测积雪日数、冻土深度和沙尘天气日数等数据,从不同时间尺度分析古尔班通古特沙漠地表积雪覆盖与沙尘天气的特征及其相互关系。结果表明:①沙尘天气主要发生在4—10月,春季（4—5月）沙尘天气最多,夏秋季逐渐减少。从年际变化看,20世纪80年代前,沙尘天气发生日数呈逐年增加趋势,而积雪日数增减波动较大,二者间关系不明显,80年代后,沙尘天气逐年减少,积雪日数呈波动增加趋势。②冬春季积雪覆盖率、≥1 cm积雪日数、≥5 cm积雪日数、≥10 cm积雪日数与翌年春季沙尘天气发生均呈显著负相关关系,冬春季≥1 cm积雪日数每超过常年平均积雪日数1 d,翌年春季沙尘天气日数则减少4.3 d,而平均冻土深度与沙尘天气呈显著正相关关系。③积雪覆盖使沙漠地表形成冷源性下垫面和近地层逆温层结,增加了大气稳定度,同时春季积雪消融增加了土壤湿度,为荒漠植被生长提供充足的水分,使表层土壤为强风提供沙尘的可能性降低,从而对沙尘天气的发生起到阻碍、消弱作用。     

中国区域降雪量和降雪频率对沙尘天气的影响作用分析

1970—2000年间气象台站降雪量和沙尘天气统计结果显示,在中国冬春季主要积雪覆盖区域,沙尘天气发生频次相对较低,各类沙尘天气基本发生在积雪覆盖率低、年降雪量少的区域。时间序列分析结果进一步显示,年降雪量和沙尘天气之间存在显著的负相关,降雪量的增多对沙尘天气的年发生次数具有明显的抑制作用。同时,年降雪频率也是影响沙尘天气爆发频次的重要因素之一。对于中国西北干旱少雪的地区,尤其体现在新疆北部地区,年降雪频率的增加能够显著地减少各类沙尘天气的发生次数。     

巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量北大核心CSCD

巴丹吉林沙漠西缘是黑河中下游冲洪积平原地表风沙输入沙漠内部的重要断面。在沙漠西缘选择干涸湖床、芦苇滩地、盐碱滩地、流动沙地、灌丛沙堆5种典型地表,利用MWAC沙尘收集器,开展近地表沙尘输移通量的野外观测,分析不同高度(10、25、50、85 cm)沙尘水平通量及分布特征,计算观测期间不同地表沙尘水平通量。结果表明:不同地表沙尘水平通量随高度增加而减小,与高度呈指数型函数关系。0~85 cm高度的5种典型地表沙尘水平通量存在明显差异,流动沙地>干涸湖床>芦苇滩地>盐碱滩地>灌丛沙堆,0~10 cm高度层内沙尘通量占比最大。流动沙地和干涸湖床为巴丹吉林沙漠西缘主要输沙地表。植被覆盖度、裸露空间面积以及地表物质层特性,直接影响地表沙尘的输送通量。风速会影响沙尘水平通量分布,较大风速的地表风蚀起沙的粒径较大,地表沙尘水平通量也较大。研究结果有助于了解沙漠西缘输沙断面不同地表的沙尘输移规律与区域风沙过程。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合型纵向沙垄区近地层沙尘水平通量及粒度特征

利用BSNE梯度集沙仪采集塔克拉玛干沙漠腹地复合型纵向沙垄区近地层80m高度内秋季不同高度的沙尘物质,探讨沙尘天气下水平输沙通量差异及沙尘的粒度特征。结果表明：由于受到复合型纵向沙垄的影响,沙尘天气过程近地层沙尘水平通量并不遵循幂函数或指数函数分布,在20m以下随高度增加而降低,在32~63m随高度增加而增大,并且在24m和63m两个高度处出现转折点。各层沙尘平均粒径64~80μm,以极细沙为主,分选系数0.96~1.12,分选性中等偏差。粒径频率曲线呈双峰分布,主峰值出现在80~110μm,次峰值在10~12μm,反映了沙尘组成的复杂性,远源沙尘在各高度层的变化幅度较小,以局地和区域源为主。沙尘水平通量与沙尘粒度变化表明沙尘天气主导风速风向、强烈的上升运动及纵向沙垄是影响沙尘水平通量垂直差异的重要因素。     

2016—2020年沙尘天气对陕西省空气质量的影响特征

基于2016—2020年陕西省环境空气质量监测数据,分析沙尘天气对陕西省空气质量的影响特征。结果表明：(1)陕西省域沙尘天气过程每年发生9—19次,沙尘影响日每年20—46 d;春季为沙尘天气高发季,5月和3月为高发月;沙尘天气过程发生频数空间分布整体表现为自北向南、自东向西递减。(2)各城市沙尘天气过程持续时间2—120 h,关中城市持续时长总体高于陕北和陕南城市;不同沙尘天气过程PM10峰值浓度变化范围大,最高值出现在榆林(3 219μg·m^-3)。(3)2018年沙尘天气对陕西省PM₁₀年均浓度影响最大,2020年影响最小,年均浓度绝对贡献分别为9.3μg·m^-3和2.9μg·m^-3;各城市沙尘影响日超标占比66.7%—89.7%,污染等级以轻度和中度污染为主,严重和重度污染较少;榆林、延安和商洛的严重污染100%来源于沙尘天气,关中5市的严重污染20.5%—66.7%来源于沙尘天气。     

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。     

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。     

沙漠地区春季近地层气象要素分布规律的观测研究

利用2005年1月至2006年4月朱日和地区20 m气象塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料,分析沙漠地区春季近地层气象要素的分布规律。结果表明: 春季温度回升,风速最大,相对湿度最小,利于起沙,故沙尘天气频繁。风速满足幂指数率分布规律,并且幂指数m能够很好的反映出风速梯度的变化情况;在沙尘暴、扬沙、背景、浮尘的天气条件下,春季近地面层风速梯度依次增大,湍流动量、热量交换系数依次减小;风向以西南为主。浮尘、扬沙天气各气层平均增温率分别大于或小于同时段的背景大气;沙尘暴期间温度下降,平均降温率为0.61 ℃\5h-1。春季相对湿度的平均递减率(递增率)与平均增温率(降温率)的大小正相关。浮尘天气相对湿度的平均递减率大于同时段的背景大气;扬沙天气相对湿度的平均递减率小于同时段的背景大气;沙尘暴天气相对湿度增大,平均增大率为2.80%\5h-1。     

北京郊区不同土地利用类型起沙起尘的特征研究

沙尘天气分沙尘暴、扬沙、浮尘三种,北京扬沙天气的沙尘源以就地起沙为主。为有效地进行北京地区的防沙治沙,在2003和2004年连续两年的春季里,对北京郊区不同土地利用类型进行了起沙起尘的实地观测,同时对各土地类型进行了土壤采样,分析了土壤的粒度特征。得到的初步结论为：京郊地区裸露地表的起沙风速为6m／s左右,不同土地利用类型起沙起尘特性有很大不同,在同等风速条件下,可起沙性从大到小分别为翻耕地、留茬地、经济林地、荒地、防护林地和草地。不同土地利用类型起沙特性不同表明,调整土地利用结构是北京防沙治沙的重要途径。     

中国北方沙尘天气的气候条件

利用1954～2000年全国700多个测站的气象资料分析了近50年来我国沙尘暴和扬沙天气的季节变化和年际变化特征,特别着重分析了大风、降水等气象要素对沙尘天气形成的影响.结果表明:我国的沙尘天气受到多种气候要素的综合影响,西北地区和内蒙古西部沙尘多发区的沙尘天气频数受气象条件影响最为显著;风速、湿度在沙尘天气的季节变化中影响最大,降水在沙尘天气的年际变化中影响最大.上一年夏季的降水对春季的沙尘天气具有一定的预报意义.     

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。     

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。