新疆准噶尔盆地沙尘天气的地表环境判别

在沙尘暴天气多发的季节里,对中国重要沙尘源区之一的准噶尔南部典型地区的地貌、土壤、植被及人类活动影响诸方面做了实地调查和取样,以及实验室分析,遴选出植被盖度、植物群落多样性、生态优势度、表层土壤含水量、土壤有机质、土壤质地、全盐含量、pH值等作为影响该区起沙过程的地表参数/变量。借助SPSS10.0软件系统中的典型判别分析 (CDA),对准噶尔南部沙尘天气高发的艾比湖地区和中发的古尔班通古特沙漠地表特征进行了有效判别。结果显示,广泛分布棕灰漠土和灰漠土,并且农用土地开垦强烈的艾比湖地区,影响地表稳定性的消极因素主要是土壤较高的pH、有机质含量及植被生态优势度。而以固定、半固定风沙土为主,内部少受人类高强度开发的古尔班通古特沙漠,地表良好的抗风蚀性主要得益于较高的植被盖度、植物群落的多样性和较粗的土壤质地。判别结果还显示,原属沙尘天气少发的克拉玛依农业开发区有相当面积的土地已具沙尘天气高发区的地表特征,从而对人类活动可能引发的灾害性环境问题提出警示。     

中国沙尘天气的区域特征

利用筛选的1954~2000年中国338个站沙尘天气资料及相关气候资料,从沙尘天气区划方面着重分析研究了我国沙尘天气的区域特征。结果表明： 1) 我国沙尘天气多发区分别位于以民丰至和田为中心的南疆盆地和以民勤至吉兰泰为中心的河西地区。不同类型沙尘天气的空间分布范围不尽相同,其中沙尘暴主要发生在与北方沙漠及沙漠化土地相联系的极干旱、干旱和半干旱区内。扬沙和浮尘天气除了在沙尘暴发生区的绝大部分地区出现外,还向其它邻近地区扩展,如扬沙可向东北地区和东南的黄淮海平原及以南地区扩展;而浮尘天气则主要向东南方向扩展,可涉及整个黄淮海平原和长江中下游地区。相比之下,上风方向的中高纬地区,如北疆和东北北部地区,浮尘天气发生甚少。2) 全国沙尘暴天气易发区可划分为北疆、南疆、河西、柴达木盆地、河套、东北和青藏等7个亚区。沙尘暴和浮尘在南疆区发生日数最多,而扬沙在河西区发生日数最多。     

冬春季积雪与沙尘天气发生日数关系的探讨——以内蒙古中部地区为例

利用地面气象观测数据,以日积雪深度≥1.0 cm日数和沙尘天气（包括浮尘、扬沙及沙尘暴）发生日数为指标,从不同的空间尺度,分析了内蒙古中部地区冬季与初春积雪日数与沙尘天气发生日数的关系。研究结果表明,在内蒙古中部地区,冬季与初春沙尘天气发生日数与积雪日数之间均呈现负的相关关系,这种相关关系在不同区域和不同季节有所差异,冬季积雪日数与沙尘天气发生日数之间的负相关较初春积雪日数与沙尘天气发生日数之间的负相关更为显著;在中温带温凉半干旱气候区初春积雪日数与沙尘天气发生日数间的负相关较其他两个气候区更为显著。     

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。     

新疆春季沙尘天气与前期月环流特征量的关系

用新疆春季(3～5月)的沙尘日数和北半球500hPa月环流特征量等资料,使应用相关和逐步回归分析方法,研究了新疆春季沙尘天气与前一年的月环流特征量的关系,相关分析和统计结果表明：(1)新疆春季的沙尘天气不仅与同在中纬度地区的西风带上的经向环流、东亚槽等有关,还更多地与中低纬地区的副热带高压以及高纬地区的极涡等系统的月环流特征量有关。(2)新疆春季沙尘天气与前一年夏、秋季的大气环流之间存在明显的隔季相关现象。(3)利用前一年月环流特征量建立了新疆春季沙尘天气日数之间的9个回归模型,9个分析模型都通过了0．001信度检验。其中,南疆的3个模型沙尘暴、扬沙、浮尘和全疆的扬沙、浮尘模型试报效果最好。     

兰州市沙尘和非沙尘天气降尘的粒度特征比较

选择兰州市典型沙尘天气和非沙尘天气收集两类降尘,并对其进行粒度测定。结果表明：两种类型降尘粒度特征差别明显。总体上看沙尘天气和非沙尘天气降尘都以粉砂为主,但沙尘天气降尘粒度比非沙尘天气降尘偏粗,分选更差。非沙尘天气降尘粒度频率曲线呈双峰态分布。而沙尘天气降尘则呈单峰正偏态分布特征,说明沙尘天气沉降物来源比较单一。沙尘天气和非沙尘天气降尘的粒度分布曲线与兰州黄土的十分相似,说明现代降尘是地质时代风尘活动的继续,现代风积作用仍在进行。而它们粒度参数之间的差异可能与降尘堆积物的粘土化过程有关。     

西安沙尘天气特征及其对空气质量的影响

利用1971-2003年西安市常规气象观测资料、2001-2003年西安市区主要污染物日均浓度资料和2002年3月一次重度污染事件逐时的PM₁₀浓度资料,分析了西安市沙尘天气的时间分布特征及其对主要空气污染物浓度的影响。结果表明:西安市沙尘天气近30多年来总体呈波动式明显减少的趋势,但2001-2002年有所增多,2003年又减少。沙尘天气主要出现在春季,4月最多,占全年天数的22.6%。沙尘天气对西安空气质量影响显著,可使3~4月PM₁₀月浓度平均提高12.1%,在分析的一次强沙尘暴个例中,一小时内PM₁₀浓度最高增加了0.585mg·m^-3,达到0.970mg·m^-3,从而造成严重的空气污染事件。     

额济纳旗典型地表沙尘释放潜力及沙尘天气频发成因

额济纳旗位于极端干旱的内陆河下游,绿洲退化严重,沙尘天气频发,已成为内蒙古西部主要沙尘源区。为揭示该区域沙尘频繁成因,对区域4种典型地表(富沙砾戈壁、富沙戈壁、绿洲退化地、绿洲)沉积物组分、风蚀强度、沙尘释放强度、多年平均月沙尘日数及大风日数等进行了综合分析。结果表明:以风沙活动为主要特征的绿洲退化地,粉沙黏土组分含量高,PM10沙尘释放强度大(0.2796 kg·d^-1·m^-2),为研究区强沙尘释放地表;富沙及富沙砾戈壁地表,风蚀强度大,但粉沙黏土组分含量低,PM10沙尘释放强度较大(0.1267kg·d^-1·m^-2,0.0672 kg·d^-1·m^-2);尽管绿洲地表粉沙黏土组分含量高,但由于植被、水分等因素的制约,其PM10沙尘释放强度最小(0.0240 kg·d^-1·m^-2)。额济纳旗绿洲被大面积强沙尘释放源(绿洲退化地和戈壁)包围,局地沙尘内循环过程中粉尘颗粒的富积,为当地高频沙尘天气提供了丰富的尘源,这是额济纳旗沙尘天气频发的主要原因。     

半干旱区沙尘天气近地层湍流通量及起沙研究

利用2005年春季朱日和气象站20 m气象塔的观测资料,结合同期的PM10质量浓度资料,分析了半干旱地区不同沙尘天气下近地层湍流通量的变化特征以及PM10质量浓度与起沙之间的关系。结果表明,动量通量在15:00左右达到极大值;感热通量在白天为正值,中午12:00左右达到峰值,而晚上变为负值,并在凌晨达到谷值;由于3月份下垫面湿度大,导致潜热通量经常全天为正值,并在16:00左右达到峰值;PM10质量浓度与摩擦速度的二次方呈正比,临界起沙风速和临界摩擦速度分别为7 m·s－1和0.7 m·s－1。     

西藏贡嘎沙尘天气气候及环流特征

利用1978-2012年西藏贡嘎的浮尘、扬沙和沙尘暴资料,分析了贡嘎沙尘天气的气候特征。结果表明:贡嘎沙尘天气冬、春季最多,秋季较少,夏季很少发生;扬沙和沙尘暴主要发生在午后,浮尘则全天均可发生;近35年来,扬沙和沙尘暴呈波动减少趋势,减少幅度分别约为7 d-10a和2.2 d-10a,浮尘约以0.5 d/10a的幅度呈不显著增加趋势;基于2005-2012年沙尘天气同期红外差值沙尘指数(IDDI)空间分布图和地面流场、沙地分布图,定性得出贡嘎、尼木、南木林、日喀则、拉孜区域的雅鲁藏布江沿岸沙地是贡嘎沙尘天气的沙尘来源。利用沙尘暴天气个例分析了贡嘎沙尘天气的地面气象要素和高空环流特征,发现相对湿度小、风速大、连续多日无降水是沙尘天气的地面气象要素特征,高空环流形势可分为阻塞型(占40%)、干南支槽型(占17%)、西北气流型(占26%)和热低压型(占17%)等4类。     

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。     

内蒙古半干旱草原沙尘天气对近地层微气象学特征影响分析

利用锡林浩特国家气候观象台2011年4-5月近地层微气象、地表辐射和湍流通量观测数据,对比分析了内蒙古典型半干旱草原下垫面在晴天、扬沙和沙尘暴天气下各气象要素、地表辐射分量和能量平衡的变化特征。对于半干旱草原区,地面风速越大沙尘天气越强;沙尘过程开始前地面空气较暖,开始后地面空气转为相对较冷的状态;沙尘气溶胶含量越高,5 cm地温日变化趋势越弱,在沙尘过程中5 cm地温值越小。沙尘气溶胶含量越高,太阳总辐射越弱,大气长波辐射越强;地表反射辐射与总辐射有相同的日变化特征;沙尘气溶胶白天使净辐射值减小,夜间使净辐射值增大。沙尘天气直接辐射衰减非常明显,而且散射辐射在总辐射中占很大的比重。沙尘气溶胶对紫外辐射的削弱很强,并且沙尘含量越高,对紫外辐射的削弱越强。沙尘气溶胶的辐射强迫作用对地表能量平衡产生影响,使向上的感热和潜热输送减弱,使向上的土壤热通量增强或向下的土壤热通量减弱。     

内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡及环流特征分析

利用内蒙古中西部50个气象观测站1961—2000年春季沙尘暴日数资料,国家气候中心提供的北半球月平均500 hPa高度场网格尺度为10°(经度)×5°(纬度)的网格点资料、北半球500 hPa月平均环流特征量资料、东亚季风资料分析研究冬春季中高纬度大气环流的年代际尺度的演变特征及其对内蒙古中西部沙尘暴的影响,进一步揭示内蒙古中西部春季沙尘暴年代际变化的原因。结果表明：青藏高原位势高度、贝加尔湖地区位势高度、乌拉尔山地区位势高度、东亚冬季风、亚州经向环流、印缅槽、西太平洋副热带高压强度都对内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡产生不同的影响。为内蒙古中西部春季沙尘暴的短期气候预测提供年代际尺度上的基本环流背景。     

内蒙古沙尘暴天气系统及预报指标探讨

根据21 世纪15 a 来出现在内蒙古的沙尘暴个例,归纳形成沙尘暴的高空环流背景和地面天气系统,提炼预报指标。结果显示：沙尘暴是强冷空气爆发南下的过程,具有冷空气强、锋区强、高空急流强的特征;造成内蒙古沙尘暴的高空环流背景可分为高脊移动型、冷槽下滑型、横槽型和低涡旋转型等四个类型;强烈发展的蒙古气旋和冷锋是造成沙尘暴的主要地面天气系统。沙尘暴预报应主要着眼于高空急流轴的位置、乌拉尔山高压脊、高空锋区、蒙古气旋及冷锋、地面变压中心、高空正涡度平流中心与地面气旋相叠置的区域等方面。     

我国沙尘天气研究的最新进展与展望

国内外学者普遍关注对沙尘天气时空分布格局的研究,非常重视对沙尘天气动力机制的分析,广泛采用多种方法分析沙尘天气的发生发展过程,一贯强调对沙尘天气发展趋势的预测,不断尝试对沙尘天气灾害与防治的探索。随着对沙尘天气研究的不断深入,人们逐渐明确了沙尘天气的时空分布特征,深刻揭示了我国沙尘天气的主要沙尘源地和移动路径,对沙尘天气形成机理与机制的认识不断深化,沙尘天气的预报、预警及其综合防治等方面的研究也取得了重大进展。从发展趋势来看,建立有效的沙尘天气监测预警系统,加强对沙尘天气发生和发展机理研究,强化对关键区域沙尘天气预警预报与综合防治将是今后研究的重要方向。     

内蒙古中西部地面感热通量影响沙尘暴的观测分析

利用内蒙古中西部不同地表类型的16个测站2005—2006年3—5月逐小时地面观测资料和逐日沙尘暴资料,计算了地面感热通量、地面位温并分析它们与沙尘暴的关系,结果发现:在内蒙古中西部春季地面感热通量表现为净加热,且沙尘暴发生次数多的年份净地面感热加热强度反而较小。在沙尘暴发生前,沙漠区和高平原区地面感热通量达到最大,而丘陵和平原地区反而开始降低。对于沙尘暴发生前12 h累积的地面感热加热强度及导致的地面位温上升幅度,高平原和丘陵平原区要强于沙漠区。但相对而言,沙漠和高平原地区地面感热加热影响沙尘暴的“效率”更高。     

民勤大气边界层特征与沙尘天气的气候学关系研究

 为了更好地理解西北干旱区大气混合层(ML)厚度的变化特征及其对当地沙尘气候形成的影响, 利用民勤2006—2008年3—6月逐日08时和20时探空资料、降水和日最高气温,计算和分析了最大混合层厚度、逆温层特征和垂直风场及其对沙尘气候形成的影响。结果表明,民勤沙尘天气的大气边界层有显著的昼夜变化,白天厚、逆温强而多;沙尘天气的最大混合层厚度在2 600 m左右,介于无降水与有降水天气之间;扬沙主要由锋面中的冷空气引起,而沙尘暴主要由低层风场的剧烈扰动和500 m以上高层冷锋入侵引起。沙尘暴发生前近地面风场有明显的扰动,沙尘暴发生时在500 hPa以下有显著的冷空气活动,白天较强。能见度小于100 m的强沙尘暴夜间风速大,冷空气较强。     

内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射特征

中纬度半干旱草原是全球陆地生态系统的重要类型之一,也是我国北方主要的地表类型,为深入了解我国半干旱草原区陆面对大气的辐射强迫,选取锡林浩特国家气候观象台2010年的辐射观测资料,分析了内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射平衡各分量、地表吸收辐射和有效辐射以及地表反照率的日变化和季节变化规律,并与西北典型干旱区作了对比分析。结果表明：半干旱草原区太阳总辐射季节变化特征非常明显,季节平均日积分值由大到小依次为夏季、春季、秋季、冬季,年总量为6 036.64 MJ/m²,与黑河地区绿洲接近,明显小于戈壁和沙漠下垫面的值;半干旱草原地表反射辐射年变化趋势较为复杂,在4～10月由于下垫面植被和土壤类型、湿度等的差异,半干旱草原地表反射辐射月平均值低于黑河地区草地和荒漠的值,但高于农田的值;地表吸收辐射季节变化规律与总辐射保持一致;大气长波辐射年总量为8 155.23 MJ/m²,低于黑河地区草地、荒漠和农田下垫面的值,主要是由于半干旱草原区地理纬度较高,全年平均气温较低造成的;在植被覆盖较好的6～9月,半干旱草原区地表长波辐射月总量为4 532.14 MJ/m²,低于黑河流域的荒漠区,而高于草地和农田的值;半干旱草原区地表有效辐射年总量为2 398.75 MJ/m²,小于黑河地区沙漠和戈壁下垫面而大于绿洲;半干旱草原区地表反照率年均值为0.35,均大于西北干旱区不同下垫面,主要由于半干旱草原区冬春季地表积雪覆盖时间明显长于干旱区,可见,地表积雪对反照率的影响非常大。     

2007—2008年库姆塔格沙漠沙尘天气特征与天气分型

 利用2007年库姆塔格沙漠科学考察时自动气象站所获取的数据,分析了沙尘暴过境时库姆塔格沙漠气象要素的变化特征。以库姆塔格沙漠周边气象站点沙尘天气出现时间为依据,选取2008年所有沙尘天气过程,解读相应时间段内Micaps系统中各个层次的资料,客观分析了驱动库姆塔格沙漠沙尘天气爆发的动力成因,将天气形势分为4种类型:冷空气翻山型; 冷空气东灌型; 锋前热低压发展型; 局地对流型。冷空气翻山型与东灌型居多,共7次,锋前热低压发展型与局地对流型较少,仅为2次。利用库姆塔格沙漠北部1号气象站以及南部2号气象站资料,结合库姆塔格沙漠沙尘粒度分析资料,初步讨论了风对库姆塔格沙漠沙丘形态的影响。     

影响中国西北及青藏高原沙尘天气变化的因子分析

利用1948—2006年的NCEP(2.5°×2.5°)月平均再分析资料,分析了影响西北及青藏高原沙尘天气变化的动力、热力因子。结果表明:①200 hPa副热带西风急流是影响沙尘天气的动力因子,高层天气系统的季节性变化,导致了其位置及强弱的季节性变化,从而导致了高原南部扬沙、沙尘暴季节性南北移动;急流的动力结构使局地环流得以形成,局地环流的下沉支流使得高空动量下传,使地面风速增大,从而使扬沙和沙尘暴发生。②浮尘和扬沙、沙尘暴天气成因有所不同,地表温度等热力因素对浮尘天气有直接影响;而急流等动力因子则影响浮尘天气的频率,对发生范围影响较小;动力因子是扬沙、沙尘暴发生的直接原因;500 hPa锋生函数大值带的季节性南北移动也是扬沙、沙尘暴南北季节性变化的重要原因。③500 hPa水汽输送带的边缘是扬沙和沙尘暴容易发生的区域。④地表湿度是沙尘天气发生的一个因子,当地表较干时,沙尘天气发生频率增加,而当地表湿度增大时,沙尘天气发生的频率减小。