2021年3月14—16日中国北方地区沙尘暴天气过程诊断及沙尘污染输送分析

2021年3月14—16日发生在北方地区的沙尘暴天气过程被认为是近10年来我国出现的最强过程.本文在对此次沙尘暴过程天气学特征分析的基础上,利用 HYSPLIT 模式和 GDAS 资料,运用潜在源贡献因子分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）,探讨了气候变化背景下沙尘输送源与天气系统的配置关系及本次过程中沙尘污染物PM₁₀质量浓度的潜在源区分布及贡献.结果表明,此次过程由强烈发展的蒙古气旋及冷锋过境,高空槽后冷空气持续补充引起,中高层强斜压性使地面蒙古气旋强烈发展,大风卷扬起的沙尘随上升气流输送到高空,并在偏北大风引导下,影响了我国大范围地区.内蒙古东北部至河套地区的强涡度梯度带、500、700 hPa较高的强冷平流中心与下层的温度平流差异以及交替的上升下沉运动为本次北方地区大范围沙尘暴过程提供了动力、热力及不稳定度条件.本次沙尘天气过程中,影响呼和浩特、北京的沙尘传输通道主要为北偏东路,影响银川的沙尘传输通道为西北路和北路,过程受多沙源传输通道影响.萨彦岭、蒙古国南部戈壁沙漠为本次沙尘天气PM₁₀的主要潜在源区,传输过程中混合内蒙古沙源地沙尘.总体来说,蒙古国南部戈壁沙漠对本次过程PM₁₀质量浓度的贡献最大.     

民勤近地面沙尘暴气溶胶浓度变化特征初探

借助近地面沙尘暴监测系统对民勤沙尘源区不同沙尘天气的气溶胶浓度进行了监测,初步分析了民勤近地面沙尘暴气溶胶浓度的变化特征.结果表明:沙尘暴气溶胶浓度春季最高,为14.61 mg·m-3;夏季逐渐降低,为12.49 mg·m-3;秋季无沙尘暴出现,气溶胶浓度最小;冬季趋于回升,可达9.82 mg·m-3,沙尘暴气溶胶浓度季节变化与沙尘暴发生频率相一致.不同沙尘天气条件下沙尘气溶胶浓度表现为强沙尘暴最大,为18.80 mg·m-3;中沙尘暴次之,为13.56 mg·m-3;扬沙浮沉天气较小,只有3.07 mg·m一.随着沙漠向绿洲的过渡,沙尘暴气溶胶浓度明显降低,沙漠、绿洲边缘、绿洲3个下垫面条件下沙尘暴气溶胶浓度依次为21.07 mg·m-3、12.09 mg·m-3、6.49 mg·m-3.沙尘暴气溶胶浓度随观测高度变化遵循幂函数规律,浓度梯度变幅表现为沙尘暴高发季节大于低峰季节,沙尘暴天气大于扬沙浮尘天气,沙漠下垫面大于绿洲下垫面;不同下垫面条件下沙尘暴气溶胶浓度在41 m高度处趋于一致,表明沙尘源区的沙尘浓度在约40 m范围内受地面影响较为显著.     

四川盆地冬季两次典型大气污染过程对比分析

为探究四川盆地冬季污染天气过程气溶胶分布和垂直气象场特征,利用MODIS MCD19A2大气气溶胶光学厚度数据、实况格点融合分析数据、环境空气质量监测数据以及探空气象观测数据,对四川盆地2017年12月19日—2018年1月3日以及2018年1月11—24日两次污染天气过程的气溶胶光学厚度(AOD)空间分布以及气象条件进行分析.结果表明:①四川盆地冬季两次污染天气过程中,成都市一直为AOD高值区.②霾天气过程(2018年1月11—23日)中,四川盆地AOD高值区分布区域更广,高低空环流形势稳定,混合层高度偏低,近地层逆温和高湿环境均有利于霾天气的形成与持续.③沙尘天气过程(2017年12月29日—2018年1月1日)中,四川盆地AOD值呈“南高北低”的空间分布特征;冷空气携带沙尘气溶胶自北向南影响四川盆地,对混合层高度有小幅抬升作用,空气质量得到轻微改善;但混合层高度始终偏低,干冷空气使近地层相对湿度下降,本地气溶胶粒子数减少,但沙尘气溶胶粒子数增加,伴随近地层逆温稳定维持,有利于沙尘天气的形成与持续.研究显示,冬季四川盆地混合层高度偏低、近地层逆温稳定维持,均不利于气溶胶粒子垂直扩散,导致四川盆地易出现污染天气.      

我国春季沙尘暴研究

利用GMS卫星遥感资料,结合地面气象观测资料和中尺度每小时数值模拟,对1998年4月和2000年4月发生的强沙尘大气演变过程进行了详细的分析,初步确定了影响我国的沙尘暴起始源地,并将我国的沙尘暴天气划分为U变化型（停滞型）和移动型（锋面气旋型等）．详细分析了低涡型沙尘暴和东北低涡型沙尘暴的发生、发展的宏观机制     

呼和浩特地区沙尘污染的环流特征分析与预报

呼和浩特地区每年发生多次大范围的沙尘天气污染,给交通运输、生态环境和人类生产生活带来诸多不利影响,尤其近年来, PM 2．5,PM 10已成为全社会关注的焦点,沙尘污染已引起社会与政府的高度关注。因此,对沙尘天气的分析与预报就显得尤为重要。本文对2002年至2011年近10年呼和浩特地区的沙尘污染下的天气环流特征进行了统计分析,并且进行了诊断分析,研究结果表明呼和浩特地区沙尘天气的气候特征是：年平均沙尘日数在27天以上,且大部分的沙尘污染源为系统性的外来沙尘,其余的为局地沙尘污染来自城市开发区域的地表裸土与建筑沙石;环流特征是：当北太平洋地区副高位势高度偏低,青藏高原至新疆500hPa高压脊异常偏强,亚洲大陆中高纬高度场较常年偏高时,呼和浩特市沙尘日数偏少。当春季太平洋海温表现为反厄尔尼诺（厄尔尼诺）典型态时,同期沙尘日数偏多（少）,反之亦然。通过对典型环流背景下沙尘暴的数值模拟和诊断分析,找出沙尘天气的预报着眼点：沙尘暴发生在不稳定的大气层结中,伴随有能量的积聚和释放,随着地面蒙古气旋及冷锋的强烈发展,中尺度切变线触发了沙尘活动。 MODIS卫星也对沙尘有一定的预报监视作用。     

2004年辽宁地区一次沙尘天气过程的动力机制分析

利用NCEP再分析资料、气溶胶指数资料和污染物监测资料,从气候背景和环流形势入手,着重探讨了2004年4月14-16日辽宁地区的一次典型沙尘天气过程的形成动力机制.研究结果表明:2004年春季我国北方的气候背景为春季沙尘天气的发生提供了丰富的沙尘源;此次过程中,高空大槽引导极地强冷空气南下,配合低层强大的蒙古气旋构成了东北地区沙尘过程的典型天气环流形势.在起沙的动力机制方面,高低空急流的耦合加速了低层的辐合上升运动,加速了低层的辐合上升运动,高低空急流的有利配置所触发的强烈上升运动构成此次沙尘过程的主要动力机制.螺旋度上负下正的垂直分布是此次沙尘过程发生发展的重要动力机制,这是由于这种垂直结构对于沙尘过程这种中尺度天气系统而言,构成了低空辐合、高空辐散的深厚上升区,这种螺旋度的垂直分布十分有利于沙尘的发展.     

2000年北京沙尘暴源地解析

2000年我国北方春季干旱少雨,气温回升快,低涡频繁侵入,4月3～9日连续3次冷空气活动,造成了北京地区严重的沙尘暴天气。笔者利用卫星云图和中尺度数值模式MM5,分析了该次沙尘暴源地及沙尘输送机制。结果证明,北京沙尘暴初始源地为蒙古高原及冷涡移动路径上的沙漠戈壁地区;北京周边地区裸露地的沙尘在气旋尾部上升气流的扰动下,亦形成了边界层的近距离输送。      

中国北方沙漠戈壁区沙尘气溶胶与太阳辐射的关系

利用中国大陆气溶胶指数(TOMS AI)、天文总辐射、地面太阳总辐射和沙尘能见度等观测和理论计算资料,对中国北方沙漠戈壁区沙尘气溶胶与太阳辐射的关系进行了分析.结果表明:沙漠地区太阳辐射和沙尘气溶胶指数有非常高的相关性,且变化趋势一致.表明由太阳辐射触发的热对流是影响沙漠地区沙尘气溶胶最主要的因子;沙尘气溶胶进入大气中,必然也会对太阳辐射产生重大的影响.晴日时沙尘气溶胶吸收和散射辐射可达沙尘暴(含扬沙)天气时的60%以上.     

沙尘天气过程对北京空气质量的影响

利用气象、沙尘暴特种观测以及环境监测等多种资料,对2010年3月19─22日沙尘天气过程的大气结构、沙尘源地和垂直水平输送条件以及北京近地层气象要素、空气质量的变化特征进行了分析. 结果表明:这次强沙尘暴天气过程是由冷空气短波槽快速东移南下、地面冷锋明显发展东移造成的;前期沙尘源地土壤湿度的减小为起沙提供了有利条件,同时低层存在的较强西北气流将从源地卷起的沙尘输送到下游地区;沙尘发生时,20 m气层内风速迅速增大,气层内垂直方向风速梯度也逐渐增大,相对湿度急剧降至20%～30%之间;受这次沙尘天气影响,北京地区ρ(TSP)以及10个区县的ρ(PM10)均迅速增加,空气质量达到重污染.      

我国沙尘暴的气候成因及未来发展趋势

利用EOF和环流合成统计方法,分析了我国北方近40年来沙尘暴日数变化的时空异常特征及其气候成因.结果表明,20世纪80年代以来的太阳活动加强,全球气候变暖,青藏高原地面加热场强度加强,欧亚西风急流轴北移,西太平洋副热带高压偏北偏西,强度加强,蒙古气旋减弱,西北西部的沙尘源区降水增加,是中国北方沙尘暴减少的主要原因.20世纪末到21世纪初太阳活动进入新一轮的减弱期,引起气候变暖趋势减弱,气温逐渐降低,青藏高原地面加热场强度减弱,蒙古气旋逐渐加强.预计未来中国北方沙尘暴将在波动中逐渐增加,进入新一轮的相对活跃期.     

Environmental characteristics of sandstorm in Minqin Oasis in China for Recent 50 years

IntroductionAsandstormis a kind of severe weather phenomenawhere strong winds blowa huge amount of sand and dust intothe air ,reducing the horizontal visibility to less than 1 km( Wang, 2003a) . It is not only an important process ofaccelerating land dese…     

中国西北地区东部沙尘暴区划研究

利用西北地区东部98个气象站的沙尘暴日数、持续时间资料,采用经验正交分解(EOF、REOF)、滑动t检验、Mann-Kendall突变检验及小波变换,对其时空分布规律进行了诊断分析。结果表明:整个区域沙尘暴日数大致呈北多南少型分布;受大尺度气候异常的影响,全区一致的沙尘暴异常是该区域最主要的表现形式。西北地区东部沙尘暴日数空间异常可分为4个沙尘暴气候区:河西走廊—阿拉善区、鄂尔多斯—乌兰布和区、柴达木—茶卡寒旱区、陕甘宁黄土高原区。河西走廊—阿拉善区沙尘暴频次最高,陕甘宁黄土高原区频次最少;近40多年来西北地区东部沙尘暴日数呈减少的态势;沙尘暴日数在20世纪80年代中期到末期发生气候突变,突变起源于沙漠及相邻地区,并由外围沙漠区向中间地带传播。沙尘暴持续时间最长的不是高频区河西走廊—阿拉善区,而是鄂尔多斯—乌兰布和区,最短的也不在频次最低的陕甘宁黄土高原区,而在柴达木—茶卡寒旱区;沙尘暴高发的河西走廊—阿拉善区、鄂尔多斯—乌兰布和区,持续时间没有发生明显的突变,这两个区域20世纪80年代中期以后沙尘暴持续时间变率增大;90年代以后沙尘暴持续时间有增长的趋势。     

沙尘暴及在我国的防治

本文简要论述了我国沙尘暴的成因、影响我国的沙尘暴源区、传输路径、危害、预报与科研开展情况及防治对策等方面内容。     

沙尘暴产生的环境管理体制根源分析及对策研究

以在内蒙古锡林郭勒盟和浑善达克沙地所做的实地调研为基础,对沙尘暴产生及治理环节中的政策和体制问题进行了探讨.分析表明,政策和体制问题才是沙尘暴问题的根源所在:以"自给自足"为核心目标的农业政策与环境政策的不协调和草地资源的公共产权是造成草地退化的诱因,在沙尘暴的治理中存在的责任机制不当、生态建设投资机制不当、草原建设管理缺位以及草原生态环境监管低效等政策和体制中存在的缺陷是沙尘暴无法得到有效控制的根本阻力.提出首先要通过协调农业和环保政策、实施可持续贸易,从源头上减少对资源的需求,从而预防沙尘暴的产生;其次要重点从明确职责和加强基层环保力量入手,提升沙尘暴的治理能力.     

内蒙古地区沙尘天气频率及其影响因素分析

基于内蒙古中西部地区45年（1961～2005年）的气象资料、沙尘暴资料,讨论内蒙古中西部地区沙尘暴频率变化趋势和气候动力因子对沙尘暴频率的影响。利用风速、降水量、蒸发量、相对湿度、大风日数等基本气象资料,建立新的影响沙尘天气的气候影响指数D模型,该模型不仅考虑影响沙尘暴的动力条件,而且也把影响沙尘暴发生的下垫面稳定情况纳入模型,所模拟的结果更趋近于现实。对各气象站计算的结果显示,气候影响指数D模型与沙尘天气频率有很好的线性关系,这种线性关系具有明显的区域特征。     

新疆且末地区沙尘暴过程中空气细菌群落结构变化的比较

采集新疆且末地区沙尘暴空气微生物样品,揭示沙尘暴前期、中期和后期细菌多样性和群落结构差异,为沙尘暴灾害预警提供依据.采用16S rRNA基因高通量测序技术,研究其菌群组成、丰度、优势菌群及与环境因子的相关性.新疆且末地区沙尘暴空气样品中共获得740364条有效序列,聚类为156个可操作分类单元（Operational Taxononmic Units）,包括9个门,87个属.门水平上,丰度最高为变形菌门（Proteobacteria,80.52%）,其次为拟杆菌门（Bacteroidetes,20.96%）、放线菌门（Actinobacteria,5.84%）和厚壁菌门（Firmicutes,2.63%）;在属水平上,优势属为不动杆菌属（Actinobacteria）、假单胞菌属（Pseuodomonas）、鞘氨醇宝盒菌属（Sphingobacterium）、海洋杆菌属（Ponibacter）.沙尘暴中期空气细菌的Chao 1（135.013）、ACE（130.424）、Shannon（2.614）指数均高于沙尘暴前期和沙尘暴后期空气细菌多样性数值（p<0.01）.沙尘暴空气细菌主成分分析表明,不同时期的细菌群落组成差异显著.冗余分析表明,湿度和气压可能与沙尘暴空气细菌多样性呈正相关,与经度、维度、海拔和温度呈负相关.新疆且末地区沙尘暴中蕴藏着丰富的细菌资源,沙尘暴前中后期空气微生物菌落结构和物种多样性差异显著.     

阿拉善高原生态环境退化研究进展

区域生态环境退化问题是当前研究的热点内容,分析其研究现状及存在问题能更好地把握其核心领域并开展更进一步的研究。本文以典型生态环境脆弱区——阿拉善高原为研究对象,系统梳理了该区域土地沙漠化、沙尘暴演化、土地利用/覆被变化、绿洲退化、水量减少与水质恶化等与生态环境退化相关领域的研究进展。在分析已有研究成果的基础之上,就不同生态环境退化问题研究存在的不足进行了归纳总结,并提出了今后需要重点开展的研究内容,以期为阿拉善高原乃至其他生态环境脆弱区生态系统的研究提供参考。     

Taylor-Couette流场数值模拟及絮凝效果研究

通过流体力学中的Fluent软件模拟了Taylor-Couette反应器的速度矢量分布、湍动动能分布和有效能耗分布,同时实验研究了TaylorCouette反应器不同内筒转速下三氯化铁对高岭土悬浊液的絮凝效能.结果表明,内外筒环隙间存在亚微尺度的涡旋,当转速为30～60 r·min-时,涡旋形状闭合完整,相互分离,涡旋内部速度梯度较小,湍动动能k在0.00010 ～0.00023 m2·s-2的范围内,有效能耗ε在0.00057 ～0.00189 m2·s-3的范围内,絮凝效能达到最大(80％以上),湍动动能和有效能耗过大或过小均不利于形成完整闭合的涡旋,絮凝效能较差.     

齿筒式齿侧剪切空化器空化性能数值模拟

通过CFD Fluent对齿筒式齿侧剪切空化器进行数值模拟,分析了空化器的齿间涡、空化泡体积分数、湍动能的变化,获得转速、处理量等操作参数对空化器空化性能的影响。结果表明:空化器内的涡是生成空化泡的主要方式。定齿间和动齿间的涡是由于流体冲击壁面,与注入的流体发生回旋而产生的。而齿侧间的涡则是由于双齿侧的机械剪切形成的。充分的机械剪切和剪切面积使得齿侧间的涡分布最广,这表明增加机械剪切可有效诱导空化泡的形成。空化泡溃灭导致齿顶前缘面锐缘处的湍动能增加,并且湍动能随着转速的增加而增加,意味着该空化器既可提高空化泡含量,也可提高空化泡的溃灭率,有效提高了空化性能。但空化泡体积分数随着处理量的增加而减少,空化性能也随之降低。