1995~2004年东亚沙尘气溶胶的模拟源汇分布及垂直结构

利用全球气溶胶模式GEM-AQ/EC的1995~2004年10年沙尘气溶胶模拟,探讨了东亚地区沙尘气溶胶源汇分布和垂直结构特征.结果表明,东亚大陆沙尘气溶胶源区主要集中在东亚的沙漠地区,有两大沙尘主要源区:覆盖蒙古国南部及中国内蒙中西部的沙漠地区和南疆的塔克拉玛干沙漠.东亚沙尘排放量春季最大,占全年排放总量的66.81%,四月份达15.29Mt,夏季下降,秋季小幅度回升,冬季最小;东亚沙尘排放量呈现明显的年际变化及增强的趋势.东亚沙尘沉降高值区与源区一致,源区及附近以干沉降为主,远距离传输到中国东北、长江以南及西太平洋包括日本、朝鲜半岛,湿沉降占主导地位;沙尘沉降具有季节变化,其趋势与东亚沙尘排放量的季节变化大致相同,且模拟的10年沉降量呈上升趋势.东亚沙漠地区排放的沙尘主导了东亚沙尘气溶胶的变化,最大的净沙尘汇区集中在紧邻净沙尘源区的黄土高原及华北平原西部.东亚地区春夏秋3个季节均是沙尘的净源区,而冬季强西风急流输入东亚以外的沙尘使东亚整体上为沙尘净接收区.东亚大陆大部分地区,沙尘垂直分布主要集中在对流层低层3km高度以下,在西太平洋地区包括日本、朝鲜半岛沙尘高值中心位于在对流层中层5km高度上下,在沙漠以北地区沙尘垂直廓线的高值出现在对流层中上层6~8km高度.     

沙尘天气对我国北方城市大气环境质量的影响

采用2001—2006年沙尘天气的统计数据以及城市空气污染指数(API),分析了沙尘天气对沙尘源区和影响区代表城市的空气质量影响,并分析了2005—2007年兰州和北京春季沙尘天气与非沙尘天气下气溶胶光学厚度与波长指数的变化特征.结果表明:近些年沙尘天气呈先减少后略微增加但总体呈缓慢下降的趋势;春季沙尘天气加重了城市大气污染,对沙尘源区内代表城市的影响超过了区域本底污染指数的50%,使兰州、银川、呼和浩特和包头的春季非沙尘天气API平均值分别增加了64%,53%,86%和90%;使影响区内代表城市,如北京、天津、太原、石家庄、沈阳、济南、西安和郑州的春季非沙尘天气API平均值分别增加了85%,62%,49%,57%,29%,41%,27%和45%;沙尘天气使城市大气气溶胶光学厚度升高,气溶胶波长指数降低.      

沙漠地区沙尘气溶胶含量变化的原因分析

利用中国大陆气溶胶指数(TOMS AI)、太阳辐射、沙尘能见度、降水量等观测资料,对中国西北部沙漠地区沙尘气溶胶含量进行分析.结果表明,沙漠地区AI值不但取决于沙尘暴的发生,而且取决于太阳辐射.这表明沙尘暴起沙模型和尘卷风与干热对流的联合起沙模型互为补充,沙漠地区上空的沙尘气溶胶含量是它们共同作用的结果,而由太阳辐射引发的尘卷风与干热对流较沙尘暴过程更为重要.     

我国不同矿物气溶胶源区物质的物理化学特征

在我国不同的矿物气溶胶源区进行采样分析的结果表明,源区气溶胶物质的物理化学特性相差很大.黄土的颗粒最细,91%的黄土颗粒可以形成矿物气溶胶进行长距离输送;沙土较粗,只有15%的沙尘颗粒可以形成矿物气溶胶;2个煤灰样品的粒径差异较大,抚顺煤灰中＜74μm的颗粒高达39%,而呼和浩特煤灰只有7%.不同粒径颗粒的化学分析结果表明,微量元素在细颗粒上有较高的富集.黄土与沙漠土壤的细颗粒的化学性质十分相似,同煤灰的化学性质完全不同,其常量元素与A1的比值(E/Al)十分接近,而且与深海沉积物粘土中的比值(E/A1)     

调水调沙工程长期实施对黄河口近岸沉积物粒度分布与黏土矿物组成特征的影响

基于对2013年10月获取的黄河口近岸海域28个沉积物样品的激光粒度分析和X-射线衍射(XRD)分析,探讨了调水调沙工程长期实施对沉积物粒度分布以及蒙皂石、伊利石、高岭石、绿泥石这4种矿物组成特征的影响.结果表明,2002年调水调沙工程实施以来,黄河口近岸海域的沉积物粒度尽管在砂含量上(平均约占23.5%)较渤海海域和黄河沉积物高,但仍主要以粉砂为主(平均约占59.1%),黏土组分相对较少(平均约占17.4%).黄河口近岸海域的黏土矿物组成与黄河沉积物的组成相近,但较调水调沙工程实施前存在较大差异,其不同组分含量整体表现为伊利石蒙皂石绿泥石高岭石.研究发现,相对渤海海域大范围的研究,对黄河口近岸海域的局部研究更能揭示调水调沙工程长期实施对河口沉积环境的影响.     

尘卷风对沙尘气溶胶的贡献及其与太阳辐射的关系

利用塔克拉玛干沙漠及周边地区观测资料,依据尘卷风热力学理论和方法,估算出在塔克拉玛干沙漠地区尘卷风对沙尘气溶胶贡献的年平均量为4.0× 106t,年最大量为5.0×106t,与该地区沙尘暴的沙尘气溶胶年均贡献量相当.依赖于太阳辐射强度季节变化,尘卷风的起沙量具有与地面温度同步的季节变化规律.     

青藏高原及周边区域沙尘气溶胶三维分布和传输特征

利用MERRA-2再分析资料和CALIPSO星载激光雷达产品,分析了1980—2017年青藏高原和塔克拉玛干沙漠上空沙尘气溶胶的分布和传输特征.对比了MERRA-2与AERONET及MISR的气溶胶光学厚度（AOD）产品,其相关系数分别为0.809和0.776.基于MERRA-2资料分析表明,研究区域沙尘光学厚度（DAOD）按春、夏、秋、冬季依次递减.塔克拉玛干沙漠和青藏高原地区DAOD均在5月达最高值.青藏高原北部DAOD比南部高0.06~0.10,两地区的DAOD值差异在5月最高.自2000年开始,塔克拉玛干沙漠和印度恒河平原DAOD高值区强度和影响范围显著增大,对青藏高原的沙尘输送增强,印度沙尘对青藏高原的影响显著增加.CALIPSO观测表明,青藏高原上空的沙尘主要来自塔克拉玛干沙漠,传输量春季最大,秋、冬季最小;部分来自印度恒河平原,传输主要发生在夏、秋季.塔克拉玛干沙尘通过柴达木盆地向青藏高原传输,最远可至30°N,传输高度在4~8 km.冬季青藏高原上空的沙尘主要来自柴达木盆地.塔克拉玛干沙漠和青藏高原的最大气溶胶消光系数廓线分别出现在春季和夏季.塔克拉玛干沙漠和青藏高原地区沙尘层厚度多年平均值分别为1.00和0.82 km.2007—2017年,塔克拉玛干沙尘层厚度呈下降趋势,年下降率为0.018 km.青藏高原沙尘层厚度春季最大,冬季次之,夏季最小;沙尘层厚度年变化趋势不显著.     

中国春季北方大气气溶胶浓度特征

采用2008年和2009年春季10个气溶胶观测站资料,分析了我国北方3个代表区域的气溶胶浓度特征与空间分布特点以及气溶胶粒子粒径的异同,并结合一次典型的沙尘天气过程,利用气溶胶和气象资料,讨论了沙尘天气对ρ（TSP）的影响以及各观测站点ρ（TSP）的变化特点. 结果表明:西北区域站点ρ（TSP）最高,达到0.488 mg/m3,其中以沙尘和土壤等粗模态粒子为主,占ρ（TSP）的50.7%;北部区域站点ρ（TSP）为0.350 mg/m3,主要由PM_2.5及沙尘、土壤等粗模态粒子组成,它们分别占ρ（TSP）的55.7%和30.9%;北京地区ρ（TSP）最低,平均值为0.252 mg/m3,ρ（PM_10）占ρ（TSP）比例较高,达到94.4%,其中ρ（PM_2.5）占ρ（TSP）的54.7%;沙尘天气强度和发生次数对气溶胶浓度年际变化影响明显,而天气形势对沙尘天气的发生发挥重要作用.      

塔里木盆地空中蓄尘库效应对空气质量的影响

利用WRF中尺度天气预报模式耦合GOCART大气化学气溶胶辐射传输模式,对2011年4月27日~5月2日源于我国西北沙尘源区的一次大范围沙尘天气过程进行了数值模拟,并结合MODIS卫星观测资料,发现了塔里木盆地对沙尘气溶胶分布的空中蓄尘库效应.为了对该效应及其对下风向城市空气质量的影响进行验证,期间在兰州大学监测点开展了1h分辨率PM₁₀中水溶性Ca²⁺浓度监测,并结合CALIPSO气溶胶类型垂直分布产品和HYSPLIT气团轨迹模型,利用PSCF方法分析了期间监测点的48h气团后向轨迹.模拟,遥感和监测结果共同表明,塔里木盆地的空中蓄尘库效应会对进入其内部的沙尘气溶胶产生限制-积累作用,若在限制-积累过程中盆地内部近地面风场改变,空中蓄尘库会二次释放沙尘气溶胶,对下风向城市空气质量产生影响.     

RegCM3模式模拟我国春季气溶胶光学厚度及检验

利用区域气候模式RegCM3模拟了我国2005~2007年春季每月的气溶胶光学厚度及沙尘气溶胶光学厚度(AOD),并利用站点观测资料检验了模拟结果,探讨了沙尘气溶胶和人为活动排放气溶胶对春季AOD的贡献与影响.结果表明,模拟的我国春季AOD主要有3个高值区:南疆盆地和北疆部分地区,河西走廊地区,以及四川盆地和临近的中南部分地区.前两者AOD高值主要由沙尘气溶胶引起,后者主要受人为活动排放的气溶胶影响.观测资料检验表明模拟结果具有一定的可信度,模式对人类活动影响较少区站点的模拟效果优于对人类活动频繁区站点及城市和沿海站点的模拟,对城市和沿海站点的模拟结果偏低,对最偏远的阜康、海北、拉萨和西双版纳等站点的模拟结果与实际观测差别较大.     

基于两种受体模型的太原市大气降尘来源解析及季节变化特征

于2019年11月至2020年12月期间在典型工业城市太原市开展了降尘采样和降尘化学组分分析.采样期间,太原市平均降尘量约为7.9t/(km²·30d),并呈现在4~6月较高.在选取的8个监测区域中,清徐和巨轮的平均降尘量较高,分别为10.7t/(km²·30d)和10.6t/(km²·30d).降尘化学组分质量中地壳元素(Ca、Si、Al)占比较高,巨轮和桃园监测区域的降尘中Fe元素的质量显著高于其他监测区域.将降尘量和化学组分分析结果分别纳入正定矩阵因子分解(PMF)和偏目标转换-正定矩阵分解(PTT-PMF)两种受体模型中对太原市降尘进行了定量来源解析.通过比较两种受体模型的拟合性能和解析的因子谱发现:PTT-PMF受体模型相较于PMF能够更好地区分出降尘中城市扬尘源和建筑尘源这两类相似的尘源.结果表明,太原市降尘主要有六种来源:城市扬尘源(PMF:35%,PTT-PMF:35%)、建筑尘源(PMF:29%,PTT-PMF:28%)、钢铁工业源(PMF:14%,PTT-PMF:14%)、燃煤源(PMF:13%,PTT-PMF:12%)、二次无机盐(PMF:5%,PTT-PMF:6%)、机动车尾气排放源(PMF:4%,PTT-PMF:5%).两种受体模型得到的平均来源贡献结果相似,而建筑尘源和钢铁工业源的季节变化趋势则有一定的差异.粗粒径源类(城市扬尘源和建筑尘源)是太原市降尘的主要来源,两者对降尘的贡献率超过了60%,并在春季贡献率(4~6月)较高.     

Effects of Asian dust events on atmospheric bacterial communities at different distances downwind of the source region

Aeolian dust particles arising from arid and semiarid zones are known to carry microbes by air currents. The effect of wind-borne bacteria on atmospheric bacterial population at various downwind distances from the dust source regions must be clarified, but has not yet been reported. This study monitored the bacterial abundance and community composition in outdoor aerosol samples in Beijing, China, which is close to the Asian dust source regions, and compared them with the results obtained in a distant region(Osaka, Japan).The Asian dust collected in Beijing contained(4 ± 3) × 10~4 bacterial cells/m~3, approximately~4 times higher than in Osaka. On 15 April 2015, Beijing experienced severe Asian dust events with a 1000-fold increase in bacterial abundance, relative to non-Asian dust days. Dominant bacterial phyla and classes in Asian dust collected in Beijing were Actinobacteria, Bacilli and Acidobacteria, and the bacterial community composition varied more widely than in Osaka.The bacterial community compositions differed between the Beijing and Osaka dusts, even for the same Asian dust events. These results indicated that aerosol bacterial communities nearer the dust source are more affected by eolian dust than their distant counterparts.     

青岛市降尘中水溶性离子的特征及来源分析

为识别青岛市大气降尘中水溶性离子的空间分布特征和来源,于2017年3月,在青岛市主城区采集了93个降尘样品。分析了水溶性离子NO₃-、Ca2+、SO₄2-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、NH₄+含量,研究了空间分布和来源。结果表明:NO₃-、Ca2+、SO₄2-是青岛市降尘中的主要水溶性离子,占总水溶性离子质量浓度的82%;离子间的空间分布存在差异,离子浓度较高区域主要集中于市南、市北的西南部,以及崂山区东北部,主要受城区人为排放影响;4个市区NO₃-/SO₄2-质量浓度比值均>1,说明以移动污染源为主;相关性分析及PCA-MLR分析表明,交通源为青岛市降尘中的水溶性离子主要来源,其次是土壤扬尘和海盐源。     

Dry deposition of PM10 over the Yellow Sea during Asian dust events from 2001 to 2007

Dry deposition velocities and fluxes of PM10during Asian dust events over the Yellow Sea from 2001 to 2007 were investigated using observation data in Qingdao, China and Jeju, Korea. The dry deposition velocities of PM10 during dust events over the Yellow Sea ranged from 0.19 to 8.17 cm/sec, with an average of 3.38 cm/sec. Dry deposition fluxes of PM10during dust events over the Yellow Sea were in the range of 68.5–2647.1 mg/(m2·day), with an average of 545.4 mg/(m2·day), which is 2–10 times higher than those reported by other studies for both dust and non-dust periods. It was estimated that 2.6 × 1011–48.7 × 1011g dust particles deposit to the Yellow Sea during dust events through dry deposition every year. Compared with the results in previous studies, it was found that the dry deposition of PM10over the Yellow Sea during dust events in the years with high frequency of dust could account for a large or overwhelming fraction of the annual total dry deposition. Backward air mass trajectory analysis showed that dust events influenced Jeju mainly originated from the desert regions located in Mongolia and Inner Mongolia, China. There were 119 backward trajectories influenced both Qingdao and Jeju during 15 dust events from 2001 to 2007, accounting for 61.3% of the total trajectories of 194, indicating that Qingdao and Jeju were usually on the same pathway of dust transport downwind from source areas.     

我国典型季风海洋型冰川积累区冰雪剖面的环境记录

运用多种方法,对白水1号冰川积累区冰雪剖面的主要阴、阳离子和δ18O的环境意义分析表明,受强烈淋溶作用影响,离子和δ18O的季节变化不明显,剖面离子浓度显著低于雪坑,离子流失量较大。NH4+年际变化最为显著,与丽江降水表现出相同的变化趋势,Mg2+和Ca2+浓度与冰雪剖面净积累量呈反向变化。分析表明,阴离子主要是湿沉降产物,阳离子主要是干沉降产物。该剖面所反映的13年δ18O比率变化介于-11.8‰～-14.6‰。冰雪剖面中δ18O与西南季风指数、冰雪剖面积累量、丽江降水和丽江气温呈反向变化,表现出显著的"降水量效应"。     

新疆典型城市气溶胶光学厚度变化特征

利用2006~2017年Aqua-MODIS C006气溶胶日产品数据,选取新疆地区11个代表性城市进行分类,分析典型城市的AOD近12a变化趋势及特征.结果表明：2006~2017年间,除乌鲁木齐市AOD小幅度上升外,其余10个城市AOD均出现不同程度下降,北疆城市年均降幅较小,吐鲁番市12a间AOD下降了0.13,为哈密、焉耆等同纬度城市群中的最大降幅,南疆城市AOD年均降幅最为显著,阿克苏、喀什、和田和若羌地区AOD分别下降了0.18、0.16、0.16和0.09;AOD空间分布上,南疆为AOD峰值中心,年均值达0.50以上,北疆和东疆地区AOD年均值维持在0.20~0.22;同时,AOD具有典型的季节变化特征,春季为AOD峰值季节,夏季次之,秋、冬季AOD较低;此外,12a间新疆全区AOD出现不同程度降低,其中南疆沙尘源区为AOD下降的典型区域,减少区域呈现出沿昆仑山脉自南向北的带状分布.     

国内外PM2.5源谱对比及其对空气质量模拟效果的影响

对比了国内外固定燃烧源、工业过程源、道路移动源和扬尘源等排放源PM_2.5成分谱之间的差异,并利用CMAQ（区域空气质量模型）模拟识别各PM_2.5成分谱之间的差异对空气质量模拟影响较大的排放源.结果表明:① 由于国内外发展水平、排放标准、采样分析条件以及排放源除尘设备等的差异,各排放源PM_2.5成分谱差异较大;② PM_2.5成分谱差异较大的源主要有燃煤电厂、水泥制造、重型柴油车和道路扬尘等,而差异较大的组分主要有SO₄2-、NO₃-和Ca等;③ 道路移动源源谱本地化对PM_2.5的模拟影响最大,其次为扬尘源和工业过程源,而固定燃烧源则相较最小,其中道路移动源源谱本地化模拟案例与基线的PM_2.5模拟质量浓度绝对差值为0.27μg/m3,各组分质量浓度差系数之和为52.60×10-3 μg/（m3·kg）,而固定燃烧源源谱本地化模拟案例PM_2.5模拟质量浓度绝对差值仅为0.10μg/m3,各组分之和为2.12×10-3 μg/（m3·kg）.研究显示,有必要采用统一的标准开展本地源成分谱测试工作,为源解析及模型模拟提供基础性数据,而从对空气质量模型模拟影响的角度出发,优先建立道路移动源本地化PM_2.5成分谱较为重要.      

基于CALIPSO资料的东亚地区气溶胶垂直分布特征分析

目的分析东亚地区气溶胶的垂直分布特征。方法利用2006—2012年CALIPSO星载激光雷达资料,基于气溶胶光学厚度分析结果,选取有代表性的经度带和纬度带,分别研究东亚大陆东部沿海地区气溶胶的垂直分布和东亚-北太平洋地区沙尘气溶胶的垂直分布。在此基础上,选取三个有代表性的格点,进一步研究华北和华南地区气溶胶的垂直分布及塔克拉玛干沙漠沙尘的气溶胶垂直分布,并对其垂直分布特征曲线进行拟合。结果平均来看,除少数地区个别月份外,东亚地区气溶胶主要出现在近地面附近。东部沿海地区,一定高度以上,气溶胶的消光系数随高度的增加总体上呈指数减小;西北沙尘源区,大致在近地面至对流层中层,沙尘气溶胶的消光系数随高度的增加几乎呈线性递减。气溶胶的垂直分布具有显著的月际变化和地区差异,中纬度地区,亚洲沙尘气溶胶跨北太平洋传输在1—5月份较强。结论高垂直分辨率的CALIPSO资料可作为精细分析气溶胶垂直分布特征的有力工具。     

辽宁省典型城市道路尘PM2.5成分谱研究

为构建辽宁省典型城市道路尘源成分谱，分别采集了鞍山市和盘锦市道路尘样品，分析了其化学组分特征，用富集因子法和比值法分析了其主要来源，用分歧系数法分析了两个城市成分谱的相似度.结果表明：盘锦市和鞍山市道路尘PM_2.5中的化学组成以有机碳组分（OC）和地壳类元素（Al、Ca、Mg、Fe和K）为主.除Cu和V元素外，其余元素均表现为鞍山市的富集因子大于盘锦市.由比值法可得，盘锦市和鞍山市OC/EC分别为（13.20±6.26）和（3.94±0.63），均存在二次污染现象；NO₃^-/SO₄^2-的均值分别为（0.52±0.55）和（0.46±0.13），说明其道路尘PM_2.5受固定源影响更大.盘锦市与鞍山市道路尘成分谱分歧系数为0.354，说明两个源成分谱可能相似.