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.     

黄土高原黄土的成因:沙尘气溶胶源汇模拟与黄土堆积

黄土高原是重要的降尘区还是沙尘源区这一科学问题至今未有确切定论.本文利用北半球气溶胶区域气候模式NARCM,根据1995~2004年10a的模拟数据,分析了中国区域沙尘起沙量、沉降量以及沙尘的盈亏空间分布及风场,得到如下结论:1)沙漠及沙漠化地区是起沙量最大的区域、沉降量高值区集中在沙漠、沙漠化地区及其下风方向.黄土高原起沙量很小,而沉降量远大于起沙量.2)沙尘源区是沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘汇区,降尘量由西北向东南递减.3)黄土高原因太行山和秦岭阻挡,处在最大的沙尘汇区.黄土高原的黄土是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果,模拟分析结论为黄土的风成学说提供了有力的证据.     

沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输对东亚地区大气环境的影响

基于全球大气环流模式CAM3.1对2002—2003年模拟的全球沙尘气溶胶分布及其变化的评估,通过去除东亚沙漠(局地源)的敏感性模拟试验来分析北非、阿拉伯和中亚地区沙漠区(外部源)的沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输对东亚地区大气沙尘气溶胶的贡献.结果表明,受到大气沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输的影响,东亚以外沙尘源对青藏高原大气贡献率最大,对我国北方干旱半干旱地区大气贡献率最小,对中国南方地区和日韩及邻近的西北太平洋地区大气贡献率基本相当.东亚地区秋(冬)季大气受到东亚以外沙尘源的影响最弱(强).我国北方干旱半干旱地区近地层大气沙尘气溶胶的外源贡献率秋季最小(约5%),冬季最大(约30%).青藏高原冬季60%~80%的近地面大气沙尘气溶胶来自东亚以外的沙漠区,而在秋季则只有约20%~60%.外源对东亚大气沙尘气溶胶柱浓度和对近地面大气沙尘气溶胶的影响具有基本一致的季节特征,但对柱浓度的贡献率一般偏大10%~40%.沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输对东亚地区的影响主要集中在2~6 km的自由对流层.随对流层高度的增加东亚各地区外源贡献率均增加.青藏高原地区以年平均对流层沙尘气溶胶外源贡献率62%~81%成为东亚地区最大的影响区域.     

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.     

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.     

东亚沙尘分布、源汇及输送特征的模拟研究

采用全球气溶胶模式(GOCART)模拟结果,讨论了东亚地区沙尘气溶胶时空分布、排放与沉降以及区域输送特征.结果表明,中国境内沙源主要位于塔克拉玛干沙漠、河西走廊及河套地区.排放强度春季最大,夏季和秋季逐渐减小,冬季最弱,且强度逐年减弱,区域年平均排放为581Tg/a.模拟的沙尘光学厚度(AOD)分布与卫星观测具有很好的一致性,其中塔克拉玛干沙漠AOD大值与沙尘暴活动密切相关,其出现时间最早,持续时间最长.区域平均而言,干沉降和湿沉降可以分别清除77%和22%的沙尘排放,其中沙尘源区干沉降起主导作用,远离源区的东北及西北太平洋,湿沉降更加重要.沙尘大粒子主要通过重力干沉降移出,而湿沉降对小粒子贡献超过60%.重力干沉降全年(特别是春季)起主导作用,对流降水湿沉降在夏季作用显著增强,总体来说,沙尘总沉降速率逐年减小.东亚沙尘气溶胶通过3条输送带自西向东传输,可以影响我国华北、华中和华南.对散度的研究表明,气溶胶平流项对沙尘源区气溶胶辐散作用较大,沙尘排放显著影响该地区沙尘的输送和AOD;而塔里木盆地西侧沙尘辐合中心是风场辐合辐散项导致的,说明地形和风场对该地区沙尘输送和AOD很重要.     

基于MODIS的内蒙古气溶胶时空分布特征分析

通过对2002—2018年采用融合算法反演的MODIS气溶胶光学厚度(AOD)数据进行分析,研究了内蒙古气溶胶的时空分布特征.结果表明,内蒙古AOD值在东北部地区最高,其次为工业发达的中西部地区,最低值出现在大兴安岭及其山脉上空.全年AOD峰值出现在4月和6月,4月峰值主要受沙尘影响,6月峰值受季节雨带位移带来的湿度变化影响.中部气溶胶成分以沙尘气溶胶为主,而中西部和东北部气溶胶成分中存在大量人为源气溶胶.风场和相对湿度场与AOD值的年代际变化有关.     

全球主要沙源区沙尘气溶胶与太阳辐射的关系

利用TOMS AI气溶胶指数和天文辐射资料对全球主要沙漠区沙尘气溶胶含量与太阳辐射的关系进行验证.结果表明,无论是北半球的沙漠还是南半球的沙漠,其沙尘气溶胶指数和太阳辐射都有非常高的相关性.事实和理论均表明太阳辐射是影响沙漠地区沙尘气溶胶含量主要的因子之一.     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶质量浓度的观测研究

对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区进行了长达6a的试验观测研究,获得了该地区沙尘气溶胶的基本特征:塔中地区浮尘、扬沙出现日数呈上升趋势,而沙尘暴日数呈下降趋势,沙尘天气出现的频率和强度是影响沙漠地区沙尘气溶胶浓度的主要因素.可吸入颗粒物(PM10)月平均质量浓度峰值区分布在春夏两个季节,3~5月是主峰值区域,7~8月是次峰值区,春季PM10平均浓度在1000mg/m3左右变化,夏季在400~900mg/m3之间,秋冬两季浓度较低基本上在200~400mg/m3之间变化.每年的3~9月是总悬浮颗粒物(TSP)质量浓度较高的月份,4~5月是主峰值区,7~8月为次峰值区;2005年TSP质量浓度最低,年平均值为1105.0mg/m3,2009年略高于2008年,年平均浓度为1878.0 mg/m3,2008年5月TSP平均质量浓度是全年最高值,浓度值达到7415.0mg/m3.沙尘天气过程中大气颗粒物浓度变化具有以下规律:晴天<浮尘天气<浮尘、扬沙天气<沙尘暴天气．风速大小直接影响大气中颗粒物浓度,风速越大颗粒物浓度越高.气温、相对湿度和气压是影响沙尘暴强度的重要因素,也间接影响大气中颗粒物浓度的变化.     

粘土矿物比率对沙尘源区的指示

为了探讨中国北方沙尘源区矿物组成特征并建立沙尘气溶胶的矿物示踪指标,在亚太地区气溶胶特征实验(ACE-Asia)期间对新疆阿克苏、甘肃敦煌、陕西榆林和内蒙古通辽沙尘气溶胶的矿物组成进行了研究.结果显示,中国主要沙尘源区沙尘气溶胶中高岭石与绿泥石的比率存在明显差异,西部沙尘源区(以阿克苏站点为代表)高岭石与绿泥石的比值较小(平均值为0.3),而北部沙尘源区(以榆林站点为代表)高岭石与绿泥石的比值相对较高(平均值为0.7).沉降区长武尘暴样品的粘土矿物比率和气团轨迹分析证实,在区域范围,高岭石与绿泥石的比值为较好的沙尘源区矿物示踪指标.而亚洲沙尘与撒哈拉沙尘的对比显示,高岭石与绿泥石的比值在全球范围有着沙尘源区指示的意义.     

春季境外生物质燃烧对东亚臭氧污染的影响

目的定量研究境外生物质燃烧对春季东亚地表臭氧浓度的影响。方法利用敏感性分析法与线性加权法,使用全球化学传输模式GEOS-Chem模拟春季全球不同地区生物质燃烧排放对东亚地表臭氧的贡献。结果春季全球生物质燃烧对东亚地表臭氧贡献在1×10~(-9)～5×10~(-9)(按体积计算)之间,其中75%是境外生物质燃烧的贡献。境外生物质燃烧对中国南部的影响比东亚其他区域更大,可达3×10~(-9)。在所有境外源区中,生物质燃烧对东亚地表臭氧影响最大的源区是非洲与东南亚。前者是中国东北部、中国北部、朝韩及日本地区的主要境外贡献区域。后者对中国南部的相对贡献最大。结论春季境外生物质燃烧对东亚地表臭氧的贡献具有一定的空间差异。境外生物质燃烧对东亚空气质量有重要影响。东亚地表臭氧污染治理需要世界各国及区域之间的良好合作。     

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。     

北非沙尘天气时空分布特征及其远程传输路径

通过对北非地面300个气象站20a沙尘暴、浮尘、风场及冬夏季气溶胶指数（AI）的时空分布分析,探讨了其远程传输路径,结果表明：1）北非在阿尔及利亚、毛里塔尼亚、尼日尔和乍得中部、埃及东部、苏丹北部、博德莱洼地存在6个主要沙源区,3月沙尘暴范围和强度最大,8~11月最小.从11月起逐渐在萨赫勒地区形成了一条浮尘带,其强度和范围在3月最大,其后逐渐收缩并在6~10月分裂成3~4个小带.2）受冬春季地面高压影响,萨赫勒浮尘带由其北部发生的沙尘暴远距离传输而来.4~8月,来自赤道的南风北抬并与来自大西洋的西北风在萨赫勒中西部交汇,形成静风区并导致浮尘带收缩、断裂.3）北非存在2条沙尘主传输路径,其中Ⅰ起自阿尔及利亚,向东到地中海、埃及和苏丹,然后转向萨赫勒,从东向西传到大西洋;Ⅱ起自阿尔及利亚,向南传输到毛里塔尼亚,向西传到大西洋;同时在主传输路径Ⅰ上还出现了4个分支路径.     

全球和中国地区PM_(2.5)时空变化特征的模拟

利用气溶胶-气候耦合模式BCC_AGCM2.0.1_CUACE/Aero,模拟了1850~1980和1980~2010年PM_(2.5)及其人为和自然气溶胶柱含量的时空变化,并分析了人为和自然气溶胶对这种变化的贡献.结果表明:1850~1980年,大部分陆地范围人为PM_(2.5)的柱含量有所增加,尤其是北美东部、欧洲和中国东部等地区,人为PM_(2.5)增加地更明显,且以夏季最为明显;自然PM_(2.5)的变化主要分布在几大沙漠地区,以春、夏季最为显著;人为气溶胶对总PM_(2.5)变化的贡献在秋季最大,达94%,夏、冬季次之,分别为46%和41%,春季最小,仅占28%.1980~2010年,人为PM_(2.5)在东亚、东南亚等地区均有所增加,春夏季较为显著,在欧洲中部和北美东部有所减少,且以夏季减少最为明显;自然PM_(2.5)在沙漠地带有显著的变化,以春季最为明显;人为PM_(2.5)的变化对总变化的贡献相比之前有所减少,四季均小于50%.     

近50年华中地区霾污染的特征

基于1962~2011年霾日观测资料,使用线性回归、聚类分析及相关分析等统计方法分析了近50年华中地区霾污染的时空变化特征及其成因.结果表明,华中地区的霾高发中心位于河南中北部、湖北中西部和湖南中部人口集中的气溶胶浓度高值区,其中霾日数最多的站点为河南新乡,年均达到79.1d.霾的季节性变化表现为冬季霾日数最多,夏季最少,霾污染是典型的冬季大气环境事件.但随着近年春夏秋三季霾日的增加,华中地区霾污染的季节性差异减小.城市地区是华中霾污染严重的区域.近50年污染地区霾发生频率增多,而相对清洁地区霾污染发生频率减少.华中地区大气环境呈现出两极分化的变化特征.近50年来华中地区霾日增加受人为污染物排放加强和东亚季风减弱的共同影响.     

基于AERONET的中国地区典型站点气溶胶类型变化特征

基于AERONET网站中多个站点2006~2018年的观测数据,利用气溶胶光学厚度和气溶胶相对光学厚度,对中国华北北京、华东太湖、华南香港、西北SACOL多个站点的气溶胶进行分类,研究了中国地区典型站点气溶胶类型的时空变化特征.结果表明,我国华北、华南、华东区域站点以大陆型和城市工业型气溶胶为主,西北区域站点以大陆型气溶胶为主.气溶胶类型占比存在明显的年际变化,我国华北、华东区域站点大陆型气溶胶占比总体呈上升趋势,次大陆型溶胶占比呈下降趋势,其中华东区域站点年际变化较为突出,大陆型气溶胶占比年均上升2.78%,城市工业型气溶胶占比年均下降1.86%;华南区域站点大陆型气溶胶占比年均上升0.78%,且城市工业型气溶胶占比年均下降0.66%;而西北区域作为沙尘的主要源区,沙尘气溶胶变化最为显著,占比年均上升0.51%.我国不同区域气溶胶类型季节变化差异较大,春季华北、华东、西北区域均出现沙尘气溶胶,且西北区域尤为突出（占比19%）;华北区域城市工业型和大陆型气溶胶占比分别在夏、冬两季出现大值,华东区域城市工业型气溶胶在夏、秋两季占比较高,华南区域城市工业型气溶胶在春季占比最多（57%）,西北区域大陆型气溶胶在夏、秋两季占比高达83%.     

基于MRIO模型的中国对外贸易隐含大气污染转移研究

采用全球多区域投入产出（MRIO）模型耦合二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_x）、可吸入颗粒物（PM₁₀）、非甲烷挥发性颗粒物（NMVOC）排放清单,定量分析了2012年中国与其他国家贸易过程中隐含的大气污染排放转移.结果显示,中国是隐含SO₂、NO_x、PM₁₀排放的输出地和隐含NMVOC排放的输入地.欧盟、东亚和美国购买我国商品（如电力燃气和水供应业、重工业和矿采选业）导致的出口隐含大气污染排放量占比约为70%.中国在消耗撒哈拉以南非洲地区、中东&北非、东亚、东南亚和欧盟进口商品过程中,导致上述地区排放NMVOC为3.1×10⁶t,约占我国进口隐含NMVOC排放的69.2%.为了减轻我国对外贸易中承担的环境负担,本文从加强重污染产业管控、发展绿色经济、推进全球绿色供给链等方面提出相关政策建议.