利用风云四、MODIS及CALIPSO卫星资料分析西北沙尘过程的垂直和水平分布特征

FY-4A提供的高时间分辨率沙尘强度产品为分析沙尘过程中气溶胶分布提供了新的思路.本研究使用MODIS暗像元/深蓝/合成算法的AOD产品以及FY-4A沙尘强度产品,分析了2018年春季中国西北地区的两次典型沙尘过程,并使用CALIPSO后向散射系数产品研究了这两次事件中气溶胶的垂直分布特征.研究结果表明：①风云四号沙尘强度产品与MODIS深蓝算法产品以及合成算法产品在西北沙漠地区的沙尘分布情况上具有很好的空间一致性;②对于沙尘有明显向东输送的沙尘过程而言（如2018年4月4—6日）,沙尘主要分布在2~6 km,有些地区甚至只有4 km以上才存在沙尘,在沙尘输送的下游地区,沙尘主要分布在2 km以下的低空;而对于沙尘没有向外扩散的沙尘过程（如2018年5月21—23日）,沙尘粒子则主要分布在0~5 km高度处.     

基于CALIPSO对中国春季一次沙尘暴的研究

文章利用CALIPSO卫星观测资料,结合气溶胶模式模拟,分析了2013年入春以来发生的第1次强沙尘天气过程中的沙尘气溶胶垂直分布特征及输送特性.结果表明:此次沙尘事件有两个源区,南疆盆地(源区一),沙尘先后输送影响我国内蒙古西南部、甘肃、宁夏等地区.2月27日沙尘在甘肃西部河西走廊附近,沙尘气溶胶分布在2~5 km,退偏振比在0.1~0.5之间,色比在0.4~0.8之间;28日新疆地区沙尘气溶胶分布在4~12 km,退偏振比在0.3~0.5,色比在0.5~1.0之间.蒙古国西南部地区(源区二),沙尘先后影响我国内蒙古中西部地区、甘肃、山西北部、陕西北部、河北北部和东北西南部地区,2月28日内蒙古沙尘气溶胶分布在4~11 km,退偏振比在0.2~0.5之间,色比在0.5~1.2之间.     

两类典型沙尘过程对比及清除机制分析

沙尘天气会危害人体健康并直接影响城市运行,当沙尘天气发生后,针对其清除过程及动力学机制鲜有研究.本文利用北京地区地面观测资料、风廓线雷达数据、四维变分多普勒雷达分析系统（Variational Doppler Radar Analysis System,VDRAS）数据、气溶胶激光雷达监测资料等,对比分析了2018年3月27—28日明显浮尘和2021年3月15日强沙尘暴天气的沙尘清除过程,研究了不同大气环流背景下的沙尘减弱消散动力机制.结果表明,在3月27—28日偏东风天气背景下：①北京地区沙尘浓度垂直分布及变化与高空槽及偏东风的强度垂直分布有紧密关系;②浮尘天气中,偏东风在1~1.5 km之上随高度减弱形成上升气流,与短波槽耦合,将高浓度气溶胶向高空输送;而1 km以下偏东风向 地面风速减小,有利于下沉运动,不利于气溶胶向高层扩散,造成中层浓度降低;③随着2.5 km以下偏东风加强至低空急流,并随高度增加, 上升运动显著增大,高浓度气溶胶被抬至高层并向下游输送,配合气团更迭,完成浮尘清除.而在3月15日强沙尘暴过程中：④沙尘浓度垂直分布变化与上游传输及低层强下沉运动有关,1 km以下沙尘浓度首先下降,主要由低层大气辐散下沉及沉降作用导致,而高空西北气流的 传输作用使得1~2.5 km高浓度沙尘粒子维持时间较长,垂直出现分层结构;⑤冷锋后西北气流天气形势下,沙尘的清除机制在于整层强烈的下沉运动与自然沉降的叠加效应,配合清洁气团更迭,完成清除过程.     

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.     

呼包鄂地区沙尘期间大气污染特征研究

为研究沙尘天气下典型大气污染特征,选择呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市（简称"呼包鄂地区"）为研究对象,分析了呼包鄂地区2016年春季3月1日-5月31日的PM₁₀与PM_2.5数据,利用CMB（化学质量平衡）受体模型、后向轨迹模型研究了呼包鄂地区污染源的特征,通过富集因子法评估了人类活动对沙尘天气的影响,最终通过特征比值法对沙尘天气与非沙尘天气进行了区分.结果表明:①沙尘天气与非沙尘天气时,呼包鄂地区PM₁₀、PM_2.5中主要化学组分均为Si、Ca、Al、Fe、OC、SO₄2-与NO₃-.沙尘天气时,ρ（PM₁₀）与ρ（PM_2.5）的差值大于非沙尘天气,较高的ρ（Al）、ρ（Si）、ρ（Ca）说明呼包鄂地区受到较大的沙尘天气影响.②CMB受体模型源解析结果表明,沙尘天气时扬尘源对PM₁₀与PM_2.5的贡献率分别为59.3%、48.7%,说明PM₁₀和PM_2.5的主要污染源均为扬尘源.后向轨迹模式模拟表明,呼包鄂地区的沙尘主要来自其西北部地区.③元素Na、K、Mg的EF（富集因子）在PM₁₀与PM_2.5中均大于1.0,Si、Cu的EF在PM_2.5中均大于1.0,但在PM₁₀中小于或等于1.0;依据EF表征级别,自然因素对PM_2.5和PM₁₀的影响程度均较大,并且PM_2.5受人类活动影响的程度大于PM₁₀.通过特征比值发现,ρ（Si）/ρ（Al）大于1.7且ρ（Si）/ρ（Fe）大于2.2可作为呼包鄂地区典型沙尘天气的界定.研究显示,呼包鄂地区春季受到较大程度的沙尘影响,这些沙尘主要来自其西北部地区,通过特征比值法可以对呼包鄂地区沙尘天气进行界定.      

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.     

全球沙尘气溶胶源汇分布及其变化特征的模拟分析

根据全球沙尘气溶胶气候模式GEM-AQ/EC模拟的1995~2004年的沙尘起沙量和干湿沉降量,分析了沙尘气溶胶源汇的全球时空变化特征.全球沙尘起沙量集中在各个主要沙漠地区,北非对全球沙尘气溶胶贡献最大为66.6%.沙尘气溶胶沉降的高值区分布在沙漠源区及其紧临的下风地区.最大净沙尘气溶胶接收主要分布在沙漠周围地区并形成净接收量大于10t/(km2×a)的位于0°N~60°N之间的北非、欧亚大陆、西太平洋、北印度洋、北美和大西洋的带状分布.在北非、阿拉伯半岛、中亚、东亚和澳大利亚5个主要沙漠地区中,起沙量和沉降量都存在明显的季节变化,除中亚其他4个区域干湿沉降量和起沙的季节变化基本一致;东亚地区沙尘气溶胶起沙量和总沉降量的季节变化最为明显,而北非沙漠起沙量和总沉降量的季节变化最小,其他3个区域的季节变化幅度基本相同.中亚起沙峰值和阿拉伯半岛起沙次峰值出现在夏季,其他区域的峰值均出现在春季.10年间全球陆地年平均起沙量为(1500±94)Mt,保持略微上升趋势.以北非沙漠起沙量年际变化率最低(6.3%), 而以东亚(28.3%)和澳大利亚(45.0%)起沙量年际变化最为明显;全球陆地的沙尘气溶胶沉降量以约9.9Mt/a的速率递减,全球海洋的沙尘气溶胶沉降递增.     

西北地区气候因素与北京市沙尘天气的关系研究

利用西北地区气象台站资料以及北京市沙尘天气资料,根据西北地区的气候状况对气候影响指数进行了一定的改进,分析了西北地区气候因素与北京市沙尘天气的关系.结果表明,在2001~2010年10年间,受全国沙尘天气过程的影响,北京市在2001、2002和2006年的沙尘天气日数均超过了30d,其中在2001年全年沙尘天气日数达到了39d;西北地区D指数年平均值的高值区位于盆地和沙漠地带,春季平均值最高,为2.0,冬季次之,为0.9,夏季为0.8,秋季最小,为0.59;在D指数与沙尘天气的相关性分析中,宁夏地区的相关性系数平均值为0.84,甘肃地区相关性系数为0.82,陕西为0.81,青海为0.78,新疆为0.74,内蒙古地区为0.72;西北和北路传输路径对北京市沙尘天气的影响更大,毛乌素沙漠与黄土高原交界地以及内蒙古浑善达克沙地附近地区气候影响指数与沙尘天气日数呈现显著正相关,相关性系数达0.9,该地区气候对于北京市沙尘天气的发生有较大的影响.     

阿拉伯半岛沙尘时空分布特征及气象条件

通过对阿拉伯半岛地面90个气象站20年沙尘天气、AI指数及风场的时空分布特征结合气象条件分析，确定该区域沙尘天气的发生规律及传输路径.结果表明：永久多尘地区是半岛扬沙发生最频繁的区域，从2月开始扩张，并在6月达到最大.浮尘的时空分布与扬沙类似，但还存在希贾兹山脉北部和波斯湾沿岸的高值中心，3月与永久多尘地区的高值区连成一片，6~7月达到最大，然后开始收缩并分裂成几个小中心.AI指数存在一个像倒箭头的相对高值中心，其变化具有明显的单峰分布，强度和范围在6月最大.10~4月和5~9月半岛分别盛行顺时针、逆时针旋转的风向，它们将沙尘远程传输到下游地区.天气学分析表明，冷锋入侵半岛使得来自北方的冷空气快速锲入暖空气之下，是导致沙尘天气出现的主要原因；后向轨迹聚类分析显示，半岛存在3类传输路径，其重要性依次为西北方向撒哈拉沙漠的远程传输、反气旋风场将来自伊拉克或伊朗的沙尘远程传输和本地的沙尘源传输.     

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.     

2017年春季华北地区一次典型沙尘重污染天气过程研究

结合空气质量监测站小时监测数据、NECP资料、卫星遥感资料,分析了2017年5月3—5日华北地区一次典型沙尘重污染天气过程.结果表明,此次重污染过程主要由前期的浮尘和后期的扬沙天气造成.前期,蒙古气旋强烈发展将沙尘源地的沙尘抽吸到空中并在偏西风作用下,长距离传输到华北地区沉降,造成大范围浮尘天气,多个城市出现严重污染,PM₁₀浓度增高显著.后期,随着高空横槽转竖并东移,受强冷锋影响,京津等地出现大风扬沙天气,大风过后,空气质量转好,PM₁₀浓度降低至较低水平.起沙源地高空辐散、近地面辐合产生强烈的上升运动将沙尘带到空中并向东传输至华北上空,近地面处于弱辐散场,高空的沙尘缓慢下沉,形成了浮尘天气;高空槽东移,高空辐合,近地面辐散,700 hPa至近地面为强烈下沉运动,是形成此次扬沙天气的主要原因.结合天气形势分析和特征量诊断,给出了华北地区此次浮尘和扬沙天气的天气学概念模型.     

沙尘天气对环境空气中PM_(10)影响分析

利用2002年沈阳市沙尘天气时的环境监测资料和气象资料进行分析得出浮尘天气时环境空气中PM10浓度最大,空气污染最严重,空气中的尘主要来源于我国西北沙漠地区;沙尘暴出现频率低,持续时间短,但强度大,空气中PM10主要来源科尔沁沙漠、省内荒漠地带及本市地表沙尘;扬沙天气污染相对较轻,空气的PM10以本地地表尘为主。     

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.      

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.      

浮尘天气对十堰空气质量的影响

以十堰市近几年来的气象统计和空气中总悬浮颗粒物的监测结果为例,探讨北方频发沙尘暴天气对十堰空气质量的影响及其影响的程度,认为沙尘暴天气对我省空气质量主要是以浮尘天气出现,总体影响不是很严重。本地扬尘、扬沙是影响十堰空气质量的主要污染物,而浮尘天气更加重了总悬浮颗粒物的污染程度。     

南京地区典型大气污染过程分析

文章统计分析了南京市近年来大气污染过程总体特征,选择2009-2011年不同类型的3个典型污染过程,分别讨论了其污染特征和影响因素.结果表明:以API值为污染判断指标,近年来南京市91%的污染过程持续时间在4 d以下,秋冬季节长时间污染过程更多。沙尘型污染受北方沙源地、长距离输送气象条件控制,影响范围广;秸秆燃烧型污染PM_(25)/PM_(10)浓度比例高达70%以上,细粒子(PM_(2.5))污染严重,主要受风向控制影响南京及周边局部地区,在降水冲刷或大风等气象条件下随污染源消失而快速消散;秋冬季的持续污染过程主要受气象条件影响,在均压场控制下,边界层呈局地性环流特征,污染物不断累积。     

沙尘暴降尘对甘肃大气环境背景值的影响研究

通过近15年来发生在我国西北地区的较大沙尘暴个例,就沙尘暴对甘肃境内大气环境背景值的影响等问题进行了调查、分析和研究.使用降尘背景观测点的大气降尘资料和样品,统计、分析和研究了沙尘暴降尘在各地区的沉降量、分布范围、化学组分和粒度分布特征等问题.研究认为:沙尘暴不只是一种特异的灾害性天气,同时它还是一种跨地区的大范围大气污染现象;在无湿沉降机会时,它会被输送到很远的地方,所影响和污染区域也会更大;沙尘暴还会向下游地区输送有害物质,对生态环境造成潜在和长期的影响;沙尘暴降尘量在甘肃的分布是以河西走廊东部为中心,向大气环流下游地域扩散,形成一个自西向东南迅速递减的梯度分布状态.受沙尘暴降尘的影响,近15年来甘肃省大气自然降尘背景值总体水平呈上升趋势.      

利用偏振-米散射激光雷达研究广州一次浮尘天气过程

利用偏振-米散射激光雷达、颗粒物监测仪数据,结合风廓线等气象资料分析讨论了2012年3月25日广州浮尘天气气溶胶污染事件,通过气团后向轨迹分析了沙尘气溶胶的来源及路径.结果表明本次污染过程与我国西北地区大部沙尘暴产生的浮尘远距离输送有关;浮尘期间相对湿度迅速下降,测点PM10中PM2.5所占的比例在28%~31%之间,与广州地区以细粒子污染为特征不同,本次气溶胶污染事件主要是由粗粒子引起;影响近地面的沙尘层主要分布高度在1000~2000m区域;沙尘过境期间探测到气溶胶最大退偏比为0.34.