石英ESR法在黄河现代沉积物物源示踪研究中的可行性分析

石英ESR信号示踪法作为一种新的物源示踪方法,已经被较好地应用于东亚地质历史时期风尘堆积物和现代沙尘沉降物的物源示踪研究中。首先简要回顾了石英ESR信号示踪法的研究现状,进一步基于石英ESR信号示踪法的母岩年代和结晶度原理,探讨该方法对黄河沉积物物源示踪的可行性及应用前景。     

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.     

沙尘天气对大气环境质量影响的量化研究

利用沙尘天气年鉴资料和颗粒物浓度监测数据,构建了沙尘天气对大气环境质量影响的量化指标(贡献率和绝对贡献),并利用该量化指标分析了沙尘天气对位于沙尘源区和影响区内典型城市大气环境的影响,同时比较了沙尘天气对北京城、郊区的不同影响. 结果表明:2001—2009年沙尘天气对沙尘源区城市呼和浩特的贡献率年均值为6.84%,对影响区内的城市北京、天津、济南的贡献率年均值分别为5.96%、3.57%、1.66%;沙尘天气对沙尘源区城市(呼和浩特)和影响区城市(北京、天津和济南)的贡献率最大值均出现在3月,其中,对呼和浩特、北京、天津、济南的贡献率最大值分别达到19.21%、15.02%、9.41%和8.69%;2000年4月和2001年3月沙尘天气对北京ρ(PM₁₀)的绝对贡献较大,分别为0.062和0.077mg/m3,占GB 3095—2012《环境空气质量标准》ρ(PM₁₀)二级标准限值(0.15mg/m3)的41.3%和51.3%;沙尘天气过程对于北京城、郊区的影响也不完全一致.      

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.      

沙尘天气过程对呼和浩特市空气质量的影响

利用MODIS(the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)影像对2015-04-15影响呼和浩特市的一次沙尘天气进行了系统判读,并分析了沙尘天气过程中气象要素变化及其对空气质量的影响,以期为沙尘天气环境影响评价提供理论依据。遥感影像显示该次沙尘天气主要起源于内蒙古中西部,利用MODIS彩色合成影像可以识别沙尘信息,实现沙尘天气过程的监测,并判明沙尘源和影响范围等。沙尘天气过程气象要素变化分析表明该次沙尘天气由冷空气过境引发,低温大风天气有利于沙尘天气的发生。沙尘天气引起空气质量急剧下降,出现严重污染,沙尘高空远距离输送是导致呼和浩特市空气质量显著下降的重要原因。大气污染主要由颗粒物(PM_(10))的增加引起,但大风使CO、NO_2、SO_2等污染物浓度大幅度下降,具有清除人为源所排放污染物作用。     

石英ESR法在河流沉积物源示踪中的探讨及应用

使用石英ESR法示踪河流沉积物源是一种新方法和新理论的探索。本文从拟解决的科学问题出发,在着重分析石英ESR信号强度和CI值物源示踪理论基础之上,讨论了该方法在亚洲现代沙尘沉降物源示踪和地质历史时期风尘堆积物源示踪研究中的有效性,结合ESR测年可覆盖整个第四纪时期的特性,认为石英ESR法不仅可以为物源示踪提供良好的年代框架约束,而且还可以较好的反映地质历史时期沉积物质来源在不同时空尺度上的变化特征。随后,通过对指导思想、研究思路以及长江流域不同河段和主要支流的地质地貌背景、岩石类型分布、水系组合特征以及"源-汇"系统之间物质剥蚀-堆积过程的可通达性等方面的综合论述与分析,讨论了石英ESR法在河流沉积物源示踪上的有效性及其在研究长江流域水系发育历史和沉积演化过程中的可行性。     

2021年中国北方首次沙尘天气的多源遥感分析

利用多源遥感数据和NCEP再分析资料,从沙尘源区的地理环境和气候特征出发,对2021年中国北方首次沙尘天气事件每日的大气环流形势以及沙尘的水平,垂直分布特征进行深入的研究分析.结果表明:源区内异常增温,降水稀少的气候背景下致使大面积裸露松散的土壤含水量较低,为大范围,高强度沙尘天气的形成提供了物质基础;频繁活动的冷空气,是沙尘天气爆发的动力因子.沙尘在强风中沿东南方向向下游地区输送和扩散,中国西北,华北,黄淮,江淮,江汉地区和江南北部等地先后受到沙尘天气的影响,空气质量迅速恶化,首要污染物为PM₁₀.此外,沙尘气溶胶东移也波及朝鲜半岛,日本等下游地区.在输送过程中,内陆地区沙尘主要分布在1~6km,而下游地区的沙尘则集中分布在2km高度附近,粒径较大的沙尘出现在近地表的频率较高,较小的颗粒主要分布在对流层中下层.     

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.      

沙尘天气监测及指标界定探讨

对2008年和2009年丹东市沙尘天气的气象观测和环境监测结果进行了分析。气象部门通过观测水平能见度及风速来确定沙尘天气及等级,但不能测定沙尘天气出入境时间、沙尘浓度及降尘量,沙尘夜间袭来还可能漏测;环保部门还没有沙尘天气分级技术标准,对PM10低于0．6mg／m^3的沙尘天气还没有指标确认。应整合气象部门和环保部门的沙尘天气监测资源,监测沙尘天气出入境时间、级别和沙尘落入量,共同发布沙尘天气预警和预报。     

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.     

起沙方案及Nudging对中国西北沙尘模拟的影响

利用耦合了AFWA和Shao04起沙参数化方案的WRF-Chem模式结合Nudging方法,对2020年4月9～11日发生在我国西北地区的一次沙尘天气过程进行模拟,结合地面及卫星观测数据,对模式模拟沙尘的能力进行了初步验证,分析了不同起沙方案及其结合Nudging方法后对模式模拟结果的影响。结果表明,2种起沙方案均有能力再现此次沙尘天气过程,开启Nudging后2种方案模拟出的沙尘分布结果都有所改进。对于地面沙尘模拟,在沙尘源区不开Nudging的模式模拟结果更接近观测,在沙尘影响区开启Nudging后的模拟结果更优。整体而言,结合了Nudging方法的Shao04起沙方案对我国西北地区的沙尘过程具有更好的模拟能力。Nudging方法对模式模拟风场的能力改进较为明显,从而提高了模式对沙尘的模拟能力。     

沙尘天气对兰州市PM10中主要水溶性离子的影响

利用在线监测仪器MARGA在兰州大学盘旋路校区对兰州市大气PM10中水溶性离子进行监测,监测期间(2011-04-01~2011-06-30)有15 d出现沙尘天气.兰州市PM10中主要水溶性离子物种为Ca2+、SO2-4和NO-3.扬沙天气期间NO-3和NH+4的浓度比非沙尘期间低,说明沙尘天气对当地人为源所排放污染物具有清除作用.沙尘天气期间,作为土壤污染源标识物的Mg2+、Na+和Ca2+离子都有明显增加,Na+和Mg2+相关系数为0.520,Na+和Ca2+相关系数为0.659,Mg2+和Ca2+相关系数为0.671,而非沙尘天气期间三者的相关系数并不高,Na+和Mg2+相关系数为0.065,Na+和Ca2+相关系数为0.131,Mg2+和Ca2+相关系数为0.163,说明沙尘天气期间三者之间具有相同的污染源,主要来自于土壤风沙尘,而非沙尘天气期间三者来源不同.Cl-的浓度在扬沙天气明显高于浮尘和非沙尘天气期间,说明外来的土壤风沙尘是Cl-的主要来源.     

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.     

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.     

基于SPAMS的兰州市2018年冬季沙尘天气过程细颗粒物污染特征及来源研究

2018年11月22日-12月1日,兰州市经历了一次远距离传输的沙尘天气过程,为了解此次沙尘天气过程时段细颗粒物污染特征及其污染来源变化特征,本研究基于单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）细颗粒物自动采集数据,并结合常规污染物自动监测数据和气象因子数据对沙尘天气前后及其过境期间细颗粒物化学组分及污染来源变化情况进行了分析,同时利用后向轨迹模型（HYSPLIT）研究了沙尘气溶胶的输送路径.研究结果表明：受沙尘天气过境影响,兰州市PM₁₀浓度大幅升高,PM_2.5/PM₁₀最小值仅为0.13,SO₂、NO₂、CO质量浓度出现明显降低,而O₃质量浓度在沙尘过境时有所升高;细颗粒物质量浓度与MASS数浓度变化趋势基本一致,细颗粒物的变化趋势可一定程度上反映大气细颗粒物的污染状况;利用自适应共振神经网络法分类后经人工合并将所采集到的细颗粒分为9类：OC、EC、HOC、OCEC、MD、HM、K、Na、LEV;所选时间段内SPAMS采集到的OC（24.8%）类颗粒物数量最多,沙尘过境时MD、LEV、Na类颗粒物占比不同程度增大,其余颗粒物占比减小;沙尘过境时扬尘源、生物质燃烧源、工业工艺源、餐饮及其它源贡献率增加,其中扬尘源增幅最大,而其余源贡献占比减小;后向轨迹HYSPLIT模型输送路径结果显示沙尘天气过程的起源地为塔克拉玛干沙漠,传输方向为经新疆的塔里木盆地塔克拉玛干沙漠进入青海中部,最后影响兰州地区.     

沙尘天气对北京市空气质量的影响及其预测预报

概述了北京市沙尘天气的分类、特征、判别方法,总结了2000—2002年沙尘天气对北京市空气质量的影响情况,提出了沙尘天气影响空气质量的短期(1～2d)预报方法。利用该方法预报了2002年4次主要沙尘天气过程,预报结果都比较准确。研究发现沙尘天气年际变化主要是受气候条件年际变化影响,提出根据气候条件年际变化预测来进行沙尘天气年际变化预测的初步方法。      

基于决策树的颗粒物污染类型识别方法改进——以乌海市为例

多年监测资料显示PM₁₀是影响乌海市环境空气质量的首要污染物,颗粒物污染是大气治理的重点,而明确污染类型是厘清污染成因和实现动态源解析的重要环节。因此本研究基于颗粒物源解析结果和污染物排放数据确定污染类型和识别标准后,利用乌海市环境常规监测数据,通过多参数特征比值法较为准确地识别了乌海市四种不同的颗粒物污染类型：沙尘型、扬尘型、工业型、二次与机动车型。为了克服污染识别阈值调整的主观性和繁琐性,通过CART决策树对识别过程进行了改进。基于决策树快速改进污染类型识别阈值后,颗粒物污染识别准确率大幅提高。2021年乌海市颗粒物污染以沙尘型为主,对PM₁₀和PM_2.5的贡献率分别为25.09%和15.71%。识别出了全部的颗粒物超标日,对于沙尘天气识别的准确率高达81.82%。基于决策树可以有效改进多参数特征比值法对于阈值的选取,更快速而准确地进行颗粒物污染类型识别。     

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.     

华北地区沙尘气溶胶对云辐射强迫的影响

采用CERES SSF Aqua MODIS Edition 2B/2C和CALIPSO卫星探测资料结合地面台站沙尘观测资料,通过对强沙尘天气过程中纯云区与沙尘云区大气层顶处辐射强迫值的对比分析,研究了我国华北地区沙尘气溶胶对云辐射强迫的影响.研究发现, 2006年4月16日、5月16日、2007年3月30日3次过程沙尘云区大气层顶云的净辐射强迫绝对值比纯云区分别减小了7.1%,17.2%和3.1%,云的冷却效应受到不同程度抑制.纯云区与沙尘云区云的光学特性参量的对比分析结果表明,绝大部分沙尘云区的云粒径、云水路径和光学厚度值均比纯云区的要小.     

特强沙尘暴灾害性天气的研究及展望

总结特强沙尘暴天气的研究进展,梳理分析特强沙尘暴天气的基本特征以及动力学触发机制,提出进一步的研究问题,以期加深对特强沙尘暴天气过程机理的认识.分析结果表明特强沙尘暴天气事件的季节性分布特征显著,春季居多,且多发生在下午到傍晚时段,其典型特征为突发性、局地性,持续时间相对较短,对局地的大气环境质量短时产生重大影响.旺盛的地面混合层热对流胞运动和中尺度（反）气旋性涡旋过境是特强沙尘暴天气出现的必要条件.在沙尘源区,由于午后近地层温度升高,热对流加剧,近地层热层结极不稳定,易形成地面混合层热对流胞运动;沙尘源区的热对流胞与混合层上部的中尺度（反）气旋性涡旋耦合作用,涡量通过热对流胞下传促使近地层层结内的热对流胞发展成群发性旋转对流胞,特强沙尘暴天气出现.进一步理解特强沙尘暴的风沙流特征及能量快速耗散机制,提高预测预警能力,需要加强特沙尘暴的气象观测数据积累和多尺度数值模拟.