东亚沙尘源地、沙尘输送路径的遥感研究

东亚沙尘灾害严重影响东亚各国的生态环境 ,在源地大量侵蚀表层土壤 ,在输送过程中严重污染大气环境质量。此外 ,作为气溶胶 ,对区域辐射平衡和天气系统产生重大影响。本文利用 Sea Wi FS遥感数据分析了东亚沙尘灾害的源地、沙尘输送路径 ,结果显示 :东亚沙尘的三个主要源地是蒙古的戈壁、内蒙古中西部的沙漠戈壁和塔克拉玛干沙漠。沙尘输送路径有北路、中路和南路三条 ,北路主要影响中国的东北地区 ,中路主要影响中国的华北地区 ,南路主要影响中国的华中、华东地区。通过遥感确定沙尘源地和沙尘输送路径对于东亚沙尘灾害的治理有指导意义 ,也是对沙尘大气模式的一种检验。

一次沙尘暴天气及沙尘输送过程的数值模拟

运用ＭＭ４中尺度动力学模式结合沙尘气溶胶传输模式，模拟分析了１９９２年４月２２日发生的一次沙尘暴天气及沙尘输送过程。得出蒙古气旋冷锋后的大风是沙尘扬起的主要动力，锋区强烈的上升气流将沙尘输送到高层，沙尘的水平输送主要随冷锋一起向下游扩散。蒙古气旋的生成与发展主要取决于南下冷空气的强度、中纬度锋区条件以及温压场所形成的斜压不稳定条件。

沙尘输送模式的不确定性分析

利用一个远距离输送的沙尘模式估计了由于参数化过程(干沉降速度)和输入资料(源强和水平风场)的误差造成沙尘模拟的不确定性。通过对以上参数分别进行敏感性试验,分析了模式对2002年3月15～24日期间中国东部地区两次主要沙尘过程模拟的不确定性。结果显示,源区的潜在源强和气象水平风场的不确定性对模拟结果的影响最大,而干沉降速度的影响相对较小。同时,对不同区域[西部(<95°E)、中部(95°E～110°E)和东部(>110°E)]的潜在源强和干沉降速度参数进行敏感性试验发现,中部区域的参数设置对模拟结果的影响最大,而西部和东部区域的参数变化对模拟结果的影响很小。此外,不同高度的风场影响也不一样:地面风速影响最大,中层的影响较小,而高层(约6km高度以上)的风场几乎没有影响。

一次沙尘暴中尺度低压和沙尘输送的数值模拟

利用ＰＳＵ／ＮＣＡＲ中尺度数值模式（ＭＭ４），以常规观测资料为初始场，成功地模拟了造成“９４．４．５”沙尘暴天气的主要天气系统张掖热低压。并通过给原有的中尺度模式系统加入沙尘输送方程和驱动地面沙尘抬升参数化方案，用改进后的中尺度数值模式系统，成功地模拟了沙尘抬升和输送，与实况比较一致。

沙尘辐射效应对天气和沙尘输送影响的数值模拟

现有的沙尘气溶胶数值预报模式大多是单向模式,即只考虑气象场对沙尘气溶胶的输送作用,而忽略沙尘气溶胶的辐射效应对气象场的反馈作用。本文利用一个考虑了沙尘气溶胶短波辐射效应的天气-沙尘双向模式,对南疆盆地一次冷空气东侵而引起的沙尘天气进行数值模拟。通过比较考虑与不考虑辐射效应的两组试验,分析了在沙尘暴-强浮尘过程中沙尘辐射效应对气象要素和沙尘输送的影响,结果表明:沙尘辐射效应的考虑明显改进后期强浮尘天气过程中海平面气压变化、地面气温日变化和气温垂直变化的预报;前期沙尘暴过程沙尘辐射效应引起中低层主导风增大,但同时使起沙量降低及沉降量减少;沙尘辐射效应与地形的共同作用使沙尘的沉降量比起沙量减少的更显著,从而使盆地内浮尘天气维持。

2020年春季中国北方一次扬沙天气过程微气象学与沙尘输送特征

利用内蒙古科尔沁沙地和沈阳地区同步气象要素梯度观测和地面大气颗粒物(PM_(2.5)和PM_(10))质量浓度观测资料,分析了中国北方地区2020年5月10日一次大范围扬沙天气过程微气象学和沙尘输送特征。结果表明:受大尺度天气系统影响,此次沙尘天气过程中科尔沁沙地不同高度(<20 m)风速均明显增加,各层相对湿度和浅层地表含水量有所降低,较强湍流动力作用配合干燥的土壤和大气环境有利于沙源地区地表大量的沙尘粒子释放到大气中。此后这些沙尘粒子随较强的西北气流集中在2—3 km以下高度向下游地区输送。受沙尘输送的影响,沈阳地区10日小时平均PM_(10)浓度最高达817μg·m^(-3),能见度减小至3.7 km。此外,科尔沁沙地起沙过程中能见度与摩擦速度存在明显的反相关关系(相关系数R^(2)=0.93),与湍流动力学热通量相关性相对较小,表明湍流动力作用在此次起沙过程占主导作用。

沙尘输送对九江市大气颗粒物浓度的影响

利用2016年4月—2017年4月九江市环境监测站环保资料、手工采集分析的PM2.5和PM10颗粒物的组分数据及气象站地面观测资料,对沙尘输送污染特征选典型案例进行分析。结果表明:尽管九江市不处于我国沙尘传输的主要通道上,但受大气区域输送作用仍能受到沙尘的影响。环境大气中的细颗粒物在大气中的寿命在几天到几周之间,在此期间通过天气系统的作用可以长距离传输,影响范围可以达到区域乃至全球尺度。九江市天然的地形地貌配合主导风的“山谷风”环流效应及气溶胶的辐射效应,一定程度上阻挡了污染物的进一步扩散,在九江市内积聚累积。

2002年3月20日沙尘暴天气的影响系统、起沙和输送的数值模拟

近年来,东亚地区严重沙尘暴的频发趋势,使沙尘暴成为当今社会广泛关注的重大生态和环境问题。本文利用一个以较高精度的地理信息数据为基础、具有清晰风蚀物理学概念的沙尘暴数值模式集成系统,对2002年3月19～22日主要沙尘暴事件的气象背景条件、起沙源、起沙率以及沙尘输送进行了模拟和较为细致的数值分析,并将结果与常规气象观测和卫星资料进行了对比。结果表明该模式对气象背景、沙尘源和沙尘输送的空间分布和时间演变有较好的模拟能力;起沙区域主要是蒙古国的巴彦洪戈尔省南部、南戈壁、东戈壁省,我国内蒙古阿拉善盟地区、锡林郭勒盟地区、甘肃北部和青海北部;起尘量最大的中心在内蒙古阿拉善盟地区的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠,平均达15mgm-2s-1;沙尘输送主要发生在对流层低层,在垂直运动较强的地方可以向上输送到500hPa。

一次向西输送的亚洲沙尘过程

一般情况下发生在中国和蒙古国的沙尘天气是向东移动的。对2004年11月24～27日新疆北部的NOAA—AVHRR遥感数据进行沙尘提取发现，在新疆北部的古尔班通古特沙漠发生了明显的沙尘现象，沙尘却向西移动，经过阿拉山口向哈萨克斯坦输送。使用地面台站的观测数据对此进行了验证，发现地面确实观测到了沙尘现象，而且在850hPa的高空存在明显的偏东大风，这说明近地面的东风将沙尘向西输送，导致沙漠西面的台站观测到沙尘现象。

2002年和2003年春季中国沙尘暴形成和输送的对比分析

20 0 2年春季中国华北和东北发生了数场强沙尘暴天气。而 2 0 0 3年春季沙尘暴发生次数较少且强度也弱。为了解这两年沙尘暴差异的原因 ,作者用NCEP/NCAR再分析资料对两年中 3、 4月份候距平进行了分析。从侯距平图可看出 ,2 0 0 2年负距平区主要位于华北和东北 ,并与发生大范围沙尘暴天气的区域相吻合 ,这与东亚大槽的发展与演变有关。在 2 0 0 3年高度场的距平图中 ,高度场的负侯距平多位于我国西部 ,这是因中纬度长波槽是在西部地区发展形成的。从月平均风资料分析 ,2 0 0 2年风速大于 6ms- 1 的区域也与强沙尘暴区一致。 2 0 0 3年两个月中 ,我国大部地区风速都偏小。虽然 2 0 0 3年 4月在东北有大于 6ms- 1 的风区 ,但不在我国主要的沙漠化地区。通过对大气环流及地表参数的分析 ,作者认为沙尘暴的易发地区多是干旱与半干旱地区 ,植被的生长能力弱 ;在降水没有比常年显著增加并使地面植被生长有明显改善的情况下 ,大气动力因素相对地面参数而言是主导沙尘暴年际变化的主要因子。

一个适用于我国北方的沙尘暴天气数值预测系统及其应用试验

将澳大利亚新南威尔士大学 (UNSW )邵亚平发展的具有清晰风蚀物理学概念的起沙数值模式、输送模式与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合 ,以高精度中国区域的GIS (GeographicInformationSystem)数据为基础 ,建立了一个较完整的沙尘暴起沙和输送过程的预测系统。该预测系统可以预测地面起沙率和大气中沙尘浓度。在此基础上 ,采用该系统对 2 0 0 2年 3～ 4月 3次影响我国北方大部分地区的沙尘 (暴 )天气的起沙和输送过程进行了模拟试验。试验结果表明模拟的沙尘浓度与地面天气现象及卫星云图的沙尘天气范围比较一致 ,预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力。北方上述大范围沙尘天气的沙尘源地为蒙古国的南戈壁省、东戈壁省 ,内蒙古中西部 ,河北省北部 ,山西省东北部 ,甘肃和青海北部等地区。起沙中贡献最大的粒子粒径为 2～ 1 1μm和 1 1～ 2 2 μm ,能够长时间、长距离输送的沙尘也是上述大小的粒子 ,沙尘粒子的垂直输送高度一般在 5 0

2006年春季一次引起华北地区强沉降的沙尘暴过程的模拟研究

2006年春季是我国北方地区2000年以来强沙尘暴过程最多的一年，浮尘和扬沙天气更是频繁发生。尽管，4月16-17日过程不是2006年春季最强的沙尘暴过程，但其在华北地区引起了严重的沉降，尤其对京津地区影响较大。这是一次由蒙古气旋引发的强沙尘暴过程。利用沙尘天气预测系统（IAPS2．0）对该次强沙尘暴过程进行了模拟试验，结果表明：该系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力，基本模拟出了这次强沙尘暴的发生和移动；沙尘受对流层中低层偏西风的作用输送到华北地区，并从山东半岛越过渤海湾向东输送；主要的沙尘源地是蒙古国南部和我国西北的内蒙古、新疆西部、甘肃、陕西北部，而起尘最大的地区在蒙古国和内蒙古的沙漠、戈壁地区；沉降最严重的地区是沙尘源区及其附近，可达到50g·m^-1，其他地区的总沉降量在10g·m^-2左右。

2004年春季一次较强沙尘暴的实时预报与特征分析

首先对2004年春季最强的一次沙尘天气过程进行了简要分析，然后利用业务化的集成沙尘数值预报系统对其进行了数值预报试验，并在检验了预测结果的可用性的基础上，进一步分析了沙尘浓度、起沙量等模式输出结果的特征。结果表明：该预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程预报能力较好；对沙尘天气的发生、发展和消亡过程有预报意义。这次过程的沙尘源地主要是蒙古国南部和中蒙边境沙地，包括毛乌素沙地、腾格里沙漠和浑善达克沙地；起沙和输送过程中各种粒子的贡献随着沙尘天气发生区域的不同而不同，这次过程中起沙量贡献主要是粒径为2～22μm的粒子，在大气中长时间长距离输送的粒子主要是粒径小于11μm的粒子。

中国西北地区一次典型沙尘过程分析

基于卫星遥感资料、再分析数据、数值模式和中国环境监测数据,分析了2018年4月1~4日中国西北地区一次典型的沙尘爆发、输送过程,并探讨了该次沙尘事件对空气质量的影响。结果表明,该次沙尘事件主要是由冷锋和大风引起的,分为两个阶段:4月1~3日,翻越天山和绕流而至的冷空气与该地暖空气交汇形成冷锋,引起塔克拉玛干沙漠起沙,这些沙尘随西风向东输送,使得哈密、嘉峪关、张掖、武威和兰州等城市PM10、PM2.5质量浓度自西向东依次升高,空气污染加重;4月4日,西北风在地形的作用下风力加大,强风掠过植被稀疏地表产生较强的起沙,西北地区多个城市的PM10、PM2.5质量浓度几乎同时剧增,引发了严重的空气污染。其中,PM10是该次沙尘过程中的主要的大气污染物,是导致空气质量下降的主要原因。

一次典型沙尘天气过程对甘肃空气质量的影响

利用气象信息综合分析处理系统气象数据、ERA-Interim再分析资料,结合后向轨迹模式(HYSPLIT)、中分辨率成像光谱仪卫星数据和逐小时空气质量数据,分析了一次典型的甘肃沙尘天气过程的成因及其影响.结果表明,此次沙尘天气是由高空槽东移发展,冷空气南下,配合地面高压系统和锋面东移,冷锋后强气压梯度形成大风造成的;HYSPLIT模式模拟结果与气溶胶光学厚度分布显示沙尘天气沿西北路径传输,沙尘源地位于南疆地区,沿河西走廊向东南传输至陇中地区;沙尘天气发生前沙尘源地气温上升造成土壤湿度下降,低层大气处于不稳定状态,有利于起沙,沙尘期间各层水平风速均较大,有利于沙尘的水平输送;沙尘源地和武威沙尘加强区中低层的垂直方向皆为上升运动,有利于将沙尘源地的沙尘粒子带入高空,传输路径中的酒泉、张掖和兰州为下沉运动,有利于将沙尘带至近地面,形成沙尘天气.沙尘天气影响了甘肃绝大部分地区的空气质量,影响由西北向东南减弱,7个城市空气质量指数≥500的持续时间超过10 h,张掖达19 h,酒泉、武威和兰州达16h;沙尘天气对甘肃各城市污染物质量浓度的影响由西北向东南减弱,对甘肃中西部城市颗粒物质量浓度影响最大:武威w(PM10)最大值达8771μg/m3,是沙尘天气发生前的258倍,w(PM2.5)最大值为1516μg/m3,是沙尘天气发生前的95倍,沙尘天气期间风速增大,省内中西部城市气态污染物质量浓度下降,兰州w(SO2)由沙尘天气前30μg/m3以上,最高80μg/m3降至沙尘天气时的20μg/m3以下,w(NO2)由65μg/m3以上,最高123μg/m3,降至沙尘天气时的30μg/m3以下,沙尘天气结束后气态污染物质量浓度缓慢上升.

兰州市一次持续重污染过程的气象条件分析

利用常规气象观测资料、PM10浓度资料及ERA-5再分析资料,对2021年3月14~21日兰州地区一次持续性重污染过程进行分析,结果表明:此次兰州重污染过程主要污染物为PM10,主要来源是输入性沙尘,上游甘肃河西西部、内蒙古西部及蒙古中部在13日傍晚到夜间、14~15日及19日清晨有3个起沙过程;连续3次沙尘输入以及本地沉降缓慢是重污染过程持续时间长的主要原因.沙尘的输送路径主要是河套-宁夏-兰州及阿拉善-宁夏南部-兰州;输送高度主要在1.5~3km.上游白银、中卫的地面风速增大可以预报兰州市沙尘天气的减弱,下沉对流能的突变可以预报兰州市PM10浓度的增加,混合层厚度大值中心的位置和移动方向可以指示沙尘输送的方向.

中国北方东部地区春季降尘量及其环境意义

中国北方东部地区2001—2002年春季降尘量分布特征的研究表明,研究区平均春季降尘量为127.05t·km^-2,约占全年的一半,且主要集中在3、4月;春季降尘以近源沉积为主,因此降尘量的空间分布主要受局部环境的影响;除中沙外,降尘总量和降尘中其他组分的沉积量随距离均呈现指数递减趋势,且粒度越大的颗粒物,其半衰距离越短;更新世时期黄土高原平均每年流失的黄土至少已达1亿t,现在黄土高原每年实际流失的黄土大约为14.4亿t,如以此侵蚀速度持续下去,黄土高原将在6.6-13.2万a之内被侵蚀完毕。

上海地区一次典型空气污染过程分析

利用上海地区大气污染物监测资料和美国环境预报中心(NCEP)逐6 h的1°×1°全球再分析资料,结合微脉冲激光雷达数据反演的气溶胶消光系数和美国NOAA研制的轨迹模式HYSPLIT气流后向轨迹的模拟结果,分析了2014年5月25—30日上海地区一次严重空气污染天气过程,初步探讨了此次污染过程的污染物源、输送路径、气象条件及大气边界层特征。结果表明:上海地区此次空气污染过程以PM2.5影响为主,主要受沙尘外源性输入和秸秆燃烧共同影响,过程持续时间长;中低空(850—700 h Pa)水平输送、垂直风场分布及大气层结变化为此次空气污染过程的发生提供了有利条件;微脉冲激光雷达监测的距离平方订正回波信号强度、气溶胶消光系数和PM2.5浓度之间存在正相关关系,对上海地区污染天气过程的预报具有重要指示意义。

The Cross-Correlation Function as a Tool for Detecting Source-Receptor Relationships:Application to Asian Dust Transport to North America

The cross-correlation function was used in conjunction with the daily values of the aerosol index (AI) from the Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) to establish and qualify a source-receptor relationship between dust over the Gobi desert and the West Coast of the United States.An objective method that can be used to determine the trajectory of dust transport and the transportation time at different locations along the trajectory across the Pacific are presented in this report.The spring season was analyzed (March to May),and the results showed that dust reaches the western United States in approximately five to six days.Although dust transport from the Gobi desert was demonstrated in the present study,the proposed cross-correlation technique can be applied to other regions and can be used to obtain useful insights on relationships between major dust sources and downwind receptor locations utilizing remotely sensed dust estimates.

沙漠地区不同下垫面近地表沙尘水平通量研究

沙漠地区近地表水平输送的沙尘物质通量及其随高度的变化特征直接影响着沙尘的输送过程。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型沙丘、平沙地为观测点,利用BSNE集沙仪,对2008—2009年11次典型沙尘天气过程中近地表0～200 cm不同高度层沙尘物质的水平输送进行了测量,对其随高度变化特征进行分析,计算近地表水平运动的总沙尘通量。结果表明：近地表0～200 cm范围内,在沙丘顶部和平沙地沙尘水平通量均随高度呈显著降低趋势,在这2种下垫面条件下,沙尘水平通量随高度的变化均较好地符合幂函数关系;在沙丘顶部,通过100 cm（宽度）×200 cm（高度）空间断面的总沙尘水平通量为3 721.0 kg,平沙地通过相同大小断面的沙尘水平通量为2 252.9 kg,比沙丘顶部减少了39.5%;沙丘顶部与平沙地PM80的总水平通量分别为996.8 kg和678.9 kg。