京津风沙源地表沙尘释放及其区域分异

土壤风蚀引起的地表沙尘释放及其输移过程,是干旱半干旱区最为重要的地表过程之一.准确估算地表沙尘释放是揭示沙尘暴发生机制、阐明地表沙尘释放与陆地生态系统耦合作用的基础,也是制定防沙治沙和大气环境治理规划和决策的依据.基于野外调查、表层土壤采集及其室内实验、遥感影像以及气象站观测资料,估算了4个不同时期4个粒径组地表沙尘释放,揭示了京津风沙源地表沙尘释放的时空分布及其对粒径的响应,明确了京津风沙源不同区域和土地利用地表沙尘释放的贡献.在此基础上,从控制地表沙尘释放及其对区域大气环境中可吸入颗粒物影响的角度,提出京津风沙源治理的重点区域是农牧交错带、燕山丘陵、荒漠草原、晋北山地丘陵,治理的土地利用核心是耕地,而不是沙地,为京津风沙源治理工程的优化布局提供科学依据.     

京津风沙源土壤风蚀时空格局及其演化

为了控制土壤风蚀及其产生的沙尘释放对京津地区大气环境的影响,中国政府于21世纪初实施了具有重要战略意义的京津风沙源治理工程.通过植树种草、轮牧禁牧、土地利用优化等措施,丰富了区内生物多样性,提高了区内植被盖度,生态环境得到一定程度的改善.基于野外调查、室内实验、遥感影像反演以及气象数据,本文采用《全国水土流失动态监测规划(2018～2022年)》和《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中指定的土壤风蚀模型,计算了京津风沙源治理以来典型年份、土地利用变化和气候变化共计3种情形下土壤风蚀,揭示了京津风沙源土壤风蚀模数和强度的时空格局及其演化规律,明确了土地利用变化、气候变化对京津风沙源土壤风蚀时空格局的影响,发现气候变化导致风蚀模数和面积的变率,与当年对应的变率相当,大于土地利用变化的影响.此外,土地利用变化情形风蚀面积总体减少,尤其是2010～2015年间减小了4.10%,说明京津风沙源治理工程发挥了重要作用,为京津风沙源治理工程效益评估以及优化布局提供科学依据.     

长江三角洲区域细颗粒物和臭氧对前体物减排的响应及政策启示

大气细颗粒物(PM_2.5)和臭氧（O₃）污染已成为中国当前最严峻的大气环境问题.氮氧化物（NO_x）与挥发性有机物（VOCs）是PM_2.5和O₃的共同前体物,准确量化NO_x与VOCs对PM_2.5和O₃的非线性响应关系,是实现PM_2.5和O₃的协同防控、持续改善环境空气质量的前提.本研究构建了长江三角洲（简称长三角）地区大气PM_2.5和O₃对其前体物排放的响应曲面模型（RSM）,探究了长三角41个城市不同季节大气PM_2.5和O₃对NO_x与VOCs减排的协同响应,提出了在长三角地区应采取分区域、分阶段、分季节的PM_2.5和O₃的协同调控策略.本研究还发现长三角地区不同城市的排放-浓度响应关系具有显著差异.对于O_3<...     

2015～2020年我国主要城市PM2.5和O3污染时空变化趋势和影响因素

近些年,我国已采取了系列严格的减排措施,旨在治理大气细颗粒物(PM_2.5)和臭氧（O₃）污染.本文基于国家空气环境监测网络地面观测数据,侧重分析了我国主要城市PM_2.5和O₃时空变化趋势以及影响因素.2015～2020年PM_2.5整体呈逐步下降趋势,而O₃在2015～2019年呈整体上升趋势,但在2020年部分地区有下降趋势.结合气象要素数据,利用KZ（Kolmogorov-Zurbenko）滤波耦合逐步多元线性回归,分析了排放与气象条件影响因素对典型城市PM_2.5和O₃长期分量趋势的贡献,其中排放对二者的贡献分别约为63%～93%和40%～80%.冬季PM_2.5/CO与NO₂/SO₂由负转为正比例关系,表明在当前的减排情景下,氮氧化物对该季节PM_2.5主要二次组分形成的贡献潜势可能在增加.O₃与PM     

我国城市大气PM2.5与O3浓度相关性的时空特征分析

近些年,我国大气PM_2.5的质量浓度显著降低, O₃污染加剧.为了厘清PM_2.5和O₃浓度相关性的时空差异,本研究分析了我国城市大气PM_2.5浓度与O₃日最大8 h滑动平均值（MDA8 O₃）和大气总氧化剂（Ox=O₃+NO2）浓度之间的相关性. 2015年以来, PM_2.5与O₃双超标天数大幅下降,现阶段双超标情况主要发生在京津冀地区的4～5月.在40°N以南的地区, PM_2.5与O₃浓度的相关性呈现显著的“南高北低、夏高冬低”的时空分布规律.较强的正相关关系出现在中纬度京津冀地区的夏季以及低纬度的珠江三角洲地区,表明这些区域O₃和PM_2.5的浓度具有相同的变化趋势;而在京津冀地区的冬季,由于PM_2.5中一次组分占比增高以及较弱的O₃光化...     

中国PM2.5与O3协同控制路径

基于WRF-CAMx（the weather research and forecasting model and the comprehensive air quality model with extensions）空气质量模型定量分析了不同NO_x、挥发性有机物（volatile organic compounds,VOCs）在减排情景下全国及重点区域PM_2.5与O₃浓度变化情况,并通过引入敏感度的概念,评估PM_2.5与O₃对NO_x、VOCs减排的敏感性,直观地揭示了NO_x、VOCs减排对PM_2.5与O₃浓度改善效益,以此提出中国PM_2.5与O₃协同控制路径.模拟结果表明,NO_x减排可有效降低全国及重点区域PM_2.5与O₃浓度,减排比例较小时,PM_2.5浓度...     

2013～2020年北京大气PM2.5和O3污染演变态势与典型过程特征

细颗粒物(PM_2.5)和臭氧（O₃）是我国当前最受关注的两种大气污染物,影响空气质量并危害人体健康.本文以2013～2020年北京大气污染物浓度水平和气象数据为基础,揭示PM_2.5与O₃污染的逐年变化特征及典型污染过程的“发生-发展-消除”规律.研究表明, PM_2.5污染过程的发生频次、持续时间、峰值浓度均逐年下降;相比之下, O₃污染过程的年际变化趋势不明显,在历年的5～7月中大约1/3时间处于O3污染过程;且在2018年, O₃超标天数首次超过PM_2.5超标天数,暗示O₃可能正在取代PM_2.5成为北京空气质量超标的主要污染物.通过剖析3次PM_2.5污染过程、3次O₃污染过程、3次PM_2.5与O₃双污染过程,发现PM_2.5爆发时和O3爆发前对应着高氮氧化物（N...     

全球沙漠面积和粉尘排放量的新估算

沙漠是干旱半干旱地区最重要的地表景观,是粉尘排放的主要源区.确定全球沙漠边界、计算沙漠面积、估算沙漠的粉尘排放量对于定量评估沙漠对气候与环境的影响具有重要意义.利用中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）数据,结合支持向量机（Support Vector Machine,SVM）、试错法及目视解译技术提取了全球沙漠范围.对全球沙漠分区域进行面积和分类精度计算.利用地形、降水、蒸散、地表风速等数据对全球沙漠的环境变化进行分析.基于移动风蚀仪（Portable In-Situ Wind Erosion Laboratory,PI-SWERL）的观测数据,结合地表类型、土壤湿度和摩阻风速估算出全球沙漠的年粉尘排放量.研究表明,全球沙漠面积为～17.54×10⁶km²,总体分类精度为92.37%.沙漠多分布于地形低于2000 m、降水量不足200 mm、全年风速为4～6 m/s的极端干旱和干旱地区.沙漠每年排放～1792.65 Tg粉尘(本文指PM₁₀     

京津风沙源治理对生态系统服务的影响及其效益核算

京津风沙源区治理工程是国家为改善和优化京津及周边地区生态环境状况、减轻风沙危害实施的一项重大生态建设工程.工程实施以来,区域的土地利用、植被盖度、土壤风蚀等方面发生了深刻变化,也改变了区域生态系统服务的供给.生态系统服务及其多功能性的理论框架与定量化研究,为综合评估区域生态效益,准确厘定生态系统服务变化,深刻理解生态治理工程对区域生态系统服务的作用与影响提供了方法和途径.本文利用多源数据,从生态供给、生态调节、生境支持服务3个方面,计算了京津风沙源区生态系统服务各项指标,结合生态系统服务集成性指数(multiple ecosystem services landscape index, MESLI)和生态系统服务香农多样性指数(ecosystem services Shannon diversity index, ESHDI)等指标,评估了县域的生态系统服务多功能性,揭示了县域尺度综合生态服务的空间格局和集聚规律,阐明治理前后生态系统服务的变化特征及其空间分布,确定各类土地利用和生态系统服务的相关关系,厘清风沙治理与植被恢复工程对区域生态系统服务功能及其多功能性贡献的变化,并对治理区2...     

珠江三角洲大气夜间非均相化学反应对二次气溶胶和臭氧的影响

近年来,我国在PM_2.5治理方面取得了显著成效,而O₃污染问题日益突出.观测结果表明,珠江三角洲光化学反应活跃季PM_2.5与O₃呈现明显的正相关,但对两者之间耦合关系认识不清使得其协同控制具有很大难度.迄今为止,大部分研究主要关注日间光化学机制,而对夜间大气化学过程的认识明显不足.最新研究表明,夜间五氧化二氮（N₂O₅）非均相反应是PM_2.5和O₃生成的重要潜在机制,不仅对二次硝酸盐生成具有重要贡献,而且其非均相反应产物硝酰氯（ClNO₂）在次日清晨的光解对促进大气氧化性也有重要影响.本研究于2018年10月在臭氧污染较严重季节对深圳城市大气中N₂O₅和ClNO₂进行了在线测量,基于气相和颗粒相污染物变化对N₂O₅的非均相反应进行量化计算与活性评估.观测结果表明,夜间N_2<...     

加强O3和PM2.5协同控制,持续改善我国环境空气质量

<正>我国自2013年发布《大气污染防治行动计划》以来,在保持经济快速发展的同时,大气环境质量明显改善.在六项常规污染物中,二氧化硫（SO₂）、细颗粒物(PM_2.5)、可吸入颗粒物(PM₁₀)、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）浓度均显著下降[1].但我国大气污染形势依然严峻, PM_2.5浓度距离世界卫生组织的推荐值仍然有较大差距;     

我国PM2.5和臭氧污染前体物排放源清单的现状与质量评估

大气污染源排放清单是研究细颗粒物(PM_2.5)和臭氧污染成因、制定PM_2.5和臭氧污染精准协同防控策略的重要基础数据.依托国家科技项目以及各级管理部门的强力推进,近年来我国PM_2.5和臭氧污染前体物排放清单研究与编制工作得到了迅速发展,积累了相对完善的本土前体物排放因子及PM_2.5和VOCs成分谱数据集,建立了较为系统的前体物排放清单表征方法和编制指南;交通、卫星等大数据和多种校验评估方法逐渐得到重视与应用,污染源和污染物种覆盖逐渐精细化, VOCs组分排放清单逐渐受到关注,各种尺度前体物排放清单的时空分辨率、时效性和可靠性有了显著提升,基本满足区域和城市开展PM_2.5与臭氧污染防控对排放源清单的需求.尽管如此,我国前体物排放清单依然存在不确定性较大、排放因子和成分谱数据建立缺乏规范化评估、组分清单校验薄弱、排放源清单编制质量评估方法缺失等不足.未来工作需要在排放因子和成分谱数据集规范化、排放清单校验与质量评估方法指南编制、近实时和短临预测排放清单方法学与业务化、不同类型排放清...     

内蒙古浑善达克沙地和河北坝上地区不同地表覆盖类型对北京沙尘天气物源的贡献

根据野外土壤和植被调查以及实验室分析的结果, 探讨了内蒙古浑善达克沙地和河北坝上地区不同地表覆盖类型与北京沙尘天气物源之间的关系. 粒度分析结果表明, 流动沙地单位面积可释放的沙尘量小, 而低湿地草甸、石质丘陵草甸草原等单位面积内可释放的沙尘量大. 进一步考虑地表植被覆盖状况的影响, 可以认为, 作为荒漠化结果的流动沙地只是作为过去沙尘天气的物源, 当前单位面积沙尘释放的能力低, 而正处于荒漠化过程中的大面积的石质丘陵典型草原在同样的气候条件下单位面积内具有较高的释放能力. 农田如果春季耕翻, 则具有一定的沙尘释放能力, 而退耕/撂荒地上出现大量的一年生草本植物, 对起沙过程有一定的抑制作用. 固定沙地、石质丘陵草甸草原、低湿地草甸等由于多年生草本植物的覆盖率高, 单位面积内沙尘释放的能力低. 未来气候变化引起的沙丘活化以及湖泊和低湿地变干则可能使它们成为沙尘天气的潜在物源.     

长江三角洲区域大气PM2.5和臭氧污染协同控制路径

国家“碳达峰、碳中和”战略目标（以下简称“双碳”目标）的提出对长江三角洲（以下简称长三角）高质量一体化发展赋予了新的要求.本文基于长三角区域精细化排放清单和WRF-CMAQ模型,模拟了不同政策情景下区域空气质量改善情况.结果显示,绿色低碳情景（CP）较趋势照常情景（BAU）和末端强化情景（EP）具有更大的减排潜力,是实现绿色美丽长三角目标的重要路径.CP情景下,与2017年相比,预计2025年SO₂、NO_x、NMVOCs（non-methane volatile organic compounds）、一次PM_2.5排放将分别下降55.1%、26.5%、25.2%、27%;2035年,则将分别下降66%、56.4%、36.1%、39.4%.截至2035年,区域PM_2.5年均值和臭氧日8 h最大值第90百分位数（O₃-8 h 90th）将分别达到26和129μg m^-3,50%地级市PM_2.5年均浓度将达到世界卫生组织第二阶段指导值.综合...     

便携式粉尘观测仪测定腾格里沙漠和毛乌素沙地PM_(10)释放通量

中国北方沙漠和沙地是亚洲粉尘释放的重要源区,定量估算这一地区的粉尘释放量有助于评估区域大气环境质量及其气候效应.目前,对中国北方粉尘释放量的估算主要是基于模拟结果,野外直接观测数据很少.利用一种新型的粉尘释放观测仪器——便携式粉尘观测仪(PI-SWERL),测量腾格里沙漠和毛乌素沙地若干典型地表(沙丘、干湖、灌丛沙丘、河流冲积物等)的粉尘释放通量,获得了不同地表潜在粉尘释放量的直接观测数据.结果表明,不同地表的PM10释放通量存在较大差异,但均随摩阻风速的增加而增加.在相同的摩阻风速U*=0.55 m/s条件下,灌丛沙丘的PM10通量最高(0.70~10.23 mg/(m2 s)),河流冲积物次之(0.12~4.97 mg/(m2 s)),干湖湖底、沙丘等地表的通量较小(0.5 mg/(m2 s)).对比试验表明,破碎结壳地表释放的PM10通量是未破碎结壳的几倍甚至几十倍;披覆松散沙粒结壳地面的PM10释放通量高出未披覆的1~2个数量级.对比前人研究结果,PI-SWERL可以较好地反映不同源区粉尘释放的差异,对定量评估区域乃至全球的粉尘释放量等具有重要意义.     

2000～2018年京津风沙源沙化土地时空动态与归因分析

沙地土地变化信息是京津风沙源治理工程成效评估核心指标之一.为深入调查京津风沙源沙化土地变化状况及驱动因素,本研究首先利用Landsat系列影像,构建了基于面向对象、决策树与变化检测的沙化土地动态监测体系,实现了京津风沙源2000、2010、2015及2018年4期沙化土地分布制图.在此基础上,开展了京津风沙源沙化土地时空动态变化及驱动因素分析.结果表明,(1)京津风沙源工程区沙化土地持续减少, 2000～2018年间年均减少323.94 km2, 2015年后减少速率明显加快;(2)沙化土地总体向沙化程度降低方向转换,流动沙地减少和沙化耕地增加最为明显,相对变化比例分别为18.52%和47.47%,其中流动沙地变化中有56.89%转换为半固定沙地,固定沙地变化中有27.57%转为沙化耕地,较为突出;(3)人类活动及其与自然因素共同作用是沙化土地变化的主要驱动因素,占比分别为52.49%与29.74%,自然因素主导的变化不到1%,京津风沙源治理工程在沙化土地治理上成效明显;(4)沙化土地明显减少的同时,流动沙地仍有较大面积分布,仍有一定比例的退化发生,也存在大量的沙地开垦现象,未来应予以...     

关于人为地表结构破损与土壤风蚀关系的定量研究

W.S.Chepil等在50年代至60年代曾系统地研究了各种自然因子对土壤风蚀的影响,建立了土壤风蚀方程.董光荣等在我国率先开展的风蚀因子实验研究探讨了土地翻耕、放牧等经济活动引起的地表结构破损对土壤风蚀的影响,但尚未给出定量关系.本文试图以风洞实验研究人为地表结构破损程度与土壤风蚀强度之间的定量关系.     

不同时间尺度上PM2.5与臭氧协同关系及其影响因素分析

PM_2.5和O₃（P-O）协同控制是持续改善我国空气质量的关键,识别我国重要地区P-O协同关系及其影响因素是实施P-O协同控制的基础.本研究选取华北平原（NCP）地区和长江三角洲（YRD）地区,分析了2019年不同季节和时间尺度P-O协同关系.结合北京、石家庄、上海、南京全年PM_2.5化学组分和气象要素数据,运用相关性分析,探究主导P-O协同关系的化学组分以及气象条件对P-O关系的影响.结果表明,不同时间尺度P-O协同关系及其主导组分不同.日均尺度上,除NCP地区的秋、冬季外,两个地区其他季节的P-O之间皆呈现正协同关系,尤其夏季P-O为强的正协同关系（COR≥0.5）;而小时尺度仅夏季仍为正协同关系.P-O关系还存在区域差异,南方皆强于北方,近海强于内陆.日均尺度,夏季P-O正相关是主要组分共同驱动,化学协同作用主导;除夏季外,组分硫酸盐(SO₄^2-)和一次有机碳（POC）主导NCP城市的P-O协同关系,而主导YRD城市的是硝酸盐（NO₃^-     

封面说明

<正>中国北方沙漠、沙地是粉尘释放的重要源区,定量估算这一区域的粉尘释放量有助于评估大气环境质量及其气候效应.目前,对中国北方粉尘释放量的估算主要是基于模型模拟,野外直接观测数据很少.便携式粉尘观测仪(PI-SWERL)是一种新型仪器,与风洞实验原理类似,但简单轻便、易于操作,能较好地反映微地貌粉尘排放量的差异.南京大学鹿化煜等人应用PISWER L对腾格里沙漠和毛乌素沙地的沙丘、干湖、灌丛沙丘、河流冲积物等典型地表的PM10释放通量进行观     

大气中高风险新污染物的筛查进展及展望

空气污染是全球关注的重大环境问题.虽然近年来空气污染水平呈下降趋势,但相同质量PM_2.5可能具有不同的毒性强度.亟需突破当前仅基于PM_2.5浓度的大气污染控制政策,充分考虑气溶胶的关键危害组分.由于大气组成成分和来源极其复杂,识别大气中未知污染物,尤其是高风险有机污染物面临巨大挑战.本文系统性回顾了通过环境分析和毒性评估,或结合生物分析和化学分析手段,从室外空气、室内空气和个体暴露空气样本中筛查高风险新污染物的策略和最新研究成果.面对空气污染所带来的持续挑战,提出需进一步优化筛查方法,呼吁从暴露组角度开展全链条多方位研究,以深化对大气中高风险新污染物的认知,为建立面向人民生命健康的精准环境治理策略,推动新污染物治理和健康中国建设提供数据支撑.