南疆西部沙尘天气长期变化及突变特征分析

利用南疆西部15个国家气象站1961—2019年逐日沙尘天气资料，采用气候倾向率和统计检验等方法对南疆西部沙尘天气的时空变化特征进行分析。研究表明：春季为南疆西部沙尘暴及浮尘天气出现最多的季节、扬沙天气出现次多的季节，分别占全年沙尘暴、扬沙、浮尘的49%、38%、43%；夏季为扬沙天气出现最多的季节、是沙尘暴、浮尘天气出现次多的季节，分别占全年沙尘暴、扬沙、浮尘的35%、43%、35%；冬季为低频季节，发生占比分别为7%、6%、14%。南疆西部沙尘天气呈东多西少特征，山区沙尘天气日数明显少于平原，浮尘天气平原地区分布均匀，沙尘暴、扬沙平原东部和南部区域多于平原腹地。沙尘天气日数年际变化振幅较大，沙尘暴、扬沙、浮尘日数整体呈明显减少趋势。浮尘年际变化周期显著，其次为扬沙与沙尘暴，1984和1977年为沙尘暴、浮尘统计定义上的突变年份，扬沙存在2个突变点，分别为1982和1992年。沙尘暴和扬沙的主导风向为偏西北风，浮尘主导风向为偏东北风，主导风向与地形影响关联密切。     

2007—2011年塔克拉玛干沙漠腹地太阳辐射观测研究

利用塔克拉玛干沙漠塔中大气环境观测试验站2007年1月至201 1年12月总辐射、散射辐射和直接辐射观测资料,分析了塔克拉玛干沙漠腹地太阳总辐射、散射辐射和水平面直接辐射的主要特征。结果表明:塔克拉玛干沙漠腹地总辐射、散射辐射和水平面直接辐射平均年总量分别为6619.0、3507.8和2203.5 MJ·m~(-2)。典型晴天总辐射日峰值分别为散射辐射的2.4倍和直接辐射的1.5倍。沙尘暴天散射辐射值增加到与总辐射基本一致,而直接辐射衰减最明显。当太阳高度角20°时,散射辐射随总云量的增加而增大,且秋、冬两季增幅明显。     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的辐射强迫

利用2001年春季浑善达克沙地外场观测的辐射资料及大气辐射模式,对沙尘气溶胶的局地辐射强迫进行了分析和模拟估算。计算结果表明,浑善达克沙地大气透过率日变化显著,晴天可达0.80以上,沙尘天气最低在0.01以下;白天沙尘的辐射强迫对地表有冷却作用,夜间起保温作用。观测期间,平均大气透过率为0.6,白天沙尘对地面向下长波辐射的平均强迫增加量为16.76 W.m-2,对地面净辐射能收支的平均强迫减少量为62.76 W.m-2;夜间地表长波辐射净损失量因沙尘作用减少,平均为67.84 W.m-2。     

1997-2007年塔克拉玛干沙漠腹地沙尘天气变化特征

利用塔中及沙漠周边气象站1997-2007年11a的地面观测资料,分析了该地区沙尘天气的气候变化特征.结果表明:该地区沙尘天气以浮尘天气为主,扬沙次之,沙尘暴最少,年平均日数分别为97.4d、59.6d、15.8d;具有明显的季节变化和年际变化,每年3月至8月是沙尘天气的多发时段,占了历年平均数79.6%,浮尘和扬沙年日数呈上升趋势,沙尘暴反之.沙尘天气总体分布特征遵循从东往西南到南面逐渐增多,塔中并不是沙尘天气出现最多的地区.温度在19～33℃、相对湿度在10%～16%、风速≥7m/s范围里且在偏东风和偏北风情况下,沙尘暴天气发生几率最高.     

基于逐时数据的南疆沙尘天气精细化特征研究

利用2006—2019年南疆地区55个国家站的逐日观测和自动站小时数据资料,研究沙尘发生的精细化特征及沙尘暴起沙风速指标阈值。结果表明：南疆沙尘中心位于塔里木盆地中部至其南缘的民丰和且末一线,表现为中部多,东部西部少的分布特点,浮尘和沙尘暴的中心在民丰,而扬沙中心在塔中站;沙尘天气季节差异明显,秋、冬季沙尘最少,以浮尘为主,春、夏季是沙尘天气的高发季节,浮尘日与扬沙日数接近,约为沙尘暴的2倍,沙尘暴、扬沙的季节差异比浮尘天气更为明显;沙尘日变化呈白天多于夜间,下午多于上午的分布特点,18—20时是南疆地区出现沙尘暴、扬沙天气的高频时段;扬沙和沙尘暴的平均持续时间短,一般不超过3 h,巴州东南部平均持续时间最长;南疆不同地区沙尘天气发生的最小风速差异较大,存在区域性规律,而极大风速分布呈东部大于西部,北部大于南部,塔里木盆地中部和南部最小,春季的极大风速平均值大于夏季,差值较小的地区在和田地区,春季的极大风速离散度也较夏季大,各站极大风速的最小值范围在1.6—9.8 m·s^-1之间。     

大同地区典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征的对比分析

利用2009年3月-2010年3月大同国家基准气候站20m气象梯度塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料及PM10质量浓度数据、气溶胶散射系数数据,分析大同地区典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征。结果表明,风速在沙尘暴、扬沙的发生、发展过程中均较大,浮尘较小。气温在沙尘暴期间受冷空气的影响迅速减小,而在扬沙和浮尘天气条件下温度的变化主要取决于长短波辐射的强弱和沙尘气溶胶的辐射强迫。相对湿度在沙尘暴期间基本上呈递增态势,结束后比发生前相对湿度增大,在扬沙和浮尘天气条件下,相对湿度与温度完全呈现出反相关关系,且相对湿度均较小。PM10质量浓度在沙尘暴、扬沙、浮尘天气条件下依次递减。沙尘暴期间气溶胶散射系数明显增大。     

陕西沙尘暴时空分布、成因及防御对策分析

前　言和我国北方大部分地区一样 ,今年春季 ,陕西沙尘天气 (沙尘暴、扬沙和浮尘 )频繁 ,陕北长城沿线榆林、横山、靖边、定边仅 4月份就出现沙尘暴 3～ 5次 ,扬沙 6 1 5次 ,浮尘 2 3次 ,其中 ,定边春季 ( 3～ 5月 )共出现沙尘暴1 2次 ,扬沙、浮尘 32次。 4月 9日、1 3日、1 9日和 2 9日古城西安出现的 4次扬沙天气 ,更是引起了各级政府和广大群众的高度重视。为此 ,我们对陕西沙尘暴的时空分布、形成原因及防御对策进行了分析 ;对历史上沙尘暴天气对应的大气环流特征进行分析归纳 ,划分为不同的大气环流类型 ,建立沙尘暴归类判别分析预报模…     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶对低层大气的加热效应

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2006年8月1日-2007年7月31日近地层80 m铁塔逐时温度、辐射和5 minPM10浓度、黑碳(BC)质量浓度、散射系数等数据,结合地面常规气象数据筛选出四季沙尘过程,剔除云的影响,以每次沙尘过程的晴空为大气背景值,分析沙尘气溶胶对低层大气的加热效应.结果表明,沙漠腹地沙尘过程对低层大气日平均温度有显著的增温效应,扬沙在冬、春季最剧烈,日平均温度分别高出晴空3.4和3.8℃,沙尘暴其次,浮尘最小.沙尘过程显著地增大了大气逆辐射量,沙尘暴日平均为晴空的1.24倍,扬沙为晴空的1.21倍.沙尘影响低层大气温度梯度分布,显著缩短了大气的逆温时间,减弱了逆温强度.沙尘过程对低层大气增温的原因,春季是大粒子浓度的显著增大,冬季是吸收性粒子的增多,而夏、秋季则为小粒子浓度的增大和散射系数的增大.低层大气温度梯度在扬沙天气随PM10的增加而减小,主要由低层10m以下大气温度变化引起;浮尘天气主要与小粒子浓度关系密切,其影响高度最大,春、夏季可以达全层80 m,秋、冬季也可超过32 m;沙尘暴一致性较差,除秋季外,均由2 m以内温度变化所致.     

北京不同区域气溶胶辐射效应

采用大气辐射传输模式SES2以及2013年1月—2015年10月欧洲中期天气预报中心细网格再分析资料计算了北京地区4个观测站地面接收的短波辐射通量,分析了晴天和云天北京城郊气溶胶对总辐射的定量影响时空变化特征。结果表明:北京城区和近郊区气溶胶对总辐射的影响约为远郊区的2倍,北京南部和西部气溶胶对辐射的影响较大,晴天和云天北京城区和近郊区气溶胶对总辐射的削减值分别为146.23~180.99 W·m-2和202.11~217.02 W·m-2,晴天总辐射削减空间差异较大;秋冬季气溶胶对总辐射的影响明显大于春夏季,北京市观象台秋冬季气溶胶对总辐射的削减作用最大可达60%,较春夏季高10%~20%;北京城郊总辐射和直接辐射削减率与气溶胶光学厚度变化均呈线性关系,近地面PM_2.5浓度对辐射的影响不容忽视。     

沙尘气溶胶对半干旱区微气象学特征影响的初步研究

沙尘气溶胶通过改变地表—大气间的短波及长波辐射从而对地气间热量传输产生影响,进而影响到地表能量收支平衡以及近地面层气象要素的分布。半干旱区是我国干旱化表现最为剧烈的地区,也是沙尘暴频发地区和主要源区之一。本文利用吉林通榆半干旱区国际协调强化观测计划基准站2006年4～6月近地层微气象、地表辐射通量和沙尘气溶胶浓度观测资料,对比分析了该地区在典型沙尘暴天气、扬沙天气和晴朗天气等不同天气状况下近地层各气象要素、地表能量平衡及辐射收支的变化特征。结果表明,沙尘气溶胶对半干旱地区地面微气象学特征及辐射收支具有明显的影响,且表现出不同于干旱区的若干特性:半干旱区沙尘天气下的平均风速比晴天高约2m.s-1,而相对湿度则降低了约35%。相对而言,气温和浅层地温的变化对沙尘的影响响应较弱。半干旱区在沙尘天气时地表净辐射小于晴天,感热/潜热通量分别约占净辐射的55%和30%,分别远大于/远小于晴天时的情形。该地区气溶胶质量浓度与日均感热、相对湿度、潜热等要素具有明显的相关,相关系数分别高达0.70、-0.75和-0.62。相比之下,干旱区沙尘天气时的感热通量要小于晴天时的值,而且气象要素的响应更加剧烈。     

临安与龙凤山辐射数据质量及初步结果比较

采用国际通用的辐射数据质量评估方法对2005—2011年浙江临安、黑龙江龙凤山两个区域大气本底站辐射观测资料进行质量评估与比较分析。结果表明:两站辐射数据通过物理可能限制检验与极端罕见限制检验的百分比均超过99.5%,但通过相关要素比较限制检验的百分比上,临安与龙凤山站分别降至97.9%与95.9%;双轴定位追踪太阳出现偏差是造成直接辐射与散射辐射数据精度降低的主要原因。CM21表的热偏移在-5 W·m-2以内,而其进行热偏移订正可以显著提高数据的通过率。对应同一太阳天顶角,临安站晴空总辐射与直接辐射均低于龙凤山站,散射辐射则相反,其原因是临安的大气透明系数较低,大气浑浊度较高。2006—2011年,临安站的大气向下长波辐射呈下降趋势,达到了0.01的显著性水平,且其多年平均值 (363.7±59.3 W·m-2) 显著高于龙凤山站 (274.9±77.6 W·m-2);龙凤山站晴空太阳总辐射呈增加趋势,达到了0.1的显著性水平。     

塔克拉玛干沙漠腹地春季一次沙尘暴沙尘气溶胶的辐射特征

利用塔中气象站地面辐射等气象资料结合PNIO（空气动力学当量≤10um的悬浮颗粒）质量浓度资料,以2007年4月15日晴天辐射特征为背景对4月22日塔克拉玛干沙漠腹地发生的沙尘暴天气进行局地辐射特征和沙尘气溶胶与净辐射作相关分析。结果表明白天沙尘的辐射强迫对地表有冷却作用,夜间起保温作用。观测期间,总辐射日峰值减少量为507W／m^2,地面长波日峰值增加量为185w／m^2,地面净辐射能量收支表现为白天的日峰值减少量为198w／m^2,夜间的日峰值增加量为40W／m^2。     

贺兰山地区沙尘暴若干问题的观测研究

利用贺兰山地区沙尘暴历史资料和综合观测资料 ,对大气背景、浮尘、扬沙和沙尘暴发生期间的大气气溶胶数浓度谱、质量谱、大气总悬浮颗粒 (TSP)及粒径分布、微气象、分光日射观测以及沙尘样品进行中子活化处理 ,分析了该地区浮尘、扬沙和沙尘暴形成规律 ,气候变化特征和贺兰山的影响。并综合研究了沙尘气溶胶尺度谱特征、光学厚度和化学组分等变化特征 ,提出了若干结果。     

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。     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

2010年春季民勤沙地近地面沙尘气溶胶浓度特征

为了更好地研究沙尘气溶胶起沙和输送特征,2010年4—5月,在民勤周边沙地利用EZ LIDAR ALS300ALS450型激光雷达和GRI MM180型颗粒物采样器进行了大气气溶胶的外场连续观测,取得了晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴天气条件下沙尘气溶胶总后向散射垂直剖面图和PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度采样资料,其中包2010年4月24日特强沙尘暴过程资料。结果表明:春季民勤近地层大气中沙尘气溶胶浓度较高,且随气象要素的变化很大;在整个观测期内,PM10、PM2.5和PM1.0的平均质量浓度分别为202.3、57.4μg/m3和16.7μg/m3。在不同天气条件下,PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度的变化有较好的相关性,但变化趋势有所不同。在沙尘暴天气条件下,PM10的日平均质量浓度高达2469.1μg/m3,是背景天气条件下PM10日平均质量浓度的100多倍,是浮尘天气条件下PM10日平均质量浓度的8倍,是扬沙天气条件下PM10日平均质量浓度的2倍。PM2.5在沙尘暴天气下日平均质量浓度为460.3μg/m3,是背景天气条件下PM2.5日平均质量浓度的45倍,是浮尘天气条件下PM2.5日平均质量浓度的6倍,是扬沙天气条件下PM2.5日平均质量浓度的1.4倍。PM1.0在沙尘暴天气条件下的日平均浓度为92.7μg/m3,是背景天气条件下PM1.0日平均浓度的13倍,是浮尘天气条件下PM1.0日平均浓度的7倍,是扬沙天气条件下PM1.0日平均浓度的1.3倍。可见,风速增大时,沙尘粒子浓度的增加对粒子粒径是有选择的,小粒子比重随沙尘浓度增加而相对减小,大粒子比重随沙尘浓度增加而相对增多。通过对2010年4月24日特强沙尘暴过程的研究表明,一次沙尘暴过程往往包括沙尘暴、扬沙和浮尘天气中的两种类型。通过对激光雷达数据分析发现,在强沙尘暴发生过程当中,民勤沙地发生了非常严重的风蚀起沙现象。     

内蒙古科尔沁沙地起沙近地层动力学阈值的试验研究

利用内蒙古科尔沁沙地沙尘暴探测与监测试验站2008年和2009年春季沙尘和近地层观测资料,研究了不同沙尘天气条件下沙尘浓度随摩擦速度的变化规律,对比分析了不同天气(晴天、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)入射短波辐射和净辐射的演变,并利用两层高度沙尘浓度差,区分局地起沙和非局地起沙,有效地避免了沙尘水平输送引起的起沙阈值的低估。结果表明,起沙前,摩擦速度和沙尘浓度数值都较低;临近起沙阶段,摩擦速度迅速增大而沙尘浓度基本保持不变;起沙时,摩擦速度数值较高,沙尘浓度迅速增大;沙尘天气减弱阶段,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性减小。科尔沁沙地春季临界起沙摩擦速度u*t和临界起沙风速ut分别为0.62m.s-1和9.5m.s-1,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气的起沙阈值依次略有增加。与晴天天气相比,沙尘天气到达地面的短波辐射和净辐射明显减少。     

贵南县近50年沙尘天气变化特征

贵南的沙尘天气主要是扬沙和沙尘暴天气,扬沙多于沙尘暴,浮尘很少。沙尘天气出现在11月至翌年5月。对近50年贵南11月至翌年5月影响沙尘天气的平均风速、月大风天数、月扬沙和沙尘暴天数、气温及其降水资料进行分析表明:20世纪60—70年代是沙尘天气较多期,年际间变幅也大。特别是70年代是沙尘天气最多期(地面月平均风速、大风、扬沙、沙尘暴的极端气候最大值都在70年代)。1985年以后扬沙,沙尘暴天气明显减小且变幅也小。年内1—3月沙尘天气较多,其中3月份为最多,随后逐月回落。沙尘天气的日变化:沙尘天气一般出现在午后,傍晚消退。     

北京地区沙尘天气气溶胶飞机观测特征

利用3次沙尘天气期间的气溶胶飞机观测资料,分析了北京地区在3种沙尘天气下气溶胶垂直分布特征。结果显示:逆温层的存在对扬沙个例的垂直分布有影响。数密度谱的分布基本呈单调递减,但边界层内扬沙、浮尘和沙尘暴个例都在0.13~0.3μm间存在峰值,而扬沙个例在0.8μm,浮尘个例在6.5μm以及沙尘暴个例在2.8和6.5μm处出现次峰值。沙尘中细粒子的有效直径是人为源气溶胶粒子的4到10倍。浮尘天气整个粒子谱宽从近地面层开始随高度先增大后减小,到3000m达到最大,这与高空输送有关;扬沙个例沙尘粒子谱分布显示近地面层大于50μm段粒子谱无论数浓度还是谱宽都明显高于浮尘和沙尘暴个例,这与扬沙是局地大风扬尘引起有关;沙尘暴个例谱宽在接近云底达到最大,说明大粒子已经被携带到一定高度,与蒙古气旋云系的上升运动有关。     

塔中人工绿地与自然沙面辐射平衡对比研究

使用2014年5—9月塔克拉玛干沙漠腹地塔中大气环境观测实验站地表辐射观测资料,分析了塔中人工绿地与自然沙面在各种典型天气条件下的辐射分量特征差异。结果表明:人工绿地与自然沙面辐射平衡各分量最小值均出现在夜间,最大值出现在中午前后,总辐射和反射辐射日最大值出现在12:00;大气长波辐射日变化振幅较小,地面长波辐射日变化呈现不对称分布。晴天,人工绿地与自然沙面总辐射和净辐射变化幅度较小,自然沙面总辐射高于人工绿地;阴天,地面长波辐射略有减小,绿地大气长波辐射略有增加,总辐射和反射辐射减少,净辐射的变化受总辐射的影响,但减弱幅度小于总辐射;沙尘暴天气下,沙尘对辐射各分量影响明显,辐射各分量日变化不规则,人工绿地与自然沙面总辐射被明显削弱,日变化波动大。