中国西北地区气溶胶的三维分布特征及其成因

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00008

摘要/Abstract

摘要：

利用CALIPSO卫星遥感资料研究中国西北地区气溶胶的三维分布，分区域按类别讨论气溶胶的出现频率和气溶胶光学厚度（AOD），并在此基础上，结合MERRA-2再分析数据探讨形成原因。结果表明：中国西北地区气溶胶含量较高，以沙尘和污染性沙尘为主，主要分布在塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和甘肃-内蒙古一带。气溶胶的出现频率季节变化不大，大气中气溶胶含量及其三维分布则有明显的区域性差异和季节变化。夏季，由于大气上升运动明显，气溶胶分布较高，部分气溶胶可以被输送到天山山脉、青藏高原主体，甚至8 km的高空。塔克拉玛干沙漠的气溶胶以自然沙尘为主，主要分布在4 km以下，受地形影响该地区局地环流明显，三维分布主要取决于局地排放和垂直输送，AOD的季节变化与沙尘排放一致，春季>夏季>秋季>冬季。古尔班通古特沙漠和甘肃-内蒙古一带的气溶胶消光系数较小且分布零散，气溶胶种类复杂，除了自然沙尘还有大量的污染性沙尘（出现频率约为0.15，AOD约为0.03，甚至可以大于自然沙尘）、污染性大陆气溶胶和烟尘。这是因为，这些地区受局地排放和远距离输送的共同影响，上游气溶胶在西北风的作用下输送而来和局地排放的气溶胶混合并继续向下游输送，沙尘气溶胶经过远距离输送变性为污染性沙尘。

关键词: 中国西北地区, 气溶胶分类, 三维分布, 排放, 输送

Abstract:

Using the CALIPSO observations and MERRA-2 data， the three-dimensional distribution of aerosols over Northwest China are constructed， and the aerosol occurrence frequency and aerosol optical depth （AOD） are also discussed by region and category. On this basis， the formation causes are explored. There are a large amount of aerosols over Northwest China， mainly dust and polluted dust， which are primarily distributed over the Taklimakan Desert， Gurbantunggut Desert and Gansu-Inner Mongolia. The occurrence frequencies of these aerosols vary little with season， but there are obvious regional and seasonal variations of aerosol content and its three-dimensional distribution in the atmosphere. In summer， the vertical distributions of these aerosols are high due to the obvious ascending movements and some aerosols can be transported to the Tianshan Mountains， the Tibetan Plateau， and even the altitude of 8 km. The aerosols over the Taklimakan Desert are dominated by natural dust， mainly distributed below 4 km. Affected by the topography， the local circulation over the Taklimakan Desert is obvious， and thus the three-dimensional distribution of aerosols is mainly caused by local emission and vertical transport. The seasonal change of AOD is consistent with the dust emission， spring>summer>autumn>winter. In contrast， the aerosol extinction coefficients over the Gurbantonggut Desert and Gansu-Inner Mongolia are small and scattered. The aerosol types are complex. In addition to natural dust， there are a large amount of polluted dust aerosols （with occurrence frequency of 0.15 and AOD of 0.03， even larger than natural dust）， polluted continent aerosols and smoke. These areas are not only affected by local emissions， but also by long-distance transport. The upstream aerosols transported by the northwest wind mix with the local aerosols and continue to transport downstream. The natural dust aerosols are transformed into polluted dust during the long-distance transport.

Key words: Northwest China, aerosol classification, three-dimensional distribution, emission, transport

中图分类号:

X513

贾瑞, 李君, 祝清哲, 李妍, 田云菲, 李阳, 徐征豹. 中国西北地区气溶胶的三维分布特征及其成因[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 34-43.

Rui Jia, Jun Li, Qingzhe Zhu, Yan Li, Yunfei Tian, Yang Li, Zhengbao Xu. Three-dimensional distribution and formation causes of aerosols over Northwest China[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(3): 34-43.

图/表 8

图1 研究方法示意图

Fig.1 Structure schematic of the research method

图2 中国西北地区的地形（A）和植被类型（B）① 巴丹吉林沙漠; ② 腾格里沙漠; ③ 乌兰布和沙漠; ④ 库布齐沙漠; ⑤ 毛乌素沙地

Fig.2 Topography (A) and vegetation type (B) of Northwest China

图3 中国西北地区的气溶胶光学厚度（AOD）

Fig.3 Aerosol optical depth (AOD) over Northwest China

图4 春（A）、夏（B）、秋（C）、冬季（D）中国西北地区气溶胶消光系数的三维分布

Fig.4 Three-dimensional distribution of aerosol extinction coefficient over Northwest China in spring (A), summer (B), autumn (C), and winter (D)

图5 中国西北地区各种类型气溶胶的平均出现频率和分布高度

Fig.5 The averaged frequency and distribution height of aerosols over Northwest China

图6 中国西北地区各种类型气溶胶的平均光学厚度

Fig.6 The averaged AOD over Northwest China

图7 春（A）、夏（B）、秋（C）、冬（D）季中国西北地区的沙尘气溶胶排放通量和柱水平质量通量

Fig.7 Dust aerosol emission flux and column mass flux over Northwest China in spring (A), summer (B), autumn (C), and winter (D)

图8 春（A）、夏（B）、秋（C）、冬（D）季中国西北地区的700 hPa风场（箭头表示水平风场，底色表示垂直速度)

Fig.8 Wind field at 700 hPa over Northwest China in spring (A), summer (B), autumn (C), and winter (D)

参考文献 40

1	陈亿，尚可政，王式功，等.内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系［J］.中国沙漠，2013，33（4）：1131-1137.
2	韩兰英，张强，郭铌，等.中国西北地区沙尘天气的时空位移特征［J］.中国沙漠，2012，32（2）：454-457.
3	王芝兰，李耀辉，王素萍，等.1901-2012年中国西北地区东部多时间尺度干旱特征［J］.中国沙漠，2015，35（6）：1666-1673.
4	周雪英，贾健，刘国强，等.1997-2017年塔克拉玛干沙漠腹地降水特征［J］.中国沙漠，2019，39（1）：187-194.
5	丁一汇，王守荣.中国西北地区气候与生态环境概论［M］.北京：气象出版社，2001.
6	王玉朝，赵成义.绿洲-荒漠生态脆弱带的研究［J］.干旱区地理，2001，24（2）：182-188.
7	Huang J，Ma J，Guan X，et al.Progress in semi-arid climate change studies in China［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2019，36：922-937.
8	张强，张存杰，白虎志，等.西北地区气候变化新动态及对干旱环境的影响［J］.干旱气象，2010，28（1）：1-7.
9	王素萍，张存杰，李耀辉，等.基于标准化降水指数的1960-2011年中国不同时间尺度干旱特征［J］.中国沙漠，2014，34（3）：827-834.
10	张强，邓振镛，赵映东，等.全球气候变化对我国西北地区农业的影响［J］.生态学报，2007，28（3）：1210-1218.
11	Wei K，Wang L.Reexamination of the aridity conditions in arid northwestern China for the last decade［J］.Journal of Climate，2013，26：9594-9602.
12	马鹏里，韩兰英，张旭东，等.气候变暖背景下中国干旱变化的区域特征［J］.中国沙漠，2019，39（6）：209-215.
13	秦大河，王绍武，董光荣.中国西部环境特征及其演变［M］.北京：科学出版社，2002.
14	秦大河，王苏民.环境演变对中国西部发展的影响及对策［M］.北京：科学出版社，2002.
15	马柱国，符淙斌，杨庆，等.关于我国北方干旱化及其转折性变化［J］.大气科学，2018，42：951-961.
16	张磊，王春燕，潘小多.基于区域气候模式未来气候变化研究综述［J］.高原气象，2018，37（5）：301-309.
17	Jia R，Liu Y，Hua S，et al.Estimation of the aerosol radiative effect over the Tibetan Plateau based on the latest CALIPSO product［J］.Journal of Meteorological Research，2018，32（5）：707-722.
18	Lau W K M，Kim M K，Kim K M，et al.Enhanced surface warming and accelerated snow melt in the Himalayas and Tibetan Plateau induced by absorbing aerosols［J］.Environmental Research Letters，2010，5（2）：25204.
19	Huang J，Minnis P，Yan H，et al.Dust aerosol effect on semi-arid climate over Northwest China detected from A-Train satellite measurements［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2010，10（14）：6863-6872.
20	Huang J，Wang T，Wang W，et al.Climate effects of dust aerosols over East Asian arid and semiarid regions［J］.Journal of Geophysical Research，2014，119（19）：11398-11416.
21	Huang J，Bing L，Minnis P，et al.Satellite-based assessment of possible dust aerosols semi-direct effect on cloud water path over East Asia［J］.Geophysical Research Letters，2006，33（19）：L19802.
22	Kawecki S，Henebry G M，Steiner A L.Effects of urban plume aerosols on a mesoscale convective system［J］.Journal of the Atmospheric Sciences，2016，73（12）：4641-4660.
23	Huang K，Zhuang G，Lin Y，et al.Relation between optical and chemical properties of dust aerosol over Beijing，China［J］.Journal of Geophysical Research，2010，115：D00K16.
24	沈凡卉，王体健，庄炳亮，等.中国沙尘气溶胶的间接辐射强迫与气候效应［J］.中国环境科学，2011，31（7）：1057-1063.
25	李仑格，李富刚，王广河，等.西北地区气溶胶遥感及其气候效应研究综述［J］.中国沙漠，2008，28（3）：579-585.
26	Lee S S，Guo J，Li Z.Delaying precipitation by air pollution over the Pearl River Delta.Part II：model simulations［J］.Journal of Geophysical Research，2016，121：11739-11760.
27	Chen Q，Yin Y，Jin L，et al.The effect of aerosol layers on convective cloud microphysics and precipitation［J］.Atmospheric Research，2011，101：327-340.
28	陈思宇，黄建平，李景鑫，等.塔克拉玛干沙漠和戈壁沙尘起沙、传输和沉降的对比研究［J］.中国科学：地球科学，2017，47（8）：939-957.
29	贾瑞，刘玉芝，吴楚樵，等.2007-2017年中国沙尘气溶胶的三维分布特征及输送过程［J］.中国沙漠，2019，39（6）：108-117.
30	李岩瑛，杨晓玲，王式功.河西走廊东部近50 a沙尘暴成因、危害及防御对策［J］.中国沙漠，2002，22（3）：283-287.
31	丁瑞强，王式功，尚可政，等.近45 a我国沙尘暴和扬沙天气变化趋势和突变分析［J］.中国沙漠，2003，23（3）：306-310.
32	刘明哲，魏文寿，周宏飞，等.中国西北沙尘源区与日本沉降区大气气溶胶粒子理化特征及对比［J］.中国沙漠，2003，23（4）：408-414.
33	赵仕伟，高晓清.基于MODIS数据的西北地区气溶胶光学厚度和AngstrOm波长指数的研究［J］.大气与环境光学学报，2017，12（5）：321-331.
34	于杰，车慧正，陈权亮，等.2010-2012年我国西北地区沙尘个例气溶胶特征分析［J］.气象与环境科学，2016，39（2）：33-40.
35	胡蝶，张镭，王宏斌.黄土高原干旱半干旱地区气溶胶光学厚度遥感分析［J］.高原气象，2013，32（3）：654-664.
36	郑有飞，刘贞，刘建军，等.中国北部一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布及输送特性［J］.中国沙漠，2013，33（5）：1440-1452.
37	Gelaro R，Mccarty W，Max J S，et al.The Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications，Version 2 （MERRA-2）［J］.Journal of Climate，2017，30（14）：5419-5454.
38	Adams A M，Prospero J M，Zhang C.CALIPSO-derived three-dimensional structure of aerosol over the Atlantic Basin and adjacent continents［J］.Journal of Climate，2012，25（19）：6862-6879.
39	茹建波，王天河，李积明，等.东亚沙尘源区晴空和云上沙尘气溶胶特征［J］.中国沙漠，2018，38（2）：372-383.
40	白冰，张强，陈旭辉，等.中国西北干旱半干旱区气溶胶分类及特征［J］.中国沙漠，2019，39（5）：109-114.

[1]	衣娜娜, 姜学恭, 董祝雷, 于水燕, 康晟炜. 内蒙古一次沙尘过程的数值模拟[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 115-126.
[2]	贾瑞, 刘玉芝, 吴楚樵, 祝清哲, 汪兵. 2007-2017年中国沙尘气溶胶的三维分布特征及输送过程[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 108-117.
[3]	白冰, 张强, 陈旭辉, 刘洋, 刘峰民. 中国西北干旱半干旱区气溶胶分类及特征[J]. 中国沙漠, 2019, 39(5): 105-110.
[4]	郑新倩, 杨帆, 李超凡, 潘红林, 吉春容, 买买提艾力·买买提依明, 霍文, 杨兴华, 周成龙. 巴丹吉林沙漠北缘拐子湖流沙下垫面近地层湍流强度和陆面过程特征[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 103-112.
[5]	康霞. 甘肃省农田生态系统碳收支动态[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1237-1242.
[6]	赵光平, 姜旭, 马丽. 1960-2009年中国西北地区东部低层风切变对雨日的控制作用及其在不同季节的降水效率[J]. 中国沙漠, 2015, 35(5): 1275-1282.
[7]	刘冲, 赵天良, 熊洁, 刘煜, 韩永翔, Liu Feng. 1991—2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子[J]. 中国沙漠, 2015, 35(4): 959-970.
[8]	胡学平, 许平平, 宁贵财, 王式功, 尚可政. 2012-2013年中国西南地区秋、冬、春季持续干旱的成因[J]. 中国沙漠, 2015, 35(3): 763-773.
[9]	郝小翠, 张强, 杨泽粟. 陇中黄土高原垂直感热平流输送对LAS和EC观测感热通量差异的影响[J]. 中国沙漠, 2015, 35(1): 211-219.
[10]	杨兴华1,2, 何清1,2, 艾力·买买提依明1,2, 霍文1,2, 刘新春1,2. 塔克拉玛干沙漠东南缘沙尘暴过程中近地表沙尘水平通量观测研究[J]. 中国沙漠, 2013, 33(5): 1299-1304.
[11]	杨青1，姚俊强1,2，赵勇1，赵玲1，韩雪云1,3，赵丽1,3，黄有志4. 伊犁河流域水汽含量时空变化及其和降水量的关系[J]. 中国沙漠, 2013, 33(4): 1174-1183.
[12]	温雅婷, 缪启龙, 何清, 钱建明, 程艳红, 章立标. 南疆一次强沙尘暴的近地层特征和湍流输送分析[J]. 中国沙漠, 2012, 32(1): 204-209.
[13]	王慧;李栋梁;*. 卫星遥感结合地面观测资料对中国西北干旱区地面感热通量的估算[J]. 中国沙漠, 2011, 31(4): 1022-1030.
[14]	魏娜;巩远发;孙娴;方建刚. 西北地区近50 a降水变化及水汽输送特征[J]. 中国沙漠, 2010, 30(6): 1450-1457.
[15]	李晋昌;董治宝;王训明. 中国北方东部地区春季降尘量及其环境意义 [J]. 中国沙漠, 2008, 28(2): 195-201.