發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 14:04

　　 全球氣候變化一直是重大的科學(xué)問(wèn)題和熱點(diǎn)議題,氣溶膠在氣候變化的影響因子中作用的不確定性最大,受到了廣泛的關(guān)注(IPCC,2013)。研究氣溶膠的垂直方向特征、傳輸路徑、發(fā)生頻率和光學(xué)厚度的時(shí)空分布,是分析氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵,也是研究氣溶膠與全球變暖、季風(fēng)活動(dòng)等相互作用的基礎(chǔ)。我國(guó)處于亞洲東部,雨帶和大氣污染受夏季風(fēng)的影響顯著,根據(jù)受夏季風(fēng)的影響程度,將我國(guó)分為夏季風(fēng)影響區(qū)、夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)和非夏季風(fēng)影響區(qū)。本文利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和再分析資料等多源數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值模式,首先分析了一次沙塵天氣過(guò)程以及不同移動(dòng)路徑的沙塵,在傳輸過(guò)程中沙塵粒子的垂直分布和對(duì)比分析;進(jìn)一步分析了我國(guó)西北地區(qū)不同種類氣溶膠在不同光學(xué)厚度下,四季和年均發(fā)生頻率。研究東亞夏季風(fēng)環(huán)流對(duì)“夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)”內(nèi)氣溶膠空間分布的影響,以及沙塵和污染型氣溶膠的發(fā)生頻率對(duì)強(qiáng)、弱季風(fēng)年的響應(yīng);分析了我國(guó)不同種類氣溶膠分布對(duì)夏季風(fēng)進(jìn)退的響應(yīng)。得到的主要結(jié)論如下:(1)對(duì)影響我國(guó)北方地區(qū)一次沙塵天氣過(guò)程分析發(fā)現(xiàn),大氣層結(jié)不穩(wěn)定、大風(fēng)和沙源共同造成了這次區(qū)域沙塵暴過(guò)程。沙塵粒子主要分布在2~3 km左右,根據(jù)HYSPLIT后向軌跡模式和美國(guó)海軍氣溶膠分析與預(yù)測(cè)系統(tǒng)(NAAPS)模擬的沙塵傳輸路徑可知,此次沙塵天氣過(guò)程是西北路徑且主要向東移動(dòng),最高抬升至8 km;另外在甘肅境內(nèi)持續(xù)作用,造成當(dāng)?shù)氐膿P(yáng)沙、浮塵天氣。(2)西北和偏西路徑沙塵天氣過(guò)程中,沙塵氣溶膠垂直分布高度較偏北路徑沙塵天氣高;偏西路徑較西北路徑沙塵天氣污染沙塵型粒子有所增多,兩次天氣過(guò)程所在區(qū)域都是酒泉地區(qū),但不同的沙塵源區(qū)和移動(dòng)路徑導(dǎo)致大氣中氣溶膠粒子類型的占比不同;與酒泉地區(qū)的兩次不同路徑沙塵天氣比較,張家口地區(qū)的氣溶膠粒子退偏振比均值最小,沙塵粒子在低空已經(jīng)和其它類型的氣溶膠粒子混合,導(dǎo)致粒子的非球性降低。(3)我國(guó)西北地區(qū)沙塵氣溶膠發(fā)生頻率隨氣溶膠光學(xué)厚度值增大呈下降趨勢(shì),污染沙塵型氣溶膠在六類型氣溶膠中出現(xiàn)頻率最高,從觀測(cè)角度來(lái)說(shuō),爆發(fā)沙塵暴天氣過(guò)程時(shí),伴隨有污染物的遷移,近年來(lái)發(fā)生的沙塵天氣,氣溶膠類型基本都是污染沙塵型;在不同氣溶膠光學(xué)厚度值下,煙塵型氣溶膠發(fā)生頻率較大陸污染型氣溶膠高,并且隨氣溶膠光學(xué)厚度值的增大呈上升趨勢(shì)。從四季來(lái)看,秋季和冬季在氣溶膠光學(xué)厚度值大于0.1時(shí),污染型氣溶膠頻率明顯高于沙塵氣溶膠。(4)我國(guó)夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)內(nèi),沙塵氣溶膠主要集中在2~6 km高度層,分布于過(guò)渡區(qū)西部;污染型氣溶膠發(fā)生高度低于沙塵氣溶膠,主要集中在地面~4 km高度,且主要分布于過(guò)渡區(qū)內(nèi)的中東部地區(qū)。強(qiáng)季風(fēng)年,沙塵氣溶膠發(fā)生頻率明顯低于弱季風(fēng)年,且沙塵粒子占比約為19.6%,而污染型氣溶膠發(fā)生頻率呈現(xiàn)相反態(tài)勢(shì),占比約為71.8%,高于弱季風(fēng)年。結(jié)合風(fēng)場(chǎng)分析,夏季風(fēng)將中國(guó)東南部地區(qū)的污染粒子輸送至過(guò)渡區(qū),并且在這里聚集,導(dǎo)致強(qiáng)季風(fēng)年的污染型氣溶膠多于弱季風(fēng)年。不同極端季風(fēng)年期間東亞夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子總量基本相同,而粗細(xì)粒子的占比不同。(5)在季風(fēng)區(qū),氣溶膠類型以硫酸鹽為主,占比為71%;在過(guò)渡區(qū),氣溶膠類型以硫酸鹽和沙塵為主,占比分別為57%和27%;在非季風(fēng)區(qū),氣溶膠類型以沙塵為主占比為83%;在季風(fēng)區(qū),硫酸鹽氣溶膠在季風(fēng)發(fā)展的三個(gè)階段對(duì)氣溶膠總光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)率最大,其在季風(fēng)爆發(fā)前、季風(fēng)盛行期和季風(fēng)撤退后貢獻(xiàn)率依次為45%、43%和52%;在過(guò)渡區(qū),季風(fēng)爆發(fā)前,沙塵對(duì)氣溶膠總光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)率為16%,硫酸鹽貢獻(xiàn)率為18%,在季風(fēng)爆發(fā)后,沙塵的貢獻(xiàn)率降低至8%,而硫酸鹽的貢獻(xiàn)率略有升高為20%;在非季風(fēng)區(qū),沙塵的貢獻(xiàn)率始終占據(jù)主導(dǎo)地位。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P407;P467
【部分圖文】：

近年來(lái),有很多有關(guān)氣溶膠與季風(fēng)相互作用的研究,Bollasina等(2011)采用海-氣耦合模式(GCM)進(jìn)行了一系列的模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)南亞降水的減少主要?dú)w因于人為氣溶膠的排放,氣溶膠在南亞氣候變化過(guò)程中扮演了重要的角色。印度學(xué)者Patil等(2017)在對(duì)比研究強(qiáng)弱季風(fēng)年下,氣溶膠對(duì)云屬性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),不同季風(fēng)年,氣溶膠會(huì)相反地改變?cè)频男再|(zhì)。圖1.3所示,在污染環(huán)境中,對(duì)流核使得云中出現(xiàn)大量小粒徑的水凝物,使得云的空間伸展更大,它的微物理作用以及熱力效應(yīng)都在影響并控制著云的形成,可以讓云量變得更大,云頂變得更高,而且更加深厚(Fan et al.,2013)。有學(xué)者使用美國(guó)南部平原上長(zhǎng)時(shí)間來(lái)的氣溶膠及云觀測(cè)的資料來(lái)研究各種不同的氣候條件下氣溶膠對(duì)云量和降雨的產(chǎn)生的影響,由此可得出,降水頻率和強(qiáng)度的增加與氣溶膠濃度呈正相關(guān),這一特征主要出現(xiàn)在夏季或者濕潤(rùn)地區(qū),這也在一定程度上加大了洪災(zāi)發(fā)生的可能性;同理,在比較干旱的地區(qū)或是季節(jié),氣溶膠起到的作用相反,那么這也在一定程度上增加了旱災(zāi)發(fā)生的可能性(Li等,2011a)。吳國(guó)雄等(2015)發(fā)現(xiàn)氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)的影響與區(qū)域季風(fēng)有關(guān),夏季風(fēng)使得東亞地區(qū)暖濕,氣溶膠可能增強(qiáng)對(duì)流和降水。已有研究較多的關(guān)注了氣溶膠對(duì)亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度和降水的影響,而對(duì)東亞夏季風(fēng)影響氣溶膠的研究較少,有關(guān)學(xué)者關(guān)注到了這一問(wèn)題,并做了相應(yīng)的研究。朱建磊,李建平等(2012)研究發(fā)現(xiàn),降水和風(fēng)是影響中國(guó)東部氣溶膠濃度的兩個(gè)氣象要素,而風(fēng)相比降水,是影響氣溶膠濃度的主要因素。Yan等(2011)經(jīng)過(guò)對(duì)這些模型及資料的各種對(duì)比得出,在地球表面排放量相似的狀況下,季風(fēng)較弱的時(shí)候,氣溶膠大氣的柱密度及光學(xué)厚度高值區(qū)的分布偏于中國(guó)的南部,但在之后的強(qiáng)季風(fēng)年,高值區(qū)會(huì)移動(dòng)到我國(guó)北方。東亞夏季風(fēng)還伴隨比較強(qiáng)的水汽傳輸,從而增高夏季東部地區(qū)大氣濕度。Li等(2014)研究發(fā)現(xiàn),東亞地區(qū)和歐美地區(qū)相比較,比較強(qiáng)的夏季對(duì)流層的水汽可以幫助增強(qiáng)吸濕性氣溶膠的吸收能力,從而增大光學(xué)厚度以及相對(duì)應(yīng)的直接輻射,這也可以得出東亞的氣溶膠輻射效應(yīng)不但與其含量有直接關(guān)系,還跟區(qū)域的水汽特征有關(guān)。Kim等(2016)通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn),東亞地區(qū)硫酸鹽氣溶膠增加所產(chǎn)生的輻射效應(yīng),增強(qiáng)了東亞夏季風(fēng),進(jìn)而使得18°N-23°N地區(qū)降水增多。Jeong等(2018)研究1980-2014年期間發(fā)生厄爾尼諾現(xiàn)象時(shí),東亞地區(qū)的PM2.5濃度時(shí)發(fā)現(xiàn):E-type厄爾尼諾發(fā)生時(shí),東亞地區(qū)PM2.5濃度為高于氣候平均值,特別是在東亞北部;C-type厄爾尼諾發(fā)生時(shí),與氣候平均值比東亞北部PM2.5濃度下降,峰值下降了10%。Zhang等(2010)發(fā)現(xiàn)夏季風(fēng)活動(dòng)期間,在40°E-135°E范圍四條強(qiáng)勁的越赤道氣流和降水的濕沉降作用降低了中國(guó)東部氣溶膠濃度,并且發(fā)現(xiàn)弱季風(fēng)年的氣溶膠濃度高于強(qiáng)季風(fēng)年。Yeh等(2017)研究了全球化學(xué)傳輸模型(GEOS-Chem)中模擬的PM2.5的年際變化。結(jié)果表明,北太平洋降水的變化和風(fēng)暴路徑的加強(qiáng)可能是亞洲污染物氣溶膠和熱帶海溫強(qiáng)迫共同作用的結(jié)果。

我國(guó)受夏季風(fēng)影響范圍從東南向西北逐漸減弱,也就是由季風(fēng)區(qū)向非季風(fēng)區(qū)的一個(gè)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變區(qū)域就是夏季風(fēng)活動(dòng)北邊緣線的范圍。但是,對(duì)夏季風(fēng)北邊緣的定義不同,得出的北邊緣的位置和活動(dòng)范圍也有一定的差別,有學(xué)者從水汽分布(湯緒等,2006)來(lái)確定季風(fēng)北邊緣線的位置;胡豪然等(2007)學(xué)者結(jié)合多種因素考慮得出一個(gè)用降水,風(fēng)場(chǎng)以及假相當(dāng)位溫場(chǎng)等各種不同要素來(lái)分辨夏季風(fēng)北界位置的方案,由于降水是夏季風(fēng)活動(dòng)的一個(gè)顯著氣象因子,因此有從降水量分布角度來(lái)確定夏季風(fēng)北邊緣線的位置(歐廷海等,2006)。本文把4-10月出現(xiàn)三次和八次過(guò)程透雨之間的區(qū)域定義為夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)(黃菲等,2009;曾劍等,2016),如圖2.1所示。需要我們關(guān)注的是夏季風(fēng)北邊緣的年際和年代際的擺動(dòng),在110°E附近,其擺動(dòng)范圍大概在33°N-40°N左右。夏季風(fēng)年際擺動(dòng)范圍可達(dá)到11個(gè)緯度,年代際擺動(dòng)范圍在1.5個(gè)緯度左右,這里將夏季風(fēng)北界的擺動(dòng)范圍稱為“夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)”。夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)其實(shí)是一條從西南到東北橫穿我國(guó)大陸的地理帶(張強(qiáng)等,2017),途中經(jīng)過(guò)四川、甘肅等十二個(gè)省份。夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)同時(shí)受到季風(fēng)系統(tǒng)、西風(fēng)帶以及其它環(huán)流系統(tǒng)的影響,其中季風(fēng)系統(tǒng)是影響該區(qū)域的主要因子,夏季風(fēng)降水對(duì)該區(qū)域80%以上的降水量(史正濤等,1994)。另外,加上該區(qū)域地形復(fù)雜、下墊面空間差異大、海拔高度變化大,這一區(qū)域特別容易發(fā)生災(zāi)難性天氣,比如山洪泥石流、暴雨和冰雹等,由于過(guò)渡區(qū)內(nèi)降水量時(shí)空變化復(fù)雜,空間降水變率大,干旱風(fēng)險(xiǎn)較大(郝立生等,2012;Guan et al.,2015)。夏季風(fēng)影響過(guò)渡區(qū)的發(fā)生干旱和極端干旱的概率都在顯著上升(張紅麗等,2018)。

地面數(shù)據(jù)采用國(guó)家氣象局提供的全國(guó)站點(diǎn)降水資料和敦煌氣象站提供的CE-318太陽(yáng)光度計(jì)資料。法國(guó)CIMEL公司制造的自動(dòng)跟蹤掃描太陽(yáng)光度計(jì)CE-318監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)馗�塵天氣時(shí)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度,CE-318太陽(yáng)光度計(jì)不僅是一種大氣氣溶膠環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器,也是一種在遙感衛(wèi)星傳感器輻射定標(biāo)時(shí)用于大氣光學(xué)參數(shù)測(cè)量的重要儀器,同時(shí)它也在沙塵暴監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。CE-318可以自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)太陽(yáng)被云遮蔽或大氣中沙塵含量較大以及云多不能分辨時(shí)都沒(méi)有讀數(shù)(李成才等,2003),因此只有在一定范圍內(nèi),且在無(wú)云條件下才能進(jìn)行太陽(yáng)直接輻射的測(cè)量。2.3 衛(wèi)星資料
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