新疆干旱區(qū)季節(jié)性積雪中黑碳?xì)馊苣z研究

陳文倩,丁建麗*,張 喆,王 鑫,浦 偉,劉博華,曹肖奕

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新疆干旱區(qū)季節(jié)性積雪中黑碳?xì)馊苣z研究

陳文倩1,2,丁建麗1,2*,張 喆1,2,王 鑫3,浦 偉3,劉博華1,2,曹肖奕1,2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；3.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)遙感數(shù)據(jù)與2018年1月野外實(shí)測(cè)的28個(gè)雪樣,綜合分析新疆干旱區(qū)季節(jié)性積雪中黑碳?xì)馊苣z濃度(BC)分布特征與氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)等.利用HYSPLIT-4后向軌跡模式獲取釆樣點(diǎn)逐日的后向軌跡,分析BC的可能傳輸路徑.結(jié)果表明:①北疆地區(qū)積雪覆蓋率從11月份到次年1月份逐漸增加,冬季積雪覆蓋率可達(dá)到97.5%,冬季AOD平均值為0.173,高值出現(xiàn)在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域與東部區(qū)域(0.2~0.35),低值區(qū)域主要在阿勒泰地區(qū)(0.06~0.1).②表層積雪的BC濃度范圍為44.08~1949.9ng/g,平均值為536.71ng/g, BC濃度分布特征為:天山北坡經(jīng)濟(jì)帶BC濃度(913.24ng/g)>艾比湖東南部區(qū)域(816.56ng/g)>艾比湖北部區(qū)域(421.94ng/g)>艾比湖西部區(qū)域(407.97ng/g)>克拉瑪依區(qū)域(162.28ng/g)>古爾班通古特沙漠區(qū)域(124.89ng/g)>阿勒泰地區(qū)(98.51ng/g).隨著海拔升高積雪中BC濃度有微弱上升,相關(guān)系數(shù)R為0.03,隨著緯度增加積雪中BC濃度均呈下降趨勢(shì),R為0.255.③艾比湖流域后向軌跡中以博樂(lè)-精河-艾比湖向東北方向輸送路徑為主,對(duì)采樣點(diǎn)的BC濃度影響較大;天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域主要以精河-石河子-烏魯木齊的天山北坡城市群向東北輸送路徑為主,局地污染較為嚴(yán)重;阿勒泰地區(qū)的后向軌跡以俄羅斯南部-哈薩克斯坦北部-東哈薩克斯坦輸送路徑為主,局地污染貢獻(xiàn)較少;克拉瑪依區(qū)域主要來(lái)自哈薩克斯坦東部和西部向東方向的輸送,局地污染不明顯;沙漠區(qū)域主要以西南方向輸送路徑為主.

新疆干旱區(qū)；季節(jié)性積雪；黑碳；后向軌跡模擬

積雪作為干旱半干旱地區(qū)主要水資源,其積累與消融不僅對(duì)干旱區(qū)水文過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,還是參與氣候變化與當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展的重要因素[1],且與干旱區(qū)脆弱的環(huán)境有十分密切關(guān)系[2].

黑碳?xì)馊苣z粒子(BC)是化石燃料、生物燃料等不完全燃燒所排放的無(wú)定型碳質(zhì)[3].BC粒子大小與太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)相當(dāng),是大氣中首要的吸收性氣溶膠成分,可產(chǎn)生直接與間接的氣候效應(yīng)[4-6].當(dāng)前研究BC氣候效應(yīng)主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是氣候輻射強(qiáng)迫.BC通過(guò)干沉降和濕沉降到冰雪表面,能夠顯著吸收太陽(yáng)輻射,進(jìn)而加速冰雪融化[7-10].雪中BC濃度與雪表面反照率之間的輻射傳輸也已通過(guò)模式與控制實(shí)驗(yàn)得以表達(dá).研究表明,全球雪冰中BC有效輻射強(qiáng)迫值大約為+0.13W/m-2,可致使地表溫度上升0.4℃左右[11].但輻射強(qiáng)迫模擬均需實(shí)際觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,比起雪冰中的沙塵等其他吸光物質(zhì),BC是評(píng)估各種輻射強(qiáng)迫中最不確定的因子之一[12-14].

早期相關(guān)研究在北極的冰雪中發(fā)現(xiàn)BC顆粒,并且指出BC主要源于人類活動(dòng),是北極雪蓋的主要吸光物質(zhì)[15].隨著各種技術(shù)的發(fā)展和全球范圍內(nèi)對(duì)區(qū)域性BC的研究推進(jìn),學(xué)者發(fā)現(xiàn)相比高緯度地區(qū),中緯度地區(qū)更靠近BC排放源區(qū),其帶來(lái)的影響與表現(xiàn)也更加強(qiáng)烈[16-17].已開(kāi)展的研究已從北極海冰、格陵蘭島,阿爾卑斯山脈等積雪中BC含量與多年層集的冰層表面和內(nèi)部的BC平均含量擴(kuò)展到青藏高原、中國(guó)西部等中緯度地區(qū)的冰川表層雪樣采集與分析[18-20].現(xiàn)階段,由于在中緯度地區(qū)對(duì)季節(jié)性積雪中的BC觀測(cè)比較有限,我國(guó)冬季季節(jié)性降雪中BC的研究也相對(duì)缺乏.

新疆地處亞歐大陸腹地,是”一帶一路”的重要通道,約有570多條河流,幾乎均發(fā)源于三大山脈,河流的主要補(bǔ)給方式為高山上的冰雪融水.積雪作為干旱區(qū)水資源的主要來(lái)源,是新疆綠洲的生命線,對(duì)綠洲農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展均有重要意義. BC造成的積雪融化時(shí)間提前或推遲,會(huì)影響地表徑流特征與區(qū)域水循環(huán),進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域性的干旱化加劇,且針對(duì)新疆大面積季節(jié)性積雪中BC的觀測(cè)目前較為缺乏,開(kāi)展系統(tǒng)綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究BC對(duì)積雪反照率和干旱區(qū)氣候的影響十分必要.

基于此,2018年1月于北疆地區(qū)開(kāi)展積雪中BC的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),結(jié)合遙感技術(shù)在大范圍、快速更新信息等方面的突出優(yōu)勢(shì),分析區(qū)域積雪、氣溶膠光學(xué)厚度、BC含量及空間分布特征等,利用HYSPLIT-4后向軌跡模式獲取釆樣點(diǎn)逐日的后向軌跡,得到可能的BC傳輸路徑,以期為新疆干旱區(qū)積雪中的BC研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ),為區(qū)域污染物評(píng)價(jià)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處中國(guó)西部,屬干旱半干旱地區(qū),其東西長(zhǎng)1950km,南北寬1550km,面積為166萬(wàn) km2,約占中國(guó)領(lǐng)土面積的1/6.新疆位于全球中緯度西風(fēng)帶,呈現(xiàn)典型溫帶大陸性氣候特征,其遠(yuǎn)離海洋,深居內(nèi)陸,整體降水量偏少,年平均降水量為150mm左右,且呈現(xiàn)明顯區(qū)域差異[21].最顯著的地貌組合特點(diǎn)是亞高山、高山為主的山地與中高程平原為主的盆地相間分布,形成山系—盆地體系.天山將新疆分隔為南北兩部分,習(xí)慣上稱天山以南為南疆,天山以北為北疆.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)

新疆生產(chǎn)力高度集中地區(qū)為北疆地區(qū),其是新疆現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通信息、教育科技等最為發(fā)達(dá)的核心區(qū)域,集中了全疆83%的重工業(yè)與62%的輕工業(yè),對(duì)全疆經(jīng)濟(jì)起著重要的帶動(dòng)、輻射和示范作用.根據(jù)“十三五”規(guī)劃,我國(guó)將新疆天山北坡城市群列為培養(yǎng)中西部地區(qū)城市群,使其逐漸形成支撐地區(qū)發(fā)展的增長(zhǎng)極,是國(guó)家向西推進(jìn)開(kāi)放戰(zhàn)略的橋頭堡[22-23].圖1為新疆的衛(wèi)星遙感影像圖與北疆地區(qū)采樣點(diǎn)分布,其中北疆底圖為平均積雪出現(xiàn)率圖,實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)的是季節(jié)性積雪,采樣選取積雪出現(xiàn)率為75%以上區(qū)域(除沙漠區(qū)域的點(diǎn)外),能最大代表北疆地區(qū)季節(jié)性積雪分布狀況.

1.2 雪樣采集與處理

2018年1月在北疆地區(qū)開(kāi)展大范圍積雪中BC的觀測(cè)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)主要集中于艾比湖流域、天山北坡經(jīng)濟(jì)帶沿線和北部阿勒泰地區(qū),途經(jīng)烏魯木齊、石河子、精河、阿拉山口、托里、克拉瑪依、北屯等縣市,共獲取28個(gè)(104~131)釆樣點(diǎn)的積雪深度、密度、含水率、溫度及吸收性氣溶膠含量等諸多參數(shù).釆樣涵蓋了荒漠、草原、湖泊、農(nóng)田等下墊面類型.為防止污染,采集點(diǎn)設(shè)計(jì)為距城市50km,距離道路至少1km的上風(fēng)處.采集兩個(gè)雪樣的垂直剖面,取其平均值,以減少可能受到人為影響的污染.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,雪樣一直保持冷凍直到開(kāi)始過(guò)濾,分別在奎屯市、烏魯木齊市、吉木乃縣的賓館設(shè)立臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)雪樣進(jìn)行過(guò)濾,在迅速融化雪樣之后,靜置3~5min,用0.4μm的微孔濾膜過(guò)濾,分別保存過(guò)濾前與過(guò)濾后雪水,用于進(jìn)一步的化學(xué)分析.

實(shí)驗(yàn)使用ISSW分光光度計(jì)分析過(guò)濾樣品中的BC與其他吸光物質(zhì).其中,非BC物質(zhì)的吸收隨著物質(zhì)的波長(zhǎng)增加而減小的速度要比BC更快,因此BC在較長(zhǎng)波段的吸收百分比要大于較短波段.利用一組標(biāo)準(zhǔn)濾膜,將測(cè)量的吸收轉(zhuǎn)換為濾膜上的BC質(zhì)量,然后通過(guò)測(cè)量濾膜的載荷面積和過(guò)濾的雪水質(zhì)量,將濾膜上的BC質(zhì)量轉(zhuǎn)換為雪中的BC濃度[24-25].

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理

MODIS是搭載于Terra/Aqua衛(wèi)星上的光學(xué)遙感儀器,提供了從可見(jiàn)光到中紅外波段的全球觀測(cè)資料[26].Aqua衛(wèi)星的大氣三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集采用Deep Blue算法對(duì)暗像元法有很好的互補(bǔ)性,可以獲得亮地表地區(qū)的AOD,張喆等在新疆用Microtops II手持太陽(yáng)光度計(jì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,精度已達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)[26].積雪數(shù)據(jù)為MODIS的8d合成積雪產(chǎn)品MYD10A2,空間分辨率為500m,投影方式為等面積正弦投影,通過(guò)拼接、疊合、重投影與裁剪等進(jìn)行批處理,處理后的數(shù)據(jù)均采用統(tǒng)一的UTM投影和WGS84橢球體建立坐標(biāo)系統(tǒng).

1.4 軌跡聚類分析

BC作為參與非均相大氣化學(xué)過(guò)程的重要粒子,其清除過(guò)程主要有干濕沉降和重力沉降,因此在大氣監(jiān)測(cè)中,BC可以作為污染物示蹤劑表征氣團(tuán)傳輸過(guò)程[27].HYSPLIT是一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型,目前在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于分析污染物來(lái)源及確定傳輸路徑等[28].本文利用HYSPLIT軌跡模型計(jì)算分析了 2017年11月至2018年1月采樣點(diǎn)120h后向氣流軌跡,得到BC潛在來(lái)源并估算每條路徑的貢獻(xiàn)率,研究BC潛在來(lái)源路徑.

2 結(jié)果與分析

2.2 BC濃度實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)共獲取38個(gè)樣品,大致可分為6個(gè)區(qū)域,分別為艾比湖區(qū)域的北部(104~106)、西部(107~109)和東南部(110~111)、天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域(112~118)、阿勒泰地區(qū)(119~125)、克拉瑪依區(qū)域(127~128)、古爾班通古特沙漠區(qū)域(129~130)、北疆東部奇臺(tái)區(qū)域(131)和和布克賽爾(126)的單獨(dú)樣點(diǎn).雪樣的表層雪BC濃度與空間分布如圖2與圖3所示,由于此次野外積雪厚度較小,大部分樣點(diǎn)僅是表層采集即可,對(duì)于積雪較厚地區(qū),采樣時(shí)按照兩層方案進(jìn)行采集,即表層為5cm,其余為第二層,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)季節(jié)性積雪,考慮到樣點(diǎn)可達(dá)性與代表性,28個(gè)樣點(diǎn)中,有8個(gè)樣點(diǎn)高程在1000m以上,其余在1000m以下.

從圖2中可以看出表層雪的BC濃度范圍是44.08~1949.9ng/g,平均值為536.71ng/g,大于2012年新疆32個(gè)采樣點(diǎn)表層雪的BC濃度平均值116ng/g[19],比青藏高原腹地表層雪BC濃度88±25ng/g[29]偏大.各個(gè)區(qū)域BC濃度平均值分別為艾比湖北部421.94ng/g,西部407.97ng/g,東南部816.56ng/g,天山北坡經(jīng)濟(jì)帶913.24ng/g,阿勒泰地區(qū)98.51ng/g,克拉瑪依區(qū)域?yàn)?62.28ng/g,沙漠區(qū)域?yàn)?24.89ng/g,東部區(qū)域和塔城地區(qū)均僅有一個(gè)樣點(diǎn),BC濃度高達(dá)1833.68和1414.72ng/g.圖3可明顯看出,天山北坡經(jīng)濟(jì)帶與艾比湖流域BC濃度較高,阿勒泰地區(qū)較低.

圖2 北疆地區(qū)BC濃度特征

圖3 北疆地區(qū)BC濃度空間分布

濾膜土黃色說(shuō)明雪樣中沙塵含量較大,灰黑色說(shuō)明雪樣中的顆粒物主要是BC成分,如圖4所示.天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域和奇臺(tái)地區(qū)的雪樣中除了112樣點(diǎn),雪樣濾膜大部分呈現(xiàn)灰色和黑色,與Wang在東北的雪樣過(guò)濾相似,而112樣點(diǎn)下墊面類型以草地為主,靠近山區(qū),距離市區(qū)較遠(yuǎn),因此濾膜較干凈.天山北坡經(jīng)濟(jì)帶所有樣點(diǎn)中,BC濃度含量最高的區(qū)域位于烏魯木齊頭屯河處與烏拉泊處,BC濃度分別為1864.7ng/g和1949.9ng/g,是本次實(shí)驗(yàn)中最高值,這兩個(gè)區(qū)域分別位于烏魯木齊市的西南與南部區(qū)域,頭屯河靠近烏魯木齊的工業(yè)園區(qū),因此污染較為嚴(yán)重,是BC濃度高的重要原因;烏拉泊區(qū)域采樣點(diǎn)是風(fēng)吹雪,有局地污染與沙塵污染現(xiàn)象.

艾比湖區(qū)域除111樣點(diǎn),雪樣濾膜大部分呈土黃色,111樣點(diǎn)位于艾比湖的東南部,有大片裸露干涸的湖底,加之處于下風(fēng)向,致使當(dāng)?shù)厣硥m和其他雜質(zhì)會(huì)隨風(fēng)摻入雪樣,造成BC濃度較高,導(dǎo)致此點(diǎn)雪樣濾膜呈現(xiàn)灰黑色,與區(qū)域其他雪樣不同.艾比湖作為新疆第一大鹽水湖,地處阿拉山口大風(fēng)主通道下的極端干旱的荒漠區(qū),常年受大風(fēng)天氣的影響,途徑艾比湖干涸湖底的阿拉山口西北風(fēng)攜帶大量沙塵至艾比湖下游地區(qū),這也是此區(qū)域雪樣過(guò)濾膜大部分呈土黃色的原因.克拉瑪依地區(qū)雪樣濾膜顏色介于艾比湖與天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域之間,克拉瑪依區(qū)域以戈壁為主,臨近古爾班通古特沙漠,積雪比較松散.阿勒泰地區(qū)與沙漠地區(qū)除122樣點(diǎn)外,濾膜是此次實(shí)驗(yàn)中最干凈的,122樣點(diǎn)BC濃度高是因?yàn)榇颂幍湫偷娘L(fēng)吹雪,表層有結(jié)霜升華現(xiàn)象,可使BC富集在雪層中,下層雪顆粒狀,松軟,易與土混合.

此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:天山北坡經(jīng)濟(jì)帶BC濃度>艾比湖東南部>艾比湖北部>艾比湖西部>克拉瑪依區(qū)域>古爾班通古特沙漠區(qū)域>阿勒泰地區(qū),因奇臺(tái)地區(qū)與塔城地區(qū)均只有一個(gè)點(diǎn),不具有代表性,因此不參與上述區(qū)域比較,其中塔城地區(qū)的126點(diǎn)BC濃度較高,原因與110樣點(diǎn)相似,下墊面主要以戈壁沙地為主,有部分灌叢,且表層積雪硬化嚴(yán)重,致使大量BC聚集于表層.奇臺(tái)地區(qū)處于北疆東部區(qū)域,樣點(diǎn)BC濃度高,主要是由于其地形與局地的排放源有關(guān)(準(zhǔn)東煤礦的下風(fēng)向),且從BC分析結(jié)果與AOD空間分布結(jié)合來(lái)看,北疆東部區(qū)域均處于一個(gè)氣溶膠高值區(qū)域.

同時(shí)雪的升華和消融也會(huì)影響雪中BC含量,可使BC富集在雪層中.樣品采集時(shí)測(cè)定了積雪的其他參數(shù),北疆地區(qū)季節(jié)性積雪的密度介于0.1~0.25g/ cm3,平均值為0.167g/cm3,采樣過(guò)程中的新雪密度在0.22g/cm3左右,略大于其他雪樣,北疆季節(jié)性積雪表層含水率介于0.178~1.685g/cm3,平均含水率為0.634g/cm3,積雪溫度、雪深與空氣濕度無(wú)明顯變化規(guī)律,主要和當(dāng)時(shí)的天氣狀況、地面熱量交換有關(guān).

圖5是樣點(diǎn)BC濃度與海拔、緯度之間的關(guān)系.以往研究結(jié)果表明,在一些區(qū)域海拔是影響積雪中BC含量的主要因素[30],如在青藏高原和天山高海拔地區(qū),積雪中BC含量與海拔高度呈負(fù)相關(guān)[19].而此次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)是季節(jié)性積雪,平均海拔不高,范圍在2000m以下,研究發(fā)現(xiàn)在北疆地區(qū)隨著海拔的升高積雪中的BC濃度反而有微弱上升現(xiàn)象,與2012年在天山高海拔地區(qū)監(jiān)測(cè)的結(jié)果呈現(xiàn)不同趨勢(shì),這與中低海拔更容易受到大氣邊界層中局地污染有關(guān),需將對(duì)保存的雪水進(jìn)行化學(xué)分析來(lái)確定這一可能性,研究結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明了BC在北疆地區(qū)的空間分布呈現(xiàn)一定的復(fù)雜性.從圖5b中可以看出,積雪中的BC濃度與緯度變化與Wang等[5]在中國(guó)東北地區(qū)監(jiān)測(cè)的結(jié)果一致,隨著緯度增加,積雪中BC濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且呈明顯負(fù)相關(guān).

圖4 采樣點(diǎn)濾膜顏色

2.3 北疆地區(qū)積雪與AOD空間分布特征分析

圖6(a~c)為2017年11月~2018年1月份的積雪遙感數(shù)據(jù),0代表不可用數(shù)據(jù),25為無(wú)雪覆蓋,37為湖泊,50為云,100為湖冰,200為積雪覆蓋.整個(gè)新疆地區(qū)從11~1月份積雪覆蓋率逐漸增加,11月份積雪覆蓋率為31.6%,12月份為52.1%,1月份為56.6%;從整個(gè)北疆地區(qū)來(lái)看積雪覆蓋率增加趨勢(shì)更明顯,從11月份到1月份為51.3%~97.5%;而從北疆地區(qū)積雪占新疆地區(qū)的積雪比例來(lái)看,北疆的積雪貢獻(xiàn)率也很高,11~1月份,比例從39.1%~41.5%.野外采樣時(shí)發(fā)現(xiàn)較厚的積雪主要分布于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶沿線,北部阿勒泰地區(qū)與塔城較薄,結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)和野外采點(diǎn)來(lái)看,整個(gè)北疆地區(qū)在1月份時(shí)幾乎處于積雪全覆蓋狀態(tài),這也說(shuō)明了冬季的北疆地區(qū)幾乎全部處于季節(jié)性積雪范圍之內(nèi).

相關(guān)研究指出雪中BC濃度與大氣中的BC濃度以及區(qū)域的干濕沉降過(guò)程均緊密相關(guān)[31],因此有必要結(jié)合野外實(shí)驗(yàn)時(shí)的北疆地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行輔助分析.如圖6d所示,整個(gè)北疆地區(qū)平均AOD值約為0.173,最高值約0.35,高值主要分為3個(gè)區(qū)域:第一個(gè)位于烏魯木齊-精河天山北坡經(jīng)濟(jì)帶沿線,AOD的值在0.28~0.35之間;第二個(gè)位于阿勒泰北部冰川地區(qū),AOD的值在0.2~0.29之間;北疆東部是另一個(gè)高值區(qū)域,處于0.2~0.35之間.而低值區(qū)域主要分布于阿勒泰與塔城地區(qū),處于0.06~0.1之間,阿勒泰地區(qū)東部AOD值為北疆最低值區(qū)域,這與野外地面采集的BC濃度高低趨勢(shì)分析相吻合,加之冬季北疆地區(qū)供暖是產(chǎn)生BC的重要途徑,進(jìn)一步佐證了北疆季節(jié)性積雪中的BC濃度與大氣中的BC濃度緊密相關(guān).

圖6 北疆地區(qū)積雪與AOD空間分布

2.4 氣流后向軌跡分析

利用氣象場(chǎng)資料,綜合溫度、氣壓、相對(duì)濕度、水平和垂直風(fēng)速等氣象條件,模擬2017年11月~ 2018年1月北疆釆樣點(diǎn)的后向軌跡,每天分4個(gè)時(shí)次(UTC0:00、6:00、12:00、18:00h)向后分析120h,起始高度選為500m,每個(gè)釆樣點(diǎn)得到368條后向軌跡,將368條后向軌跡進(jìn)行聚類分析,得到各個(gè)采樣點(diǎn)主要的氣流方向潛在輸送路徑圖,進(jìn)而分析BC氣溶膠的潛在輸送路徑.同一方向可能因?yàn)闅鈭F(tuán)運(yùn)動(dòng)速度的快慢存在多個(gè)軌跡組,軌跡水平分量經(jīng)過(guò)的路線和方向表示BC氣溶膠5d飄散所經(jīng)過(guò)的地區(qū),根據(jù)其長(zhǎng)短可以判斷氣團(tuán)移動(dòng)的速度,百分比表示此方向上擴(kuò)散軌跡占總軌跡的百分比,軌跡垂直分量達(dá)到的高度表示BC氣溶膠5d擴(kuò)散高度的變化,圖7為典型區(qū)域的擴(kuò)散路徑圖.

艾比湖流域后向軌跡的聚類結(jié)果顯示,后向軌跡中有很大比例的軌跡從西南方向到達(dá)采樣點(diǎn),在這些西南路徑中,主要存在4種不同路徑長(zhǎng)短的后向軌跡:104和105點(diǎn)的最短路徑來(lái)自哈薩克斯坦的巴爾喀什湖向東方向的輸送,所占比例為60%~83%,這是由于104和105點(diǎn)位于艾比湖流域上風(fēng)口,故受哈薩克斯坦東部地區(qū)影響較大.其余點(diǎn)最短的路徑來(lái)自于博樂(lè)-精河-艾比湖向東北方向輸送,其所占比例為48~67%,擴(kuò)散高度均小于1500m,從擴(kuò)散軌跡與高度來(lái)看,表明這些釆樣點(diǎn)的BC受到局地影響較大;第二條是從咸海南部向東北方向的輸送路徑,且隨著從艾比湖北部到東南部方向的采樣點(diǎn)推移,輸送路徑起點(diǎn)也從咸海-烏茲別克斯坦-土庫(kù)曼斯坦下移,所占比例為21%~42%,擴(kuò)散高度約為1500~ 2500m.此路徑輸送起點(diǎn)為中亞典型荒漠地區(qū),植被與河網(wǎng)均較為稀疏,加之咸海湖泊的萎縮造成大面積湖底裸露,為亞洲沙塵災(zāi)害提供了豐富的塵源.北極和西伯利亞西部地區(qū)的冷空氣向南咸海流域迅速移動(dòng),咸海流域的大氣冷鋒加強(qiáng)西南風(fēng)暴的幅度,進(jìn)而影響粉塵的輸送,對(duì)采樣點(diǎn)的BC影響也比較大;第三條路徑從伊朗高原附近向東北方向輸送,所占比例—般為3%~16%之間,擴(kuò)散高度為2000~3500m左右,對(duì)樣點(diǎn)影響較小;與前三條路徑不同,第四條路徑來(lái)自于西側(cè)和西北方向的后向軌跡,主要來(lái)自于東歐地區(qū),但此后向軌跡所占的比例很小,一般只能達(dá)到2%~5%左右,擴(kuò)散高度在2500m以上,對(duì)樣點(diǎn)影響較為微弱.

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶后向軌跡與艾比湖流域方向相似,這與整個(gè)新疆處于西風(fēng)帶有關(guān),但其又呈現(xiàn)出區(qū)域的特殊性.首先從最短的路徑來(lái)看,其所占比例可達(dá)50%~75%,除112點(diǎn)之外,其余樣點(diǎn)在此路徑比例均在63%以上,氣流擴(kuò)散高度約為500m左右,以西南方向向東北輸送為主,以精河-石河子-烏魯木齊的天山北坡城市群向東北輸送,但烏魯木齊南部樣點(diǎn)的最短路徑與其他樣點(diǎn)不同,氣流輸送偏向于伊犁方向,這與烏魯木齊南部靠近山區(qū)常年盛行南風(fēng)有極大關(guān)系.天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域在最短路徑中氣流輸送高度相比其他地區(qū)較低,普遍低于500m,這也表明局地排放的污染物對(duì)于積雪中的BC含量具有很大的貢獻(xiàn);第二條路徑的氣流輸送在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶呈現(xiàn)兩種趨勢(shì):在烏蘇到烏魯木齊頭屯河區(qū)域,主要是從吉爾吉斯斯坦南部與哈薩克斯坦中部輸送而來(lái),所占比例為14%~26%,擴(kuò)散高度為1000~ 2000m;烏魯木齊南部?jī)蓚€(gè)樣點(diǎn)的路徑輸送主要來(lái)源于北疆的東部區(qū)域,這是由于蒙古高壓與天山山脈的地形雙重影響,致使東南風(fēng)對(duì)于污染物的輸送有一定貢獻(xiàn),所占比例為5%~8%,擴(kuò)散高度約為1500m;第三條輸送路徑主要來(lái)源于土庫(kù)曼斯坦南部與里海附近,所占比例為4%~16%,擴(kuò)散高度為2000~3000m,此路徑與艾比湖流域的第二條路徑相似,只是氣流軌跡所占百分比不如在艾比湖流域顯著;最后一條路徑不管是在氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度與擴(kuò)散軌跡占總軌跡的百分比來(lái)看,對(duì)樣點(diǎn)影響比較微弱,主要是來(lái)自西北方向的后向軌跡,從俄羅斯西北部向東南輸送,一般只能達(dá)到2%~5%左右,氣流擴(kuò)散高度在3500m以上.

相比前兩個(gè)地區(qū),阿勒泰地區(qū)的后向軌跡較為分散,而且來(lái)自于西南方向的傳輸路徑所占的比例明顯減少,除了119樣點(diǎn)在西南最短路徑所占比例在49%,其他采樣點(diǎn)最短路徑都是西北方向輸送而來(lái),從俄羅斯南部-哈薩克斯坦北部-東哈薩克斯坦輸送至樣點(diǎn),所占比例為43%~82%,擴(kuò)散高度為1500~2000m,阿勒泰地區(qū)常年受西風(fēng)帶的影響,冷鋒過(guò)境常形成大風(fēng)天氣,秋冬季西北部是冷空氣活動(dòng)的上游,且其地形猶如一個(gè)喇叭口,易形成強(qiáng)風(fēng),利于氣流的輸送;第二條路徑以偏西方向東北輸送的路徑,主要是來(lái)自哈薩克斯坦的中西部(除119和122樣點(diǎn)來(lái)自于土庫(kù)曼斯坦北部),所占比例為15%~36%,擴(kuò)散高度為1500~2000m;第三條是從俄羅斯中部向東南輸送的路徑,所占比例為9%~28%,擴(kuò)散高度為2500m以上;最后一條路徑為俄羅斯西北部向東南輸送,所占比例為4%~18%,擴(kuò)散高度為2000~2500m左右.后面三條路徑氣流輸送均會(huì)受歐洲西北部冷空氣東移南下影響,地面冷高壓加強(qiáng)東移,中亞低壓后部與高壓前部氣壓梯度增大,偏西和西北風(fēng)多產(chǎn)生在低壓后部,有利于氣流擴(kuò)散,貢獻(xiàn)了樣點(diǎn)中的BC濃度含量.其中,121樣點(diǎn)東側(cè)的局地軌跡所占的比例很大,表明該區(qū)域局地排放的污染物對(duì)積雪中BC含量有影響,相比2012年阿勒泰地區(qū)高海拔區(qū)域的BC含量樣點(diǎn)分析,近年來(lái)由于人為排放對(duì)于該區(qū)域積雪中BC含量的影響有減少趨勢(shì).

克拉瑪依與沙漠地區(qū)后向軌跡結(jié)果顯示,克拉瑪依區(qū)域最短路徑主要來(lái)自哈薩克斯坦東部向東方向的輸送,所占比例為57%~65%,雖是工業(yè)城市,但從最短路徑的后向軌跡結(jié)合當(dāng)?shù)夭杉腂C濃度來(lái)看,其局地污染并不明顯,這與克拉瑪依常年大風(fēng)有關(guān),致使局地氣流迅速輸送至下游,野外采集是從克拉瑪依的烏爾禾區(qū)域至南部方向,符合氣流的輸送方向,且以往研究表明克拉瑪依10ｍ高度處風(fēng)能較大,呈現(xiàn)出當(dāng)?shù)胤e雪中的BC含量不高的現(xiàn)象;第二條路徑是從哈薩克斯坦中西部地區(qū)向東飄散過(guò)來(lái),所占比例為23%~28%,氣流輸送可抬高至1500~ 200m,最后一條路徑從北歐地區(qū)送,4%~7%,擴(kuò)散高度為2000~2500m左右.沙漠區(qū)域的兩個(gè)點(diǎn)和最短路徑來(lái)自東哈薩克斯坦,比例達(dá)到52~63%,擴(kuò)散高度為1500~2000m;另一條路徑來(lái)自西南風(fēng)方向的咸海地區(qū),所占比例為24%~30%,飄散高度在2000m以上,野外采集樣點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)沙漠區(qū)域遠(yuǎn)離人為污染,雪樣較為松散,且地表以荒漠植被為主,從緯度地帶上來(lái)看,其位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的北部區(qū)域,因此氣流輸送方向一致,主要以西南方向路徑為主.

3 結(jié)論

3.1 利用遙感數(shù)據(jù)分析北疆地區(qū)的積雪與AOD的空間分布,結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步佐證了冬季積雪中的可吸收性氣溶膠顆粒與大氣中的氣溶膠顆粒緊密相關(guān).

3.2 野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,表層積雪BC濃度為44.08~1949.9ng/g,平均值為536.71ng/g,艾比湖流域可吸收性氣溶膠顆粒以沙塵為主;天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域積雪中的可吸收性氣溶膠顆粒以BC為主,阿勒泰地區(qū)積雪中的BC濃度最小.

3.3 北疆BC濃度與海拔、緯度之間的關(guān)系與以往研究相比呈現(xiàn)不同趨勢(shì),隨著海拔的升高積雪中的BC濃度有微弱上升現(xiàn)象,2為0.03;隨著緯度的增加,BC濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且有明顯的負(fù)相關(guān),2為0.255.

3.4 樣點(diǎn)逐日后向軌跡聚類分析表明,艾比湖流域后向軌跡表明局地塵源貢獻(xiàn)度較高;天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域以向東北輸送路徑為主,氣流擴(kuò)散高度在500m左右,局地污染較為嚴(yán)重;阿勒泰地區(qū)的后向軌跡較為分散,以俄羅斯南部-哈薩克斯坦北部-東哈薩克斯坦輸送路徑為主,局地污染較少;克拉瑪依區(qū)域主要來(lái)自哈薩克斯坦東部和西部向東方向的輸送,其局地污染并不明顯;沙漠區(qū)域主要以西南方向輸送路徑為主.

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Black carbon in seasonal snow across northern of Xinjiang.

CHEN Wen-qian1,2, DING Jian-li1,2*, ZHANG Zhe1,2, WANG Xin3, PU Wei3, LIU Bo-hua1,2, CAO Xiao-yi1,2

(1.Xinjiang Common University Key Lab of Smart City and Environmental Stimulation, Xinjiang University；2.Key Laboratory of Oasis Ecology Ministry of Education, Urumqi 830046；3.KeyLaboratory for Semi-Arid Climate Change, Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China), 2019,39(1)：83~91

This paper analysed seasonal snow cover, AOD, BC (black carbon) concentration with MODIS data and samples data measured in January 2018 in the field, and obtained the potential BC transmission path through the HYSPLIT-4 to get the day-to-day back trajectory of every sample. The results showed that: ① Snow cover in northern Xinjiang reached 97.5%, which gradually increased from November to January. The average AOD in northern Xinjiang was 0.173, high values appeared in the northern slope economic zone of the Tianshan Mountains and eastern part of the Tianshan Mountains (0.2~0.35), however, the low was mainly distributed in Altay (0.06~0.1) ②The BC concentrations in the surface snow ranged from 44.08 to 1949.9ng/g, with an average of 536.71ng/g. The BC concentration distribution in northern Xinjiang was the northern slope of the Tianshan Mountains ( 913.24ng/g)> Southeastern of Ebinur Lake (816.56ng/g)> Northern of Ebinur Lake (421.94ng/g)> Western of Ebinur Lake (407.97ng/g)> Area of Karamay (162.28ng/g) )> Gurbantunggut Desert Region (124.89ng/g)> Altay Region (98.51ng/g). The concentration of BC in snow in northern Xinjiang increased slightly with higher altitude,2was 0.03. With the increase of latitude, the concentration of BC in snow had a decreasing trend,2was 0.255. ③The trajectory cluster analysis of the samples showed that the backward trajectory of the Ebinur Lake basin dominated by the northeastern direction of the Bole-Jinghe-Ebinur Lake, and this trajectory had a greater impact on the concentration of BC in snow; the economic zone on the northern slope of the Tianshan Mountains dominated by the northeastern cities of Jinghe-Shihezi-Urumqi on the northern slope of the Tianshan Mountains, the result showed that local pollution was serious. The backward trajectory of the Altay region dominated by the Russian-Northern Kazakhstan-East Kazakhstan transport path with less contribution from local pollution; the Karamay region was mainly transported from easten of Kazakhstan, it’s local pollution was not obvious. And the desert area dominated by the southwestern direction.

arid area of Xinjiang；seasonal snow cover；black carbon；back trajectory simulation

X513,P426.635

A

1000-6923(2019)01-0083-09

陳文倩(1988-),女,新疆昌吉人,新疆大學(xué)博士研究生,主要從事干旱區(qū)環(huán)境大氣及積雪遙感等研究.發(fā)表論文6篇.

2018-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41771470);新疆自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2016D03001);自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目(201591101);新疆大學(xué)優(yōu)秀博士生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(XJUBSCX-2016014)

* 責(zé)任作者, 教授, watarid@xju.edu.cn