塔里木盆地沙塵氣溶膠的柱質(zhì)量密度特性

張小林 姜?dú)g 汪賦坤 何清

摘要?dú)馊苣z質(zhì)量密度是氣溶膠重要的參數(shù)，它影響著大氣中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，也與氣溶膠的傳輸過程和空間分布息息相關(guān).基于MERRA-2再分析資料提供的氣溶膠柱質(zhì)量密度數(shù)據(jù)，研究了我國塔里木盆地1980—2018年長時間序列的沙塵氣溶膠柱質(zhì)量密度的時空分布特征.結(jié)果表明，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度有很大的變化范圍，平均值分別為0.33和0.086 g/m2，同時具有明顯的年際、月和季節(jié)變化特征.沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的年平均值在0.24～0.41和0.06～0.11 g/m2范圍內(nèi)變化;春季最大，其平均值分別為0.47和0.12 g/m2，冬季最小，其平均值分別為0.13和0.04 g/m2;月平均值最大出現(xiàn)在5月，分別為0.57和0.14 g/m2，最小在1月，分別為0.1和0.03 g/m2.關(guān)鍵詞沙塵氣溶膠;柱質(zhì)量密度;塔里木盆地;時空分布

中圖分類號X513

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0 引言

大氣氣溶膠作為懸浮在大氣中各類固體和液體微粒的多相粒子體系，對地球氣候、大氣環(huán)境、人類健康和工程應(yīng)用有著深遠(yuǎn)影響和重要意義[1].氣溶膠粒子可以由自然過程產(chǎn)生，也可以由人類活動形成，而亞微米尺度的氣溶膠是其主要部分[2].這些亞微米尺度粒子生命周期相對較長，有的能達(dá)幾周.因?yàn)槠涑叨认鄬^小，不易被雨雪沖刷清除，又不是太小，不易被凝結(jié)碰并清除，亞微米尺度氣溶膠特性一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3].沙塵作為一種吸收性氣溶膠，由于地表風(fēng)化作用，在干旱或半干旱地區(qū)含量較多，而塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠則是沙塵氣溶膠的重要來源[4].

氣溶膠質(zhì)量密度是描述氣溶膠特性的重要物理參數(shù)之一，可以為大氣中氣溶膠的形成與變化過程提供信息.由于氣溶膠粒子化學(xué)成分和形狀的差異，通常采用有效質(zhì)量密度[5]來描述.目前氣溶膠質(zhì)量密度測量主要有三種方式：通過氣溶膠各化學(xué)組分的質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)求得氣溶膠的質(zhì)量密度;根據(jù)氣溶膠電遷移率粒徑和質(zhì)量求得有效密度;通過氣溶膠空氣動力學(xué)粒徑和電遷移率粒徑的關(guān)系計算有效密度[6].

有關(guān)氣溶膠質(zhì)量密度的測量已經(jīng)開展了很多工作.Hu等[7]利用雙差分遷移率粒徑分析儀TDMPS-APS系統(tǒng)與微孔均勻沉降撞擊器組合測量了PM1.8、PM1.8～10和PM10的平均有效密度.de Carlo等[8]利用氣溶膠電遷移率粒徑和空氣動力學(xué)粒徑的測量來描述氣溶膠質(zhì)量密度.Schmid等[9]從氣溶膠電遷移和空氣動力學(xué)等效粒徑反演出非球形粒子的有效質(zhì)量密度.對于整層大氣的氣溶膠柱質(zhì)量密度，周寶柱等基于溫度梯度法計算出的大氣溫度信息，提出一種新的反演中高層大氣密度的方法[10].雖然對氣溶膠質(zhì)量密度的研究已經(jīng)開展了大量工作，但是有關(guān)氣溶膠質(zhì)量密度的時空分布特征的研究仍相對較少.

本文基于MERRA-2再分析資料提供的氣溶膠柱質(zhì)量密度數(shù)據(jù)，研究我國塔里木盆地1980—2018年長時間序列的沙塵氣溶膠的柱質(zhì)量密度的時空分布特征，以期為當(dāng)?shù)乜諝馕廴举|(zhì)量和空氣質(zhì)量預(yù)測提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

塔里木盆地是中國內(nèi)陸面積最大的盆地，位于中國新疆南部.南北最寬處520 km，東西最長處1 400 km，面積約40多萬km2.海拔高度800～1 300 m，地勢西高東低，有著十分豐富的油氣資源和地下水資源.盆地北部為天山山脈，南部為昆侖山山脈和阿爾金山脈，盆地空間較為封閉，盆地內(nèi)以東北風(fēng)和西北風(fēng)為主，水分主要由西風(fēng)氣流所供應(yīng)，盆地內(nèi)降水量稀少，盆地內(nèi)除與山脈相接處外，大部分地區(qū)已沙漠化，形成了中國最大的塔克拉瑪干大沙漠.本文研究區(qū)域?yàn)樗锬九璧氐貐^(qū)37°～42°N、75°～90°E之間，如圖1中黑框所示.圖1為氣溶膠吸收光學(xué)厚度的分布，可以看出：塔里木盆地氣溶膠吸收光學(xué)厚度較強(qiáng)，這主要是由于該地區(qū)沙塵的吸收特性所導(dǎo)致.

本文所研究的氣溶膠柱質(zhì)量密度數(shù)據(jù)來源于MERRA-2再分析數(shù)據(jù).它是由NASA所研制的新一代大氣再分析資料，與MERRA相比，這一代在同化系統(tǒng)和能力方面都有了顯著的提升，所使用的是GEOS 5.12.4 版本，以GEOS大氣模式和GSI變分方案為主體，用于在MERRA大氣再分析數(shù)據(jù)和集合地球再分析系統(tǒng)IESA的中間進(jìn)行過渡，包含了從1980年至今的大氣數(shù)據(jù)，對于全球氣候變化的觀測研究都具有重要的意義[11].

2 結(jié)果與討論

2.1 概況

圖2為塔里木盆地1980—2018年日平均沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的變化情況.由圖2可知，塔里木盆地日平均沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度有很大的變化范圍，其值分別在0.05～0.8和0.02～0.2 g/m2范圍內(nèi).這主要與當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r有關(guān)，特別是沙塵暴爆發(fā)的強(qiáng)度和頻率有關(guān).日平均沙塵氣溶膠的柱質(zhì)量密度是沙塵PM2.5氣溶膠的柱質(zhì)量密度的約3倍左右，表明沙塵氣溶膠主要是較大氣溶膠粒子.

圖3展示了1980—2018年日平均沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的頻率分布柱狀圖.由圖3a可知，在這38年中，塔里木盆地地區(qū)沙塵氣溶膠柱質(zhì)量密度的平均值為0.33 g/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.18 g/m2，最大值為0.81 g/m2，最小值為0.044 g/m2，并且沙塵氣溶膠柱質(zhì)量密度值在0.05 g/m2到0.5 g/m2之間出現(xiàn)的天數(shù)最多，均為40次以上，0.2～0.3與0.4～0.45 g/m2之間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)相對較低，達(dá)到了30次左右.由圖3b可知沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的平均值為0.086 g/m2，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.042 g/m2，最大值為0.2 g/m2，最小值為0.014 g/m2，其質(zhì)量密度值范圍大多在0.02～0.16 g/m2之間.

2.2 年際變化

圖4為1980年至2018年沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的年際變化.可以看出，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的年平均值在0.24～0.41和0.06～0.11 g/m2范圍內(nèi)變化.總體上以7～8年為一個周期呈波動性變化，自1980年開始上升，1985年達(dá)到極大值，隨后開始下降，至1987年達(dá)到低值，1989—1996年的變化趨勢與1980—1988年相同.對于這一情況已經(jīng)有不少學(xué)者開展過研究，對于沙塵天氣的出現(xiàn)頻率包括但不限于8年的周期，長的可達(dá)40年，短的周期為4年[12]，而對于周期形成的原因探知較少，有人通過研究得出以7年為周期的沙塵天氣對于最大風(fēng)速的變化響應(yīng)較好[13]，不過真實(shí)原因猶未可知，還需進(jìn)一步地調(diào)查研究.值得注意的是，自2000年開始，沙塵氣溶膠柱和沙塵PM2.5氣溶膠柱的質(zhì)量密度年平均變化不再遵循周期變化的特征，而是整體在一個較高的水平線上波動，并有緩慢上升的趨勢，這種情況的出現(xiàn)與人類的活動密不可分.隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人口數(shù)量急劇上升，人類的物質(zhì)需求也在不斷提高，不合理的物質(zhì)活動導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境遭到破壞，北方地區(qū)的沙漠化進(jìn)程不斷增加.不僅如此，全球氣候變暖，北方大部分地區(qū)的氣溫相比同期增高1～2 ℃，高溫加劇了土壤內(nèi)水分的蒸發(fā)，使得土壤內(nèi)含水量低下，土質(zhì)干燥疏松，不利于植被的生長，也為沙塵天氣的產(chǎn)生提供了豐富的塵源，同時自2000年開始，春季的冷空氣和氣旋出現(xiàn)的異常頻繁，二者的出現(xiàn)產(chǎn)生強(qiáng)大的風(fēng)力，結(jié)合北部地區(qū)地面豐富的塵源，可以將沙塵卷起，極易產(chǎn)生沙塵天氣[14].

2.3 月變化

圖5展示了1980—2018年的沙塵氣溶膠柱和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的月平均變化.如圖5所示，沙塵氣溶膠柱與沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的每月均值變化趨勢相同，均在1—5月逐漸遞增，5—7月減少，7—8月小幅度增加，8—12月逐漸減少，月平均極大值出現(xiàn)在5月和8月，月平均極小值出現(xiàn)在1月和7月，最小值在1月（0.1±0.026和0.03±0.008 g/m2），最大值在5月（0.57±0.11和0.14±0.027 g/m2），低值區(qū)在11月—次年2月，還能看出在一年中，沙塵氣溶膠柱質(zhì)量密度的變化幅度比較大，特別是在秋季和冬季.并且注意到從1月到4月初，氣溶膠柱質(zhì)量密度變化程度相對較大，主要是由于副熱帶西風(fēng)急流的位置變化導(dǎo)致了這種季節(jié)上的變化特征[15]，12月—次年2月，西風(fēng)急流大致在喜馬拉雅山脈南邊，此時為青藏高原地區(qū)的沙塵暴高發(fā)時期，隨著時間流逝，季節(jié)變化，急流也逐漸向北移動，4月移至藏北羌塘高原南部，岡底斯山和昆侖山中間，5月急流繼續(xù)向北移動到昆侖山和羌塘高原北部，此時原本繞高原干冷的南支氣流被孟加拉灣的暖濕西南氣流代替，大部分地區(qū)開始進(jìn)入雨季，除柴達(dá)木盆地外，沙塵暴天氣近乎消失.而沙塵暴發(fā)生的區(qū)域中心仍在塔里木盆地南部，北部邊界則還是維持在古爾班通古特沙漠一線，這也解釋了5月塔里木盆地沙塵氣溶膠質(zhì)量密度最高的原因.6—8月急流北移到天山北部—巴爾喀什湖一帶，高原周圍有強(qiáng)勁的北支氣流，但這股北支氣流處于暖氣團(tuán)的控制下，而且高原地區(qū)基本處于雨季降水最大的月份，降水增加了土壤濕度，塵源減少，抑制了沙塵暴發(fā)生，這時盆地內(nèi)部的沙塵暴天氣漸漸減弱.此后至12月，西風(fēng)急流逐漸向南移動，秋冬天氣轉(zhuǎn)冷，并且雨季剛過，地面有著較為穩(wěn)定的空氣層結(jié)，沙塵暴發(fā)生天氣顯著減少，使得8月開始平均質(zhì)量密度逐漸降低.圖5中可以看到在7月時沙塵氣溶膠柱與沙塵PM2.5氣溶膠柱的質(zhì)量密度水平達(dá)到一個極小值，隨后在8—9月有所回升，之后又開始下降，可以推測這也是由于雨季的原因.北方7月正值雨季中心，沙塵天氣的出現(xiàn)也相應(yīng)會在這個時間點(diǎn)達(dá)到低估，不過塔里木盆地蒸發(fā)量大，在8—9月雨季末期仍會有些許反彈，隨后隨溫度降低回歸減少的趨勢.

2.4 季節(jié)變化

圖6為1980—2018年的沙塵氣溶膠柱和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的季節(jié)變化情況.可以看出季節(jié)性變化特征較為顯著，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠的質(zhì)量密度最大值都出現(xiàn)在春季（0.47±0.13和0.12±0.03 g/m2），隨后隨季節(jié)的更替逐次遞減，夏季僅次于春季，高于秋季，在冬季達(dá)到最低值（0.13±0.05和0.04±0.014 g/m2），這是因?yàn)榇杭緸樗锬九璧氐纳硥m多發(fā)季，主要由于春季沙源豐富，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，并且暖季時地面對大氣有強(qiáng)烈感熱加熱作用，形成熱低壓，再配合強(qiáng)勁的風(fēng)速，極易起沙[16].對于塔里木盆地地區(qū)季節(jié)內(nèi)平均風(fēng)速和風(fēng)向變化的研究中可以發(fā)現(xiàn)，沙塵的質(zhì)量密度與風(fēng)速的變化呈正相關(guān)，塔里木盆地內(nèi)風(fēng)速主要特征為春季最高，夏季次之，秋季比冬季高，風(fēng)速的變化直接影響到沙塵天氣的變化，風(fēng)向決定了沙塵的輸送路徑，多處地區(qū)在春季時的風(fēng)向有利于沙塵暴的發(fā)生.例如和田地區(qū)[17]作為塔里木盆地內(nèi)沙塵天氣的高發(fā)區(qū)之一，其主要風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)或西南風(fēng)，此方向?qū)?yīng)昆侖山北坡，冰川研磨和侵蝕風(fēng)化等作用下形成的大量物質(zhì)被山頂冰川融化的水沖積出高山并在下方不斷堆積，有著大量粉塵，即使風(fēng)速較低，也極易引起沙塵天氣，從而導(dǎo)致大量的沙塵氣溶膠被輸送至大氣中，使得氣溶膠柱質(zhì)量密度上升，也解釋了盆地內(nèi)春季質(zhì)量密度較高的原因.不過值得注意的是，降水量的大小整體對于塔里木盆地內(nèi)部發(fā)生沙塵暴的時間影響不大，這是由于盆地內(nèi)部極度干燥，并且每日蒸發(fā)量很高，降水無法對地表植被與土壤產(chǎn)生顯著影響，因此也無法很好地抑制沙塵的產(chǎn)生.

3 結(jié)論

本文基于MERRA-2再分析資料提供的氣溶膠柱質(zhì)量密度數(shù)據(jù)，研究了我國塔里木盆地1980—2018年長時間序列的沙塵氣溶膠柱質(zhì)量密度的時空分布特征.結(jié)果表明，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度有很大的變化范圍，平均值分別為0.33和0.086 g/m2，同時具有明顯的年際、月和季節(jié)變化特征.沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度的年平均值在0.24～0.41和0.06～0.11 g/m2范圍內(nèi)變化.沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質(zhì)量密度在春季最大，其平均值分別為0.47±0.13和0.12±0.03 g/m2，而在冬季最小，其平均值分別為0.13±0.05和0.04±0.014 g/m2.月平均值最大出現(xiàn)在5月，分別為0.57±0.11和0.14±0.027 g/m2，最小在1月，分別為0.1±0.026和0.03±0.008 g/m2.對可能造成此現(xiàn)象的多方面因素進(jìn)行分析考慮，發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠柱質(zhì)量密度水平與沙塵天氣出現(xiàn)頻率相關(guān)，本文的結(jié)果以期為當(dāng)?shù)乜諝馕廴痉乐魏涂諝赓|(zhì)量預(yù)測提供參考.

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Column mass density of dust aerosols over the Tarim Basin

ZHANG Xiaolin1，2 JIANG Huan2 WANG Fukun2 HE Qing1

1Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002

2School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044

Abstract As an important parameter of aerosols，mass density affects the complex chemical reactions in the atmosphere，and is closely related to the transport process and spatial distribution of aerosols.In this paper，column mass densities of dust aerosols and dust PM2.5 aerosols in the Tarim Basin are studied over period of 1980-2018 based on the MERRA-2 data.Generally，the column mass densities of dust aerosols and dust PM2.5 aerosols over the Tarim Basin show large variations with average values of 0.33 g/m2 and 0.086 g/m2，respectively，as well as distinctive annual，monthly and seasonal patterns.The annual average column mass densities of dust aerosols and dust PM2.5 aerosols in the Tarim Basin vary in ranges of 0.24-0.41 g/m2 and 0.06-0.11 g/m2，respectively.As for their seasonal and monthly variations，the column mass densities are large in spring （0.47 g/m2and 0.12 g/m2） and small in winter （0.13 g/m2 and 0.04 g/m2），which peak in May with values of 0.57 g/m2and 0.14 g/m2，and lowest in January with values of 0.1 g/m2 and 0.03 g/m2，for dust aerosols and dust PM2.5 aerosols，respectively.

Key words dust aerosol;column mass density;Tarim basin;spatial-temporal distribution