北方大氣氣溶膠分布輸送對夏季風(fēng)活動的作用

劉靜 陳素娟

摘 要：最近幾年，隨著全球氣候變暖趨勢的不斷加劇，氣溶膠逐漸成為了影響全球氣候變化的重要因素，為了全面了解和掌握影響夏季風(fēng)影響程度，現(xiàn)以我國北方地區(qū)沙塵天氣研究為例，針對氣溶膠特征，在結(jié)合氣溶膠傳輸路徑的基礎(chǔ)上，分析了北方大氣氣溶膠分布輸送對夏季風(fēng)活動的作用，結(jié)果表明：由于大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致我國各個地區(qū)面臨沙塵暴問題;與偏北路徑相比，西北地區(qū)沙塵氣溶膠垂直分布高度相對較高，導(dǎo)致西北路徑沙塵污染粒較多，嚴(yán)重影響了氣溶膠離子類型所占比例。

關(guān)鍵詞：北方大氣;氣溶膠分布;輸送;夏季風(fēng)活動;作用

中圖分類號：P407;P467? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0170-04

Effect of Atmospheric Aerosol Distribution and Transportation in Northern on Summer Monsoon Activity

Liu Jing1，? Chen Sujuan2

（1.Agency Service Center of Gansu Meteorological Bureau， Lanzhou 730000， China; 2.Meteorological Bureau of Longnan City， Gansu Province， Longnan 746000， China）

Abstract：In recent years， with the increasing trend of global warming， aerosols have gradually become an important factor affecting global climate change. In order to fully understand and grasp the impact of the summer monsoon， this paper takes the dust weather in northern China as an example， aiming at the characteristics of aerosols and combining with the aerosol transport path， the effect of the distribution and transportation of aerosols in the northern atmosphere on the summer monsoon activity is analyzed. The results show that： due to the instability of atmospheric structure， all regions of China are faced with the problem of sandstorm; compared with the northerly path， the vertical distribution height of dust aerosol in Northwest China is relatively high， which leads to more dust pollution particles in Northwest China， and seriously affects the proportion of aerosol ion types.

Key words：northern atmosphere; aerosol distribution; transport; summer monsoon activity; action

氣溶膠主要以一種氣態(tài)形式存在，其構(gòu)成成分有以下兩種，分別是固態(tài)顆粒、液態(tài)顆粒，主要懸浮在大氣中，不僅直接關(guān)系到人們的身體健康，還會與大氣中的某些物質(zhì)接觸后反應(yīng)，從而形成霧或云等自然現(xiàn)象，使得大氣能見度大幅度下降，從而嚴(yán)重影響了大氣的輻射收支，導(dǎo)致周圍環(huán)境的溫度發(fā)生巨大變化，從而直接影響和改變了植物的正常生長速度。因此，為了更好地控制氣溶膠，研究北方大氣氣溶膠分布輸送對夏季風(fēng)活動的作用顯得尤為重要。

1 中國北方沙塵主要移動路徑下的氣溶膠特征 分析

1.1 西北路徑沙塵過程的空間特征

在西北地區(qū)，路徑沙塵過程所呈現(xiàn)的空間特征為：在春季，沙塵爆過程變得越來強(qiáng)，同時，以500m的模擬高度，對沙塵移動的路徑進(jìn)行全方位控制和調(diào)整[1]，此外，沙塵天氣在西北地區(qū)的出現(xiàn)的頻率不斷上升，該地區(qū)的沙塵天氣覆蓋范圍往往較廣，因此，對各個地區(qū)造成的影響比較大。此外，西北路徑德沙塵天氣一旦出現(xiàn)，很可能對遠(yuǎn)東地區(qū)產(chǎn)生一定的不良影響，因此，加強(qiáng)對我國北方沙塵主要移動路徑的控制顯得尤為重要。

1.2 偏西路徑沙塵過程的空間特征

在偏西地區(qū)，沙塵移動的路徑主要以由東到西的路徑為主，在該地區(qū)，所出現(xiàn)的沙塵天氣頻率較低，因此，一旦出現(xiàn)沙塵移動路徑，往往會對我國西北地區(qū)產(chǎn)生不同程度的影響，有時，會直接影響到東北地區(qū)的西南部。此外，在沙塵路徑的影響下[2]，我國東南地區(qū)的空氣污染程度往往較低，這是由于污染氣溶膠含量相對較低。

1.3 偏北路徑沙塵過程的空間特征

偏北路徑沙塵過程在時間和空間上的分布特征呈現(xiàn)出以下規(guī)律：在西北地區(qū)的東部，沙塵過程在傳輸期間，往往會增大對西北地區(qū)影響程度。例如：當(dāng)污染物顆粒和沙塵粒子進(jìn)行充分混合后，發(fā)現(xiàn)沙塵粒子具有很強(qiáng)的吸附性，能夠吸附大量的污染物質(zhì)[3];另外，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送沙塵的過程中，一旦沙塵所含的粒子量較多，勢必會改變硝酸鹽的等污染物的時間和空間分布規(guī)律，實地污染氣溶膠濃度呈現(xiàn)出不斷上升趨勢。

1.4 我國西北地區(qū)不同種類氣溶膠發(fā)生頻率特征

沙塵暴天氣作為我國西北地區(qū)常見的自然現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生在春季，沙塵暴天氣的出現(xiàn)增加了氣溶膠含量，為了更好地研究氣溶膠特征，相關(guān)人員要借助CALIPSO數(shù)據(jù)產(chǎn)品，探究和分析沙塵離子在時空上的分布特征，然后，利用光學(xué)厚度，全面了解和把握沙塵源區(qū)的氣溶膠頻率特征，同時，還要借助CALIPSO衛(wèi)星，利用激光雷達(dá)儀器，針對氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建CALIPSO氣溶膠模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)氣溶膠的種類和光學(xué)特征，采用氣溶膠層數(shù)據(jù)采集的方式，準(zhǔn)確地分析和統(tǒng)計散射數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出各種雷達(dá)信號，如散射系數(shù)、抬升現(xiàn)象以及區(qū)域類型等信號[4]。同時，還要將氣溶膠劃分為以下6種類型，數(shù)據(jù)集氣溶膠分類表如表1所示。然后，以內(nèi)陸地區(qū)為研究對象，針對大陸污染型、沙塵型、煙塵型化污染沙塵型4種類型氣溶膠特征，科學(xué)設(shè)置這4種氣溶膠的激光雷達(dá)比，以保證觀測結(jié)果驗證的真實性、準(zhǔn)確性和完整性。此外，還要在利用CALIPSO衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣溶膠的分類方法，根據(jù)氣溶膠在不同光學(xué)厚度下所發(fā)生的頻率，科學(xué)地分析和研究中國西北地區(qū)氣溶膠特征，在此基礎(chǔ)上，提取出沙塵氣溶膠和污染型氣溶膠的不同點。同時，還要借助雷達(dá)方程，科學(xué)確定AOD值，為后期全面了解和掌握氣溶膠在我國西北地區(qū)的頻率特征打下堅實的基礎(chǔ)。

2 氣溶膠對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱的響應(yīng)

2.1 我國夏季風(fēng)特點

我國夏季風(fēng)經(jīng)常受到海洋上空夏季風(fēng)的不良影響，導(dǎo)致我國夏季風(fēng)呈現(xiàn)出以下特點，如夏季風(fēng)活動過于頻繁、降水空間變化率過大、日變化幅度過高等特點[5]，通過了解和把握我國夏季風(fēng)特點，為后期更好地檢測和控制地面污染現(xiàn)象打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2 強(qiáng)弱季風(fēng)年下過渡區(qū)內(nèi)沙塵和污染型氣溶膠發(fā) 生頻率

在強(qiáng)季風(fēng)和弱季風(fēng)中，沙塵和污染劑氣溶膠出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)出以下特點，如位于東亞地區(qū)的沙塵出現(xiàn)的頻率往往較高，同時，沙塵粒子出現(xiàn)具有季節(jié)性特征，這無疑增加了沙塵粒子被抬升的難度，同時，與弱季風(fēng)年的污染氣溶膠相比，當(dāng)污染氣溶膠光學(xué)厚度不斷增加時，強(qiáng)季風(fēng)年污染氣溶膠出現(xiàn)的頻率相對較高。為此，相關(guān)人員要根據(jù)強(qiáng)季風(fēng)年和弱季風(fēng)年的特征，科學(xué)控制過渡區(qū)內(nèi)沙塵和污染型氣溶膠發(fā)生頻率，為后期更好地分析氣溶膠分布輸送規(guī)律，以及與夏季活動之間的關(guān)系和作用創(chuàng)造良好的條件。

2.3 過渡區(qū)內(nèi)沙塵和污染型氣溶膠不同高度層發(fā)生 頻率

在低海拔地區(qū)，氣溶膠通常具有空間變異性強(qiáng)、散射度強(qiáng)等特征，為了更好地了解和把握沙塵型和污染型氣溶膠在不同高度層所呈現(xiàn)的頻率的差異性，相關(guān)人員要將沙塵氣溶膠所發(fā)生的頻率設(shè)置為4%，然后，借助邊界層，將沙塵輸送到更高的地區(qū)，為實現(xiàn)沙塵的遠(yuǎn)距離輸送創(chuàng)造良好的條件。另外，與弱季風(fēng)年相比，強(qiáng)季風(fēng)年的污染氣溶膠出現(xiàn)的頻率往往較高，這種現(xiàn)象與沙塵氣溶膠比較類似。盡管污染氣溶膠與沙塵氣溶膠之間存在共性，但是也不同點，例如：在強(qiáng)季風(fēng)年中，當(dāng)污染氣溶膠內(nèi)部的細(xì)粒子比較多時，其出現(xiàn)頻率往往較高甚至超過弱季風(fēng)年[6]，為此，相關(guān)人員要在綜合考慮外源輸送相關(guān)因素下，向過渡區(qū)輸送污染，強(qiáng)弱季風(fēng)年期間東亞夏季風(fēng)影響過渡區(qū)沙塵型和污染型氣溶膠成分比例如圖1所示。從圖中可以看出，影響夏季風(fēng)過渡區(qū)污染氣溶膠成分的因素有兩個，分別是沙塵粒子和污染粒子。在強(qiáng)季風(fēng)年中，沙塵粒子所占的比例為19.6%，污染粒子所占比例為71.8%，由此可見，兩種粒子所占比例相加后達(dá)到了91.4%;在弱季風(fēng)年中，沙塵粒子所占的比例為31.2%，污染粒子所占比例為61.4%，由此可見，兩種粒子所占比例相加后達(dá)到了92.6%，因此，在不同極端季風(fēng)年中，東亞夏季風(fēng)氣溶膠粒子所占比例基本相同，但是不同粒子所占比例可能存在一定的差異。在強(qiáng)季風(fēng)年中，為了保證氣溶膠輸送的效率和效果，污染氣粒子所占比例相對較高，這是由于污染粒子具有較強(qiáng)的吸濕能力，導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度不斷下降。

2.4 氣溶膠光學(xué)厚度對夏季風(fēng)進(jìn)退的響應(yīng)

為了更好地分析和研究氣溶膠光學(xué)厚度在時間和空間上的分布特征，為后期更好地管控氣溶膠氣候效應(yīng)提供重要的依據(jù)和參考[7]。相關(guān)人員要針對當(dāng)前全球氣溫變暖問題，利用氣溶膠相關(guān)特性，對氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置和調(diào)節(jié)，同時，還要結(jié)合我國AOD值變化規(guī)律，將AOD值設(shè)置為0.8，為了保證季風(fēng)活動的空間特征，相關(guān)人員要在夏季風(fēng)到來之前，不斷提高AOD值，確保夏季風(fēng)對氣溶膠光學(xué)厚度影響度控制到最小，同時，還要在季風(fēng)活動出現(xiàn)之前，采用提高AOD的方式，對季風(fēng)的演變過程進(jìn)行全方位跟蹤和檢測。當(dāng)我國污染氣粒子被輸送到過渡區(qū)后，發(fā)現(xiàn)污染粒子的直徑不斷增大，這在某種程度上提高了氣溶膠的光學(xué)厚度。

3 氣溶膠的夏季風(fēng)響應(yīng)對溫度的影響

3.1 典型區(qū)域下不同種類氣溶膠光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)率

為了更好地了解和把握非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)和季風(fēng)區(qū)3個典型區(qū)域的不同類型氣溶膠光學(xué)厚度貢獻(xiàn)率的變化規(guī)律，相關(guān)人員要利用太陽光度計，采用實測值比較的方式，對氣溶膠的光學(xué)厚度進(jìn)行真實化模擬，在此基礎(chǔ)上，精確地計算和統(tǒng)計氣溶膠光學(xué)厚度在時間上和空間上的變化趨勢，以達(dá)到提高最終模擬效果的目的，經(jīng)過計算和測試，發(fā)現(xiàn)，計算數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際測量數(shù)據(jù)，并得到其氣溶膠光學(xué)厚度貢獻(xiàn)率大小順序，即：季風(fēng)區(qū)排在首位，過渡區(qū)排第2，非季風(fēng)區(qū)排第3。總之，3個典型區(qū)域的氣溶膠貢獻(xiàn)率相對比較穩(wěn)定，沒有受到季風(fēng)的較大影響。

3.2 典型區(qū)域下溫度變化及其與不同種類氣溶膠的 相關(guān)關(guān)系

在季風(fēng)爆發(fā)前期、中期和后期階段中，非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)和季風(fēng)區(qū)3個典型區(qū)域溫度呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律[8]，3個典型區(qū)域內(nèi)溫度在季風(fēng)發(fā)展不同階段的變化如圖2所示。從圖中可以看出，非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)和季風(fēng)區(qū)在盛行時期溫度上升幅度分別達(dá)到了22%、20%、17%，此外，在季風(fēng)盛行階段中，非季風(fēng)區(qū)域和過渡區(qū)域的溫度變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于季風(fēng)區(qū)域，但是，當(dāng)季風(fēng)消失后，非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)和季風(fēng)區(qū)的溫度下降幅度分別為46%、43%、26%，由此可見，非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)的溫度下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于季風(fēng)區(qū)。

為了更好地研究非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)和季風(fēng)區(qū)的溫度變化規(guī)律，相關(guān)人員要根據(jù)非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)和季風(fēng)區(qū)3個典型區(qū)域溫度與氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)性，得出如表2、表3和表4所示的數(shù)據(jù)，為后期更好地了解和把握夏季風(fēng)活動的規(guī)律提供重要的依據(jù)和參考。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，季風(fēng)區(qū)含有兩種物質(zhì)，一種是有機(jī)碳，另一種是沙塵，但是，這兩物質(zhì)沒有通過顯著性檢驗，說明溫度與硫酸鹽氣溶膠之間存在一定的相關(guān)性;在過渡區(qū)內(nèi)，不同類型的氣溶膠均通過了顯著性檢驗，說明該區(qū)域的溫度與沙塵氣溶膠的AOD之間存在一定的相關(guān)性，在非季風(fēng)區(qū)內(nèi)，有機(jī)碳、黑碳、硫酸鹽和沙塵四種不同類型的氣溶膠均通過了顯著性檢驗，說明該區(qū)域的溫度與沙塵氣溶膠的AOD之間存在一定的相關(guān)性。

3.3 典型區(qū)域下風(fēng)速變化

最近幾年，隨著全球溫室效應(yīng)的不斷加劇，全球呈現(xiàn)出風(fēng)速不斷減小的趨勢，為了更好地了解和把握我國北半球風(fēng)速變化規(guī)律，相關(guān)人員要在綜合考慮強(qiáng)風(fēng)降低速率的基礎(chǔ)上，分析和研究我國風(fēng)俗變化趨勢，經(jīng)過研究后，發(fā)現(xiàn)我國不部分地區(qū)均存在風(fēng)速不斷減小的趨勢，同時，在西北區(qū)域，風(fēng)速性下降幅度最大。另外，非季風(fēng)區(qū)、過渡區(qū)兩個區(qū)域所在的風(fēng)速在每年的一月份通常達(dá)到最小值，而對于季風(fēng)區(qū)而言，其風(fēng)速最小值在每年的6月份達(dá)到最小值，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是全球氣溫變暖，造成海陸熱力不斷下降，導(dǎo)致冬季風(fēng)的風(fēng)速不斷下降，但是，全球溫室效應(yīng)的出現(xiàn)對季風(fēng)區(qū)的影響非常小。

4 結(jié)語

綜上所述，氣溶膠存在形式主要有以下兩種，一種是固態(tài)顆粒，另一種是液態(tài)顆粒，這些顆粒形狀具有一定的多樣性，通過利用氣溶膠的散射特性、反射特性等光學(xué)特性，可以全面了解和把握氣溶膠在時空中的分布情況，為探討北方大氣氣溶膠分布輸送與夏季風(fēng)活動之間的作用提供重要的依據(jù)和參考。為了保證最終研究結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性，相關(guān)人員要與時俱進(jìn)，不斷學(xué)習(xí)氣溶膠相關(guān)新知識和新技術(shù)，進(jìn)一步提高自身的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，以實現(xiàn)對全球變暖問題的有效解決。

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