發(fā)布時間：2020-11-21 14:04

　　 全球氣候變化一直是重大的科學問題和熱點議題,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)生頻率和光學厚度的時空分布,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、季風活動等相互作用的基礎(chǔ)。我國處于亞洲東部,雨帶和大氣污染受夏季風的影響顯著,根據(jù)受夏季風的影響程度,將我國分為夏季風影響區(qū)、夏季風影響過渡區(qū)和非夏季風影響區(qū)。本文利用地面觀測數(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程以及不同移動路徑的沙塵,在傳輸過程中沙塵粒子的垂直分布和對比分析;進一步分析了我國西北地區(qū)不同種類氣溶膠在不同光學厚度下,四季和年均發(fā)生頻率。研究東亞夏季風環(huán)流對“夏季風影響過渡區(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)生頻率對強、弱季風年的響應(yīng);分析了我國不同種類氣溶膠分布對夏季風進退的響應(yīng)。得到的主要結(jié)論如下:(1)對影響我國北方地區(qū)一次沙塵天氣過程分析發(fā)現(xiàn),大氣層結(jié)不穩(wěn)定、大風和沙源共同造成了這次區(qū)域沙塵暴過程。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海軍氣溶膠分析與預(yù)測系統(tǒng)(NAAPS)模擬的沙塵傳輸路徑可知,此次沙塵天氣過程是西北路徑且主要向東移動,最高抬升至8 km;另外在甘肅境內(nèi)持續(xù)作用,造成當?shù)氐膿P沙、浮塵天氣。(2)西北和偏西路徑沙塵天氣過程中,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)我國西北地區(qū)沙塵氣溶膠發(fā)生頻率隨氣溶膠光學厚度值增大呈下降趨勢,污染沙塵型氣溶膠在六類型氣溶膠中出現(xiàn)頻率最高,從觀測角度來說,爆發(fā)沙塵暴天氣過程時,伴隨有污染物的遷移,近年來發(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,并且隨氣溶膠光學厚度值的增大呈上升趨勢。從四季來看,秋季和冬季在氣溶膠光學厚度值大于0.1時,污染型氣溶膠頻率明顯高于沙塵氣溶膠。(4)我國夏季風影響過渡區(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,且主要分布于過渡區(qū)內(nèi)的中東部地區(qū)。強季風年,沙塵氣溶膠發(fā)生頻率明顯低于弱季風年,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,占比約為71.8%,高于弱季風年。結(jié)合風場分析,夏季風將中國東南部地區(qū)的污染粒子輸送至過渡區(qū),并且在這里聚集,導(dǎo)致強季風年的污染型氣溶膠多于弱季風年。不同極端季風年期間東亞夏季風影響過渡區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子總量基本相同,而粗細粒子的占比不同。(5)在季風區(qū),氣溶膠類型以硫酸鹽為主,占比為71%;在過渡區(qū),氣溶膠類型以硫酸鹽和沙塵為主,占比分別為57%和27%;在非季風區(qū),氣溶膠類型以沙塵為主占比為83%;在季風區(qū),硫酸鹽氣溶膠在季風發(fā)展的三個階段對氣溶膠總光學厚度的貢獻率最大,其在季風爆發(fā)前、季風盛行期和季風撤退后貢獻率依次為45%、43%和52%;在過渡區(qū),季風爆發(fā)前,沙塵對氣溶膠總光學厚度的貢獻率為16%,硫酸鹽貢獻率為18%,在季風爆發(fā)后,沙塵的貢獻率降低至8%,而硫酸鹽的貢獻率略有升高為20%;在非季風區(qū),沙塵的貢獻率始終占據(jù)主導(dǎo)地位。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P407;P467
【部分圖文】：

近年來,有很多有關(guān)氣溶膠與季風相互作用的研究,Bollasina等(2011)采用海-氣耦合模式(GCM)進行了一系列的模擬實驗,發(fā)現(xiàn)南亞降水的減少主要歸因于人為氣溶膠的排放,氣溶膠在南亞氣候變化過程中扮演了重要的角色。印度學者Patil等(2017)在對比研究強弱季風年下,氣溶膠對云屬性的影響時發(fā)現(xiàn),不同季風年,氣溶膠會相反地改變云的性質(zhì)。圖1.3所示,在污染環(huán)境中,對流核使得云中出現(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)。有學者使用美國南部平原上長時間來的氣溶膠及云觀測的資料來研究各種不同的氣候條件下氣溶膠對云量和降雨的產(chǎn)生的影響,由此可得出,降水頻率和強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)。吳國雄等(2015)發(fā)現(xiàn)氣溶膠對東亞地區(qū)的影響與區(qū)域季風有關(guān),夏季風使得東亞地區(qū)暖濕,氣溶膠可能增強對流和降水。已有研究較多的關(guān)注了氣溶膠對亞洲夏季風強度和降水的影響,而對東亞夏季風影響氣溶膠的研究較少,有關(guān)學者關(guān)注到了這一問題,并做了相應(yīng)的研究。朱建磊,李建平等(2012)研究發(fā)現(xiàn),降水和風是影響中國東部氣溶膠濃度的兩個氣象要素,而風相比降水,是影響氣溶膠濃度的主要因素。Yan等(2011)經(jīng)過對這些模型及資料的各種對比得出,在地球表面排放量相似的狀況下,季風較弱的時候,氣溶膠大氣的柱密度及光學厚度高值區(qū)的分布偏于中國的南部,但在之后的強季風年,高值區(qū)會移動到我國北方。東亞夏季風還伴隨比較強的水汽傳輸,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,比較強的夏季對流層的水汽可以幫助增強吸濕性氣溶膠的吸收能力,從而增大光學厚度以及相對應(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),增強了東亞夏季風,進而使得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,東亞地區(qū)的PM2.5濃度時發(fā)現(xiàn):E-type厄爾尼諾發(fā)生時,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,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)夏季風活動期間,在40°E-135°E范圍四條強勁的越赤道氣流和降水的濕沉降作用降低了中國東部氣溶膠濃度,并且發(fā)現(xiàn)弱季風年的氣溶膠濃度高于強季風年。Yeh等(2017)研究了全球化學傳輸模型(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暴路徑的加強可能是亞洲污染物氣溶膠和熱帶海溫強迫共同作用的結(jié)果。

我國受夏季風影響范圍從東南向西北逐漸減弱,也就是由季風區(qū)向非季風區(qū)的一個轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變區(qū)域就是夏季風活動北邊緣線的范圍。但是,對夏季風北邊緣的定義不同,得出的北邊緣的位置和活動范圍也有一定的差別,有學者從水汽分布(湯緒等,2006)來確定季風北邊緣線的位置;胡豪然等(2007)學者結(jié)合多種因素考慮得出一個用降水,風場以及假相當位溫場等各種不同要素來分辨夏季風北界位置的方案,由于降水是夏季風活動的一個顯著氣象因子,因此有從降水量分布角度來確定夏季風北邊緣線的位置(歐廷海等,2006)。本文把4-10月出現(xiàn)三次和八次過程透雨之間的區(qū)域定義為夏季風影響過渡區(qū)(黃菲等,2009;曾劍等,2016),如圖2.1所示。需要我們關(guān)注的是夏季風北邊緣的年際和年代際的擺動,在110°E附近,其擺動范圍大概在33°N-40°N左右。夏季風年際擺動范圍可達到11個緯度,年代際擺動范圍在1.5個緯度左右,這里將夏季風北界的擺動范圍稱為“夏季風影響過渡區(qū)”。夏季風影響過渡區(qū)其實是一條從西南到東北橫穿我國大陸的地理帶(張強等,2017),途中經(jīng)過四川、甘肅等十二個省份。夏季風影響過渡區(qū)同時受到季風系統(tǒng)、西風帶以及其它環(huán)流系統(tǒng)的影響,其中季風系統(tǒng)是影響該區(qū)域的主要因子,夏季風降水對該區(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,由于過渡區(qū)內(nèi)降水量時空變化復(fù)雜,空間降水變率大,干旱風險較大(郝立生等,2012;Guan et al.,2015)。夏季風影響過渡區(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)采用國家氣象局提供的全國站點降水資料和敦煌氣象站提供的CE-318太陽光度計資料。法國CIMEL公司制造的自動跟蹤掃描太陽光度計CE-318監(jiān)測當?shù)馗�塵天氣時的大氣氣溶膠光學厚度,CE-318太陽光度計不僅是一種大氣氣溶膠環(huán)境監(jiān)測儀器,也是一種在遙感衛(wèi)星傳感器輻射定標時用于大氣光學參數(shù)測量的重要儀器,同時它也在沙塵暴監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。CE-318可以自動跟蹤太陽進行測量,當太陽被云遮蔽或大氣中沙塵含量較大以及云多不能分辨時都沒有讀數(shù)(李成才等,2003),因此只有在一定范圍內(nèi),且在無云條件下才能進行太陽直接輻射的測量。2.3 衛(wèi)星資料
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