我国北方地区大气气溶胶分布输送特征及其对夏季风活动的响应

发布时间：2020-11-21 14:04

　　 全球气候变化一直是重大的科学问题和热点议题,气溶胶在气候变化的影响因子中作用的不确定性最大,受到了广泛的关注(IPCC,2013)。研究气溶胶的垂直方向特征、传输路径、发生频率和光学厚度的时空分布,是分析气溶胶气候效应的关键,也是研究气溶胶与全球变暖、季风活动等相互作用的基础。我国处于亚洲东部,雨带和大气污染受夏季风的影响显著,根据受夏季风的影响程度,将我国分为夏季风影响区、夏季风影响过渡区和非夏季风影响区。本文利用地面观测数据、卫星遥感数据和再分析资料等多源数据,结合数值模式,首先分析了一次沙尘天气过程以及不同移动路径的沙尘,在传输过程中沙尘粒子的垂直分布和对比分析;进一步分析了我国西北地区不同种类气溶胶在不同光学厚度下,四季和年均发生频率。研究东亚夏季风环流对“夏季风影响过渡区”内气溶胶空间分布的影响,以及沙尘和污染型气溶胶的发生频率对强、弱季风年的响应;分析了我国不同种类气溶胶分布对夏季风进退的响应。得到的主要结论如下:(1)对影响我国北方地区一次沙尘天气过程分析发现,大气层结不稳定、大风和沙源共同造成了这次区域沙尘暴过程。沙尘粒子主要分布在2~3 km左右,根据HYSPLIT后向轨迹模式和美国海军气溶胶分析与预测系统(NAAPS)模拟的沙尘传输路径可知,此次沙尘天气过程是西北路径且主要向东移动,最高抬升至8 km;另外在甘肃境内持续作用,造成当地的扬沙、浮尘天气。(2)西北和偏西路径沙尘天气过程中,沙尘气溶胶垂直分布高度较偏北路径沙尘天气高;偏西路径较西北路径沙尘天气污染沙尘型粒子有所增多,两次天气过程所在区域都是酒泉地区,但不同的沙尘源区和移动路径导致大气中气溶胶粒子类型的占比不同;与酒泉地区的两次不同路径沙尘天气比较,张家口地区的气溶胶粒子退偏振比均值最小,沙尘粒子在低空已经和其它类型的气溶胶粒子混合,导致粒子的非球性降低。(3)我国西北地区沙尘气溶胶发生频率随气溶胶光学厚度值增大呈下降趋势,污染沙尘型气溶胶在六类型气溶胶中出现频率最高,从观测角度来说,爆发沙尘暴天气过程时,伴随有污染物的迁移,近年来发生的沙尘天气,气溶胶类型基本都是污染沙尘型;在不同气溶胶光学厚度值下,烟尘型气溶胶发生频率较大陆污染型气溶胶高,并且随气溶胶光学厚度值的增大呈上升趋势。从四季来看,秋季和冬季在气溶胶光学厚度值大于0.1时,污染型气溶胶频率明显高于沙尘气溶胶。(4)我国夏季风影响过渡区内,沙尘气溶胶主要集中在2~6 km高度层,分布于过渡区西部;污染型气溶胶发生高度低于沙尘气溶胶,主要集中在地面~4 km高度,且主要分布于过渡区内的中东部地区。强季风年,沙尘气溶胶发生频率明显低于弱季风年,且沙尘粒子占比约为19.6%,而污染型气溶胶发生频率呈现相反态势,占比约为71.8%,高于弱季风年。结合风场分析,夏季风将中国东南部地区的污染粒子输送至过渡区,并且在这里聚集,导致强季风年的污染型气溶胶多于弱季风年。不同极端季风年期间东亚夏季风影响过渡区内气溶胶粒子总量基本相同,而粗细粒子的占比不同。(5)在季风区,气溶胶类型以硫酸盐为主,占比为71%;在过渡区,气溶胶类型以硫酸盐和沙尘为主,占比分别为57%和27%;在非季风区,气溶胶类型以沙尘为主占比为83%;在季风区,硫酸盐气溶胶在季风发展的三个阶段对气溶胶总光学厚度的贡献率最大,其在季风爆发前、季风盛行期和季风撤退后贡献率依次为45%、43%和52%;在过渡区,季风爆发前,沙尘对气溶胶总光学厚度的贡献率为16%,硫酸盐贡献率为18%,在季风爆发后,沙尘的贡献率降低至8%,而硫酸盐的贡献率略有升高为20%;在非季风区,沙尘的贡献率始终占据主导地位。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P407;P467
【部分图文】：

近年来,有很多有关气溶胶与季风相互作用的研究,Bollasina等(2011)采用海-气耦合模式(GCM)进行了一系列的模拟实验,发现南亚降水的减少主要归因于人为气溶胶的排放,气溶胶在南亚气候变化过程中扮演了重要的角色。印度学者Patil等(2017)在对比研究强弱季风年下,气溶胶对云属性的影响时发现,不同季风年,气溶胶会相反地改变云的性质。图1.3所示,在污染环境中,对流核使得云中出现大量小粒径的水凝物,使得云的空间伸展更大,它的微物理作用以及热力效应都在影响并控制着云的形成,可以让云量变得更大,云顶变得更高,而且更加深厚(Fan et al.,2013)。有学者使用美国南部平原上长时间来的气溶胶及云观测的资料来研究各种不同的气候条件下气溶胶对云量和降雨的产生的影响,由此可得出,降水频率和强度的增加与气溶胶浓度呈正相关,这一特征主要出现在夏季或者湿润地区,这也在一定程度上加大了洪灾发生的可能性;同理,在比较干旱的地区或是季节,气溶胶起到的作用相反,那么这也在一定程度上增加了旱灾发生的可能性(Li等,2011a)。吴国雄等(2015)发现气溶胶对东亚地区的影响与区域季风有关,夏季风使得东亚地区暖湿,气溶胶可能增强对流和降水。已有研究较多的关注了气溶胶对亚洲夏季风强度和降水的影响,而对东亚夏季风影响气溶胶的研究较少,有关学者关注到了这一问题,并做了相应的研究。朱建磊,李建平等(2012)研究发现,降水和风是影响中国东部气溶胶浓度的两个气象要素,而风相比降水,是影响气溶胶浓度的主要因素。Yan等(2011)经过对这些模型及资料的各种对比得出,在地球表面排放量相似的状况下,季风较弱的时候,气溶胶大气的柱密度及光学厚度高值区的分布偏于中国的南部,但在之后的强季风年,高值区会移动到我国北方。东亚夏季风还伴随比较强的水汽传输,从而增高夏季东部地区大气湿度。Li等(2014)研究发现,东亚地区和欧美地区相比较,比较强的夏季对流层的水汽可以帮助增强吸湿性气溶胶的吸收能力,从而增大光学厚度以及相对应的直接辐射,这也可以得出东亚的气溶胶辐射效应不但与其含量有直接关系,还跟区域的水汽特征有关。Kim等(2016)通过模拟研究发现,东亚地区硫酸盐气溶胶增加所产生的辐射效应,增强了东亚夏季风,进而使得18°N-23°N地区降水增多。Jeong等(2018)研究1980-2014年期间发生厄尔尼诺现象时,东亚地区的PM2.5浓度时发现:E-type厄尔尼诺发生时,东亚地区PM2.5浓度为高于气候平均值,特别是在东亚北部;C-type厄尔尼诺发生时,与气候平均值比东亚北部PM2.5浓度下降,峰值下降了10%。Zhang等(2010)发现夏季风活动期间,在40°E-135°E范围四条强劲的越赤道气流和降水的湿沉降作用降低了中国东部气溶胶浓度,并且发现弱季风年的气溶胶浓度高于强季风年。Yeh等(2017)研究了全球化学传输模型(GEOS-Chem)中模拟的PM2.5的年际变化。结果表明,北太平洋降水的变化和风暴路径的加强可能是亚洲污染物气溶胶和热带海温强迫共同作用的结果。

我国受夏季风影响范围从东南向西北逐渐减弱,也就是由季风区向非季风区的一个转变,转变区域就是夏季风活动北边缘线的范围。但是,对夏季风北边缘的定义不同,得出的北边缘的位置和活动范围也有一定的差别,有学者从水汽分布(汤绪等,2006)来确定季风北边缘线的位置;胡豪然等(2007)学者结合多种因素考虑得出一个用降水,风场以及假相当位温场等各种不同要素来分辨夏季风北界位置的方案,由于降水是夏季风活动的一个显著气象因子,因此有从降水量分布角度来确定夏季风北边缘线的位置(欧廷海等,2006)。本文把4-10月出现三次和八次过程透雨之间的区域定义为夏季风影响过渡区(黄菲等,2009;曾剑等,2016),如图2.1所示。需要我们关注的是夏季风北边缘的年际和年代际的摆动,在110°E附近,其摆动范围大概在33°N-40°N左右。夏季风年际摆动范围可达到11个纬度,年代际摆动范围在1.5个纬度左右,这里将夏季风北界的摆动范围称为“夏季风影响过渡区”。夏季风影响过渡区其实是一条从西南到东北横穿我国大陆的地理带(张强等,2017),途中经过四川、甘肃等十二个省份。夏季风影响过渡区同时受到季风系统、西风带以及其它环流系统的影响,其中季风系统是影响该区域的主要因子,夏季风降水对该区域80%以上的降水量(史正涛等,1994)。另外,加上该区域地形复杂、下垫面空间差异大、海拔高度变化大,这一区域特别容易发生灾难性天气,比如山洪泥石流、暴雨和冰雹等,由于过渡区内降水量时空变化复杂,空间降水变率大,干旱风险较大(郝立生等,2012;Guan et al.,2015)。夏季风影响过渡区的发生干旱和极端干旱的概率都在显著上升(张红丽等,2018)。

地面数据采用国家气象局提供的全国站点降水资料和敦煌气象站提供的CE-318太阳光度计资料。法国CIMEL公司制造的自动跟踪扫描太阳光度计CE-318监测当地浮尘天气时的大气气溶胶光学厚度,CE-318太阳光度计不仅是一种大气气溶胶环境监测仪器,也是一种在遥感卫星传感器辐射定标时用于大气光学参数测量的重要仪器,同时它也在沙尘暴监测中发挥着重要的作用。CE-318可以自动跟踪太阳进行测量,当太阳被云遮蔽或大气中沙尘含量较大以及云多不能分辨时都没有读数(李成才等,2003),因此只有在一定范围内,且在无云条件下才能进行太阳直接辐射的测量。2.3 卫星资料
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本文编号：2893113