中国西北干旱区包括陕西省、 甘肃省、 青海省、 宁夏回族自治区以及新疆维吾尔自治区, 该地区面积占中国总土地面积的近三分之一, 总人口超过9 500万^[9]。 研究区域内冬季相对寒冷, 夏季气温高, 气候干燥降水少, 并且呈现出自东向西递减趋势。 该区域大部分地区年降水总量在400 mm以下。 西北地区大陆性气候大部分为中温带与暖温带两个区域, 小部分地区为高寒气候区, 气温日较差与年较差均很大。 研究区地形主要为高原以及盆地, 沙漠广布, 土壤则以荒漠土即黑灰钙土为主。 天然自然地理特征致使研究地区成为我国国境内荒漠化土地和沙漠最为集中地区。 区域内主要地区分布着中国八大沙漠中的四个, 包括班特古尔班通古特沙漠、 塔克拉玛干沙漠、 库姆塔格沙漠以及柴达木沙漠。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 研究区位图Fig.1 Location of the study area

根据中国气象出版社出版《沙尘天气年鉴》中2014年—2018年沙尘暴事件影响范围大小以及持续时间确定此次研究对象为2016年4月30日至5月1日沙尘事件。 可吸入颗粒物(PM₁₀)和细颗粒物(PM_2.5)来自国家环境监测中心城市空气质量实时发布平台(http://data.cma.cn/)。 对沙尘气溶胶光学特征分析选取MODIS卫星MCD19-A2数据产品, 波长为550 nm, 时间分辨率为日, 空间分辨率为1 km×1 km。 从NASA官方网站(https://search.earthdata.nasa.gov)获取数据, 解码计算获得AOD日均值。 对沙尘过程综合探究选取OMI-Aura L3级OMAEROe数据产品-紫外吸水性气溶胶指数AAI数据、 CALIPSO数据Level 1数据以及HYSPLIT模式后向轨迹模拟。 从NASA官方网站(https://disc.gsfc.nasa.gov/)免费下载OMI-Aura L3级OMAEROe数据产品选取其中紫外吸水性气溶胶指数AAI数据集, 其产品数据格式为HDF-EOS5。

还采用了CALIPSO卫星搭载的气溶胶激光雷达CALIOP Level 1级数据产品中532 nm总消光后向散射系数, 垂直分辨率为30 m, 水平分辨率为333 m, 数据从NASA的官方网站下载(https://www.arl.noaa.gov/hysplit/)。 HYSPLIT后向轨迹模式中采用美国气象环境预报中心全球数据通化系统NCEP GDAS(https://www.ready.noaa.gov/archives.php)1°×1°气象场资料。 基础地理数据各省域边界来自于天地图的行政边界数据接口。

采用Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory即HYSPLIT模式分析了沙尘事件传输路径。 HYSPLIT模式集合了欧拉和拉格朗日两种方法, 拉格朗日方法用于处理气团平流和扩散, 欧拉方法用于浓度计算。 由于其可计算和分析大气颗粒物扩散和传输过程特征, HYSPLIT模式气流后向轨迹在示踪空气污染物来源以及沙尘物质来源中得到广泛应用^[18]。

该模式中对于平流以及扩散计算采用的是拉格朗日方法的一种混合方法。 当轨道或空气包从其初始位置移动时, 它使用一个移动参考框架来计算对流和扩散^[27]。 假设空气中颗粒物质随风飘动, 其移动轨迹为时间变化量Δ t和空间上V矢量积分, 计算公式如式(1)和式(2)

P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P, t)+v(P', t+Δt)]Δt(1)

P'(t+Δt)=P(t)+v(P, t)Δt(2)

式(1)和式(2)中, P'(t+Δ t)为中间假设位置, P(t+Δ t)为最终位置, v为风速, Δ t为可变时间步长(变量用斜体)。

利用研究区域五个省会城市PM₁₀观测数据与沙尘事件发生期间气溶胶光学厚度(AOD)观测数据对模式模拟的结果进行了验证。

对于干旱地区而言, 大气气溶胶重要来源是风蚀形成的沙尘。 在沙源区及其影响区, 大气中沙尘物质显著增加、 颗粒物浓度上升, 沙尘气溶胶是对流层气溶胶主要成分之一。 因此, 气溶胶污染特征是探究沙尘事件重要研究指标, 对其进行分析可使我们更全面了解沙尘事件。 本研究选取研究西北地区5个省会城市作为本次研究代表城市, 对城区大气颗粒物监测数据进行分析, 判断省会城市及其周边区域大气污染源性质和污染变化特征。 由于大气中细分散与硬分散气溶胶粒子具有不同来源以及物理化学性质^[19], PM_2.5/PM₁₀比值可以用来衡量大气中存在颗粒物情况, 提供粒子来源以及它们的形成过程。 PM_2.5/PM₁₀比值较高, 表明主要是人为污染, 而其值较低时, 表明有与自然来源有关的硬颗粒物参与, 有可能是沙尘事件影响造成的。 因此, PM_2.5/PM₁₀比值可以作为污染源性质关键指标, 相当程度上说明了污染类型和可能的污染物来源。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 2016年典型沙尘事件期间中国西北主要城市 PM10及PM2.5/PM10统计图Fig.2 Changes of PM10 and PM2.5/PM10 in major cities of Northwest China during typical dust events in 2016

从PM_2.5/PM₁₀比值分析, 研究区域内5个省会城市沙尘事件发生期间4月27日— 5月3日, 其PM_2.5/PM₁₀比值均小于0.6, 且处于较低值, 这表明期间大气颗粒物中细颗粒物在总颗粒物质中所占比重较小。 由此可推断, 自然污染源影响导致大气中可吸入颗粒物含量升高。 此次沙尘事件发生前后, 乌鲁木齐市PM₁₀浓度一直处于较低水平, 均未超过国家规定的二级标准150 μ g· m^-3。 西宁市从4月29日起至5月1日, PM₁₀浓度不断上升, 起初为104 μ g· m^-3, 后为118 μ g· m^-3, 最后上升至230 μ g· m^-3。 同样, 兰州和银川PM₁₀浓度也在5月1日时分别上升到274和262 μ g· m^-3。 然而, 到5月2日, 这三座城市PM₁₀浓度均急剧下降, 分别降为75、 50和66 μ g· m^-3。 这可能是因为沙尘天气过境时地面冷锋带走了空气大部分可吸入性粒子。 此次沙尘事件西安市所受影响较小, 5月2日其PM₁₀浓度上升至178 μ g· m^-3。 乌鲁木齐市PM₁₀浓度也没有明显的上升, 推断该城市及周边区域未受到沙尘事件影响。 西宁、 兰州和银川三座城市及周边区域在5月1日左右受到沙尘天气影响, 导致其PM₁₀指数剧烈上升, 西安及其周边区域在最后受到沙尘事件影响。 总体来看, 2016年4月31日— 5月1日, 我国西北地区沙尘天气主要影响区域为新疆维吾尔自治区的南疆盆地以及青海省北部等地区。

气溶胶光学厚度是气溶胶光学特性主要物理参数, 是表征气溶胶含量、 大气浑浊度和大气污染状况的关键因子。 分析区域气溶胶光学特性演变规律, 是全面科学认识沙尘事件的基础。 在沙尘天气事件中, 由于沙尘粒子具有一定消光作用, 地面能见度因此降低, 大气浑浊度上升, 影响气溶胶光学厚度指数。 选取MODIS MCD19-A2数据产品陆地气溶胶光学深度指数AOD数据对区域气溶胶光学特性进行分析。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 2016年4月27日— 5月4日550 nm日平均 AOD的空间分布图Fig.3 Spatial distribution of daily average AOD at 550 nm from April 27 to May 4, 2016

结果显示, 2016年沙尘事件发生期间, 我国西北地区大气气溶胶指数水平空间分布呈现出明显变化, 此次沙尘事件主要影响区域范围为新疆的南疆盆地以及中部地区。 沙尘事件发生之前4月27日— 4月30日区域大气气溶胶指数一直处于较低水平, 位于0~0.75之间。 5月1日起, 区域内出现明显大气气溶胶指数高值区, 其值范围在0.8-1之间, 且随着时间推移, 该区域空间特征不断发生变化。 气溶胶指数高值区最开始出现在新疆南部, 并且于5月1日— 4日期间一直保持在较高水平, 5月2日当天影响范围最大。 青海、 甘肃、 宁夏三个省区在5月1日也有气溶胶指数高值区域出现, 陕西则是在5月4日左右出现了气溶胶指数高值区。 由此可推断, 此次沙尘事件最开始发生在新疆南疆盆地, 且在5月1日至5月4日持续影响新疆南部以及中部地区, 青海、 甘肃、 宁夏以及陕西部分地区也受到影响。 根据大气气溶胶数据空间变化特征可知, 塔克拉玛干沙漠是本次沙尘天气事件气溶胶污染形成的中心, 沙尘气溶胶移动呈现出从西北向东南趋势, 此次沙尘事件影响范围主要有新疆南部盆地、 中部地区以及青海省北部地区。

根据中国西北地区大气中吸收气溶胶指数(AAI)空间分布图, 对CALIPSO星下点轨迹穿过的多个潜在源区后向散射系数垂直廓线进行分析, 判断沙尘天气发生时尘源地。 基于HYSPLIT模式, 利用此次沙尘暴发生期间存在强气溶胶污染, 构建后向轨迹模型, 在500、 1 000和1 500 m高度利用48 h后退轨迹来确定沙尘气团起源, 模拟起沙、 传输线路。

2.3.1 典型沙尘事件沙尘中心识别

吸收性气溶胶指数AAI(absorbing aerosol index)是基于卫星观测的紫外后向散射辐射导出参数, 与大气中对紫外线有吸收作用的气溶胶有关, 能够定性反应吸收性气溶胶存在与空间分布特征。 将2016年4月27日至5月1日OMI观测到中国西北地区大气中吸收气溶胶指数进行多日平均处理, 得到图4。 从图中可以明显观测到北纬36° 至42° , 东经80° 至90° 之间存在明显的AAI指数高值区, 其值在3~5之间。 由此可以判断出, 新疆南疆盆地部分地区以及甘肃省北部部分地区为此次沙尘事件主要影响区域, 而此次沙尘事件中心区域为新疆南疆盆地区域。 在之前对沙尘事件气溶胶光学特性分析结果也显示, 沙尘事件发生的5月1日— 5月4日期间, 南疆盆地区域明显出现了AOD高值区。 AAI指数数据与之前AOD指数数据得到的此次强沙尘暴事件大致影响范围相符, 在本研究中二者可以相互印证。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 2016年4月27日— 5月1日平均AAI指数分布图Fig.4 Distribution of average AAI index from April 27 to May 1, 2016

2.3.2 典型沙尘事件沙尘气溶胶垂直分布特征

根据CALIPSO雷达获取532 nm 总衰减后向散射系数图(图4)来看, 沙尘事件发生期间大气气溶胶主要分布于0~13 km高空中。 其中, 浑善达克沙地区域沙云主要分布在7~11 km高空, 在这个区域内存在颗粒较大的沙尘气溶胶。 然而, 新疆吐鲁番盆地等区域沙尘气溶胶分布较为分散, 从距离地面3~12 km处均有分布。 塔里木盆地等地区受地形影响较大, 距离地面10 km以上高空有集中的沙云形成, 主要分布在塔里木盆地边缘地势较高区域。 综合来看, 研究区域内盆地上空明显分布有较大颗粒的沙尘气溶胶。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 5月1日CALIPSO获取的532 nm 总衰减后向散射系数图Fig.5 The total attenuation backscattering coefficient at 532 nm obtained by CALIPSO on May 1

2.3.3 典型沙尘事件沙源地与沙尘传输路径模拟

选取沙尘事件发生时段4月30日— 5月1日, 在海拔500、 1 000和1 500 m高空分别对五个省会城市模拟了48 h气流后向轨迹。 从轨迹模拟图(图6)可以看出, 产生的后向轨迹主要出现在北部与西北部气团输送中。 除去气溶胶强度污染以外, 气流高度大致上升于0~3 000 m之间。 在遭遇强气溶胶污染时, 沙尘气流高度可达3 500 m以上。 当沙尘物质来源是塔克拉玛干沙漠等地时, 气流高度可达3 500 m以上。 沙尘事件发生期间, 到达新疆乌鲁木齐市气流高度均较高, 特别是4月30日其气流高度达到6 000 m以上。 对于西安来说, 在4月30日影响该区域气流明显来自于西北方向, 5月1日气流轨迹围绕其周边地区, 这与气溶胶污染特征及光学分析中, 西安在此次沙尘事件中所受影响较小的结果相吻合。 对于影响西宁气流均来自于西北地区, 这与AOD分析中沙尘事件影响范围变化趋势自西北向东南一致。 兰州与银川在4月30日受到来自西部气流影响, 5月1日则受到来自于西北部气流影响。 结合对沙尘过程分析, 污染该区域沙尘物质可能来自于塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 2016年4月30日与5月1日中国西北地区不同城市沙尘后向轨迹模拟图Fig.6 Simulation of dust backward trajectories in different cities in Northwest China on April 30 and May 1, 2016

将模拟的后向轨迹结果与气溶胶光学特性AOD研究进行对比, 就模拟的后向轨迹来看, 高空气流基本呈现出西北— 东南走向, 而AOD高值区随时间变化也呈现出由西北向东南移动趋势, 二者具有较高的吻合度。 由此认为气流后向轨迹模拟结果是可信的。