塔里木盆地沙塵氣溶膠的柱質量密度特性

張小林 姜歡 汪賦坤 何清

摘要氣溶膠質量密度是氣溶膠重要的參數，它影響著大氣中復雜的化學反應，也與氣溶膠的傳輸過程和空間分布息息相關.基于MERRA-2再分析資料提供的氣溶膠柱質量密度數據，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量密度的時空分布特征.結果表明，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質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、月和季節變化特征.沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質量密度的年平均值在0.24～0.41和0.06～0.11 g/m2范圍內變化;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.關鍵詞沙塵氣溶膠;柱質量密度;塔里木盆地;時空分布

中圖分類號X513

文獻標志碼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、大氣環境、人類健康和工程應用有著深遠影響和重要意義[1].氣溶膠粒子可以由自然過程產生，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，有的能達幾周.因為其尺度相對較小，不易被雨雪沖刷清除，又不是太小，不易被凝結碰并清除，亞微米尺度氣溶膠特性一直是該領域的研究熱點之一[3].沙塵作為一種吸收性氣溶膠，由于地表風化作用，在干旱或半干旱地區含量較多，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].

氣溶膠質量密度是描述氣溶膠特性的重要物理參數之一，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成分和形狀的差異，通常采用有效質量密度[5]來描述.目前氣溶膠質量密度測量主要有三種方式：通過氣溶膠各化學組分的質量濃度和質量分數求得氣溶膠的質量密度;根據氣溶膠電遷移率粒徑和質量求得有效密度;通過氣溶膠空氣動力學粒徑和電遷移率粒徑的關系計算有效密度[6].

有關氣溶膠質量密度的測量已經開展了很多工作.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粒徑的測量來描述氣溶膠質量密度.Schmid等[9]從氣溶膠電遷移和空氣動力學等效粒徑反演出非球形粒子的有效質量密度.對于整層大氣的氣溶膠柱質量密度，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].雖然對氣溶膠質量密度的研究已經開展了大量工作，但是有關氣溶膠質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量密度數據，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量密度的時空分布特征，以期為當地空氣污染質量和空氣質量預測提供參考.

1 數據與方法

塔里木盆地是中國內陸面積最大的盆地，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，盆地內以東北風和西北風為主，水分主要由西風氣流所供應，盆地內降水量稀少，盆地內除與山脈相接處外，大部分地區已沙漠化，形成了中國最大的塔克拉瑪干大沙漠.本文研究區域為塔里木盆地地區37°～42°N、75°～90°E之間，如圖1中黑框所示.圖1為氣溶膠吸收光學厚度的分布，可以看出：塔里木盆地氣溶膠吸收光學厚度較強，這主要是由于該地區沙塵的吸收特性所導致.

本文所研究的氣溶膠柱質量密度數據來源于MERRA-2再分析數據.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大氣再分析數據和集合地球再分析系統IESA的中間進行過渡，包含了從1980年至今的大氣數據，對于全球氣候變化的觀測研究都具有重要的意義[11].

2 結果與討論

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.這主要與當地的天氣狀況有關，特別是沙塵暴爆發的強度和頻率有關.日平均沙塵氣溶膠的柱質量密度是沙塵PM2.5氣溶膠的柱質量密度的約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，塔里木盆地地區沙塵氣溶膠柱質量密度的平均值為0.33 g/m2，標準差為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量密度值在0.05 g/m2到0.5 g/m2之間出現的天數最多，均為40次以上，0.2～0.3與0.4～0.45 g/m2之間的數據出現次數相對較低，達到了30次左右.由圖3b可知沙塵PM2.5氣溶膠柱質量密度的平均值為0.086 g/m2，標準偏差為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氣溶膠柱質量密度的年平均值在0.24～0.41和0.06～0.11 g/m2范圍內變化.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年達到極大值，隨后開始下降，至1987年達到低值，1989—1996年的變化趨勢與1980—1988年相同.對于這一情況已經有不少學者開展過研究，對于沙塵天氣的出現頻率包括但不限于8年的周期，長的可達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速的變化響應較好[13]，不過真實原因猶未可知，還需進一步地調查研究.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，這種情況的出現與人類的活動密不可分.隨著經濟不斷發展，人口數量急劇上升，人類的物質需求也在不斷提高，不合理的物質活動導致了生態環境遭到破壞，北方地區的沙漠化進程不斷增加.不僅如此，全球氣候變暖，北方大部分地區的氣溫相比同期增高1～2 ℃，高溫加劇了土壤內水分的蒸發，使得土壤內含水量低下，土質干燥疏松，不利于植被的生長，也為沙塵天氣的產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的異常頻繁，二者的出現產生強大的風力，結合北部地區地面豐富的塵源，可以將沙塵卷起，極易產生沙塵天氣[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，月平均極大值出現在5月和8月，月平均極小值出現在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），低值區在11月—次年2月，還能看出在一年中，沙塵氣溶膠柱質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，氣溶膠柱質量密度變化程度相對較大，主要是由于副熱帶西風急流的位置變化導致了這種季節上的變化特征[15]，12月—次年2月，西風急流大致在喜馬拉雅山脈南邊，此時為青藏高原地區的沙塵暴高發時期，隨著時間流逝，季節變化，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，大部分地區開始進入雨季，除柴達木盆地外，沙塵暴天氣近乎消失.而沙塵暴發生的區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，高原周圍有強勁的北支氣流，但這股北支氣流處于暖氣團的控制下，而且高原地區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，抑制了沙塵暴發生，這時盆地內部的沙塵暴天氣漸漸減弱.此后至12月，西風急流逐漸向南移動，秋冬天氣轉冷，并且雨季剛過，地面有著較為穩定的空氣層結，沙塵暴發生天氣顯著減少，使得8月開始平均質量密度逐漸降低.圖5中可以看到在7月時沙塵氣溶膠柱與沙塵PM2.5氣溶膠柱的質量密度水平達到一個極小值，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，沙塵天氣的出現也相應會在這個時間點達到低估，不過塔里木盆地蒸發量大，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氣溶膠柱質量密度的季節變化情況.可以看出季節性變化特征較為顯著，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠的質量密度最大值都出現在春季（0.47±0.13和0.12±0.03 g/m2），隨后隨季節的更替逐次遞減，夏季僅次于春季，高于秋季，在冬季達到最低值（0.13±0.05和0.04±0.014 g/m2），這是因為春季為塔里木盆地的沙塵多發季，主要由于春季沙源豐富，大氣層結不穩定，并且暖季時地面對大氣有強烈感熱加熱作用，形成熱低壓，再配合強勁的風速，極易起沙[16].對于塔里木盆地地區季節內平均風速和風向變化的研究中可以發現，沙塵的質量密度與風速的變化呈正相關，塔里木盆地內風速主要特征為春季最高，夏季次之，秋季比冬季高，風速的變化直接影響到沙塵天氣的變化，風向決定了沙塵的輸送路徑，多處地區在春季時的風向有利于沙塵暴的發生.例如和田地區[17]作為塔里木盆地內沙塵天氣的高發區之一，其主要風向為西風或西南風，此方向對應昆侖山北坡，冰川研磨和侵蝕風化等作用下形成的大量物質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，即使風速較低，也極易引起沙塵天氣，從而導致大量的沙塵氣溶膠被輸送至大氣中，使得氣溶膠柱質量密度上升，也解釋了盆地內春季質量密度較高的原因.不過值得注意的是，降水量的大小整體對于塔里木盆地內部發生沙塵暴的時間影響不大，這是由于盆地內部極度干燥，并且每日蒸發量很高，降水無法對地表植被與土壤產生顯著影響，因此也無法很好地抑制沙塵的產生.

3 結論

本文基于MERRA-2再分析資料提供的氣溶膠柱質量密度數據，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量密度的時空分布特征.結果表明，沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質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、月和季節變化特征.沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質量密度的年平均值在0.24～0.41和0.06～0.11 g/m2范圍內變化.沙塵氣溶膠和沙塵PM2.5氣溶膠柱質量密度在春季最大，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.對可能造成此現象的多方面因素進行分析考慮，發現沙塵氣溶膠柱質量密度水平與沙塵天氣出現頻率相關，本文的結果以期為當地空氣污染防治和空氣質量預測提供參考.

參考文獻

References

[1]

Kaufman Y J，Koren I，Remer L A，et al.The effect of smoke，dust，and pollution aerosol on shallow cloud development over the Atlantic Ocean[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2005，102（32）：11207-11212

[2] Krieger U K，Braun C.Light-scattering intensity fluctuations in single aerosol particles during deliquescence[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2001，70（4/5/6）：545-554

[3] Brewer R，Belzer W.Assessment of metal concentrations in atmospheric particles from Burnaby Lake，British Columbia，Canada[J].Atmospheric Environment，2001，35（30）：5223-5233

[4] 張小林.沙塵氣溶膠粒子模型的線退偏比特性[J].光學學報，2016，36（8）：280-285

ZHANG Xiaolin.Linear depolarization ratios characteristics of dust aerosol particles model[J].Acta Optica Sinica，2016，36（8）：280-285

[5] Morawska L，Johnson G，Ristovski Z D，et al.Relation between particle mass and number for submicrometer airborne particles[J].Atmospheric Environment，1999，33（13）：1983-1990

[6] 樊茹霞，孫俊英，張璐，等.大氣氣溶膠密度觀測研究進展[J].冰川凍土，2018，40（5）：925-933

FAN Ruxia，SUN Junying，ZHANG Lu，et al.Progress in observation studies of atmospheric aerosol density[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2018，40（5）：925-933

[7] Hu M，Peng J F，Sun K，et al.Estimation of size-resolved ambient particle density based on the measurement of aerosol number，mass，and chemical size distributions in the winter in Beijing[J].Environmental Science & Technology，2012，46（18）：9941-9947

[8] de Carlo P F，Slowik J G，Worsnop D R，et al.Particle morphology and density characterization by combined mobility and aerodynamic diameter measurements.Part 1：theory[J].Aerosol Science and Technology，2004，38（12）：1185-1205

[9] Schmid O，Karg E，Hagen D E，et al.On the effective density of non-spherical particles as derived from combined measurements of aerodynamic and mobility equivalent size[J].Journal of Aerosol Science，2007，38（4）：431-443

[10] 周寶柱，陳金松，李清亮，等.一種反演中高層大氣密度的新方法[J].電波科學學報，2017，32（6）：687-693

ZHOU Baozhu，CHEN Jinsong，LI Qingliang，et al.A new method of measuring neutral atmospheric density in the upper mesosphere[J].Chinese Journal of Radio Science，2017，32（6）：687-693

[11] Gelaro R，McCarty W，Surez M J，et al.The modern-era retrospective analysis for research and applications，version 2 （MERRA-2）[J].Journal of Climate，2017，30（13）：5419-5454

[12] 牛若蕓，蔡薌寧，鄒旭愷，等.2005年我國沙塵天氣的若干特征分析[J].氣候與環境研究，2007，12（3）：358-364

NIU Ruoyun，CAI Xiangning，ZOU Xukai，et al.The characteristics of sand and dust weather events in China in 2005[J].Climatic and Environmental Research，2007，12（3）：358-364

[13] 韓永翔，宋連春，奚曉霞，等.中國沙塵暴月際時空特征及沙塵的遠程傳輸[J].中國環境科學，2005，25（增刊1）：13-16

HAN Yongxiang，SONG Lianchun，XI Xiaoxia，et al.Monthly temporal-spatial character of sandstorms and long-distance dust transport in China[J].China Environmental Science，2005，25（sup1）：13-16

[14] He L J，Lin A W，Chen X X，et al.Assessment of MERRA-2 surface PM2.5 over the Yangtze River Basin：ground-based verification，spatiotemporal distribution and meteorological dependence[J].Remote Sensing，2019，11（4）：460

[15] 萬的軍，穆桂金，雷加強，等.塔里木盆地南緣近54年沙塵天氣的變化特征及其未來趨勢預測[J].干旱區資源與環境，2009，23（9）：78-84

WAN Dejun，MU Guijin，LEI Jiaqiang，et al.The changing characteristic of sand-dust weather in recent 54 years and future trend forecast in the southern margin of Tarim Basin[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2009，23（9）：78-84

[16] 王春學，秦寧生.中國北方春季沙塵暴周期變化特征及其對最大風速的響應[J].水土保持研究，2018，25（3）：133-141

WANG Chunxue，QIN Ningsheng.Periodic variation characteristics of spring sandstorm in Northern China and the response to maximum wind speed[J].Research of Soil and Water Conservation，2018，25（3）：133-141

[17] 李晉昌，董治寶，王訓明，等.塔里木盆地沙塵天氣的季節變化及成因分析[J].中國沙漠，2008，28（1）：142-148

LI Jinchang，DONG Zhibao，WANG Xunming，et al.Seasonal distribution and causes of dust events in Tarim basin，China[J].Journal of Desert Research，2008，28（1）：142-148

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