黄土高原地区沙尘气溶胶的综合观测研究

论文摘要

沙尘暴天气是我国西北地区频发的一种强灾害性天气,沙尘天气的发生对社会发展和经济发展都造成了严重的危害,虽然近年来国内外很多科学家对当前发生的沙尘天气有较深入的研究,但是多集中在局地沙尘天气和单个站点的研究,对于我国黄土高原半干旱地区发生的沙尘天气研究较少。而我国黄土高原半干旱地区由于降水量较少,生态环境脆弱,容易导致大范围的沙尘天气过程,此外,由于人类社会发展对大气造成的污染,使大气中的黑碳气溶胶也急剧增加,黑碳气溶胶能强烈吸收太阳辐射,是影响全球气候变化的一个重要因子,基于以上分析,本文主要对黄土高原半干旱地区的沙尘气溶胶与黑碳气溶胶的物理化学特征及其光学属性进行了深入分析,论文研究内容主要包括以下几个方面:（1）首先利用中国气象局提供的我国1960年-2000年701个气象站点的沙尘天气发生频次资料,重点分析了近年来我国沙尘天气空间分布的背景特征,通过研究发现,我国存在新疆塔克拉玛干沙漠与内蒙古戈壁沙漠两大主要沙尘源区。利用两个沙尘源区不同类型沙尘天气的发生次数,建立了一个新的沙尘气溶胶指数,通过相关统计方法以及利用TOMS卫星气溶胶吸收指数对比发现,新的沙尘气溶胶指数能够较好的反映我国北方地区沙尘天气的变化特征。（2）通过对黄土高原地区2007年5月2日一次大范围的沙尘天气过程分析,对沙尘天气发生过程前后沙尘气溶胶的物理及其光学属性进行了深入的讨论,结果显示,这次沙尘天气的源地主要是南疆地区和内蒙古的戈壁沙漠地区,当沙尘天气发生时,大气中粗模态的气溶胶明显增加,气溶胶质量浓度达到2484.72 ug/m3,是沙尘暴天气发生前气溶胶质量浓度的13倍,同时沙尘天气还伴随着大风降温天气的发生,气象资料显示这次沙尘气溶胶主要来源于南疆与内蒙古戈壁沙漠两个地区,同时通过对比污染气溶胶与矿物气溶胶的光学特征可以发现,污染气溶胶能更好的反映气溶胶散射和吸收属性,背景大气气溶胶的散射和吸收系数平均为150-200Mm-1和5-15Mm-1,而沙尘气溶胶的散射系数和吸收系数平均值低于150 Mm-1和3 Mm-1。（3）利用SACOL气候站上黑碳仪、RP1400、积分浊度仪以及太阳光度计等仪器,分析黄土高原地区气溶胶的物理特征及其光学属性,通过研究发现,黄土高原地区的大气气溶胶来源比较复杂,造成的大气污染较为严重。分析粒径小于1um和10um的气溶胶的数浓度可以发现,冬季粒径小于1um的气溶胶数浓度最高,夏季最低,其中,在背景天气条件下,大气中主要以细颗粒的人为污染气溶胶为主,气溶胶粒子半径主要小于1um,根据太阳光度计观测的结果分析表明,气溶胶的平均光学厚度冬季最高,春季次之,夏季最低。说明,兰州市冬季由于燃煤取暖等原因导致冬季大气污染最严重。（4）最后,本文对2002年春季兰州市、武威市和皋兰县三个地区的大气TSP进行采样分析,通过分析表明,2002年春季是近20年以来沙尘天气最为严重的一年,2002年沙尘天气对我国整个北方地区的影响较为严重。当发生沙尘天气时,沙尘气溶胶从沙漠地区起沙开始,不断地向下游地区传输,在这个过程中不断吸附城市地区的污染物,导致矿物气溶胶中Hf、Ta、Ag、Cr、Hb等微量元素浓度明显增加,沙尘气溶胶自身的物理化学特征也发生了明显的改变。通过相关分析以及因子分析等方法对兰州市春季大气气溶胶质量浓度进行了统计,对采集的沙尘气溶胶进行化学微量元素分析。结果表明,兰州市沙尘天气发生时,气溶胶除来源于沙尘源地的外来矿物气溶胶以外,还包括了大量的本地扬尘,以及本地燃煤造成的污染尘和大量的水泥石灰尘。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 大气气溶胶的定义
• 1.2 研究沙尘气溶胶的重要性
• 1.3 国内外沙尘气溶胶研究的最新进展
• 1.3.1 沙尘气溶胶的形成及背景分析
• 1.3.2 沙尘气溶胶的气候学效应
• 1.3.3 沙尘气溶胶的物理化学特性研究
• 1.4 本论文拟解决的问题
• 1.5 本论文研究内容及章节安排
• 1.6 本论文的主要创新点
• 第二章 资料简介和研究方法
• 2.1 资料来源
• 2.2 SACOL气候观测站
• 2.2.1 SACOL观测站概况
• 2.2.2 样品采集
• 2.2.3 主要观测仪器
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 相关分析方法
• 2.3.2 因子分析法
• 2.3.3 富集因子分析
• 第三章 我国沙尘天气背景特征分析
• 3.1 引言
• 3.2 我国沙尘天气年发生日数的空间分布
• 3.3 1960～2004年我国沙尘暴的年际变化趋势
• 3.4 我国沙尘天气的季节变率
• 3.4.1 新疆地区沙尘天气月季变化
• 3.4.2 内蒙古地区沙尘天气月季变化
• 3.5 1960～2005年沙尘天气年发生次数频率分布
• 3.6 建立沙尘指数
• 3.7 新疆（内蒙古）沙尘指数与沙尘暴发生日数的相关统计分析
• 3.8 沙尘指数与TOMS卫星气溶胶吸收指数的相关分析
• 3.9 利用HYSPLIT-4模式模拟不同季节气团后向轨迹来源
• 3.10 本章小结
• 第四章 黄土高原地区沙尘天气个例分析
• 4.1 引言
• 4.2 利用OMI气溶胶吸收指数（AAI）分析沙尘天气过程
• 4.3 沙尘天气的天气形势分析
• 4.4 沙尘天气过程大气纬向风分布
• 4.5 HYSPLIT-4模式模拟沙尘天气气团后向轨迹
• 4.6 沙尘天气气象要素的地面观测
• 4.7 沙尘天气气溶胶的光学特性
• 4.8 沙尘天气爆发前后气溶胶的体积谱分布
• 4.9 沙尘天气与背景大气条件下痕量气体的物理特性
• 4.10 沙尘天气气溶胶光学特征以及污染气体的传输与转化
• 4.11 本章小结
• 第五章 黄土高原地区沙尘气溶胶特征研究
• 5.1 引言
• 5.2 2007～2008年我国黄土高原地区大气气溶胶的年变化特征
• 5.2.1 SACOL气候站大气气溶胶质量浓度的年变化特征
• 5.2.2 SACOL气候站大气气溶胶质量浓度的季节变化和日变化特征
• 5.3 大气气溶胶数浓度的分布变化
• 5.3.1 大气气溶胶数浓度的年变化特征
• 1数浓度的季节变化和日变化'>5.3.2 PM₁数浓度的季节变化和日变化
• 10数浓度的季节变化和日变化'>5.3.3 PM₁₀数浓度的季节变化和日变化
• 5.3.4 SACOL气候站大气气溶胶的数浓度谱的年变化
• 5.3.5 SACOL气候站大气气溶胶的数浓度谱的季节变化随粒径的分布
• 5.3.6 SACOL气候站大气气溶胶的体积谱的年变化
• 5.3.7 SACOL气候站大气气溶胶体积谱的季节变化随粒径的分布
• 5.4 大气气溶胶光学特性的年变化
• 5.4.1 大气气溶胶光学厚度与浑浊度参数的年变化
• 5.4.2 大气气溶胶的质量散射系数的季节变化
• 5.5 本章小结
• 第六章 黄土高原地区沙尘气溶胶化学微量元素特征研究
• 6.1 引言
• 6.2 资料与方法
• 6.2.1 沙尘气溶胶样品采集
• 6.2.2 沙尘气溶胶化学微量元素分析
• 6.3 2002年我国西北地区春季大气气溶胶的质量浓度
• 6.4 2002年3月19日沙尘暴天气气溶胶质量浓度的粒度分布
• 6.5 2002年3月19日沙尘暴天气气溶胶化学元素的质量浓度分析
• 6.6 2002年3月19日沙尘暴天气气溶胶化学元素的富集因子分析
• 6.7 2002年兰州市区春季本底气溶胶来源解析
• 6.7.1 气溶胶化学微量元素相关统计分析
• 6.7.2 本底大气气溶胶化学元素来源判别分析
• 6.7.3 气溶胶不同来源的相对贡献率分析
• 6.8 2008年中美沙尘暴研究联合观测的初步研究结果
• 6.8.1 2008年5月2日沙尘气溶胶质量（数）浓度特征
• 6.8.2 沙尘天气与背景大气气溶胶质量（数）浓度随粒径的分布
• 6.9 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 讨论和展望
• 7.2.1 讨论
• 7.2.2 展望
• 参考文献
• 附录1 个人简历
• 个人信息
• 教育经历
• 参加会议
• 国际会议
• 国内会议
• 在学期间的主要研究成果
• 已发表文章
• 待发表文章
• 致谢
• 本论文获得如下项目的资助