格尔木地区沙尘气溶胶理化特征及其来源分析

这是一篇关于格尔木,沙尘气溶胶,铁氧化物,可溶性离子,元素分析的论文, 主要内容为沙尘气溶胶通过影响大气辐射、大气化学、云和降水过程,改变地-水-气系统内部的辐射能量收支和水循环,对全球气候以及环境变化产生巨大影响。对沙尘气溶胶理化特性和来源的研究不仅有助于深入理解沙尘气溶胶产生、传输机制及环境效应,而且对于现代沙尘的防治具有重要意义。格尔木位于青藏高原北部,柴达木盆地南缘,属高原大陆性气候,受沙尘活动影响严重。深入研究格尔木沙尘气溶胶的理化特征及其来源,既有利于了解青藏高原北部地区沙尘气溶胶的传输过程,也能认识人类活动对气溶胶的影响。本论文分别从沙尘气溶胶的铁氧化物、可溶性离子、常量元素、微量元素和稀土元素(REEs)几个方面,研究格尔木在沙尘与非沙尘期间沙尘气溶胶的理化特征,并分析沙尘气溶胶理化特征在不同季节和不同天气条件下的异同点,选择合适的理化指标进行示踪,以判断格尔木地区沙尘气溶胶的不同来源。本研究主要获得以下结论：(1)格尔木大气中沙尘气溶胶的质量浓度较大,大气沙尘活动较为严重。其中春季沙尘浓度最大,夏季次之,冬季最低。对比沙尘气溶胶浓度与各气象因子,发现沙尘气溶胶质量浓度与大气能见度呈明显的负相关,沙尘浓度在冬、春季节与风速呈正相关,而夏季由于大风天常伴有降水,沙尘浓度与风速的相关性不明显。(2)格尔木地区沙尘气溶胶的漫反射光谱分析显示该地区沙尘气溶胶的漫反射光谱一阶导数曲线在435nm和560nm处存在两个明显的特征峰,分别指示赤铁矿(Hm)和针铁矿(Gt)两种铁氧化物的相对含量。针铁矿和赤铁矿特征峰值的变化与可见光中各颜色的反射率的变化显著相关。且赤铁矿和针铁矿的一阶导数特征值与沙尘气溶胶样品中的铁含量呈明显的正相关,指示铁氧化物含量对沙尘气溶胶的辐射强迫产生重要影响。不同地区样品中沙尘气溶胶赤铁矿一阶导数特征值及Hm/Gt比值有明显差异,表明Hm一阶导数特征值和Hm/Gt比值具有较强的源区指示意义。(3)格尔木沙尘气溶胶中各可溶性离子相关性分析显示Na+和Cl-无论是沙尘期间还是非沙尘期间,都存在很好的相关性,相关系数r高达0.95,表明沙尘气溶胶中离子结合形式主要是NaCl。而其他离子如Ca2+, Mg2+, Cl-, Na+, SO42-在沙尘期间的相关性较好,显示沙尘期间气溶胶中可溶性部分的主要成分是NaCl-、CaSO4、Na2SO4、CaCl2、MgCl2。沙尘期间K+和Na+相关性较好,说明两者具有同源性,结合柴达木盆地盐湖广泛分布特点,推测沙尘期间气溶胶中这些离子可能主要来源于盐湖区。而夏季非沙尘期间K+浓度高可能主要是由于以秸秆焚烧为主的生物质燃烧导致。Ca2+主要是地壳源。通过对主要离子SO42-和NO3-的进一步分析,显示SO42-在沙尘期间与TSP比值稳定在4.01%左右,NO3-浓度与TSP浓度呈明显正相关,推测SO42-和NO3-主要来源于沙漠地表土壤,但在非沙尘期间两者受到人为污染源的影响较大。(4)格尔木地区沙尘气溶胶中常量元素浓度依次为Al>Ca>Fe>Mg>K>Na,其中元素Ca在TSP中所占比值为7.08%,与柴达木盆地地表物质中Ca的浓度一致。元素Al在TSP中的百分含量接近上地壳的平均丰度,但非沙尘期间Al/TSP的值高于沙尘期间。对格尔木沙尘气溶胶的元素浓度做富集因子分析和主成分分析,表明格尔木沙尘气溶胶中常量元素(如：Al、Ca、Fe等)和大部分微量元素(如：Ga、Rb、Si、Ti、V、Cr等)主要来源于地壳物质,而同时Pb、Zn、Ni、Cu等污染元素在沙尘气溶胶中富集,且主成分分析指出这些污染元素可能主要来源于人为污染排放,如机动车尾气排放、工业排放以及燃煤污染等。(5)格尔木沙尘气溶胶的稀土元素分布模式属于轻稀土富集,右倾斜型模式。沙尘期间REEs分布模式与UCC相似,且不同日期的REEs分布模式区别不大,这是由于沙尘在传输过程经过了充分的混合。主要REEs特征参数的示踪分析显示,格尔木沙尘期间沙尘气溶胶的REEs参数特征值与柴达木盆地表土、青藏高原东部表土和塔克拉玛干沙漠表土细颗粒类似,说明格尔木沙尘期间除了受到近源的柴达木盆地和青藏高原东部的影响,同时也受到其西部的塔克拉玛干沙漠的远距离传输的影响。REEs特征参数与巴丹吉林沙漠差别较大表明格尔木受到其东北部沙尘源区的影响较小。

格尔木地区沙尘气溶胶理化特征及其来源分析

这是一篇关于格尔木,沙尘气溶胶,铁氧化物,可溶性离子,元素分析的论文, 主要内容为沙尘气溶胶通过影响大气辐射、大气化学、云和降水过程,改变地-水-气系统内部的辐射能量收支和水循环,对全球气候以及环境变化产生巨大影响。对沙尘气溶胶理化特性和来源的研究不仅有助于深入理解沙尘气溶胶产生、传输机制及环境效应,而且对于现代沙尘的防治具有重要意义。格尔木位于青藏高原北部,柴达木盆地南缘,属高原大陆性气候,受沙尘活动影响严重。深入研究格尔木沙尘气溶胶的理化特征及其来源,既有利于了解青藏高原北部地区沙尘气溶胶的传输过程,也能认识人类活动对气溶胶的影响。本论文分别从沙尘气溶胶的铁氧化物、可溶性离子、常量元素、微量元素和稀土元素(REEs)几个方面,研究格尔木在沙尘与非沙尘期间沙尘气溶胶的理化特征,并分析沙尘气溶胶理化特征在不同季节和不同天气条件下的异同点,选择合适的理化指标进行示踪,以判断格尔木地区沙尘气溶胶的不同来源。本研究主要获得以下结论：(1)格尔木大气中沙尘气溶胶的质量浓度较大,大气沙尘活动较为严重。其中春季沙尘浓度最大,夏季次之,冬季最低。对比沙尘气溶胶浓度与各气象因子,发现沙尘气溶胶质量浓度与大气能见度呈明显的负相关,沙尘浓度在冬、春季节与风速呈正相关,而夏季由于大风天常伴有降水,沙尘浓度与风速的相关性不明显。(2)格尔木地区沙尘气溶胶的漫反射光谱分析显示该地区沙尘气溶胶的漫反射光谱一阶导数曲线在435nm和560nm处存在两个明显的特征峰,分别指示赤铁矿(Hm)和针铁矿(Gt)两种铁氧化物的相对含量。针铁矿和赤铁矿特征峰值的变化与可见光中各颜色的反射率的变化显著相关。且赤铁矿和针铁矿的一阶导数特征值与沙尘气溶胶样品中的铁含量呈明显的正相关,指示铁氧化物含量对沙尘气溶胶的辐射强迫产生重要影响。不同地区样品中沙尘气溶胶赤铁矿一阶导数特征值及Hm/Gt比值有明显差异,表明Hm一阶导数特征值和Hm/Gt比值具有较强的源区指示意义。(3)格尔木沙尘气溶胶中各可溶性离子相关性分析显示Na+和Cl-无论是沙尘期间还是非沙尘期间,都存在很好的相关性,相关系数r高达0.95,表明沙尘气溶胶中离子结合形式主要是NaCl。而其他离子如Ca2+, Mg2+, Cl-, Na+, SO42-在沙尘期间的相关性较好,显示沙尘期间气溶胶中可溶性部分的主要成分是NaCl-、CaSO4、Na2SO4、CaCl2、MgCl2。沙尘期间K+和Na+相关性较好,说明两者具有同源性,结合柴达木盆地盐湖广泛分布特点,推测沙尘期间气溶胶中这些离子可能主要来源于盐湖区。而夏季非沙尘期间K+浓度高可能主要是由于以秸秆焚烧为主的生物质燃烧导致。Ca2+主要是地壳源。通过对主要离子SO42-和NO3-的进一步分析,显示SO42-在沙尘期间与TSP比值稳定在4.01%左右,NO3-浓度与TSP浓度呈明显正相关,推测SO42-和NO3-主要来源于沙漠地表土壤,但在非沙尘期间两者受到人为污染源的影响较大。(4)格尔木地区沙尘气溶胶中常量元素浓度依次为Al>Ca>Fe>Mg>K>Na,其中元素Ca在TSP中所占比值为7.08%,与柴达木盆地地表物质中Ca的浓度一致。元素Al在TSP中的百分含量接近上地壳的平均丰度,但非沙尘期间Al/TSP的值高于沙尘期间。对格尔木沙尘气溶胶的元素浓度做富集因子分析和主成分分析,表明格尔木沙尘气溶胶中常量元素(如：Al、Ca、Fe等)和大部分微量元素(如：Ga、Rb、Si、Ti、V、Cr等)主要来源于地壳物质,而同时Pb、Zn、Ni、Cu等污染元素在沙尘气溶胶中富集,且主成分分析指出这些污染元素可能主要来源于人为污染排放,如机动车尾气排放、工业排放以及燃煤污染等。(5)格尔木沙尘气溶胶的稀土元素分布模式属于轻稀土富集,右倾斜型模式。沙尘期间REEs分布模式与UCC相似,且不同日期的REEs分布模式区别不大,这是由于沙尘在传输过程经过了充分的混合。主要REEs特征参数的示踪分析显示,格尔木沙尘期间沙尘气溶胶的REEs参数特征值与柴达木盆地表土、青藏高原东部表土和塔克拉玛干沙漠表土细颗粒类似,说明格尔木沙尘期间除了受到近源的柴达木盆地和青藏高原东部的影响,同时也受到其西部的塔克拉玛干沙漠的远距离传输的影响。REEs特征参数与巴丹吉林沙漠差别较大表明格尔木受到其东北部沙尘源区的影响较小。

一种沙尘-降水相互作用典型个例数据集的构建及其应用研究

这是一篇关于沙尘气溶胶,降水,潜热,垂直结构,卫星的论文, 主要内容为大气中的沙尘气溶胶可以作为云凝结核或冰核参与到云微物理过程中,通过异质核化过程影响水凝物和降水潜热的垂直分布情况,最后反过来影响云的热动力学性质。开展沙尘影响降水的研究有助于加深对云微物理过程的认识,也对模式发展、气候预测等领域大有帮助。为了从观测角度进一步揭示沙尘-降水相互作用,本文设计了一种自动寻找受沙尘污染的降水个例的算法,用该算法找出的个例对应的三维降水和潜热数据构建了个例数据集,并用该数据集统计分析了春季华北地区沙尘对降水和潜热垂直结构的影响,探讨了可能的物理机制。首先,本文利用多卫星数据和再分析资料设计了一种自动寻找沙尘污染典型个例的算法。基本思想是用GPM卫星的双频降水雷达(DPR)观测降水个例的三维结构,用CALIPSO卫星的云气溶胶正交偏振激光雷达(CALIOP)的探测结果指示沙尘的垂直分布,用MERRA-2再分析资料中的沙尘气溶胶光学厚度指示沙尘的水平分布,为每个降水系统匹配时空上邻近的沙尘气溶胶数据,再根据沙尘含量筛选出污染和清洁个例。将该算法应用于春季华北地区,共找出37个污染个例和30个清洁个例,并利用Aqua卫星的产品通过比较典型个例的方式验证了个例数据集的可靠性。然后应用该个例数据集,通过合成分析、区分雨型和约束动力条件的方式统计分析了污染个例组和清洁个例组的降水参量、降水廓线和潜热廓线的差异,发现污染组中对流降水样本占比更高,两种雨型的地表降水率与清洁组相当,但雨顶温度和89 GHz的偏振订正亮温系统性偏低,表明沙尘污染环境下降水系统的垂直发展更好。通过比较反射率的高度分布和降水率平均廓线发现,污染组的层云降水在零度层以上更强,在零度层以下更弱;对流降水在零度层以上更强,在零度层以下的差异并不显著。雨滴谱参数平均廓线的结果指出污染组的层云降水在高空因雨滴粒径增大而加强,低空因雨滴数密度减小而减弱。为了突出沙尘对差异的贡献,使用地表降水率和雨顶温度约束降水的动力条件,发现降水率和雨滴谱参数平均廓线的差异的正负没有发生明显变化。而给定三种气象条件变量作为约束时,降水率平均廓线的差异在高空保持为正,但在低空的正负与气象条件的取值有关,说明低空降水的差异可能有多种因素参与。推测沙尘在高空通过微物理过程增强层云降水和对流降水,促进云内对流,抬升雨顶;而在低空可能通过微物理过程和热力过程减弱层云降水。最后采取同样的方法分析了沙尘对于CSH、SLH和VPH三种算法反演的潜热垂直结构的影响。结果表明三种潜热量级相当可以进行比较,CSH和SLH的廓线形状贴近经典概念模型,而VPH的廓线形状在零度层上方10℃范围内存在异常的形状。CSH和VPH在高空的结果符合加热增强的预期,但三种潜热在低空的结果均不符合预期。使用地表降水率作为约束时CSH和SLH给出的污染组和清洁组之差会随地表降水率发生转向。这结果说明三种算法的结果差异较大,无法就沙尘对潜热垂直结构的影响这一问题给出一致的趋势。

尘卷风热力学效率初探及其对沙尘气溶胶的贡献

这是一篇关于沙尘气溶胶,尘卷风,沙尘暴,热力学效率,太阳辐射的论文, 主要内容为沙尘气溶胶,即矿物沙尘,是矿物气溶胶的一种存在形式,是大气气溶胶的主要构成成分,主要来源于干旱、半干旱沙漠地区。沙尘气溶胶严重影响了大气的能见度,恶化空气质量,给人类和动物的健康带来了危害。然而,沙尘气溶胶是影响气候变化的一个重要因子,其通过“阳伞效应”、“铁肥效应”以及“冰核效应”将地球圈层(生物圈、水圈、大气圈、岩石圈和人类圈)有机的联系在一起,通过直接、间接的辐射效应以及参与云降水过程,成为了全球物质循环和气候变化的关键环节。目前对沙尘气溶胶的研究主要关注于沙尘暴等灾害天气起沙过程,不仅‘仅因为其具有远距离传输的特性。然而目前最新的研究指出仅沙尘暴过程是无法解释在非沙尘天气过程中沙漠地区上空的大气沙尘气溶胶含量的变化。因此,由太阳辐射引起的尘卷风热对流运动便可能是在非沙尘天气发生时沙漠上空沙尘气溶胶的主要来源之一。一些研究用太阳辐射的变化来替代尘卷风热对流,采用间接的方法去反映尘卷风对沙尘气溶胶的贡献,并且取得了一些初步的成果。由于尘卷风观测上的困难,本文通过研究尘卷风的热动力学理论—热力学效率,建立其与太阳辐射的关系。进而计算出尘卷风和沙尘暴的年均沙尘气溶胶贡献量,从数量关系上直接进行比较,有可能使我们对沙漠地区大气沙尘气溶胶的来源及含量变化有更新的认识和了解。 本文利用塔克拉玛干沙漠和戈壁地区有关对流边界层和地表温度的野外试验观测数据,计算了两地尘卷风的热力学效率,同时结合了两地的太阳辐射强度,从热动力学方面探讨了中国西北方大气沙尘气溶胶的来源,其主要研究结果如下所示： (1)沙漠戈壁地区晴日静风条件下,尘卷风具有明显的日变化和月变化规律,该地区的沙尘气溶胶可能主要来源于由热对流引发的尘卷风的贡献。 (2)尘卷风的热力学效率与尘卷风发生的日、月时间变化特征有很好的一致性关系,表明计算的尘卷风热力学效率可大体反映自然界中尘卷风发生的变化特征。 (3)尘卷风对沙尘气溶胶的贡献量有明显的季节变化：夏季最大,春节次之,秋季和冬季都较小,且沙漠地区大于戈壁地区。 (4)热力学效率、尘卷风起沙量和非沙尘天气时大气沙尘气溶胶指数有显著的正相关关系,表明尘卷风较沙尘暴过程更能够反映大气沙尘气溶胶的变化特征。 (5)通过对中国沙漠和戈壁地区沙尘暴和尘卷风年起沙量的对比分析,结果表明尘卷风对大气沙尘气溶胶的年贡献与沙尘暴天气过程相当或更加重要。

基于多源数据探究塔克拉玛干沙漠及周边地区沙尘气溶胶的时空分布特征及传输规律

这是一篇关于沙尘气溶胶,MERRA-2,CALIPSO,轨迹传输,塔克拉玛干沙漠的论文, 主要内容为沙尘气溶胶作为气溶胶中最大的组分,不仅能通过直接、间接效应影响地球系统的能量收支平衡,还能通过改变大气化学过程,进而影响温室气体的浓度以及分布。位于我国新疆南部的塔克拉玛干沙漠(Taklimakan Desert,TD)是东亚沙尘的主要来源,其春季沙尘对南疆当地的空气质量影响严重,且其沙尘可被抬升至行星边界层以上进行远距离输送进而影响传输路径地区上的空气质量。因此,开展对TD及周边地区沙尘气溶胶时空分布特征及主要传输路径的探究十分重要。本文综合利用了卫星遥感、再分析数据、气象数据等,探究了2020年TD及周边地区沙尘气溶胶的时空分布特征及主要传输路径,主要研究内容如下:(1)基于MERRA-2(The Second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)再分析数据和MISR(Multi-angle Imaging Spectroradiometer)遥感数据,探究了TD及周边地区的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)的分布特征,分析了沙尘气溶胶数据与PMF(Positive Matrix Factorization)源解析结合颗粒物监测浓度之间的关系,基于此对TD及周边地区沙尘气溶胶进行了时空分布特征的分析,结果表明:在空间分布上,沙尘气溶胶光学厚度(Dust AOD,DAOD)的高值区主要在TD的西北部,即阿克苏的西南部、喀什的东北部、和田的西北部,呈现出四周低、中间高,东南低、西北高的分布特征,且阿克苏地区始终为DAOD的高值区,在时间变化上,DAOD在春季(0.25)>夏季(0.22)>秋季(0.2)>冬季(0.06),其与风速的季节变化相吻合,最后通过?ngstr?m指数、DAOD和AOD的比值探究了TD及周边地区气溶胶粒径的分布特征,结果表明TD及周边地区主要以粗粒子为主,且北部地区气溶胶粒径大于南部地区。(2)利用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)星载激光雷达气溶胶廓线和层产品探究了TD及周边地区沙尘气溶胶的垂直分特征。结果表明消光系数(Extinction Coefficient,EC)在TD及周边地区上空随海拔高度增加而减少,EC整体在春季最高、夏季最低,春季近地面(<2km)EC高值可达0.52km-1,升至5km处的值降低到0.02km-1。此外,春季退偏比的垂直分布表明,TD及周边地区的上空存在两个明显的沙尘层,低空的沙尘层主要分布在0-2km,在和田地区上空有明显的抬升(4-6km),高空中的沙尘层主要分布在8-12km,表明TD上空沙尘具备远距离传输的条件;(3)基于HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)模型探究了TD沙尘气溶胶在不同高度上的主要传输路径。结果表明,TD沙尘在0.5km、1km、2km高度上的传输方向主要从沙漠中心向西北传输,经过阿克苏地区南部进而向巴州地区输送,在3km、4km、6km高度上的传输主要从沙漠中心向东输送,由巴州地区东部离开新疆继而途经青海、甘肃、陕西、宁夏、内蒙古等地,该输送过程可能会对途经地区的空气质量造成影响。

青藏高原外源性沙尘气溶胶的时空分布、来源地分析和环境效应评估

这是一篇关于沙尘气溶胶,青藏高原,来源,环境效应,时空变化的论文, 主要内容为沙尘气溶胶作为地球大气气溶胶的重要组成部分,对全球气候、生态环境和人体健康都有重要影响。目前,国内外对青藏高原地区沙尘气溶胶的研究,借助数值模拟、卫星遥感和实地观测等手段,已经取得多方面的进展,但由于青藏高原沙尘来源复杂、气象条件变化剧烈、研究方法的局限性等,相关研究结果在回答沙尘气溶胶来源、时空分布及其气候和环境效应等科学问题上仍然存在较大的不确定性。本文依托第二次青藏高原综合科学考察研究项目,利用相关地面观测、卫星遥感、再分析资料和融合同化数据集,研究了青藏高原沙尘气溶胶分布状况、来源地气象因子和沙尘造成的气候环境效应。通过分析青藏高原地区气溶胶光学厚度AOD等光学参数和同期气象观测数据,得到青藏高原的沙尘活动时空分布特征和变化趋势;利用Dust COMM数据集分析沙尘源地的相对贡献,对比青藏高原、东亚、中东和中亚及北非等地区的对流活动、降水、风速等气象因子的差异,总结东亚、中东和中亚地区的沙尘传输机制,以及影响青藏高原的沙尘外来源特征;最后利用再分析资料和光伏能源模式,定量评估沙尘气溶胶造成的气候环境效应。(1)利用UKMO MIDAS(UK Meteorological Office MIDAS)数据集、MIDAS(Mod Is Dust Aero Sol)资料、MERRA-2再分析资料等,定量分析青藏高原沙尘气溶胶粒径、光学参数、地面浓度等变量的时空特征,及1980年代以来沙尘天气发生频数的变化趋势。根据红外差值沙尘指数(IDDI)和沙尘气溶胶光学厚度(DOD)分布状况,青藏高原整体沙尘活动在春季最为活跃。沙尘气溶胶浓度从北向南呈下降趋势,高原中部地区是气溶胶分布的低值区域,青藏高原东北部柴达木盆地上空存在着气溶胶浓度高值区。青藏高原西部的羌塘高原地区在春季和夏季都存在着IDDI分布的高值区域,沙尘活动强度远高于高原其他区域。根据地面气象观测记录,观测期间以来的最高值出现在青藏高原西北部的天山山脉地区,该区域的站点在1980年代观测到的沙尘日数为143。此外,高原南缘也有季节性的高值区分布,主要存在于夏季和冬季,与外源性气溶胶传输活动有关。从青藏高原内部不同区域来分析,沙尘气溶胶变化趋势也存在差异:高原中部地区沙尘日数无明显时间变化;高原北部和南部2000年之后,沙尘活动频率和强度均表现为降低趋势。(2)利用CALIPSO L2 VFM资料、Dust COMM(Dust Constraints from joint Observational-Modelling-experi Mental analysis)数据集、ERA5再分析资料等,分析青藏高原沙尘气溶胶的来源地相对贡献和影响沙尘传输机制的气象因子,总结不同传输机制的主导影响因子。中东和中亚地区的沙尘在释放和远距离传输过程中,中高空风场和对流活动是主导因素,降水是抑制因素;东亚地区的沙尘传输活动,主要集中在低层近地面处,地形和近地面风速的影响更为显著。青藏高原沙尘气溶胶主要来源是东亚地区、中东和中亚地区、北非地区,占比分别约为45%至58%,32%至38%,6%至13%。不同沙尘源地在不同沙尘参数上的相对贡献有明显区别,其中东亚地区沙尘对于青藏高原近地面处和地面沉降的沙尘贡献率高于沙尘负荷,同时对青藏高原上空沙尘气溶胶光学厚度DOD贡献较小;在中东、中亚地区和北非地区沙尘对DOD和沙尘负载有更高的贡献率,对沙尘沉降贡献较少。不同沙尘源地对青藏高原沙尘气溶胶在垂直方向上分布的贡献存在差异:东亚地区沙尘对近地面处的贡献率较高,而中东和中亚地区和北非地区对近地面以上的大气层贡献较高。东亚地区和中东、中亚地区在风速、沙尘抬升和对流活动等气象因子综合作用下,具有垂直分布迥异的外源沙尘传输特征,进一步影响了青藏高原地区沙尘气溶胶的垂直结构。(3)利用MERRA-2再分析资料、CERES-SYN辐射数据和光伏能源模式PVLIB,分析沙尘气溶胶造成的气候和环境效应。青藏高原地区因沙尘气溶胶积尘效应造成的光伏能源亏损在春季最大(38.9 W·m-2),在夏季最小(30.3 W·m-2),而羌塘高原和柴达木盆地的光伏能源亏损最高可超过100.0 W·m-2。青藏高原地面处的多年平均气溶胶短波辐射强迫约为-4.38W·m-2。如果考虑大气削弱、云和气溶胶粒子相互作用的影响,青藏高原短波辐射通量在地面和大气层顶处的差值在夏季达到最强;而长波辐射通量在青藏高原地区地面处则发挥加热作用,在夏季地面处和大气层顶的长波辐射通量差值约为151W·m-2。沙尘气溶胶对于光伏能源利用和转化的影响远远大于太阳辐射强迫:春季、夏季、秋季和冬季的因积尘效应损失的光伏能源多年平均分别为38.9、30.3、36.2和35.4 W·m-2,积尘效应造成的青藏高原地区光伏能源损失量值大于塔克拉玛干沙漠、南亚次大陆北部等气溶胶分布高值区的直接辐射强迫(约-30.0 W·m-2)。羌塘高原和柴达木盆地是光伏能源损失的高值区,由于春季降水较弱和风沙活动活跃,光伏能源损失最高超过了100.0 W·m-2。

利用新型全自动太阳光度计研究气溶胶光学和物理特性

这是一篇关于CE-318太阳光度计,气溶胶光学厚度,沙尘天气事件,沙尘气溶胶,粒子谱分布,消光系数的论文, 主要内容为大气气溶胶是由固态或液态的质粒分散到空气中形成的分散体系，虽然大气气溶胶粒子质量仅占大气质量的十亿分之一，但它对大气辐射传输、气候变化、环境质量、云和降水过程以及水文循环过程都有重要影响，从而构成气溶胶的辐射气候效应、环境健康效应和云物理效应。因此，研究气溶胶的物理化学性质和光学特性及其时空变化规律成为大气科学的一个热点问题。 本文根据全自动太阳分光光度计CE-318测得的太阳直接辐射数据，计算了银川地区的大气气溶胶光学厚度，反演了该地区的粒子谱分布和气溶胶消光系数特征，并利用计算的结果对银川地区的光学厚度、粒子谱分布和消光系数的变化特征做了比较系统的分析。 CE-318是一种高精度野外太阳和天空辐射测量仪器，具有易携带易安装、自动扫描、太阳能供电、可自动传输数据等特点。CE-318主要用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度。利用CE-318测得的直接太阳辐射数据可以反演计算大气透过率、消光光学厚度、气溶胶光学厚度、大气水汽柱总量和臭氧总量；天空扫描数据则可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数。目前国内沙尘暴监测预警系统布设有该种设备。 在进行计算时首先选择了天空晴朗无云、大气层结很稳定的天气条件下的太阳直接辐射数据，利用Langley法对太阳光度计进行了定标。随后由太阳直接辐射数据利用Bouguer定律反演了大气气溶胶光学特性；在计算所得的光学厚度的基础上，利用Monte carlo方法反演了气溶胶的粒子谱分布。计算了银川地区的大气气溶胶光学厚度，反演了该地区的粒子潜分布和气溶胶消光系数特征，并利用计算的结果对银川地区的光学厚度、粒子谱分布和消光系数的变化特征做了比较系统的分析。 银川位于我国西北地区东部，其西北部有巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，东部有毛乌素沙地，这些沙漠和沙地是银川地区沙尘气溶胶的重要源地。由于沙源充足，加上冬、春两季降水偏少，气候干旱，大风偏多，造成银川地区冬、春两季沙尘暴频繁发生，其中4～5月是全年沙尘天气的高发期。本文使用的研究资料就来自于全自动太阳分光光度计CE-318所测得的银川地区2002年1月、4月、7月、10月四个月的太阳直接辐射数据。这四个月的资料可以代表冬、春、夏、秋四季，不同的气候条件下的太阳直接辐射强度，对计算所得的大气气溶胶光学厚度和粒子潜分布的计算结果的分析，可以初步了解该地区大气气溶胶的物理和光学特性。 通过对计算所得结果进行分析，可得到以下的结沦： (1)．在某一给定的波长上，大气气溶胶的光学厚度随不同气象条件和观测点地理位置的不同而有很大的差异，甚至可能有完全不同的变化规律。由此可知，在可见光和近红外波段，大气气溶胶在不同波段上的消光特性各不相同：在可见光波段气溶胶的消光能力比在近红外波段大，并且在可见光波段气溶胶 光学厚度的变化随气溶胶理化特征的变化很明显:不同的波段对气溶胶成分的 变化的反应也各不相同。 (2).该地区大气气溶胶光学厚度具有明显的日变化和季节变化。日 变化有四种类型(9:00一一16:00)，它们分别是:1).大气气溶胶光学厚 度的日变化相对稳定，这种情况下87Onm、936nm和1020 nm的T:日平 均值小于0.1，由于大气气溶胶在可见光波段的吸收比在近红外波段的 大，44onm处的T。值在 0.1一0.2之间;2).大气气溶胶光学厚度的日变 化整体上呈上升的趋势;3).大气气溶胶光学厚度早晚小，中午大;4).9一 11时出现峰值，其它时间变化比较小。在大气比较浑浊的情况下， 日平均值比干净大气的日平均值大1.5倍左右。对于季节变化而言，则 是冬春季节大，秋季次之，夏季最小:夏季T:在观测期间87Onm、936nm 和1020nm的月平均值分别为0.104，0.110，0.119，440nm处为 0.226。 春季大气中的主要成分是沙尘，冬季大气的主要成分是人类活动排放的 大量颗粒物，而夏季由于降水的清除作用明显，气溶胶数浓度较低，气 溶胶光学厚度较小。 (3).该地区的不同种类的气溶胶粒子谱分布特征各不相同。烟煤和 水溶性粒子的谱分布呈偏态，沙尘粒子则呈比较标准的正态分布，它们的这种 分布是与粒子半径和气溶胶的成分密切相关的。水溶性粒子几乎以核模态存在， 其中水溶性粒子半径在0.001一1.Opm占的比例很大，最大浓度分别高达10，一 10飞m刃，占气溶胶总数的95%或更多;烟煤粒子以核模态和集聚模态存在，是 大气中比较稳定的成分，数浓度比水溶性粒子小一个量级。沙尘粒子基本上以 粗模态存在于空气中，山于体积比较大，容易通过干、湿沉降从大气中移出， 所以含量极少，其数浓度仅占总浓度的2.61 x 10一，%。沙尘粒子数浓度的峰值 出现在1.Opm左右，平均浓度为168/c耐。 气溶胶的数浓度具有明显的日变化(9:00一16:00)。水溶性粒子的日变 化呈双峰型，烟煤粒子和沙尘粒子变化呈单峰型变化，水溶性粒子数浓度的峰 值出现在上午9时和下午巧时，烟煤性粒子的峰值出现在H时一13时之间， 沙尘粒子的峰值出现在9一11时之间。造成气溶胶的这种变化规律的原因很 复杂，但归根