塔里木盆地近地面沙尘气溶胶质量浓度特征的模拟研究

塔里木盆地近地面沙尘气溶胶质量浓度特征的模拟研究

李杏1 ,王进3  ,高宇2  ,张鑫2

（1第八师石河子市人工影响天气办公室  新疆石河子 832000；2 新疆石河子莫索湾气象站，新疆石河子 832000；3新疆石河子气象局，新疆石河子 832000）

摘要：大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径0.001至100μm的固体和液体微粒组成的混合体系，主要存在低层大气中。沙尘天气是一种极具代表性的灾害性天气现象，大致可以将其分为三个等级——浮尘、扬沙和沙尘暴，沙尘天气的出现是生态环境变坏的关键标识之一。沙漠地区沙尘气溶胶浓度的主要影响因素之一就是沙尘天气出现的频率和强度。利用1980-2018年塔里木盆地近地面沙尘气溶胶质量浓度观测资料，本文对塔里木盆地地区沙尘气溶胶质量浓度和PM2.5的季节、月和年变化特性进行了测量和分析观察其变化规律。

关键词：气溶胶；沙尘；质量浓度；塔里木盆地

引言

环境问题一直是全球所面临的共同难题，尤其是近年来各种极端天气现象(如雾霾、沙尘暴等)的频繁发生，极大地影响了人类的生存环境，人们对极端天气现象的相关研究更加重视。在日常生活中，有关天气现象的新闻报道中我们经常听到气溶胶这个词，那么气溶胶是什么，又会对我们的大气造成什么样的影响。大气气溶胶是漂浮在大气中的三种不同物理状态载体组成的多相体系，该颗粒就通称为气溶胶粒子。一般来说，在研究大气科学时，比较常用的是气溶胶指代大气颗粒物。其粒子的空气动力学直径通常介于0.001至100μm之间，极其的轻，足够使其漂浮在空气中[1]。即使大气中的气溶胶含量相比其他成分不高，但它在大气各种物理与化学过程中所起的作用却不容小觑，其作用主要表现在以下两个方面：一方面气溶胶质量浓度、化学组分及它的粒径分布和相态影响大气能见度、云雾降水和太阳辐射等物理与化学过程，进而作用于全球气候变化，第二个方面，因为可吸入颗粒物拥有比较大的比表面积，这决定了其具有充分的空间附带大量带毒性且对人体健康有害的气体和化合物[2]。

1.研究资料、方法

为了更好地分析气溶胶质量浓度随时间变化的规律,利用1980至2020年近40年的资料，对塔里木盆地的沙尘气溶胶变化特征进行统计分析。本文中出现的季节平均数(包括春季为每年3月至5月(有效日92天)、夏季6月至8月(有效日92天)、秋季9月至11月(有效日91天)、冬季12月至下一年2月(有效日90天))对应的数据、月平均数、年平均数以及各平均数的标准偏差均等数据都是根据数据计算得出。可能出现的误差，人为误差和机器误差。

2.结果与讨论

2.1年际变化

分析1980年至2018年塔里木盆地沙尘气溶胶质量浓度、PM2.5质量浓度的年平均值分布(图1、图2)，发现以上两者的变化趋势基本相同，相关性比较好，峰值都出现在2018年，谷值都出现在1980年，1984~1986年间、1992~1996年间。2010年2018年沙尘气溶胶质量浓度和PM2.5质量浓度年平均值相对较高。整体波动幅度较大。整体呈波浪形变化，第一个逐渐增加从1980年到1986年，在1986年达到峰值。然后从1986年逐渐减少到1991年，之后在1991~1994年间突然增加，而在1994~1999年突然减少，2000~2002又开始增加，。如此反复的增减进行多次，但之后的增减幅度与之前的相比没有之前的增减幅度大。造成2000~2002年这一时间段内的峰值明显没有前两个峰值高的原因可能为：第一，首先我国的华北地区，特别是内蒙古高原的部分地区经历了长达三年的干旱，其次2001年又是一个暖冬，表层地面植被覆盖较少，土壤抵抗大风侵蚀能力很弱，遇到强烈冷空气，有利于沙尘以及强沙尘暴等极端天气现象的形成。第二，2002年沙尘天气多发区东移，由于来自西伯利亚的强冷空气迅速东移，引起了蒙古气旋的生成，其特殊的气旋系统影响到了峰值。第三，在2002年中期的时候，中国华北地区多发降水，降水量较近几年同期相比是最多的一年，因此导致了华北地区的土壤中含水量大，土壤墒情好，进而导致2002年沙尘提前进入结束期，次数也相对有所减少。

图1塔里木盆地地区1980-2018年沙尘气溶胶质量浓度年际变化

图2塔里木盆地地区1980-2018年沙尘气溶胶-PM2.5质量浓度年际变化

2.2月际变化

观察1980年至2018年塔里木盆地沙尘气溶胶质量浓度、PM2.5质量浓度的月变化分布(图3、图4)，结果表明，即使塔里木盆地地区沙尘气溶胶质量浓度的改变范围较大，但是具有明显的季节性，柱状图形状大致呈现M型分布，一年中月基本呈夏高冬低分布，存在两个峰值区域。在全年的变化中主峰值区域以及次峰值区域分布出现在3~5月和7~8月。因为3~9月是沙漠地段中的沙尘天气的重点发生时间，所以在这段时间内沙尘气溶胶的质量浓度整体偏高，特别是每年3~5月，其浓度格外高。沙尘气溶胶质量浓度月平均值的最大值出现在5月(294.7±57.5μg/m3)，最小在1月(98.3±27.7μg/m3)，PM2.5质量浓度月平均值最大出现在4月(64.6±10.8μg/m3)，最小在1月(24.8±7.7μg/m3)。一年中沙尘气溶胶质量浓度最高的月份约是最低月份的质量浓度的3倍。造成这个现象可能原因之一是气象条件不同，在3~5月影响沙尘天气的关键因素是系统性天气，反观7~8月则首要受局地性天气影响。

图3塔里木盆地地区1980-2018年沙尘气溶胶质量浓度月际变化

图4塔里木盆地地区1980-2018年沙尘气溶胶-PM2.5质量浓度月际变化

结语

本文对塔里木盆地地区1980年至2018年的每个月一号沙尘气溶胶质量浓度和PM2.5质量浓度数据进行统计分析，并按照季节、月际以及年际对比，结果表明：

(1) 塔里木盆地地区沙尘气溶胶质量浓度和PM2.5有明显的月变化，在全年的变化中主峰值区域以及次峰值区域分布出现在3～5月和7～8月。沙尘气溶胶质量浓度月平均值最大出现在5月(294.7±57.5μg/m3)，最小在1月(98.3±27.7μg/m3)，PM2.5质量浓度月平均值最大出现在4月(64.6±10.8μg/m3)，最小在1月(24.8±7.7μg/m3)。造成这个现象可能原因之一是气象条件不同，在3～5月影响沙尘天气的关键因素是系统性天气，反观7~8月则首要受局地性天气影响。

(2) 塔里木盆地地区3～5月的沙尘气溶胶质量浓度显著高于其他月份，思考到发生沙尘天气的次数与沙尘气溶胶质量浓度呈现正相关，而且在春季，大气层结不稳固，沙源充足、风力发达，导致塔里木盆地春季沙尘天气最多，从而沙尘气溶胶的质量浓度较高[22]。同理，11月~次年2月月平均沙尘气溶胶质量浓度较低则是由于出现沙尘天气的日数减少。

(3) 由数据看出塔里木盆地地区沙尘气溶胶质量浓度和PM2.5质量浓度的年际变化波动幅度较大，整体呈波浪形变化。

参考文献

[1]维楣,曹文俊,蒋瑞宾•空气污染气象学教程[M].北京;气象出版社,1993:8-17.

[2]Ramanathan,V.,et al.2001.Aerosols,climate,and the hydrologicalcycle.Science,294,2119-2124.

[3]中央气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,1979:21— 27.

[4]汤绪,俞亚勋,李耀辉,张存杰.甘肃河西走廊春季强沙尘暴与低空急流[J].高原气[4]象,2004,23(6):840-846.

基金项目：新疆科考基金项目《塔里木河流域高效节水与管理模式和屯垦史调查》，项目号：2021xjkk0205

作者简介：李杏，（1992.09）女，土家族，青海省乐都县，大学本科，助理工程师，从事气象相关。