近10 a中國沙塵氣溶膠研究進展

劉新春，鐘玉婷，彭艷梅，何 清

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆 烏魯木齊830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆 塔中841000；3.新疆維吾爾自治區氣象服務中心，新疆 烏魯木齊 830002）

大氣顆粒懸浮物的來源、組成、含量以及對大氣環境質量、生態、人體健康的危害與可能引起的氣候變化，是多年來環境科學、環境工程、大氣物理和化學以及大氣地球化學等領域一直研究的課題[1-10]。研究大氣氣溶膠物相組成和來源以及表征技術，對于大氣科學和環境科學以及城市大氣質量控制和環境規劃具有重要的意義[11]。

沙塵氣溶膠光學厚度大，分布范圍廣，含量高于其它幾種氣溶膠，對環境的影響顯著。已有研究認為沙塵氣溶膠主要通過吸收和散射太陽輻射及地面和云層的長波輻射來影響地球輻射收支和能量平衡[12]。近幾年在我國北方頻繁出現的沙塵暴天氣使我們認識到對沙塵氣溶膠進行系統研究的緊迫性。大量沙塵被強風吹卷進入大氣，并隨高空氣流向下游陸地及海洋地區遠程傳輸，不僅降落在西北[13]，還可以飄移到日本[14，15]和北太平洋[16]，甚至被西風帶到北美[17]。由于沙塵氣溶膠在氣候變化中的重要作用，有關沙塵暴的研究受到高度重視，被列為全球變化研究中的優先項目。近些年來氣溶膠輻射強迫及其氣候效應的定量化研究取得了較大進展[18-19]，Huang等[20-22]、Ge 等[23]與 Wang 等[24]利用衛星資料研究了中國北方沙塵氣溶膠濃度變化及對云、輻射強迫和氣候變化等的影響，研究成果揭示，起源于塔克拉瑪干沙漠的沙塵暴會造成青藏高原上空異常變熱，從而對東亞季風產生重要影響，進而影響整個中亞地區的氣候。本文主要對我國近10 a來研究者們關于沙塵氣溶膠的研究成果進行綜述，分為以下幾個方面：沙塵氣溶膠物理特性研究、沙塵氣溶膠化學特性研究、沙塵氣溶膠的氣候效應。并對我國未來幾年的沙塵氣溶膠的研究方向和重點進行展望，希望本文對我國繼續開展沙塵氣溶膠研究有所幫助。

1 沙塵氣溶膠物理特性

沙塵氣溶膠物理特性包括濃度分布、粒徑譜分布、垂直分布、光學特性等。有關這方面的研究主要針對于不同地方、不同時段的一些典型事件。

1.1 沙塵氣溶膠的濃度研究

作為中國沙塵暴源區主要集中地之一的塔克拉瑪干沙漠，我國學者對其沙塵研究也于近幾年開始展開。高衛東等[25]對沙塵氣溶膠的分析表明，塔里木盆地沙塵暴期間，沙塵氣溶膠濃度遠大于非沙塵暴期間。沙塵氣溶膠小顆粒絕對濃度大幅度增加；百分比含量迅速增加；小顆粒（<3.3 μm）與大顆粒（>3.3 μm）的相對濃度呈大幅度增加趨勢，說明沙塵暴期間由于當地沙源豐富，細物質較多，細小顆粒迅速被攜帶到高空，成為沙塵氣溶膠的主要來源。劉新春等[26，27]對塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區6 a的觀測資料分析，結果表明：塔中地區浮塵、揚沙出現日數呈上升趨勢，而沙塵暴日數呈下降趨勢，沙塵天氣出現的頻率和強度是影響沙漠地區沙塵氣溶膠濃度的主要因素。可吸入顆粒物（PM10）月平均質量濃度峰值區分布在春夏兩季，3—5月出現主峰值區域，7—8月有次峰值區，春季PM10平均濃度在1 000 μg·m-3左右變化，夏季在 400～900 μg·m-3之間，秋冬兩季濃度較低基本上在200～400 μg·m-3之間變化。每年的3—9月是總懸浮顆粒物（TSP）質量濃度較高的時段，4—5月是主峰值區，7—8月為次峰值區；沙塵天氣過程中大氣顆粒物濃度變化具有以下規律：晴天<浮塵天氣<揚沙天氣<沙塵暴天氣。風速大小直接影響大氣中顆粒物濃度，風速越大顆粒物濃度越高。氣溫、相對濕度和氣壓是影響沙塵暴強度的重要因素，也間接影響大氣中顆粒物濃度的變化。

我國另外一個沙塵暴源區——巴丹吉林沙漠也有相關研究。周矛先等[28]對巴丹吉林沙漠邊緣額濟納地區進行了野外觀測，并分析該地區的沙塵氣溶膠質量濃度的變化特征，結果表明：不同天氣條件下TSP濃度存在倍數關系和量級的差異，其質量濃度隨粒徑的分布特征也明顯不同。額濟納地區清潔大氣中沙塵氣溶膠濃度量級為102μg·m-3，而浮塵，揚沙及沙塵暴期間沙塵氣溶膠質量濃度量級為102μg/m-3，超強沙塵暴沙塵質量濃度可達量級為104μg·m-3。

另外，牛生杰[29]對賀蘭山地區沙塵氣溶膠的安德森采樣數據分析認為背景大氣、浮塵、揚沙、沙塵暴天氣平均質量濃度存在較大差異，結果顯示：浮塵天氣的質量濃度為 189.8～583.6 μg·m-3，平均為 406.6 μg·m-3，是背景大氣的3.54倍，其質量濃度峰值位于5級或6級；揚沙天氣的質量濃度為614.03～1 949.0 μg·m-3，平均為 1 199.3 μg·m-3，是浮塵天氣的2.95倍，濃度峰值變化較大；沙塵暴天氣的質量濃度為 1 311.6～4 045.0 μg·m-3，是揚沙天氣的 2.68倍，其濃度峰值多位于1～6級。Fu[30]在民勤氣象站的觀測研究顯示：沙塵氣溶膠的濃度在沙塵天氣下是2.5 mg·m-3，而在無沙塵天氣下則為 0.1 mg·m-3，這都與周矛先的研究結論相近，也與我國學者對其他地區的沙塵氣溶膠質量濃度的研究結論基本一致。

在沙塵氣溶膠質量濃度的分析研究中，研究者們主要根據特定地點的典型事件來進行觀測和研究，得出了大致相同的結論：沙塵氣溶膠的質量濃度因不同的天氣條件而有較大的差別，大致是晴天<浮塵天氣<揚沙天氣<沙塵暴天氣。

1.2 沙塵氣溶膠的粒徑譜分布研究

在粒徑譜分布方面，高衛東[25]的研究表明塔里木盆地在沙塵暴期間沙塵氣溶膠小顆粒絕對濃度大幅度增加；百分比含量也迅速增加；小顆粒（<3.3 μm）與大顆粒（>3.3 μm）的相對濃度呈大幅度增加趨勢，說明沙塵暴期間由于當地沙源豐富，細物質較多，細小顆粒迅速被攜帶到高空，成為沙塵氣溶膠的主要來源。牛生杰[29]在研究賀蘭山地區氣溶膠粒子譜分布時認為在不同地理位置觀測到的沙塵天氣下沙塵氣溶膠粒子譜分布有一定差異。數濃度譜出現雙峰的原因可能是東南風、偏東風或偏南風吹起并輸運的沙塵氣溶膠粒子的模態與背景大氣氣溶膠的模態不同所致，經過一段時間的充分混合后，數濃度譜演變為單峰型。沙塵氣溶膠有明顯的日分布規律，不同天氣背景下的沙塵氣溶膠濃度變化特征不同，受氣象要素影響較大。權建農等[31]分析了2001年沙塵暴期間蘭州與武威的沙塵濃度和粒徑分布特征，揭示了河西走廊沙漠對蘭州市沙塵暴的影響；劉立超等[32]在敦煌地區進行了長達30個月的試驗觀測研究，獲得了該地區沙塵氣溶膠質量濃度和粒徑分布等基本特征；徐鑫強等[33]選取張掖和蘭州榆中兩地春季沙塵氣溶膠連續觀測資料，主要對2008年5月發生的一次強沙塵天氣過程中氣溶膠粒子濃度變化和譜分布特征進行了分析。結果表明，此次沙塵天氣過程的發生與鋒面過境有關；對比分析背景天氣下氣溶膠濃度，發現榆中站氣溶膠濃度主要受人為源的影響，而張掖站主要受自然源的影響。兩地沙塵過程的發生時間與物理屬性不完全相同。通過對氣團軌跡的分析，發現此次沙塵氣溶膠有多個來源。由于受河西走廊一帶地理位置和地形的影響，張掖地區沙塵天氣比蘭州榆中地區更為頻繁和嚴重。

邱玉珺等[34]通過對內蒙古朱日和地區的沙塵研究，認為非沙塵日和沙塵日均有濃度變化較穩定的粒徑段，沙塵日出現穩定粒徑段的粒徑小于非沙塵日，2種天氣背景下的平均譜在0.07～0.20 μm；非沙塵日、沙塵日和沙塵時段的氣溶膠譜型在0.01～0.1 μm、0.1～1.0 μm 和 1.0～10 μm 3 個粒徑段分布明顯不同，分別符合對數正態分布、Lorentz分布和負指數分布。辛金元等[35]運用消光法反演粒度譜認為騰格里沙漠氣溶膠粒度譜分布基本符合Junge譜。而姚濟敏等[36]通過反演粒度譜分布得出在騰格里沙漠，春季每個對數直徑間隔內的氣溶膠大、小粒子數均為最大，尤其是1 μm左右的大粒子含量明顯高于秋、冬季節；冬季的大、小粒子含量略高于秋季。此外，從誤差角度看，Junge譜對渾濁大氣的適應性是有局限的。

1.3 垂直分布特征的觀測研究

沙塵氣溶膠的垂直分布研究的主要觀測手段有飛機、激光雷達、衛星云圖、高空探空氣球等[37]，國內外學者在這方面近幾年取得了一定的進展。

錢勝利等[38]利用長達20 a的SAGEⅡ（stratospheric aerosol and gas experimentⅡ）資料，研究了東亞地區5.0～15.0 km高空氣溶膠多年時空分布特征和變化趨勢，并研究了東亞沙塵活動對高空及下游的氣溶膠輸送。研究發現東亞高空氣溶膠水平分布呈現上中下3層不同的分布特征，下層5.0～8.5 km高值區對應氣溶膠源區青藏高原和西北沙漠地區；中層9.0～10.0 km高值區對應溫帶氣旋高發的中緯度地區；上層10.5～15.0 km表現為低緯氣溶膠含量顯著高于高緯地區。高空各層氣溶膠的空間分布受天氣系統的影響具有明顯的季節變化。

牛生杰等[39]將APS-3310型激光空氣動力學氣溶膠粒子譜儀安裝在飛機上，于1999年春末對中國西北沙漠地區上空氣溶膠進行探測。結果表明，高空沙塵氣溶膠數濃度與下墊面狀況密切相關，沙漠地表上空的粒子數濃度高于植被覆蓋較好的地區；當在沙漠地區上空飛行軌跡為上升、平飛、下降時，沙塵氣溶膠粒子譜呈現出由單峰偏態、雙峰、正態到單峰偏態等形式的演變，并發現在2 800 m高度存在一個氣溶膠數濃度峰值區。

戚丹青等[40]對2003年4月9日發生在我國西北的強沙塵暴長距離輸送的數值模擬結果表明，強沙塵暴過程的沙塵來源并非某單一地區，在長距離輸送過程中，主要有2個高濃度中心向東傳輸。一個在35°N附近，主要在1 500～3 000 m高空傳輸，另一個在40°N附近，主要在1 500 m以下傳輸，后期兩者匯合。Lin[41]（中國沙塵氣溶膠新進展）通過衛星云圖觀測到，沙塵氣溶膠大部分集中在對流層中下部。在沙塵發生源地0～30 km垂直空間內，氣溶膠濃度有3個高值區：近地面、5 km和21 km；經過長距離輸運后，沙塵氣溶膠大都集中于500～1 500 m的空間范圍；在空中不同的位置，沙塵氣溶膠粒度分布明顯不同：最下層（0.3m以下）以中粗沙粒（>0.5 mm）為主，中層（0.3～10 m）以細沙（0.05～0.5 mm）為主，上層（10 m以上）以粒塵（0.05 mm）為主。

王靜等[42]運用激光雷達對北京上空的沙塵氣溶膠的研究表明，2010年3月18日，氣溶膠位于3～4 km的高空區域，層內沙塵平均退偏振比為0.183 2。而截至4月3日，沙塵擴散到地面至5 km高空，分布范圍較大，并且在垂直分布上有兩個極值區，分別為4.75 km和1.5 km，并且在4.75 km左右濃度最大，沙塵區域退偏振比的范圍為0.1～0.3，平均值為0.191 147。

沙塵氣溶膠物理化學特性的垂直分布特征是研究沙塵氣溶膠氣候效應所需要的一個基本資料。我國在這方面的觀測研究還很少，資料也是相對缺乏。今后需要加強這方面的直接觀測研究，以得到更精確完整的資料。

1.4 沙塵氣溶膠的光學特性研究

沙塵氣溶膠光學特性的研究是目前國內外研究的熱點和難點。因為通過對沙塵氣溶膠的光學等特性研究可以更好地了解其輻射特性。針對我國沙塵氣溶膠光學特性研究，學者展開很多相關的研究工作。

延昊等[43]通過對塔克拉瑪干沙漠沙塵氣溶膠的觀測研究得出：氣溶膠的440 nm光學厚度在春季最高、秋季最小，440 nm光學厚度與能見度呈現負冪函數關系。馬井會等[44]利用全球氣溶膠數據分析計算了沙塵氣溶膠0.55 μm光學厚度的全球分布，中亞地區冬季沙塵氣溶膠強度和范圍比夏季大，沙塵氣溶膠對<8 μm的輻射吸收作用很弱，散射能力較強；對于>8 μm的輻射吸收能力很強，吸收帶主要位于8～11 μm范圍內。姚濟敏[36]比較沙坡頭沙漠秋、冬、春三季的平均光學厚度發現，春季光學厚度最大，冬季次之，秋季最小，且在2001年9月—2002年5月期間，4月的光學厚度為最大，空氣最為渾濁。

李霞等[45]利用塔中與和田的CE318自動跟蹤太陽光度計對2002年6月至2003年11月數據進行分析，分析了南疆盆地大氣氣溶膠的光學特性，結合我國已有的沙塵氣溶膠光學特性的研究成果，初步提出了依據氣溶膠光學厚度判斷沙塵天氣強度的標準。結果表明：塔中、和田氣溶膠光學厚度隨波長的增大多呈現減小趨勢，塔中個別季節有例外；2站氣溶膠光學厚度的日變化基本保持對稱的拋物線形，在春、夏季尤為明顯；Angstrom渾濁度系數β的擬合曲線顯示β隨能見度增大而減小，波長指數α隨能見度的變化趨勢說明弱沙塵天氣下，大氣中主要彌漫著小粒徑的氣溶膠顆粒，而強沙塵天氣則以大粒徑為主；沙塵氣溶膠光學厚度隨晴空、浮塵、揚沙、沙塵暴依次增加；沙塵天氣發生時，氣溶膠光學厚度的臨界值基本為晴空值的兩倍，沙漠地區氣溶膠光學厚度≥1.120 6，北京≥0.317 4。而發生沙塵暴的閾值則有很大不同，沙漠區氣溶膠光學厚度至少>3.0，北京由于大氣污染等因素，其判斷沙塵暴發生的閾值為 1.998 2。劉曉云、Xia 等[46，47]利用 2001 年春季敦煌地區CIMEL CE-318全自動太陽光度計輻射資料，反演了晴空大氣、浮塵、揚沙天氣條件和沙塵暴前后等不同背景下大氣氣溶膠光學厚度。結果表明：在不考慮吸收時，440、870、1 020 nm波段晴空大氣氣溶膠光學厚度均小于0.3；浮塵天氣下的大氣光學厚度約為晴空天氣的2～3倍；揚沙天氣大氣光學厚度是浮塵天氣的2～3倍；沙塵暴發生前夕大氣氣溶膠光學厚度明顯增加。

郝麗等[48]研究表明，消光效率因子和散射效率因子隨粒徑增大而衰減振蕩，隨波長增大振蕩特性逐漸消失。消光系數對眾數半徑的變化很敏感，單次散射反照率和非對稱因子對眾數半徑的變化不敏感。葛覲銘等[49]計算分析了沙塵、黑碳2種氣溶膠粒子對波長為400 nm和860 nm光的散射效率，黑碳與沙塵有明顯的光學性質差別，沙塵粒子不僅散射效率大于黑碳，而且后向散射比黑碳粒子強。田磊等[50]討論了一次典型的沙塵暴過程中氣溶膠的散射特性。在兩種天氣狀況下，總散射系數日變化都呈雙峰型，但峰值大小和出現的時間不同。無沙塵日的氣溶膠細粒子所占比例的變化較為明顯，日較差比有沙塵日的大。沙塵暴發生時，氣溶膠總散射系數有明顯的突變。

2 沙塵氣溶膠的化學特性研究

對沙塵氣溶膠化學特性的研究，將有助于對沙塵氣溶膠來源分析和光學特性的研究。在這方面，國內外學者已經開展了很多相關研究，并得出很多有意義的結論。

孫珍全等[51]通過分析2006年3月北京的一次沙塵暴得出：沙塵與非沙塵期間濃度變化表現出不穩定性，可能與沙塵的強度和持續時間、來源有關，沙塵來自于土壤源Ca2+和Mg2+濃度都顯然提高。沙塵期間 Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Rb和Cs金屬元素濃度高于非沙塵期間濃度，并且富集因子系數都小于10，說明主要來自于自然源。孫葉樂等[52]對北京2002年的沙塵暴進行分析得到：沙塵暴期間主要地殼源元素 Ca、Al、Fe、Mg、Na、Ti等高達平日的 30～58 倍。污染元素 Zn、Cu、Pb、As、Cd、S比平時高出幾倍至近十倍。其中Pb、As、Cd、S在PM2.5中富集系數分別高達 12.7，29.6，43.5和 28.4，這些污染物部分來自于沙塵暴長距離傳輸過程中礦物氣溶膠與沿途污染源排放的污染氣溶膠的混合。而且檢測出高濃度Fe（II），說明了沙塵暴是影響全球生態環境變化的重要因素。

劉明哲等[53]測出研究認為中國西北沙塵源地區和日本沉降區的氣溶膠粒子水溶性成分不相同，沙塵源區粒子以等沙塵來源離子為主，在3.3～4.7 μm形成濃度峰值；沙塵沉降區以等工業來源離子為主，峰值在小于2.1 μm 出現。

高衛東等[25]分析出阿克蘇站氣溶膠中Al等元素在不同高度的譜分布呈單峰型,濃度最大值出現在4.7～7.0 μm范圍內，表明當地大氣氣溶膠顆粒主要來源于地表沙源。并且通過富集因子分析得到阿克蘇站和策勒站沙塵暴與揚塵天氣的各地殼元素含量均高于浮塵和背景大氣，而且能見度愈小，高出的比例愈大；各種沙塵天氣發生時，均以親地元素的濃度為最高。

牛生杰、樊署先等[54，55]對賀蘭山地區沙塵氣溶膠化學特征的研究中也得出類似的結論：沙塵天氣下以親地殼元素為主的氣溶膠元素濃度均高于背景大氣和浮塵天氣，而且沙塵暴強度大，元素濃度的增加顯著；背景大氣、浮塵天氣條件下親地殼元素的濃度一般在10-1～100μg·m-3量級，揚沙、沙塵暴時一般達 101μg·m-3量級,黑風暴時高達 102μg·m-3量級。Wu等[56]認為主要元素的比例，尤其是Fe/Al在區域范圍內可以作為沙塵暴塵源的示蹤劑。

3 沙塵氣溶膠的氣候效應

沙塵氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射與長波輻射影響地球輻射收支和能量平衡，從而影響氣候變化。Han等[57]認為沙塵氣溶膠的輻射強迫約占總的氣溶膠的輻射強迫的42%。在沙塵氣溶膠的氣候效應方面做了很多相關的研究工作，尤其是在近10 a。

沈志寶等[58]利用HEIFE地面輻射平衡觀測資料和同期衛星遙感資料定量估算春季我國西北大氣沙塵的輻射效應，結果表明：大氣沙塵減小地面凈輻射冷卻地面，對地—氣系統和大氣的輻射效應均與地表反照率有關，嚴重渾濁的沙塵大氣在沙漠為短波加熱和長波冷卻，在綠洲則相反，但凈效應都是加熱。高慶先等[59]的研究表明沙塵暴天氣發生和影響期間，氣溶膠指數出現峰值，而地面太陽總輻射和入射輻射則相應出現低谷，源區兩者之間有比較好的負相關關系，而影響區的相關性相對較小。

張華等[60]在對沙塵氣溶膠輻射強迫的模擬研究中發現對北半球冬季和夏季而言，在對流層頂沙塵氣溶膠的全球短波輻射強迫的平均值分別為-0.477、-0.501 W/m2；長波輻射強迫分別為0.11、0.085 W/m2；全球平均短波地面輻射強迫冬夏兩季分別為-1.362、-1.559 W/m2；長波輻射強迫分別為0.274、0.23 W/m2。沙塵氣溶膠在對流層頂和地面的負輻射強迫的絕對值都隨太陽天頂角的余弦和地表反照率的增加而增大；地表反照率對沙塵氣溶膠輻射強迫的強度和分布都有重要影響。辛金元等[61]在騰格里沙漠進行的太陽輻射與氣象要素的觀測研究表明：在晴好天氣約為47.0%～2.6%,平均衰減約為16.9%；在沙塵天氣約為90%～10%，平均衰減約為38%；沙塵天氣氣溶膠對太陽輻射衰減變化較大。大氣混濁度在晴好天氣下約為0.048～0.631，平均約為0.260；沙塵天氣約為0.177～2.475，平均約為0.741。

凌曉露等[62]的研究表明沙塵氣溶膠對半干旱地區地面微氣象學特征及輻射收支具有明顯的影響，且表現出不同于干旱區的若干特性：半干旱區沙塵天氣下的平均風速比晴天大約2 m·s-1，而相對濕度則降低了約35%。

4 結語

從目前我國研究工作所取得的成果和研究現狀來看，有以下幾個問題需要繼續關注和研究。

4.1 堅持沙塵氣溶膠的長期觀測研究

對于沙塵氣溶膠雖然已有較多的研究，但都主要是集中于某些典型事件，缺乏對沙塵氣溶膠長期、系統的觀測，所以應繼續對沙塵氣溶膠進行長時間的觀測研究，尤其是在我國沙塵暴源區主要集中的塔克拉瑪干沙漠和巴丹吉林沙漠東部經騰格里沙漠至毛烏素沙地這兩個區域，為以后的系統研究提供基礎資料。

4.2 加強具有針對性的特性研究

加強對沙塵氣溶膠的光學、化學特性和輻射特性的研究。IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）評估報告指出，在眾多的氣候變化影響因子中，最不確定和亟待深入認識的是氣溶膠的輻射強迫作用。而沙塵氣溶膠輻射特性主要與沙塵氣溶膠物理、化學和光學等自身性質有關。但是對沙塵氣溶膠物理化學特性及其對區域氣候的影響機理還缺乏深入研究。

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