新疆干旱區季節性積雪中黑碳氣溶膠研究

陳文倩,丁建麗*,張 喆,王 鑫,浦 偉,劉博華,曹肖奕

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新疆干旱區季節性積雪中黑碳氣溶膠研究

陳文倩1,2,丁建麗1,2*,張 喆1,2,王 鑫3,浦 偉3,劉博華1,2,曹肖奕1,2

(1.新疆大學資源與環境科學學院,智慧城市與環境建模自治區普通高校重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態教育部重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830046；3.蘭州大學大氣科學學院,半干旱氣候變化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)遙感數據與2018年1月野外實測的28個雪樣,綜合分析新疆干旱區季節性積雪中黑碳氣溶膠濃度(BC)分布特征與氣溶膠光學厚度(AOD)等.利用HYSPLIT-4后向軌跡模式獲取釆樣點逐日的后向軌跡,分析BC的可能傳輸路徑.結果表明:①北疆地區積雪覆蓋率從11月份到次年1月份逐漸增加,冬季積雪覆蓋率可達到97.5%,冬季AOD平均值為0.173,高值出現在天山北坡經濟帶區域與東部區域(0.2~0.35),低值區域主要在阿勒泰地區(0.06~0.1).②表層積雪的BC濃度范圍為44.08~1949.9ng/g,平均值為536.71ng/g, BC濃度分布特征為:天山北坡經濟帶BC濃度(913.24ng/g)>艾比湖東南部區域(816.56ng/g)>艾比湖北部區域(421.94ng/g)>艾比湖西部區域(407.97ng/g)>克拉瑪依區域(162.28ng/g)>古爾班通古特沙漠區域(124.89ng/g)>阿勒泰地區(98.51ng/g).隨著海拔升高積雪中BC濃度有微弱上升,相關系數R為0.03,隨著緯度增加積雪中BC濃度均呈下降趨勢,R為0.255.③艾比湖流域后向軌跡中以博樂-精河-艾比湖向東北方向輸送路徑為主,對采樣點的BC濃度影響較大;天山北坡經濟帶區域主要以精河-石河子-烏魯木齊的天山北坡城市群向東北輸送路徑為主,局地污染較為嚴重;阿勒泰地區的后向軌跡以俄羅斯南部-哈薩克斯坦北部-東哈薩克斯坦輸送路徑為主,局地污染貢獻較少;克拉瑪依區域主要來自哈薩克斯坦東部和西部向東方向的輸送,局地污染不明顯;沙漠區域主要以西南方向輸送路徑為主.

新疆干旱區；季節性積雪；黑碳；后向軌跡模擬

積雪作為干旱半干旱地區主要水資源,其積累與消融不僅對干旱區水文過程產生深遠影響,還是參與氣候變化與當地農牧業發展的重要因素[1],且與干旱區脆弱的環境有十分密切關系[2].

黑碳氣溶膠粒子(BC)是化石燃料、生物燃料等不完全燃燒所排放的無定型碳質[3].BC粒子大小與太陽輻射波長相當,是大氣中首要的吸收性氣溶膠成分,可產生直接與間接的氣候效應[4-6].當前研究BC氣候效應主要衡量標準是氣候輻射強迫.BC通過干沉降和濕沉降到冰雪表面,能夠顯著吸收太陽輻射,進而加速冰雪融化[7-10].雪中BC濃度與雪表面反照率之間的輻射傳輸也已通過模式與控制實驗得以表達.研究表明,全球雪冰中BC有效輻射強迫值大約為+0.13W/m-2,可致使地表溫度上升0.4℃左右[11].但輻射強迫模擬均需實際觀測結果進行對比驗證,比起雪冰中的沙塵等其他吸光物質,BC是評估各種輻射強迫中最不確定的因子之一[12-14].

早期相關研究在北極的冰雪中發現BC顆粒,并且指出BC主要源于人類活動,是北極雪蓋的主要吸光物質[15].隨著各種技術的發展和全球范圍內對區域性BC的研究推進,學者發現相比高緯度地區,中緯度地區更靠近BC排放源區,其帶來的影響與表現也更加強烈[16-17].已開展的研究已從北極海冰、格陵蘭島,阿爾卑斯山脈等積雪中BC含量與多年層集的冰層表面和內部的BC平均含量擴展到青藏高原、中國西部等中緯度地區的冰川表層雪樣采集與分析[18-20].現階段,由于在中緯度地區對季節性積雪中的BC觀測比較有限,我國冬季季節性降雪中BC的研究也相對缺乏.

新疆地處亞歐大陸腹地,是”一帶一路”的重要通道,約有570多條河流,幾乎均發源于三大山脈,河流的主要補給方式為高山上的冰雪融水.積雪作為干旱區水資源的主要來源,是新疆綠洲的生命線,對綠洲農業與經濟發展均有重要意義. BC造成的積雪融化時間提前或推遲,會影響地表徑流特征與區域水循環,進而導致區域性的干旱化加劇,且針對新疆大面積季節性積雪中BC的觀測目前較為缺乏,開展系統綜合觀測實驗研究BC對積雪反照率和干旱區氣候的影響十分必要.

基于此,2018年1月于北疆地區開展積雪中BC的監測實驗,結合遙感技術在大范圍、快速更新信息等方面的突出優勢,分析區域積雪、氣溶膠光學厚度、BC含量及空間分布特征等,利用HYSPLIT-4后向軌跡模式獲取釆樣點逐日的后向軌跡,得到可能的BC傳輸路徑,以期為新疆干旱區積雪中的BC研究奠定數據基礎,為區域污染物評價提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆地處中國西部,屬干旱半干旱地區,其東西長1950km,南北寬1550km,面積為166萬 km2,約占中國領土面積的1/6.新疆位于全球中緯度西風帶,呈現典型溫帶大陸性氣候特征,其遠離海洋,深居內陸,整體降水量偏少,年平均降水量為150mm左右,且呈現明顯區域差異[21].最顯著的地貌組合特點是亞高山、高山為主的山地與中高程平原為主的盆地相間分布,形成山系—盆地體系.天山將新疆分隔為南北兩部分,習慣上稱天山以南為南疆,天山以北為北疆.

圖1 研究區采樣點

新疆生產力高度集中地區為北疆地區,其是新疆現代工業、農業、交通信息、教育科技等最為發達的核心區域,集中了全疆83%的重工業與62%的輕工業,對全疆經濟起著重要的帶動、輻射和示范作用.根據“十三五”規劃,我國將新疆天山北坡城市群列為培養中西部地區城市群,使其逐漸形成支撐地區發展的增長極,是國家向西推進開放戰略的橋頭堡[22-23].圖1為新疆的衛星遙感影像圖與北疆地區采樣點分布,其中北疆底圖為平均積雪出現率圖,實驗主要針對的是季節性積雪,采樣選取積雪出現率為75%以上區域(除沙漠區域的點外),能最大代表北疆地區季節性積雪分布狀況.

1.2 雪樣采集與處理

2018年1月在北疆地區開展大范圍積雪中BC的觀測實驗.實驗主要集中于艾比湖流域、天山北坡經濟帶沿線和北部阿勒泰地區,途經烏魯木齊、石河子、精河、阿拉山口、托里、克拉瑪依、北屯等縣市,共獲取28個(104~131)釆樣點的積雪深度、密度、含水率、溫度及吸收性氣溶膠含量等諸多參數.釆樣涵蓋了荒漠、草原、湖泊、農田等下墊面類型.為防止污染,采集點設計為距城市50km,距離道路至少1km的上風處.采集兩個雪樣的垂直剖面,取其平均值,以減少可能受到人為影響的污染.實驗過程中,雪樣一直保持冷凍直到開始過濾,分別在奎屯市、烏魯木齊市、吉木乃縣的賓館設立臨時實驗室,對雪樣進行過濾,在迅速融化雪樣之后,靜置3~5min,用0.4μm的微孔濾膜過濾,分別保存過濾前與過濾后雪水,用于進一步的化學分析.

實驗使用ISSW分光光度計分析過濾樣品中的BC與其他吸光物質.其中,非BC物質的吸收隨著物質的波長增加而減小的速度要比BC更快,因此BC在較長波段的吸收百分比要大于較短波段.利用一組標準濾膜,將測量的吸收轉換為濾膜上的BC質量,然后通過測量濾膜的載荷面積和過濾的雪水質量,將濾膜上的BC質量轉換為雪中的BC濃度[24-25].

1.3 遙感數據處理

MODIS是搭載于Terra/Aqua衛星上的光學遙感儀器,提供了從可見光到中紅外波段的全球觀測資料[26].Aqua衛星的大氣三級標準數據集采用Deep Blue算法對暗像元法有很好的互補性,可以獲得亮地表地區的AOD,張喆等在新疆用Microtops II手持太陽光度計獲取數據進行驗證,精度已達到使用標準[26].積雪數據為MODIS的8d合成積雪產品MYD10A2,空間分辨率為500m,投影方式為等面積正弦投影,通過拼接、疊合、重投影與裁剪等進行批處理,處理后的數據均采用統一的UTM投影和WGS84橢球體建立坐標系統.

1.4 軌跡聚類分析

BC作為參與非均相大氣化學過程的重要粒子,其清除過程主要有干濕沉降和重力沉降,因此在大氣監測中,BC可以作為污染物示蹤劑表征氣團傳輸過程[27].HYSPLIT是一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型,目前在國內外廣泛應用于分析污染物來源及確定傳輸路徑等[28].本文利用HYSPLIT軌跡模型計算分析了 2017年11月至2018年1月采樣點120h后向氣流軌跡,得到BC潛在來源并估算每條路徑的貢獻率,研究BC潛在來源路徑.

2 結果與分析

2.2 BC濃度實驗分析

實驗共獲取38個樣品,大致可分為6個區域,分別為艾比湖區域的北部(104~106)、西部(107~109)和東南部(110~111)、天山北坡經濟帶區域(112~118)、阿勒泰地區(119~125)、克拉瑪依區域(127~128)、古爾班通古特沙漠區域(129~130)、北疆東部奇臺區域(131)和和布克賽爾(126)的單獨樣點.雪樣的表層雪BC濃度與空間分布如圖2與圖3所示,由于此次野外積雪厚度較小,大部分樣點僅是表層采集即可,對于積雪較厚地區,采樣時按照兩層方案進行采集,即表層為5cm,其余為第二層,實驗設計主要針對季節性積雪,考慮到樣點可達性與代表性,28個樣點中,有8個樣點高程在1000m以上,其余在1000m以下.

從圖2中可以看出表層雪的BC濃度范圍是44.08~1949.9ng/g,平均值為536.71ng/g,大于2012年新疆32個采樣點表層雪的BC濃度平均值116ng/g[19],比青藏高原腹地表層雪BC濃度88±25ng/g[29]偏大.各個區域BC濃度平均值分別為艾比湖北部421.94ng/g,西部407.97ng/g,東南部816.56ng/g,天山北坡經濟帶913.24ng/g,阿勒泰地區98.51ng/g,克拉瑪依區域為162.28ng/g,沙漠區域為124.89ng/g,東部區域和塔城地區均僅有一個樣點,BC濃度高達1833.68和1414.72ng/g.圖3可明顯看出,天山北坡經濟帶與艾比湖流域BC濃度較高,阿勒泰地區較低.

圖2 北疆地區BC濃度特征

圖3 北疆地區BC濃度空間分布

濾膜土黃色說明雪樣中沙塵含量較大,灰黑色說明雪樣中的顆粒物主要是BC成分,如圖4所示.天山北坡經濟帶區域和奇臺地區的雪樣中除了112樣點,雪樣濾膜大部分呈現灰色和黑色,與Wang在東北的雪樣過濾相似,而112樣點下墊面類型以草地為主,靠近山區,距離市區較遠,因此濾膜較干凈.天山北坡經濟帶所有樣點中,BC濃度含量最高的區域位于烏魯木齊頭屯河處與烏拉泊處,BC濃度分別為1864.7ng/g和1949.9ng/g,是本次實驗中最高值,這兩個區域分別位于烏魯木齊市的西南與南部區域,頭屯河靠近烏魯木齊的工業園區,因此污染較為嚴重,是BC濃度高的重要原因;烏拉泊區域采樣點是風吹雪,有局地污染與沙塵污染現象.

艾比湖區域除111樣點,雪樣濾膜大部分呈土黃色,111樣點位于艾比湖的東南部,有大片裸露干涸的湖底,加之處于下風向,致使當地沙塵和其他雜質會隨風摻入雪樣,造成BC濃度較高,導致此點雪樣濾膜呈現灰黑色,與區域其他雪樣不同.艾比湖作為新疆第一大鹽水湖,地處阿拉山口大風主通道下的極端干旱的荒漠區,常年受大風天氣的影響,途徑艾比湖干涸湖底的阿拉山口西北風攜帶大量沙塵至艾比湖下游地區,這也是此區域雪樣過濾膜大部分呈土黃色的原因.克拉瑪依地區雪樣濾膜顏色介于艾比湖與天山北坡經濟帶區域之間,克拉瑪依區域以戈壁為主,臨近古爾班通古特沙漠,積雪比較松散.阿勒泰地區與沙漠地區除122樣點外,濾膜是此次實驗中最干凈的,122樣點BC濃度高是因為此處典型的風吹雪,表層有結霜升華現象,可使BC富集在雪層中,下層雪顆粒狀,松軟,易與土混合.

此次實驗結果如下:天山北坡經濟帶BC濃度>艾比湖東南部>艾比湖北部>艾比湖西部>克拉瑪依區域>古爾班通古特沙漠區域>阿勒泰地區,因奇臺地區與塔城地區均只有一個點,不具有代表性,因此不參與上述區域比較,其中塔城地區的126點BC濃度較高,原因與110樣點相似,下墊面主要以戈壁沙地為主,有部分灌叢,且表層積雪硬化嚴重,致使大量BC聚集于表層.奇臺地區處于北疆東部區域,樣點BC濃度高,主要是由于其地形與局地的排放源有關(準東煤礦的下風向),且從BC分析結果與AOD空間分布結合來看,北疆東部區域均處于一個氣溶膠高值區域.

同時雪的升華和消融也會影響雪中BC含量,可使BC富集在雪層中.樣品采集時測定了積雪的其他參數,北疆地區季節性積雪的密度介于0.1~0.25g/ cm3,平均值為0.167g/cm3,采樣過程中的新雪密度在0.22g/cm3左右,略大于其他雪樣,北疆季節性積雪表層含水率介于0.178~1.685g/cm3,平均含水率為0.634g/cm3,積雪溫度、雪深與空氣濕度無明顯變化規律,主要和當時的天氣狀況、地面熱量交換有關.

圖5是樣點BC濃度與海拔、緯度之間的關系.以往研究結果表明,在一些區域海拔是影響積雪中BC含量的主要因素[30],如在青藏高原和天山高海拔地區,積雪中BC含量與海拔高度呈負相關[19].而此次實驗主要針對是季節性積雪,平均海拔不高,范圍在2000m以下,研究發現在北疆地區隨著海拔的升高積雪中的BC濃度反而有微弱上升現象,與2012年在天山高海拔地區監測的結果呈現不同趨勢,這與中低海拔更容易受到大氣邊界層中局地污染有關,需將對保存的雪水進行化學分析來確定這一可能性,研究結果也進一步說明了BC在北疆地區的空間分布呈現一定的復雜性.從圖5b中可以看出,積雪中的BC濃度與緯度變化與Wang等[5]在中國東北地區監測的結果一致,隨著緯度增加,積雪中BC濃度均呈現下降趨勢,且呈明顯負相關.

圖4 采樣點濾膜顏色

2.3 北疆地區積雪與AOD空間分布特征分析

圖6(a~c)為2017年11月~2018年1月份的積雪遙感數據,0代表不可用數據,25為無雪覆蓋,37為湖泊,50為云,100為湖冰,200為積雪覆蓋.整個新疆地區從11~1月份積雪覆蓋率逐漸增加,11月份積雪覆蓋率為31.6%,12月份為52.1%,1月份為56.6%;從整個北疆地區來看積雪覆蓋率增加趨勢更明顯,從11月份到1月份為51.3%~97.5%;而從北疆地區積雪占新疆地區的積雪比例來看,北疆的積雪貢獻率也很高,11~1月份,比例從39.1%~41.5%.野外采樣時發現較厚的積雪主要分布于天山北坡經濟帶沿線,北部阿勒泰地區與塔城較薄,結合遙感影像數據和野外采點來看,整個北疆地區在1月份時幾乎處于積雪全覆蓋狀態,這也說明了冬季的北疆地區幾乎全部處于季節性積雪范圍之內.

相關研究指出雪中BC濃度與大氣中的BC濃度以及區域的干濕沉降過程均緊密相關[31],因此有必要結合野外實驗時的北疆地區大氣氣溶膠光學厚度進行輔助分析.如圖6d所示,整個北疆地區平均AOD值約為0.173,最高值約0.35,高值主要分為3個區域:第一個位于烏魯木齊-精河天山北坡經濟帶沿線,AOD的值在0.28~0.35之間;第二個位于阿勒泰北部冰川地區,AOD的值在0.2~0.29之間;北疆東部是另一個高值區域,處于0.2~0.35之間.而低值區域主要分布于阿勒泰與塔城地區,處于0.06~0.1之間,阿勒泰地區東部AOD值為北疆最低值區域,這與野外地面采集的BC濃度高低趨勢分析相吻合,加之冬季北疆地區供暖是產生BC的重要途徑,進一步佐證了北疆季節性積雪中的BC濃度與大氣中的BC濃度緊密相關.

圖6 北疆地區積雪與AOD空間分布

2.4 氣流后向軌跡分析

利用氣象場資料,綜合溫度、氣壓、相對濕度、水平和垂直風速等氣象條件,模擬2017年11月~ 2018年1月北疆釆樣點的后向軌跡,每天分4個時次(UTC0:00、6:00、12:00、18:00h)向后分析120h,起始高度選為500m,每個釆樣點得到368條后向軌跡,將368條后向軌跡進行聚類分析,得到各個采樣點主要的氣流方向潛在輸送路徑圖,進而分析BC氣溶膠的潛在輸送路徑.同一方向可能因為氣團運動速度的快慢存在多個軌跡組,軌跡水平分量經過的路線和方向表示BC氣溶膠5d飄散所經過的地區,根據其長短可以判斷氣團移動的速度,百分比表示此方向上擴散軌跡占總軌跡的百分比,軌跡垂直分量達到的高度表示BC氣溶膠5d擴散高度的變化,圖7為典型區域的擴散路徑圖.

艾比湖流域后向軌跡的聚類結果顯示,后向軌跡中有很大比例的軌跡從西南方向到達采樣點,在這些西南路徑中,主要存在4種不同路徑長短的后向軌跡:104和105點的最短路徑來自哈薩克斯坦的巴爾喀什湖向東方向的輸送,所占比例為60%~83%,這是由于104和105點位于艾比湖流域上風口,故受哈薩克斯坦東部地區影響較大.其余點最短的路徑來自于博樂-精河-艾比湖向東北方向輸送,其所占比例為48~67%,擴散高度均小于1500m,從擴散軌跡與高度來看,表明這些釆樣點的BC受到局地影響較大;第二條是從咸海南部向東北方向的輸送路徑,且隨著從艾比湖北部到東南部方向的采樣點推移,輸送路徑起點也從咸海-烏茲別克斯坦-土庫曼斯坦下移,所占比例為21%~42%,擴散高度約為1500~ 2500m.此路徑輸送起點為中亞典型荒漠地區,植被與河網均較為稀疏,加之咸海湖泊的萎縮造成大面積湖底裸露,為亞洲沙塵災害提供了豐富的塵源.北極和西伯利亞西部地區的冷空氣向南咸海流域迅速移動,咸海流域的大氣冷鋒加強西南風暴的幅度,進而影響粉塵的輸送,對采樣點的BC影響也比較大;第三條路徑從伊朗高原附近向東北方向輸送,所占比例—般為3%~16%之間,擴散高度為2000~3500m左右,對樣點影響較小;與前三條路徑不同,第四條路徑來自于西側和西北方向的后向軌跡,主要來自于東歐地區,但此后向軌跡所占的比例很小,一般只能達到2%~5%左右,擴散高度在2500m以上,對樣點影響較為微弱.

天山北坡經濟帶后向軌跡與艾比湖流域方向相似,這與整個新疆處于西風帶有關,但其又呈現出區域的特殊性.首先從最短的路徑來看,其所占比例可達50%~75%,除112點之外,其余樣點在此路徑比例均在63%以上,氣流擴散高度約為500m左右,以西南方向向東北輸送為主,以精河-石河子-烏魯木齊的天山北坡城市群向東北輸送,但烏魯木齊南部樣點的最短路徑與其他樣點不同,氣流輸送偏向于伊犁方向,這與烏魯木齊南部靠近山區常年盛行南風有極大關系.天山北坡經濟帶區域在最短路徑中氣流輸送高度相比其他地區較低,普遍低于500m,這也表明局地排放的污染物對于積雪中的BC含量具有很大的貢獻;第二條路徑的氣流輸送在天山北坡經濟帶呈現兩種趨勢:在烏蘇到烏魯木齊頭屯河區域,主要是從吉爾吉斯斯坦南部與哈薩克斯坦中部輸送而來,所占比例為14%~26%,擴散高度為1000~ 2000m;烏魯木齊南部兩個樣點的路徑輸送主要來源于北疆的東部區域,這是由于蒙古高壓與天山山脈的地形雙重影響,致使東南風對于污染物的輸送有一定貢獻,所占比例為5%~8%,擴散高度約為1500m;第三條輸送路徑主要來源于土庫曼斯坦南部與里海附近,所占比例為4%~16%,擴散高度為2000~3000m,此路徑與艾比湖流域的第二條路徑相似,只是氣流軌跡所占百分比不如在艾比湖流域顯著;最后一條路徑不管是在氣團運動速度與擴散軌跡占總軌跡的百分比來看,對樣點影響比較微弱,主要是來自西北方向的后向軌跡,從俄羅斯西北部向東南輸送,一般只能達到2%~5%左右,氣流擴散高度在3500m以上.

相比前兩個地區,阿勒泰地區的后向軌跡較為分散,而且來自于西南方向的傳輸路徑所占的比例明顯減少,除了119樣點在西南最短路徑所占比例在49%,其他采樣點最短路徑都是西北方向輸送而來,從俄羅斯南部-哈薩克斯坦北部-東哈薩克斯坦輸送至樣點,所占比例為43%~82%,擴散高度為1500~2000m,阿勒泰地區常年受西風帶的影響,冷鋒過境常形成大風天氣,秋冬季西北部是冷空氣活動的上游,且其地形猶如一個喇叭口,易形成強風,利于氣流的輸送;第二條路徑以偏西方向東北輸送的路徑,主要是來自哈薩克斯坦的中西部(除119和122樣點來自于土庫曼斯坦北部),所占比例為15%~36%,擴散高度為1500~2000m;第三條是從俄羅斯中部向東南輸送的路徑,所占比例為9%~28%,擴散高度為2500m以上;最后一條路徑為俄羅斯西北部向東南輸送,所占比例為4%~18%,擴散高度為2000~2500m左右.后面三條路徑氣流輸送均會受歐洲西北部冷空氣東移南下影響,地面冷高壓加強東移,中亞低壓后部與高壓前部氣壓梯度增大,偏西和西北風多產生在低壓后部,有利于氣流擴散,貢獻了樣點中的BC濃度含量.其中,121樣點東側的局地軌跡所占的比例很大,表明該區域局地排放的污染物對積雪中BC含量有影響,相比2012年阿勒泰地區高海拔區域的BC含量樣點分析,近年來由于人為排放對于該區域積雪中BC含量的影響有減少趨勢.

克拉瑪依與沙漠地區后向軌跡結果顯示,克拉瑪依區域最短路徑主要來自哈薩克斯坦東部向東方向的輸送,所占比例為57%~65%,雖是工業城市,但從最短路徑的后向軌跡結合當地采集的BC濃度來看,其局地污染并不明顯,這與克拉瑪依常年大風有關,致使局地氣流迅速輸送至下游,野外采集是從克拉瑪依的烏爾禾區域至南部方向,符合氣流的輸送方向,且以往研究表明克拉瑪依10ｍ高度處風能較大,呈現出當地積雪中的BC含量不高的現象;第二條路徑是從哈薩克斯坦中西部地區向東飄散過來,所占比例為23%~28%,氣流輸送可抬高至1500~ 200m,最后一條路徑從北歐地區送,4%~7%,擴散高度為2000~2500m左右.沙漠區域的兩個點和最短路徑來自東哈薩克斯坦,比例達到52~63%,擴散高度為1500~2000m;另一條路徑來自西南風方向的咸海地區,所占比例為24%~30%,飄散高度在2000m以上,野外采集樣點時發現沙漠區域遠離人為污染,雪樣較為松散,且地表以荒漠植被為主,從緯度地帶上來看,其位于天山北坡經濟帶的北部區域,因此氣流輸送方向一致,主要以西南方向路徑為主.

3 結論

3.1 利用遙感數據分析北疆地區的積雪與AOD的空間分布,結合野外實測數據,進一步佐證了冬季積雪中的可吸收性氣溶膠顆粒與大氣中的氣溶膠顆粒緊密相關.

3.2 野外實測數據分析表明,表層積雪BC濃度為44.08~1949.9ng/g,平均值為536.71ng/g,艾比湖流域可吸收性氣溶膠顆粒以沙塵為主;天山北坡經濟帶區域積雪中的可吸收性氣溶膠顆粒以BC為主,阿勒泰地區積雪中的BC濃度最小.

3.3 北疆BC濃度與海拔、緯度之間的關系與以往研究相比呈現不同趨勢,隨著海拔的升高積雪中的BC濃度有微弱上升現象,2為0.03;隨著緯度的增加,BC濃度均呈現下降趨勢,且有明顯的負相關,2為0.255.

3.4 樣點逐日后向軌跡聚類分析表明,艾比湖流域后向軌跡表明局地塵源貢獻度較高;天山北坡經濟帶區域以向東北輸送路徑為主,氣流擴散高度在500m左右,局地污染較為嚴重;阿勒泰地區的后向軌跡較為分散,以俄羅斯南部-哈薩克斯坦北部-東哈薩克斯坦輸送路徑為主,局地污染較少;克拉瑪依區域主要來自哈薩克斯坦東部和西部向東方向的輸送,其局地污染并不明顯;沙漠區域主要以西南方向輸送路徑為主.

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Black carbon in seasonal snow across northern of Xinjiang.

CHEN Wen-qian1,2, DING Jian-li1,2*, ZHANG Zhe1,2, WANG Xin3, PU Wei3, LIU Bo-hua1,2, CAO Xiao-yi1,2

(1.Xinjiang Common University Key Lab of Smart City and Environmental Stimulation, Xinjiang University；2.Key Laboratory of Oasis Ecology Ministry of Education, Urumqi 830046；3.KeyLaboratory for Semi-Arid Climate Change, Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China), 2019,39(1)：83~91

This paper analysed seasonal snow cover, AOD, BC (black carbon) concentration with MODIS data and samples data measured in January 2018 in the field, and obtained the potential BC transmission path through the HYSPLIT-4 to get the day-to-day back trajectory of every sample. The results showed that: ① Snow cover in northern Xinjiang reached 97.5%, which gradually increased from November to January. The average AOD in northern Xinjiang was 0.173, high values appeared in the northern slope economic zone of the Tianshan Mountains and eastern part of the Tianshan Mountains (0.2~0.35), however, the low was mainly distributed in Altay (0.06~0.1) ②The BC concentrations in the surface snow ranged from 44.08 to 1949.9ng/g, with an average of 536.71ng/g. The BC concentration distribution in northern Xinjiang was the northern slope of the Tianshan Mountains ( 913.24ng/g)> Southeastern of Ebinur Lake (816.56ng/g)> Northern of Ebinur Lake (421.94ng/g)> Western of Ebinur Lake (407.97ng/g)> Area of Karamay (162.28ng/g) )> Gurbantunggut Desert Region (124.89ng/g)> Altay Region (98.51ng/g). The concentration of BC in snow in northern Xinjiang increased slightly with higher altitude,2was 0.03. With the increase of latitude, the concentration of BC in snow had a decreasing trend,2was 0.255. ③The trajectory cluster analysis of the samples showed that the backward trajectory of the Ebinur Lake basin dominated by the northeastern direction of the Bole-Jinghe-Ebinur Lake, and this trajectory had a greater impact on the concentration of BC in snow; the economic zone on the northern slope of the Tianshan Mountains dominated by the northeastern cities of Jinghe-Shihezi-Urumqi on the northern slope of the Tianshan Mountains, the result showed that local pollution was serious. The backward trajectory of the Altay region dominated by the Russian-Northern Kazakhstan-East Kazakhstan transport path with less contribution from local pollution; the Karamay region was mainly transported from easten of Kazakhstan, it’s local pollution was not obvious. And the desert area dominated by the southwestern direction.

arid area of Xinjiang；seasonal snow cover；black carbon；back trajectory simulation

X513,P426.635

A

1000-6923(2019)01-0083-09

陳文倩(1988-),女,新疆昌吉人,新疆大學博士研究生,主要從事干旱區環境大氣及積雪遙感等研究.發表論文6篇.

2018-06-12

國家自然科學基金資助項目(41771470);新疆自治區重點實驗室專項基金資助項目(2016D03001);自治區科技支疆項目(201591101);新疆大學優秀博士生科技創新項目(XJUBSCX-2016014)

* 責任作者, 教授, watarid@xju.edu.cn