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粉尘气溶胶对气候的影响效应 砂胶气溶胶的影响 气溶胶是指漂浮在水中的固体和液体材料的总称。主要包括6大类7种气溶胶粒子:硫酸盐气溶胶、碳气溶胶(黑炭气溶胶和有机碳气溶胶)、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、海盐气溶胶和沙尘气溶胶等。在这几种气溶胶里面,沙尘气溶胶含量最高,对环境的变化影响显著。当前世界范围内主要有中非、北美、澳大利亚和中亚4大沙尘源区。我国的西北地区是中亚沙尘源的一部分,是东亚主要的沙尘源区之一。据估计每年有8亿t的沙尘气溶胶被输送到大气中。每年全球输入大气层的气溶胶总量在10~30亿t左右。进入大气的沙尘粒子对环境有显著影响:首先使空气中颗粒物浓度增加,对环境造成污染;其次是通过散射和吸收太阳辐射,使到达低层大气和地面的太阳辐射减少;沙尘气溶胶自身也可以发射和吸收长波辐射,使大气层加热,从而改变大气能量平衡,对气候产生影响;此外,沙尘粒子的远距离输送对海洋生态环境和其他国家居住环境也会产生一定的影响。 国外对沙尘气溶胶的研究起步较早,从20世纪20年代就开始了对沙尘气溶胶的研究。但这些研究都是相对简单的:如:hankin首先对印度的”Andhi”型沙尘暴的上升和下沉气流进行分析;Idso和Josepl先后对沙尘暴气候特征、沙尘暴与雷雨中湿度场的差异等做了多方面研究。我国的相关研究起步略晚,始于20世纪70年代。当时主要集中在粒子的谱分布、沙尘暴的成因、分布特征、沙尘暴演变规律的研究;针对沙尘暴发生影响系统方面的研究,也开展了一些简单的模拟方面的工作。1993年5月5日民勤地区特大沙尘暴的发生造成了巨大的生命和财产损失。沙尘气溶胶的研究才引起政府部门和科研人员的高度重视,使沙尘暴的研究进入了一个新的时期。 近年来我国的科研人员在沙尘气溶胶及沙尘暴研究方面取得了很大的成就。本文主要从沙尘源的观测研究、起沙机制、沙尘气溶胶光化学特性、辐射特性、远程输送、气候效应和数值模拟等多方面总结近10 a来科研工作者在西北地区沙尘气溶胶研究方面所取得的成就,并对今后研究所面临的科学问题进行展望。 1 砂浆机的产生和输送 1.1 测定波长和复折射指数的测定 西北沙尘源区主要包括沙漠、干枯的河床、半干旱沙漠地带边缘及广大的荒漠地区,以及受人类活动干扰严重植被稀少的半干旱地区。对沙尘源区观测和研究的主要内容包括地面体征、沙尘粒子的物理化学特性以及随波长而变的复折射指数。 中国沙尘暴源区主要集中在塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠东部经腾格里沙漠至毛乌素沙地这2个区域,也是东亚沙尘气溶胶的主要源地。近年来发生的大沙尘暴源地均位于西北地区的新疆、甘肃和内蒙古的干燥沙漠和戈壁地带。此外,也有学者证明青藏高原也是远程传输最高效的沙尘源区地之一。 现有的研究表明,西北地区沙尘源区的划分可分为内蒙古源区、以塔克拉玛干沙漠为中心的中国西部沙漠源区、以巴丹吉林为中心的中国北部沙漠高粉尘区及青藏高原粉尘区。其中前3个区域贡献了亚洲粉尘释放量的70%,可视为亚洲沙尘气溶胶3个贡献量最大的源区。 1.2 地表土壤水分及土壤粒子尺度分布 风蚀起沙是开展沙尘气溶胶和沙尘天气研究的基本问题。周秀骥等认为沙尘粒子的起动、搬运过程及其动力条件是研究沙尘暴及其影响的关键问题,指出沙尘暴活动特征可用起沙、扬沙、远距离输送综合物理模型来描述,揭示了沙尘暴天气在起沙、扬沙、水平输送以及沉降过程中的关键动力学问题。他还指出,沙粒起动后,随着风力的加大,产生沙粒群跳跃、滚动等非常复杂的运动,形成近地面沙粒群的水平移动。 Shao Yaping等丰富了前人的理论与实验结果,进一步阐述了风速风沙物理学中必威体育精装版揭示起沙机制的方法,介绍了将大气模式、地理信息系统和风沙模式耦合在一起的风蚀数值模式, 在不考虑人为因素的情况下,提出了临界摩擦速度的计算方法: u?t=h(w)R(K)AN(AN(RQgd+EQd))?????????????????√ut*=h(w)R(Κ)AΝ(AΝ(RQgd+EQd)) 式中,H(w)、R(K)分别表征地表土壤水分和植被覆盖对风蚀起沙的阻碍作用;AN为经验常数;RQ为土壤微粒密度和空气密度Q的比值, 根据土壤类型和气压情况取值;d为粒径;g为重力加速度。并且在充分考虑地表风蚀起沙的物理机制和起沙过程中地表土壤粒子尺度分布的基础上,提出了起沙计算方案: Fs(di,ds)=cy[(1?C)+Cpm(di)pf(di)]Qgu*2(QBGfi8+Gcim)Fs(di,ds)=cy[(1-C)+Cpm(di)pf(di)]Qgu*2(QBGfi8+Gcim) 其中,cy=cs/7;di是第i个粒子的直径;pm(d)是地表土壤受最小破坏时粒子尺度分布的概率密度函数,pf(d)是地表受最大程度破坏时粒子尺度分布的概率密度函数;C和(1-C)分别是pm(d)和pf(d)所占权重