中亞干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊鹽塵氣溶膠時(shí)空演變及其間接氣候效應(yīng)

中亞干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊鹽塵氣溶膠時(shí)空演變及其間接氣候效應(yīng)鹽塵暴是指干涸湖底的富鹽沉積物在大風(fēng)天氣的強(qiáng)勁風(fēng)力作用下風(fēng)蝕起塵而導(dǎo)致的自然天氣現(xiàn)象,是沙塵暴的一種特殊形式,也是一種常見但長(zhǎng)久以來一直被人忽視的自然災(zāi)害。與沙塵災(zāi)害相比,鹽塵災(zāi)害的發(fā)生源地一般是以干旱區(qū)湖泊退化所造成的干涸、裸露的湖底為主要塵源,還包括其周邊由于土壤退化所形成的鹽堿地地區(qū)。該地區(qū)土壤富含大量可溶性鹽堿成分且土質(zhì)疏松,在大風(fēng)天氣作用下更易于粉塵的風(fēng)蝕和擴(kuò)散。亞洲的中部地區(qū)是全球沙塵災(zāi)害發(fā)生比例、沙塵氣溶膠排放貢獻(xiàn)量相對(duì)較大的地區(qū),近50年以來,在區(qū)域自然氣候和人類不合理活動(dòng)的影響下,干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊均處于急速退化的狀態(tài),其中,中亞的咸海和中國(guó)的艾比湖湖泊萎縮造成了大面積的湖底裸露,干涸湖底成為了豐富的粉塵和鹽塵源,使得該地區(qū)面臨著嚴(yán)重的鹽塵災(zāi)害威脅,嚴(yán)重威脅新亞歐大陸橋的安全運(yùn)行以及“一帶一路”核心區(qū)的建設(shè)和實(shí)施。相關(guān)學(xué)者針對(duì)鹽塵災(zāi)害和區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性研究做了大量的工作和研究,但是針對(duì)鹽塵暴災(zāi)害對(duì)區(qū)域大氣污染狀況以及鹽塵氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的討論較為缺乏。本研究利用多源遙感技術(shù)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)了中亞地區(qū)塵暴災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程,通過獲取2002至今的該地區(qū)的塵暴總體演變態(tài)勢(shì),揭示了干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊退化所造成的對(duì)中亞地區(qū)氣溶膠時(shí)空格局的影響;針對(duì)咸海和艾比湖這兩個(gè)典型的鹽塵源區(qū),利用衛(wèi)星和地基遙感相結(jié)合的方式,獲取鹽塵災(zāi)害發(fā)生典型時(shí)期氣溶膠光學(xué)特性參數(shù),再用以典型的沙塵氣溶膠和城市-工業(yè)氣溶膠光學(xué)特性作為參考,以此實(shí)現(xiàn)鹽塵氣溶膠光學(xué)特性的識(shí)別;綜合溫度、氣壓、相對(duì)濕度、水平和垂直風(fēng)速等氣象條件,對(duì)始發(fā)于干涸湖底(咸海、艾比湖)的鹽塵污染物擴(kuò)散軌跡進(jìn)行逐天的模擬,再根據(jù)空間相似度按照季節(jié)進(jìn)行分組,從而確定鹽塵污染物季節(jié)性潛在擴(kuò)散特性;從宏觀的角度來分析中亞地區(qū)氣溶膠-云-降水的時(shí)空分布特征,主要針對(duì)鹽塵污染區(qū)域,深入的分析鹽塵氣溶膠與云和降水之間的相互影響關(guān)系,得到以下結(jié)論:(1)中亞地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度空間分布季節(jié)性差異顯著,近14年之間總體呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì);受下墊面的狀況和氣候條件的影響,地處新疆天山山脈以南的塔克拉瑪干沙漠地區(qū)、地處中亞腹地目前已趨于干涸化的咸海地區(qū)以及面臨著和咸海一樣的生態(tài)危機(jī)的位于新疆博爾塔拉蒙古自治州的艾比湖流域下風(fēng)向地區(qū)是AOD的高值區(qū);其中,中亞的咸海地區(qū)和新疆的艾比湖流域下風(fēng)向地區(qū)aod在2002年到2015年之間的增長(zhǎng)趨勢(shì)最為顯著,是近年來干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊退化程度劇烈的最為直觀的證明;塔克拉瑪干沙漠地區(qū)aod變化的程度與其他兩個(gè)地區(qū)相比并不明顯,這主要是因?yàn)樗死敻缮衬鳛槭澜缰纳衬?下墊面狀況主要表現(xiàn)為流沙,且短時(shí)期之內(nèi)不易發(fā)生顯著的變化。在下墊面狀況不變的情況下,該地區(qū)上空aod主要是受溫度和風(fēng)速這兩個(gè)氣象因子的影響,針對(duì)不同的季節(jié),影響aod的主導(dǎo)因素存在一定的差異。(2)春季是沙塵釋放和運(yùn)輸運(yùn)動(dòng)最為活躍的時(shí)期;對(duì)近塵源地區(qū)而言,塵暴天氣發(fā)生的時(shí)候,粒徑較大的沙塵顆粒主要集中在近地面0-2km高度范圍內(nèi)的低層大氣中,此高度范圍內(nèi)沙塵粒子的不規(guī)則程度相對(duì)較高,隨著大氣高度的增加,高層大氣中氣溶膠粒子的不規(guī)則性和粒徑尺度都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì);鹽塵源區(qū)的近地面0-2km高度范圍內(nèi),氣溶膠的散射能力是最強(qiáng)的,此高度范圍內(nèi)的退偏比值范圍主要是集中在10%-30%之間,色比值表現(xiàn)為集中在0.3-0.8之間;2km以上的高度范圍之內(nèi),隨著距離地面的大氣高度的增加,大氣中氣溶膠的散射能力則逐漸的減弱,鹽塵氣溶膠退偏比值主要集中在5-15%左右,色比值則主要集中于0.3。與沙塵氣溶膠相比,受鹽塵污染的沙塵氣溶膠的球形程度相對(duì)較高,顆粒物的粒徑尺度相對(duì)較小。(3)艾比湖湖泊退化造成大范圍干涸湖底的裸露是該區(qū)域發(fā)生土壤鹽漬化和鹽塵災(zāi)害的最主要的原因;距離艾比湖相對(duì)較近的精河縣城受到源自于艾比湖的鹽塵的影響相對(duì)于其他的地區(qū)影響程度顯得特別的顯著,隨著距干涸湖底塵源區(qū)的水平距離的增大,大氣中氣溶膠的主控粒子粒徑呈現(xiàn)出逐漸的減小的趨勢(shì),而粒子粒徑的變化幅度則表現(xiàn)為逐漸增大的變化趨勢(shì),說明距離塵源區(qū)較遠(yuǎn)的地區(qū)除了要受到艾比湖鹽塵災(zāi)害的影響外,同時(shí)還可能受到它周邊的地區(qū)局地的塵源介入的影響;春季艾比湖流域及其周邊地區(qū)受到的主要是源自于艾比湖干涸湖底以及干涸湖底周邊的農(nóng)耕造成的地表疏松土壤的影響,此時(shí)流域受到的是浮塵天氣影響,此時(shí)漂浮在流域大氣中的粉塵顆粒主要以沙塵形式存在,表現(xiàn)形式主要是粗模態(tài)的;冬季時(shí)期,北疆地區(qū)供暖燒煤導(dǎo)致大氣氣溶膠主要是以人為工業(yè)污染造成的氣溶膠為主,此時(shí)的氣溶膠顆粒則是以細(xì)模態(tài)的形式存在;無論是沙塵還是鹽塵,塵暴災(zāi)害的的發(fā)生總是離不開風(fēng)力的作用,對(duì)艾比湖流域而言,風(fēng)速是影響整個(gè)流域乃至北疆地區(qū)大氣氣溶膠變化的最為主要的因素;一般情況下,塵暴災(zāi)害發(fā)生時(shí),大氣中的氣溶膠粒子對(duì)空氣中的水分反應(yīng)不明顯,主要表現(xiàn)出非親水性,但與一般的沙塵災(zāi)害所表現(xiàn)出來的特性不同,艾比湖鹽塵災(zāi)害發(fā)生時(shí),粉塵中含有大量的源自艾比湖干涸湖底的可溶性鹽離子,這些可溶性鹽離子對(duì)大氣中空氣濕度反應(yīng)明顯,使得該地區(qū)大氣氣溶膠顆粒表現(xiàn)出一定的親水性。(4)在西風(fēng)環(huán)流大背景的影響下,咸海地區(qū)鹽塵的潛在擴(kuò)散方向主要是以東北,西南和南為主,向西北和東南方向擴(kuò)散的概率相對(duì)比較小;其中,向東北方向擴(kuò)散的距離是最遠(yuǎn)的,擴(kuò)散高度也最高,影響范圍甚至可以達(dá)到俄羅斯中部地區(qū);和東北方向的擴(kuò)散路徑相比,向西南方向的擴(kuò)散路徑發(fā)生高度和擴(kuò)散距離都相對(duì)較近,主要影響烏茲別克斯坦和土庫(kù)曼斯坦的大部分地區(qū),但此方向和高度發(fā)生的比例相對(duì)較高,說明咸海鹽塵主要影響范圍集中在此區(qū)域內(nèi);對(duì)艾比湖而言,在阿拉山口大風(fēng)的影響和推動(dòng)下,該地區(qū)鹽塵災(zāi)害主要是影響其流域的東南方向,即精河至烏蘇一線,鹽塵顆粒主要以自西向東擴(kuò)散為主,擴(kuò)散的高度集中在3000m的范圍內(nèi),影響的范圍主要包括新疆境內(nèi)的精河縣-烏蘇市-奎屯市-沙灣縣-石河子市-昌吉市-烏魯木齊市-哈密等地區(qū)以及甘肅-內(nèi)蒙古-蒙古國(guó)-河北-遼寧等地區(qū),最終對(duì)華北地區(qū)造成一定程度的影響;43%的擴(kuò)散軌跡集中在1km高度范圍以內(nèi),對(duì)艾比湖周邊的博樂市、精河縣、托托鄉(xiāng)、烏蘇市產(chǎn)生較大影響,與降塵數(shù)據(jù)結(jié)合來看,雖然理論上鹽塵擴(kuò)散范圍遠(yuǎn),但仍然是對(duì)其周邊地區(qū)造成較