中亚干旱区内陆湖泊盐尘气溶胶时空演变及其间接气候效应

中亚干旱区内陆湖泊盐尘气溶胶时空演变及其间接气候效应

盐尘暴是指干涸湖底的富盐沉积物在大风天气的强劲风力作用下风蚀起尘

而导致的自然天气现象,是沙尘暴的一种特殊形式,也是一种常见但长久以来一

直被人忽视的自然灾害。与沙尘灾害相比,盐尘灾害的发生源地一般是以干旱区

湖泊退化所造成的干涸、裸露的湖底为主要尘源,还包括其周边由于土壤退化所

形成的盐碱地地区。

该地区土壤富含大量可溶性盐碱成分且土质疏松,在大风天气作用下更易于

粉尘的风蚀和扩散。亚洲的中部地区是全球沙尘灾害发生比例、沙尘气溶胶排放

贡献量相对较大的地区,近50年以来,在区域自然气候和人类不合理活动的影响

下,干旱区内陆湖泊均处于急速退化的状态,其中,中亚的咸海和中国的艾比湖湖

泊萎缩造成了大面积的湖底裸露,干涸湖底成为了丰富的粉尘和盐尘源,使得该

地区面临着严重的盐尘灾害威胁,严重威胁新亚欧大陆桥的安全运行以及“一带

一路”核心区的建设和实施。

相关学者针对盐尘灾害和区域气溶胶光学特性研究做了大量的工作和研究,

但是针对盐尘暴灾害对区域大气污染状况以及盐尘气溶胶光学性质的讨论较为

缺乏。本研究利用多源遥感技术系统的认识了中亚地区尘暴灾害的发生、发展的

动态过程,通过获取2002至今的该地区的尘暴总体演变态势,揭示了干旱区内陆

湖泊退化所造成的对中亚地区气溶胶时空格局的影响;针对咸海和艾比湖这两个

典型的盐尘源区,利用卫星和地基遥感相结合的方式,获取盐尘灾害发生典型时

期气溶胶光学特性参数,再用以典型的沙尘气溶胶和城市-工业气溶胶光学特性

作为参考,以此实现盐尘气溶胶光学特性的识别;综合温度、气压、相对湿度、水

平和垂直风速等气象条件,对始发于干涸湖底(咸海、艾比湖)的盐尘污染物扩散

轨迹进行逐天的模拟,再根据空间相似度按照季节进行分组,从而确定盐尘污染

物季节性潜在扩散特性;从宏观的角度来分析中亚地区气溶胶-云-降水的时空分

布特征,主要针对盐尘污染区域,深入的分析盐尘气溶胶与云和降水之间的相互

影响关系,得到以下结论:(1)中亚地区气溶胶光学厚度空间分布季节性差异显著,

近14年之间总体呈现出增长的趋势;受下垫面的状况和气候条件的影响,地处新

疆天山山脉以南的塔克拉玛干沙漠地区、地处中亚腹地目前已趋于干涸化的咸海

地区以及面临着和咸海一样的生态危机的位于新疆博尔塔拉蒙古自治州的艾比

湖流域下风向地区是AOD的高值区;其中,中亚的咸海地区和新疆的艾比湖流域

下风向地区aod在2002年到2015年之间的增长趋势最为显著,是近年来干旱区

内陆湖泊退化程度剧烈的最为直观的证明;塔克拉玛干沙漠地区aod变化的程度

与其他两个地区相比并不明显,这主要是因为塔克拉玛干沙漠作为世界著名的沙

漠之一,下垫面状况主要表现为流沙,且短时期之内不易发生显著的变化。

在下垫面状况不变的情况下,该地区上空aod主要是受温度和风速这两个气

象因子的影响,针对不同的季节,影响aod的主导因素存在一定的差异。(2)春季

是沙尘释放和运输运动最为活跃的时期;对近尘源地区而言,尘暴天气发生的时

候,粒径较大的沙尘颗粒主要集中在近地面0-2km高度范围内的低层大气中,此

高度范围内沙尘粒子的不规则程度相对较高,随着大气高度的增加,高层大气中

气溶胶粒子的不规则性和粒径尺度都呈现出减小的趋势;盐尘源区的近地面

0-2km高度范围内,气溶胶的散射能力是最强的,此高度范围内的退偏比值范围

主要是集中在10%-30%之间,色比值表现为集中在0.3-0.8之间;2km以上的高度

范围之内,随着距离地面的大气高度的增加,大气中气溶胶的散射能力则逐渐的

减弱,盐尘气溶胶退偏比值主要集中在5-15%左右,色比值则主要集中于0.3。

与沙尘气溶胶相比,受盐尘污染的沙尘气溶胶的球形程度相对较高,颗粒物

的粒径尺度相对较小。(3)艾比湖湖泊退化造成大范围干涸湖底的裸露是该区域

发生土壤盐渍化和盐尘灾害的最主要的原因;距离艾比湖相对较近的精河县城受

到源自于艾比湖的盐尘的影响相对于其他的地区影响程度显得特别的显著,随着

距干涸湖底尘源区的水平距离的增大,大气中气溶胶的主控粒子粒径呈现出逐渐

的减小的趋势,而粒子粒径的变化幅度则表现为逐渐增大的变化趋势,说明距离

尘源区较远的地区除了要受到艾比湖盐尘灾害的影响外,同时还可能受到它周边

的地区局地的尘源介入的影响;春季艾比湖流域及其周边地区受到的主要是源自

于艾比湖干涸湖底以及干涸湖底周边的农耕造成的地表疏松土壤的影响,此时流

域受到的是浮尘天气影响,此时漂浮在流域大气中的粉尘颗粒主要以沙尘形式存

在,表现形式主要是粗模态的;冬季时期,北疆地区供暖烧煤导致大气气溶胶主要

是以人为工业污染造成的气溶胶为主,此时的气溶胶颗粒则是以细模态的形式存

在;无论是沙尘还是盐尘,尘暴灾害的的发生总是离不开风力的作用,对艾比湖流

域而言,风速是影响整个流域乃至北疆地区大气气溶胶变化的最为主要的因素;

一般情况下,尘暴灾害发生时,大气中的气溶胶粒子对空气中的水分反应不明显,

主要表现出非亲水性,但与一般的沙尘灾害所表现出来的特性不同,艾比湖盐尘

灾害发生时,粉尘中含有大量的源自艾比湖干涸湖底的可溶性盐离子,这些可溶

性盐离子对大气中空气湿度反应明显,使得该地区大气气溶胶颗粒表现出一定的

亲水性。

(4)在西风环流大背景的影响下,咸海地区盐尘的潜在扩散方向主要是以东

北,西南和南为主,向西北和东南方向扩散的概率相对比较小;其中,向东北方向

扩散的距离是最远的,扩散高度也最高,影响范围甚至可以达到俄罗斯中部地区;

和东北方向的扩散路径相比,向西南方向的扩散路径发生高度和扩散距离都相对

较近,主要影响乌兹别克斯坦和土库曼斯坦的大部分地区,但此方向和高度发生

的比例相对较高,说明咸海盐尘主要影响范围集中在此区域内;对艾比湖而言,在

阿拉山口大风的影响和推动下,该地区盐尘灾害主要是影响其流域的东南方向,

即精河至乌苏一线,盐尘颗粒主要以自西向东扩散为主,扩散的高度集中在

3000m的范围内,影响的范围主要包括新疆境内的精河县-乌苏市-奎屯市-沙湾

县-石河子市-昌吉市-乌鲁木齐市-哈密等地区以及甘肃-内蒙古-蒙古国-河北-

辽宁等地区,最终对华北地区造成一定程度的影响;43%的扩散轨迹集中在1km高

度范围以内,对艾比湖周边的博乐市、精河县、托托乡、乌苏市产生较大影响,

与降尘数据结合来看,虽然理论上盐尘扩散范围远,但仍然是对其周边地区造成

较为严重的影响。(5)整体来看,中亚地区气溶胶抑制降水,但咸海周边地区秋季

呈现出促进降水的趋势,这是否和该区域下垫面状态不同导致的区域气溶胶颗粒

存在差异有关还需要进一步针对该区域进行小尺度的研究;气候对降水的形成起

到了决定性的作用,气溶胶对降水的形成有影响,但并不起主导作用。