中亞干旱區內陸湖泊鹽塵氣溶膠時空演變及其間接氣候效應

中亞干旱區內陸湖泊鹽塵氣溶膠時空演變及其間接氣候效應

鹽塵暴是指干涸湖底的富鹽沉積物在大風天氣的強勁風力作用下風蝕起塵

而導致的自然天氣現象,是沙塵暴的一種特殊形式,也是一種常見但長久以來一

直被人忽視的自然災害。與沙塵災害相比,鹽塵災害的發生源地一般是以干旱區

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。

該地區土壤富含大量可溶性鹽堿成分且土質疏松,在大風天氣作用下更易于

粉塵的風蝕和擴散。亞洲的中部地區是全球沙塵災害發生比例、沙塵氣溶膠排放

貢獻量相對較大的地區,近50年以來,在區域自然氣候和人類不合理活動的影響

下,干旱區內陸湖泊均處于急速退化的狀態,其中,中亞的咸海和中國的艾比湖湖

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

地區面臨著嚴重的鹽塵災害威脅,嚴重威脅新亞歐大陸橋的安全運行以及“一帶

一路”核心區的建設和實施。

相關學者針對鹽塵災害和區域氣溶膠光學特性研究做了大量的工作和研究,

但是針對鹽塵暴災害對區域大氣污染狀況以及鹽塵氣溶膠光學性質的討論較為

缺乏。本研究利用多源遙感技術系統的認識了中亞地區塵暴災害的發生、發展的

動態過程,通過獲取2002至今的該地區的塵暴總體演變態勢,揭示了干旱區內陸

湖泊退化所造成的對中亞地區氣溶膠時空格局的影響;針對咸海和艾比湖這兩個

典型的鹽塵源區,利用衛星和地基遙感相結合的方式,獲取鹽塵災害發生典型時

期氣溶膠光學特性參數,再用以典型的沙塵氣溶膠和城市-工業氣溶膠光學特性

作為參考,以此實現鹽塵氣溶膠光學特性的識別;綜合溫度、氣壓、相對濕度、水

平和垂直風速等氣象條件,對始發于干涸湖底(咸海、艾比湖)的鹽塵污染物擴散

軌跡進行逐天的模擬,再根據空間相似度按照季節進行分組,從而確定鹽塵污染

物季節性潛在擴散特性;從宏觀的角度來分析中亞地區氣溶膠-云-降水的時空分

布特征,主要針對鹽塵污染區域,深入的分析鹽塵氣溶膠與云和降水之間的相互

影響關系,得到以下結論:(1)中亞地區氣溶膠光學厚度空間分布季節性差異顯著,

近14年之間總體呈現出增長的趨勢;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、地處中亞腹地目前已趨于干涸化的咸海

地區以及面臨著和咸海一樣的生態危機的位于新疆博爾塔拉蒙古自治州的艾比

湖流域下風向地區是AOD的高值區;其中,中亞的咸海地區和新疆的艾比湖流域

下風向地區aod在2002年到2015年之間的增長趨勢最為顯著,是近年來干旱區

內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aod變化的程度

與其他兩個地區相比并不明顯,這主要是因為塔克拉瑪干沙漠作為世界著名的沙

漠之一,下墊面狀況主要表現為流沙,且短時期之內不易發生顯著的變化。

在下墊面狀況不變的情況下,該地區上空aod主要是受溫度和風速這兩個氣

象因子的影響,針對不同的季節,影響aod的主導因素存在一定的差異。(2)春季

是沙塵釋放和運輸運動最為活躍的時期;對近塵源地區而言,塵暴天氣發生的時

候,粒徑較大的沙塵顆粒主要集中在近地面0-2km高度范圍內的低層大氣中,此

高度范圍內沙塵粒子的不規則程度相對較高,隨著大氣高度的增加,高層大氣中

氣溶膠粒子的不規則性和粒徑尺度都呈現出減小的趨勢;鹽塵源區的近地面

0-2km高度范圍內,氣溶膠的散射能力是最強的,此高度范圍內的退偏比值范圍

主要是集中在10%-30%之間,色比值表現為集中在0.3-0.8之間;2km以上的高度

范圍之內,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較高,顆粒物

的粒徑尺度相對較小。(3)艾比湖湖泊退化造成大范圍干涸湖底的裸露是該區域

發生土壤鹽漬化和鹽塵災害的最主要的原因;距離艾比湖相對較近的精河縣城受

到源自于艾比湖的鹽塵的影響相對于其他的地區影響程度顯得特別的顯著,隨著

距干涸湖底塵源區的水平距離的增大,大氣中氣溶膠的主控粒子粒徑呈現出逐漸

的減小的趨勢,而粒子粒徑的變化幅度則表現為逐漸增大的變化趨勢,說明距離

塵源區較遠的地區除了要受到艾比湖鹽塵災害的影響外,同時還可能受到它周邊

的地區局地的塵源介入的影響;春季艾比湖流域及其周邊地區受到的主要是源自

于艾比湖干涸湖底以及干涸湖底周邊的農耕造成的地表疏松土壤的影響,此時流

域受到的是浮塵天氣影響,此時漂浮在流域大氣中的粉塵顆粒主要以沙塵形式存

在,表現形式主要是粗模態的;冬季時期,北疆地區供暖燒煤導致大氣氣溶膠主要

是以人為工業污染造成的氣溶膠為主,此時的氣溶膠顆粒則是以細模態的形式存

在;無論是沙塵還是鹽塵,塵暴災害的的發生總是離不開風力的作用,對艾比湖流

域而言,風速是影響整個流域乃至北疆地區大氣氣溶膠變化的最為主要的因素;

一般情況下,塵暴災害發生時,大氣中的氣溶膠粒子對空氣中的水分反應不明顯,

主要表現出非親水性,但與一般的沙塵災害所表現出來的特性不同,艾比湖鹽塵

災害發生時,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

性鹽離子對大氣中空氣濕度反應明顯,使得該地區大氣氣溶膠顆粒表現出一定的

親水性。

(4)在西風環流大背景的影響下,咸海地區鹽塵的潛在擴散方向主要是以東

北,西南和南為主,向西北和東南方向擴散的概率相對比較小;其中,向東北方向

擴散的距離是最遠的,擴散高度也最高,影響范圍甚至可以達到俄羅斯中部地區;

和東北方向的擴散路徑相比,向西南方向的擴散路徑發生高度和擴散距離都相對

較近,主要影響烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦的大部分地區,但此方向和高度發生

的比例相對較高,說明咸海鹽塵主要影響范圍集中在此區域內;對艾比湖而言,在

阿拉山口大風的影響和推動下,該地區鹽塵災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散為主,擴散的高度集中在

3000m的范圍內,影響的范圍主要包括新疆境內的精河縣-烏蘇市-奎屯市-沙灣

縣-石河子市-昌吉市-烏魯木齊市-哈密等地區以及甘肅-內蒙古-蒙古國-河北-

遼寧等地區,最終對華北地區造成一定程度的影響;43%的擴散軌跡集中在1km高

度范圍以內,對艾比湖周邊的博樂市、精河縣、托托鄉、烏蘇市產生較大影響,

與降塵數據結合來看,雖然理論上鹽塵擴散范圍遠,但仍然是對其周邊地區造成

較為嚴重的影響。(5)整體來看,中亞地區氣溶膠抑制降水,但咸海周邊地區秋季

呈現出促進降水的趨勢,這是否和該區域下墊面狀態不同導致的區域氣溶膠顆粒

存在差異有關還需要進一步針對該區域進行小尺度的研究;氣候對降水的形成起

到了決定性的作用,氣溶膠對降水的形成有影響,但并不起主導作用。