2002年北京特大沙尘暴的理化特性及其组分来源分析

2002年3月北京发生了有历史记录以来最大的沙尘暴, 总颗粒物浓度高达10.9 mg·m^-3, 高出国家颗粒物污染标准54倍. 主要地壳源元素Ca, Al, Fe, Mg, Na, Ti等高达平日的30~58倍. 污染元素Zn, Cu, Pb, As, Cd, S比平时高出几倍至近十倍. 其中Pb, As, Cd, S在PM2.5中富集系数分别高达12.7, 29.6, 43.5, 28.4, 这些污染物部分来自于沙尘暴长距离传输过程中矿物气溶胶与沿途污染源排放的污染气溶胶的混合. 污染物增加的另一原因是沙尘暴入侵气团和北京当地污染气团之间的交汇叠加. 沙尘暴中PM2.5细粒子占TSP的30%左右, 污染物在PM2.5细粒子中的浓度占TSP总浓度的45%~69%. 各种污染物在沙尘暴过后普遍增加, 证明了沙尘暴带来的大量矿物气溶胶尤其是其中的细粒子有利于污染物的转化和积聚. 在此次特大沙尘暴中再次检测出高浓度Fe(Ⅱ), 为大气和海洋体系中的铁硫耦合反馈机制提供了新证据. 污染物组分的成倍增加和Fe(Ⅱ)的增加, 都说明了沙尘暴是影响全球生态环境变化的重要因素.     

卫星遥感监测大气臭氧总量分布和变化

 利用卫星紫外仪器TOMS、OMI和TOU的臭氧总量数据(1979-2014年),研究了全球及关键地区臭氧总量的分布及变化。讨论了南北半球臭氧总量分布和变化的差异,探讨了影响臭氧分布和变化的可能因子。重点分析了中国区域、青藏高原和极地的臭氧变化,并利用FY-3数据对南极臭氧洞和北极臭氧低值进行了监测。结果表明,臭氧总量的分布和变化在中高纬度地区具有很强的不均匀性,极地臭氧损耗依然明显,青藏高原的臭氧增长大于同纬度其他地区,其机制更加复杂。     

卫星遥感监测中国地区对流层二氧化碳时空变化特征分析

利用北半球5个地面本底站和飞机观测CO₂浓度对AIRS(atmospheric infrared sounder)反演得到的对流层中层CO₂产品进行验证, 结果显示AIRS反演结果与地面观测和飞机观测结果一致性较好, 月平均偏差小于3 ppmv, 可以用于分析研究对流层CO₂的时空分布特征. 利用AIRS 近6年观测数据(2003年1月~2008年12月)分析研究显示: 北半球是CO₂的高值区, 且呈逐年增长态势. 其中, 中国地区的年增长率约为2 ppmv, 与美国、欧洲、澳大利亚、印度等地区相当, 略低于加拿大和俄罗斯. 由于自然条件和工业布局的影响, 中国地区对流层CO₂总体呈现北高南低的分布规律, 在35°~45°N形成4个高值中心, 云南地区为CO₂低值分布区. 中国区域对流层CO₂季节变化特征显著, 高值出现在春季, 低值出现在秋季.     

大气海洋物质交换中的铁硫耦合反馈机制

海洋表层水中的铁已被证明为某些大洋海区表层水生产力的限制因素. 1992年我们报道了在远洋气溶胶中检测到二价铁Fe(Ⅱ), 提出了大气海洋物质交换中的铁硫耦合反馈机制的假设. 最近在中国的沙尘暴样品中检测到了相当数量的Fe(Ⅱ), 其浓度高达1.8~4.3 mg·m^-3, 占总铁的1.4%~2.6%. 气溶胶中硫和铁在沙尘暴期间表现出明显的正相关. Fe, Fe(Ⅱ)和S无论在沙尘暴和非沙尘暴期间其浓度高峰均在粒径为1~3 mm的分级样品中. 在自然光照和紫外光照条件下, 加入三价铁后四价硫的氧化速度要比不加入分别快6.5和14倍. 气溶胶的Fe(Ⅲ)部分转化成Fe(Ⅱ)并产生OH·自由基把S(Ⅳ)氧化成硫酸盐这一过程, 可贡献北太平洋中部Midway岛地区所产生的非海盐硫酸盐气溶胶的约3%~20%. 上述结果进一步支持了铁硫耦合反馈机制的假设. 气溶胶中的Fe(Ⅲ)还原生成可为海洋表层生物吸收的Fe(Ⅱ). 海洋表层的浮游生物随二价铁的增加而增加, 导致其排放物二甲基硫(DMS)的增加. DMS的增加又导致海洋大气中S(Ⅳ)及硫酸盐气溶胶的增加, 从而又导致生物必需的二价铁的增加. 如此反复循环不已. 大气和海洋中的这一铁硫循环耦合反馈机制可能直接影响了全球气候变化.     

基于MLS卫星临边探测数据研究大气OH时空分布

 OH自由基是大气中重要的氧化剂,对大气中其他气体成分和气溶胶的形成和转化起着重要作用。本文利用MLS(micro-wave limb sounder)卫星观测资料,对大气平流层上层和中间层OH自由基的时空分布和变化以及中国上空OH自由基的垂直分布进行分析。结果显示,大气平流层上层和中间层OH自由基含量存在明显的季节变化和昼夜变化,在空间上的分布也随着太阳直射点的不同而呈现一定的周期性。比较了中国上空与同纬度纬向平均值,发现白天和夜间的观测值只有个别位置有较明显偏差,中国地区上空的OH含量比在整体上与同纬度比起来无明显异常,中国局地上空廓线的比较更加详细地反映了OH自由基的昼夜垂直结构。总之,中层大气OH自由基含量存在显著的昼夜变化、季节变化,同时也受太阳活动的影响,年际变化则不明显。     

全球卫星大气成分遥感探测应用进展及其展望

 随着全球变化的加剧,科学家和各国政府对大气环境日益关注,尤其是大气中的化学成分,不仅影响区域的空气质量,而且对全球气候变化产生不可估量的影响。卫星遥感探测大气中的化学成分是近年来全球对地观测领域的一个新兴分支。本文阐述全球及中国在卫星大气成分遥感探测领域的发展,以及目前已经和正在开展的各类卫星大气成分探测进展,综述大气气溶胶、主要痕量气体、主要温室气体的卫星遥感探测国际和国内现状,以及掩星和临边探测大气成分垂直廓线的进展,展望未来全球在该领域的发展方向。     

沙尘暴颗粒物表面的元素存在形态和组成

对北京沙尘暴期间和北京及沙尘暴源区内蒙古多伦地区常日气溶胶颗粒物进行了X射线光电子能谱(XPS)表面元素化学形态表征. 颗粒物表面铁主要以氧化物、硫酸盐、硅酸盐、FeOOH的形式存在, 还有部分附着、粘附在SiO2, Al2O3颗粒上. 颗粒物表面的硫主要以硫酸盐存在. Al, Si主要以Al2O3, SiO2的形态存在. 最重要的发现是在沙尘暴高峰过后的当天夜里和第二天, 颗粒物表面以二价铁形式存在的FeS和FeSO4高达44.3%和45.6%, 而以三价铁形式存在的Fe2(SO4)3由沙尘暴高峰期间的67.1%降为49.5%和48.0%. S和Fe在颗粒物表面都相对富集. 沙尘暴颗粒物整体样品中的Fe(Ⅱ)占总铁的1.3%~5.3%. 这些数据提供了气溶胶长距离传输中铁-硫耦合机制的重要证据, 进一步证实了沙尘暴对全球环境变化可能的重要影响.     

卫星遥感监测全球大气气溶胶光学厚度变化

 全球大气气溶胶类型和含量变化与气候变化和大气环境污染密切相关,是气象学、环境学和医学研究关注的热点问题。为认识全球气溶胶分布基本特征,发现和跟踪全球气溶胶显著变化地区,本文利用美国NASA 发布的C6 版MODIS气溶胶光学厚度产品分析全球大气气溶胶光学厚度时空年变化特征及其影响因素;分析气溶胶光学厚度分布与中国霾区的关系,提出霾区治理的气溶胶光学厚度年平均值参考标准。分析2003-2014 年卫星监测的气溶胶光学厚度(AOD)空间分布特征显示,全球气溶胶光学厚度稳定高值区位于亚洲东部及其邻近太平洋海区、印度半岛及其邻近印度洋海区、非洲北部和中部及其邻近大西洋海区;重点变化关注区为俄罗斯西伯利亚东部增量区和南美洲亚马逊平原热带雨林减量区。气溶胶光学厚度高值地区的形成与沙尘暴、火山喷发、生物质燃烧、工业排放等自然源,以及工业污染物排放、交通运输、秸秆焚烧等人类活动造成的人为源气溶胶排放直接相关,并受气象因素和山脉等地形阻挡因素影响,这些因素的稳定性与季节变化最终形成全球气溶胶的时空分布特征。中国东部气溶胶光学厚度年平均值大于0.5 的区域为主要霾天气区,其中华北南部、黄淮、江淮、江汉地区和四川盆地为全球气溶胶光学厚度极端高值区,年平均极端高值达到0.8~1.0,为霾天气常态化发生区;通过全球气溶胶光学厚度量值分析认为,气溶胶光学厚度年平均值0.5 可作为中国大气环境最大承载量,中国东部地区高于此值的区域为主要大气污染控制区,大范围工业生产污染物减排可带来整体环境改善,通过工业结构调整有望降低的气溶胶污染中位比率为33%,平均比率为26.5%。     

FY-3卫星紫外臭氧总量探测仪

“风云三号”气象卫星是我国第二代极轨气象卫星, 其上搭载了我国自主开发研制的紫外臭氧总量探测仪TOU, 它的主要任务是测量地球大气对太阳紫外辐射的后向散射, 以反演地球大气臭氧总量的全球分布, 为环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供重要参数. 目前已完成了在轨测试, 取得了圆满成功, 即将交付国家卫星气象中心, 进入工程业务化阶段. 本文主要介绍TOU测量原理、仪器概况, 分析了仪器的灵敏度特性, 辐照度测量精度、漫反射板衰变和波长漂移情况以及产品可用性. 结果表明, TOU反演的全球臭氧分布图与OMI的臭氧总量产品一致性很好, 均方根偏差约为5%. 这表明利用TOU观测数据和我国自主开发的反演技术, 可获得满意的大气臭氧总量全球分布数据.     

卫星遥感中国对流层中高层大气甲烷的时空分布特征

利用美国Aqua 卫星的AIRS 遥感资料, 分析了2003~2008 年中国地区对流层中高层大气甲烷的时空分布特征. 研究发现, AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致, 与地基遥感的误差在1.5%以内. 受近地层自然排放与人为活动的共同影响, 中国对流层甲烷在垂直分布上呈现典型的变化趋势: 随着高度的增加甲烷浓度下降. 甲烷在我国东部和北部地区具有明显的双峰季节变化特征, 最高值存在夏季, 次高值出现在冬季, 与近地面观测结果一致, 而南部地区冬季没有显著增加的人为来源, 西部地区人为活动稀少, 因此在南部和西部地区的甲烷高值只出现在自然源排放强烈的夏季. 中国地区的对流层中高层的甲烷与北半球的几个主要地区变化趋势一致, 均在2007 年之前保持相对稳定, 在2007 年后有一个明显的增长, 但是中国的增长速度较其他地区更为显著, 其中2006~2008 年期间的增长速率与我国近地面观测结果相近.