爆发亚洲沙尘暴从卫星和地面的角度概述

最后更新于太阳,2023年2月19日|大气科学

Si-Chee -蔡*

大气实验室戈达德太空飞行中心,绿地,马里兰州美国

台湾,位于顺风来自中国的沙尘暴暴发,水槽地区的生物质气溶胶来自东南亚和城市-工业化流出的污染物从珍珠和长江三角洲,暴露在自然和人为的季节性环境气溶胶在大气中。在春天,爆发的亚洲沙尘暴经常发生在中国西北的干旱和半干旱地区,约1.6×106平方公里,包括戈壁和塔克拉玛干沙漠的空间覆盖范围的不断扩大。这些空气尘埃粒子,源自沙漠地区远离污染的地区,与人为硫酸盐和烟尘气溶胶排放来自中国内地大城市在交通。添加复杂的云层和海洋气溶胶的影响,粉尘进入海洋环境可以有截然不同的属性比他们的来源。

一起人为污染物,空气中的尘埃粒子可能会改变区域水文循环通过气溶胶直接/间接辐射强迫,影响渔业造成营养异常沉积,增加对人类健康影响的微量金属富集。除了local-to-regional影响,这些尘埃气溶胶可以跨太平洋运输迅速到达北美在不到一周的时间,从而导致一个更大的规模效应。亚洲沙尘气溶胶可以清楚地发现他们的颜色出现在现代地球观测卫星(如。中分辨率成像光谱仪(MODIS),臭氧总量映射光谱仪(汤姆斯),海洋观测宽视场传感器(SeaWiFS)、地球静止气象卫星(gms)]和卫星监测到了他们的进化和表面网络(如。气溶胶机器人网络(AERONET) Micro-Pulse激光雷达网络(MPLNET)]。然而,这些基本观测不完整是由于构成了单方面的独特属性数据空间(快照全球覆盖率)或颞(长期点网站)维度。综合建模需要桥这些时空观测,并为我们理解作为积分器尘的身体的影响,光学,辐射特性在各种强迫、响应和反馈过程发生地球大气层系统。

最近,许多田间试验(如国际ACE-Asia和地区后续活动)已经进行了阐明特征空间和尘埃气溶胶的引人注目的变化时间尺度,尤其是在靠近源和顺风的地区。由于协同加强卫星、飞机、和表面观察,我们理解空气中的沙尘气溶胶的分布和性质明显先进。它是我们的目标/希望继续深度结合观测和理论研究调查区域气候的变化,水文预算,对流层化学,raybet雷竞技最新风蚀在亚洲,和尘埃属性。这些区域的变化(如。气溶胶加载,云、降水率)是全球变化的重要组成部分,和我们的成功或失败在发展中可靠的预测,以及足够的反应,将决定未来的变化为可持续发展的文明。因此,早期的经验教训将有助于加强我们的能力问题的警告亚洲沙尘暴和在未来进一步减少沙漠化。

*与贡献Gin-Rong Liu Nai-Yung Hsu Wen-Yih太阳,Neng-Huei林,羌族,guang yu Shi, Myeong-Jae桢,Tang-Huang Lin Sheng-Hsiang王,陈志明Peng Jr-Shiuan杨。

1。背景

进入新世纪后,毫无疑问,全球化是未来的潮流在社会和经济活动,包括与这些活动相关的副产品。一个很好的例子是最近爆发的亚洲沙尘暴和空气污染加剧,甚至带来了更广泛的公众的关注他们的广泛的影响,从宏观尺度上的气溶胶辐射强迫对天气和气候raybet雷竞技最新微尺度病原体/矿物人类/农业疾病的传播。因此,气溶胶排放一个领域可以通过交界的其他地区造成破坏,甚至横贯大陆的交通工具。地球生活的惊人的图像(地出,首先被美国宇航局的阿波罗8号任务于1968年12月22日)月球的地平线上升起真正表明地球的动态和不安分的性质。从上个世纪开始,然而,世界人口的增长,现代科技的发展,对消费品的需求能量,和激烈的土地利用/土地覆盖变化,以及其他因素,揭示了一个指数趋势提供了一个主要的环境压力,建议地球远离可持续的平衡。这个紧急呼吁拯救我们的星球一直回荡压倒性地通过最近的纪录片难以忽视的真相由戈尔提出,美国前副总统、2007年诺贝尔和平奖得主。

台湾,一个角色模型经济奇迹发展中国家在20世纪中期,现雷竞技手机版app在面临着很多关于环保的关键挑战。例如,以及众多的其他影响,亚洲沙尘暴爆发的季节性改变大气中的化学和周围的海域,呼吸污染空气影响人类健康,并降低能见度影响交通安全。在这篇概述性文章中,我们首先介绍给亚洲沙尘暴爆发的历史和统计前景,以及环境条件与尘埃来源,运输和下沉。沙尘气溶胶的社会影响和科学意义提出了秒。2。第三节论述了沙尘气溶胶的特性可用基于遥感测量,原位观测和理论建模,以更好地了解地球大气层的尘埃气溶胶扮演何种角色系统。最后,给出结论已经吸取教训和策略可能会采取进一步行动。

1.1。沙尘暴暴发

从太空利用先进的仪器,大型沙尘暴爆发普遍观察到地球和其他行星在太阳系。为例,2001年6月26日,美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜发现了火星上的一个巨大的沙尘暴爆发,迅速笼罩整个地球,随后将冰川火星大气的温度提高了约30°c,尽管地球大陆的和几乎等于总火星表面面积,沙尘暴爆发在地球上一般较小,因为它不是一个全球沙漠就像火星。近三分之一的地球土地是沙漠或干旱地区,收到年降水量的小于25厘米(-10英寸)或蒸发的不到一半。基于这个定义,极地(-2.8 x 107平方公里)组成地球的最大的沙漠,紧随其后的是撒哈拉(-9.1 x 106平方公里)和阿拉伯(-2.6 x 106平方公里)在亚热带沙漠非洲/中东,然后中国Gobi-Taklimakan沙漠中间纬度亚洲的(-1.6 x 106平方公里)。

沙尘暴(或沙尘暴在某些情况下)爆发有很多名字穿越沙漠地区,如“西蒙风”非洲撒哈拉沙漠的“哈布沙暴”在阿拉伯半岛,中国Gobi-Taklimakan沙漠“shachenbao”,“科莎公司”顺风

图1所示。(一)中国古代竹书官方文件记录;(b)重建的猛烈的沙尘暴原始图像在塔克拉玛干沙漠,摧毁一辆公共马车在中国汉代,由幸存的军官报道(新华社,2002年5月);(c)一个典型塔克拉玛干沙尘暴出现在浅米色和扫向东北,被MODIS / Aqua(图片由:NASA地球观测卫星于2005年12月3日);和(d)几天后暴力Gobi-Taklimakan沙漠的沙尘暴爆发,可吸入粉尘气溶胶毯子顺风朝鲜半岛地区,日本和台湾(照片礼貌:台北时报》2006年3月20日在台湾,台北101大厦,目前世界上最高的建筑,在后台)。

韩日的地区。主要机制导致这些沙尘暴爆发明显不同:那些来自撒哈拉沙漠主要是由强大的太阳能加热引起的不稳定在亚热带表面(例如Karyampudi et al ., 1999),除了在非洲以全年的频率雨季;那些出现在阿拉伯沙漠形成主要从雷暴的崩溃(也称为下击暴流)在亚热带夏天(例如Tindale和皮斯,1999);和那些原始Gobi-Taklimakan沙漠在很大程度上与冷空气爆发导致蒙古气旋抑郁和额活动在春天(例如钱et al ., 2002)。

三分之一至一半的全球粉尘排放,估计约800 Tg (Zhang et al ., 1997),介绍了从不同的沙漠每年进入地球大气层。亚洲沙尘暴暴发被认为是延续了数十万年在中国北部和西北部的广袤的疆土,但直到近几十年来,许多研究令人信服的证据,认识到这些的重要性风成尘埃粒子形成中国黄土高原(例如。德比郡et al ., 1998),在北太平洋和生物地球化学循环(例如Husar et al ., 1997),至于在格陵兰岛冰层(例如Svensson et al ., 2000)通过远程传输。敦煌附近的,最近中国——通往古代的丝绸之路——中国考古学家发掘出汉代初期的“竹文档”(见图1 (a)],描述正式和明确中国最早的沙尘暴事件源区域附近的书面记录。

塔克拉玛干(“的”在土耳其)沙漠,在塔里木盆地,一个主要的土地特征是由三个主要的封闭山脉中中国西部:北天山,帕米尔高原,和Kunlun-Shan南方,窄的盐水沼泽抑郁症(最低的区域在该地区低于海平面150米)在东部(见图1 (c)的地形)。周围山脉的积雪和冰川融水供应所有的河流在塔里木盆地,但这些水域从未找到大海。添加到这个非凡的地理,塔克拉玛干沙漠的位置远离海洋进一步去除任何从亚洲季风降雨。在年降雨量小于10毫米,很多干河流/湖泊沉积物,塔克拉玛干(^ 0.34 x 106平方公里)构成了第二大转移沙的沙漠在地球上(例如太阳和刘,2006)。因此,不足为奇的是,塔里木盆地沙尘暴经验比地球上任何其他地方,每年高达100 - 174事件(如华盛顿et al ., 2003),如图1中所示(c)对一个典型沙尘暴爆发。频繁的沙尘暴爆发在中国的另一个地区是亚洲最大的沙漠地区,大戈壁(在蒙古“非常大的和干”,或者简单的“大沙漠“在满洲),这是有界的Altai-Shan和蒙古草原/北部大草原,青藏高原西南,华北平原的东南部。与独特的地理塔克拉玛干沙漠,戈壁(~ 1.29 x 106平方公里),大体上由砾石和光秃秃的岩石,但是有许多独特的生态和地理区域,由于当地气候和地形的变化。raybet雷竞技最新暴发的沙尘暴在中国北部和西北部不仅来源地区覆盖巨大的地区,而且运输机载尘埃顺风到朝鲜半岛,日本,台湾[见图1 (d)],并进一步之外(例如VanCuren和卡希尔,2002)。

沙尘暴暴发的空间和时间分布在中国一直是许多研究的主题(例如王et al ., 2004年,引用其中)。一般来说,气象观察员报告沙尘暴事件当水平面能见度降低到1公里或以下,吹尘活动表面的可见性的范围1 - 10公里,朦胧的天空,能见度不到10公里,风成空气中尘埃颗粒悬浮均匀。作为一个例子,图2 (a)描绘了30年(1951 - 1980),每个月从表面灰尘事件观察在敦煌,中国,位于塔克拉玛干沙漠和戈壁之间。很明显,沙尘事件在敦煌的旺季是在北方的春天(高于3)和最低的秋天(SeptemberNovember)。分析现代卫星观测,如TOMS气溶胶指数(例如许et al ., 1996), 2°x 2°的敦煌地区1979 - 2000年期间,统计特性略有不同,见图2 (b)。这两个时空数据集之间的主要差异是最小的季节性趋势尘埃事件。尽管卫星观测提供相当大的空间覆盖的表面原位相比,他们经常体验的insensi-tivity行星边界层现象。旺季以来沙尘事件在敦煌显然是长时间从两个完全不同的数据集的分析,很有可能在冬季地面观测附近大气中气溶胶加载更敏感的表面比卫星测量。

王et al。(2004)提出了一个综合的概述现代中国沙尘暴暴发和得出结论,最活跃的地理区域(1)Takli-makan沙漠,(2)河西走廊西部内蒙古高原,和(3)中央内蒙古高原。虽然沙尘暴的编译结果揭示季节性变化发生在不同地区,北方春天的旺季期间表示。事实上,中国的时间平均分布在所有地区密切模仿的商补(见图2 (a))。然而,关于在中国沙尘暴暴发的长期趋势,相对分裂的研究综述中,王et al . (2004)。总的来说,沙尘暴发生频率最高的1960年代和1970年代;但是他们得出结论说,没有明显的沙尘暴和频率之间的统计相关性风能,或年度降水和蒸发。除了天气/气候系统的自然变化和其他控制因素,王et al .(2004)认为人类活动,raybet雷竞技最新如分手自然防风表面和保护

图2。(a)表面的观察尘埃事件在敦煌(40°2的N, 94°7 E),中国,1951 - 1980年期间,基于标准的水平表面的可见性;(b)的卫星分析敦煌附近的灰尘事件(39-41°N, 93 - 95°E)在1979 - 2000年期间,在光谱反射率的偏差(即气溶胶指数;许et al ., 1996)指示列大气中气溶胶丰富;和(c)年度趋势(在95%显著性水平)的沙尘暴分布(王et al ., 2004)在中国1954 - 2000年期间,利用记录的681个关键站由中国气象局。

从土地、植被起到了最必要的作用在中国沙尘暴暴发的长期趋势在过去的50年。如图2中所示(c),四个地区,其中经历过沙尘暴暴发的频率增加,主要是由于人类活动造成的地区土地沙漠化。

1.2。源/汇和运输途径

空气尘埃粒子比比皆是;尘埃落在我们的后院(下沉)可能起源于干旱地区(源)地球上的某个地方,但是旅行几千英里(运输)。基于40年的气象数据的分析在174个车站(1960 - 1999),太阳et al。(2001)认为,春季沙尘暴源自中国是高度与额叶系统和蒙古气旋的活动萧条。一些补充,结果路线/频率的冷空气和沙尘暴暴发在图3中做了总结。

从这些40年的统计数据,中国春季沙尘暴也显示峰值发生在4月份,这是大约三倍在3月或可能发生。总的来说,冷空气爆发的频率在春天,源自西方,北方和西北地区,范围从相对比较(图3,图左上角;太阳et al ., 2001)近一倍到四倍(分别为13.8%,27.8%,58.6%;高et al ., 2006),所有导致引发沙尘暴从大戈壁沙漠沿河西走廊、内蒙古高原。然而,只有西部航线冷空气爆发频繁导致塔克拉玛干沙漠的沙尘暴。尘粒从大戈壁沙漠(频率之和> 80%;图3,图右上角)通常升高3公里,这是有利的

图3。统计分析的源/汇地区中国的沙尘暴暴发和运输途径(太阳et al ., 2001),上覆的EOS / MODIS产品晴空,真彩色合成图像。例子的尘埃气溶胶源附近(左下图,显示出尘的一段前新疆,中国西部)和水槽(右上角的图片描绘尘埃消极后果在北京紫禁城,中国)地区,以及路线/冷空气爆发的频率(蓝色箭头/酒吧)和模式/频率的传输通路(布朗箭头/酒吧)。

区域运输。因此,其影响是有限的区域范围内,从近端黄土高原和大都市北京顺风朝鲜半岛地区,日本,台湾,和附近的太平洋;而那些尘埃气溶胶主要产自塔克拉玛干沙漠,很少从大戈壁沙漠(< 20%)经常携入的海拔高于5公里,可以长距离运输(如^ 5000公里)盛行的西风急流。

大气的发行量在塔克拉玛干沙漠的影响是极其复杂的,由于边界地形(见图1 (c))导致地形风的通道。塔克拉玛干的占主导地位的移动方向沙丘运行与青藏高原,观察到东风或向东北,这清楚地表明的低级的存在,东风气流。因此,没有一个强有力的垂直升降,充满尘埃的大气是通风不良和尘埃气溶胶仍然被困在封闭的盆地。最近激光雷达分析气溶胶的垂直分布,如地球科学激光高度计系统(格拉斯)上冰,云,和土地仰角卫星(卫星),解释这种情况下是非常有用的。图4 (a)展示了Terra / MODIS红-绿-蓝复合图像,描绘塔克拉玛干沙尘暴爆发。沙尘暴开始可见从太空拍摄的这张照片是前几天。大约6个小时之前最近的卫星天桥、卫星/格拉斯捕获这段尘(无花果。4 (b)]当穿越塔克拉玛干沙漠,表示作为一个黑线Terra / MODIS图像(图4)。粉尘层位于地面约3公里,形成一个拱形跨沙漠,但不够高举逃离盆地。此外,灰尘层在南部

图4。(一)Terra / MODIS红-绿-蓝合成图像获得2006年3月14日,和(b)卫星/格拉斯在532纳米波长的垂直廓线在塔克拉玛干沙漠的沙尘暴,与其对应的地理位置标记为黑色(a)。在横断面行符号表示各种各样的山峰在Altai-Shan(圆和钻石),天山山脉(广场),和Kunlun-Shan (star)范围。

图5。复合的TOMS气溶胶指数,气溶胶加载代理,2001年4月4-16,描绘亚洲粉尘的远程传输路径穿越太平洋和北美大西洋。箭头/日期显示的大小和位置尘埃气溶胶观测,与yellow-green-red颜色密度递增的顺序尘埃载荷。

部分拱对青藏高原厚度足以防止激光束的完整渗透,损害估计列尘埃加载和地面检测。这也描绘了困难参与监测、评估和分析复杂情况下如亚洲沙尘暴暴发时利用卫星传感器。

然而,卫星测量提供了戏剧性的结果发现空气尘埃粒子可以旅行相当巨大的距离,如图5中所示,诱发各种环境影响运输途径。在春天,亚洲粉尘和其他人为和自然气溶胶,一旦生成源区域,可以移动的边界层自由对流层。有时骑与西风急流,他们可以旅行几千英里横跨太平洋到美国,加拿大,和超越。臭名昭著的”2001年完美的沙尘暴”证明,仅用了不到一个星期动员这些沙尘横跨太平洋。

这些沙尘气溶胶的一部分曾被观察到在北极消退,一些在层10公里高空德克萨斯州和其他人徘徊在马里兰州的美国航空航天局/戈达德太空飞行中心(见美国宇航局新闻发布于2001年4月)。

2。结果

生成的过程,运输和消散空气尘埃粒子是全球性的现象——非洲尘埃定期到达阿尔卑斯山;亚洲粉尘季节性横跨太平洋到北美,并最终大西洋进入欧洲。biogeo-chemical至关重要角色之一,沙尘暴在地球生态系统的常规动员矿物灰尘,作为铁的来源(例如Meskhidze et al ., 2005),从沙漠到海洋施肥浮游植物的增长——海洋食物链的基础。同样,这些充满尘埃的空气供应至关重要的营养物质对土壤的热带雨林,生命的所谓的子宫,哪些主机50 - 90%的物种在地球上。从历史上看,沙尘暴爆发主要是自然事件,但近几十年来全球增加表面扰动与人为活动相关的可能大大改变了空气中的粉尘分布的净额。的土地利用(例如森林砍伐、过度放牧、城市化)加上长时间的干旱可以导致大规模土地覆盖恶化,这反过来会增加沙尘暴暴发的频率。

超过60%的世界人口居住在亚洲和中国仅包含超过20%(-13亿)的世界人口。中国主要依赖农产品从地球约8 - 9%的耕地和永久的农田。相比之下,美国,类似规模的农田,仅支持-03亿人口。此外,作为蛋白质的主要来源之一,中国占全球33%的鱼和海鲜消费(如保利et al .,

2003),而国内渔业的湖泊,河流,海洋和沿海海洋/账户只有世界15%的鱼。由于满足这一需求,生产的水产养殖淡水鱼大幅跃升,中国耕地减少为代价的。中国的生态系统是特别微妙的平衡;因此,一个致命的扰动(如剧烈的土地覆盖和土地利用的变化,减少渔业)可以打破的平衡和全球社会产生巨大的影响由于过于庞大的人口规模。

合成数据和记录,刘和钻石(2005)提出,详细讨论了中国变化的环境和社会经济挑战的背景下,全球相互依存。的问题上自然灾害,它是指出,从公元300年到1949年中国西北被暴露在大型沙尘暴平均每31年。此外,基于统计学习的中国科学院的平均频率增加到大约每年一次从1950年代到1990年代。自2000年以来,沙尘暴的平均数为同一地区每年升级到5 - 6,包括2006年在北京8消极后果。由于过度开垦严重退化在西北干旱、过度放牧和广阔的天然草原在中国,尤其是在青海省和内蒙古自治区,沙尘暴的主要来源的两个地区。刘和钻石(2005)进一步得出结论,中国90%的草原退化和减少每年-1.5 x 104平方公里的速度自1980年代初。此外,沙漠化的现状在中国非常严重。沙漠化的总面积占地约2.6×106平方公里(中国领土的-27%),其中1.6 x 106平方公里的沙漠化土地是由风蚀引起的。Studley(1999)估计传播速度沙漠化是km2per -2460年。类似的数据被中国当局承认(例如新华社新闻),并且出现在2001年5月26日举行的一次新闻发布会上。

荒漠化和表层土壤侵蚀的结果在中国,沙尘暴爆发,具有全球影响,经常出现在春天各种媒体的头条新闻。一个特定的例子是人类生命和财产的灾难性损失,农作物和牲畜在1993年5月5日沙尘暴(杨,2001)。空气尘埃粒子的方式影响到人类的可持续发展是广泛的,可以分类下广泛的社会影响和科学意义。

2.1。社会影响

与大量的灰尘从中国的沙漠地区和注入到大气中,这些沙尘暴经常影响日常活动以戏剧性的方式:把勇气通过门窗,迫使人们呆在室内,导致呼吸问题,降低能见度和推迟航班,和大型制造混乱。从本质上讲,他们的长期后果是:

•破坏作物产量。空气尘埃粒子不仅通过减少太阳辐射降低作物产量达到植物进行光合作用(Chameides et al ., 1999),但也有助于农业传播的疾病,如细菌和真菌的植物病原体主要是毁灭性的大米和小麦——主食谷物在亚洲。考虑到有限的预测和可耕种的农田和稳步上升的人口下降随着人均食品消费增加,这绝对的威胁食品安全中国在未来几十年里(2002年布朗)。

•构成健康风险。毒性作用对人们附近的源/汇和沙尘暴的途径是显而易见的,因为尘埃包含铝、锌、铁等微量金属,刺激眼睛和呼吸系统。沙尘暴事件后两到三天,升级为哮喘住院(杨et al ., 2005)心血管疾病(杨et al ., 2005 b)是著名的和统计学意义。此外,这些不利影响空气污染包括可吸入粉尘气溶胶对人体健康的增加归咎于支气管炎,脑膜炎,甚至过早死亡(例如,徐et al ., 1998)在亚太地区。根据世界银行2000年年度审查,亚洲主要城市的医疗费用可以达到城市收入的15 - 18%。•造成经济危害。在它的生命周期——生成源地区,沿着道路运输,和消散在水槽区域——沙尘暴平均强度可能有大量的直接经济影响(如人受伤和破坏特性,损害农作物和森林,令人窒息的牲畜,减少半导体产量),以及影响经济许多间接的方式(如医疗费用增加,消耗渔业由于引发赤潮,扰乱交通和沟通,缩短功能性水电大坝和河道的生活)。合并后的经济损失是由联合国环境规划署估计在6.5美元每年-91亿的范围——大致相当于0.6在2001年中国国内生产总值(gdp)的-0.9%。

2.2。科学意义

自1970年代初以来已经有一系列的陆地卫星的成功发射卫星全球观察的能力,所以难怪尘埃科学在全球范围呈上升趋势。这种势头已经起到了推波助澜的作用,地球观测系统(EOS)时代的黎明在1990年代末,目前,有16个(计数),积极提供前所未有的极轨卫星视图的大小、规模、分布、和沙尘暴的运动空间。卫星提供的独特优势在检测和跟踪空中尘埃的进步有助于揭示人类如何影响了这些风暴的发展和规模。协同的多卫星观测建议增加强度和亚洲沙尘暴暴发的频率不是人造的空间和时间尺度发展,和随后的陆地表面的质量的变化,发生在中国西北。

从一个大规模的角度来看,卫星测量的尘埃特点为确定尘埃粒子如何影响提供重要信息天气和气候raybet雷竞技最新通过重新分配太阳能在地球大气层和通过改变热陆地和海洋之间的对比。交互时,阳光,空气尘埃粒子不仅吸收太阳辐射反射回太空。一般来说,这导致净变暖的环境下和净冷却地球表面。然而,其在海洋表面冷却的大小不同,在这片土地。地球辐射尘埃粒子是如何修改预算取决于它们的颜色、大小、形状、和化学成分。此外,空气尘粒可能非常复杂的相互作用和大气水从微尺度的角度和气溶胶。在某些情况下,大气气溶胶包括尘埃粒子作为凝结核雨滴,最终导致增强/加速沉淀过程(例如牧羊人和Burian, 2003),但在其他情况下,这些气溶胶只是抑制降水(例如罗森菲尔德,2000)。也就不足为奇发现尘埃粒子的相互作用,以及其他类型的气溶胶,关键因素是气象学(水汽供应),动态(扩散、碰撞和合并),和粒子物理学(水和冰成核),可以非常复杂(例如李和元,2006)。

理解深刻、复杂和深远的尘埃对地球大气层的影响系统,它是至关重要的吸收空气中浮尘性质时空变异。考虑到空气中浮尘属性令人生畏的多样性,结合观测和理论方法是需要更好的理解和量化粉尘的影响。在这一过程中,许多问题出现:

•这些增加空气中的尘埃粒子,加上人为的污染物,大大改变了地区云分布和水文循环通过气溶胶直接和间接影响(可变性,并迫使)?

•本地区重要的渔业会严重受到沙尘暴的影响通过养分沉积模式和程度的影响,初级生产力的浮游生物(反应和后果)?

•我们如何加强我们的能力,通过更好的理解粉尘性质和交互与区域气象、发出早期预警的沙尘暴和对人类健康的影响(预测)?

•在多大程度上我们可以评估的有效性增加植被/树(例如一个造林项目北京郊区)在预防进一步沙漠化(反馈和预测)?

3所示。粉尘性质

太阳辐射是唯一大规模非绝热加热源驱动地球上天气和气候系统。raybet雷竞技最新的排放地面辐射回到空间保持平衡,使其居住的星球上所有形式的生命。气溶胶中扮演重要角色修改太阳和地球辐射的分布(联合国政府间气候变化专门委员会,2001)。四个主要类型的气溶胶,尘埃颗粒生物质吸烟,空气污染物和海水盐——通常发生在大气中。发出的光线分散、吸收和气溶胶主要取决于他们的物理和化学性质,包括折射率物种,混合物,吸湿性、粒径分布、形状、取向。全面了解气溶胶特性,以及它们的时间和空间分布,必须理解地球大气层如何保持其当前状态的平衡以及人为活动可能破坏这种平衡。信息从协调获得地面(时间尺度)和星载(空间尺度)测量将允许科学家详细研究尘埃颗粒从源到汇的性质和运输途径。

3.1。地面观测和分析

星载遥感观测常常饱受污染的表面特征。因此,地基原位和遥感测量,信号直接来自大气成分,太阳,和/或地球大气层交互,提供额外的信息比较,定量确定有用的集成表面,飞机和卫星数据集。国际全球大气化学计划的支持下,东亚地区最全面的现场活动,气溶胶特性Experiment-Asia (ACE-Asia;Huebert et al ., 2003)是在2001年的春天,除了研究亚洲灰尘和污染物气溶胶。ACE-Asia密集的观察期间(IOP),许多表面网站,加上3架飞机,两个研究船,和无数EOS卫星立交桥,同时测量气溶胶的化学、物理、光学、和在各种环境条件下辐射特性。之后ACE-Asia眼压,几面网站(例如Gosan网站在美国朝鲜,太。竹站点在台湾)继续运行,获得原位和column-integrated气溶胶特性来评估他们的时空变异性。

源附近地区的沙尘暴暴发,描绘在图6 (a),美国国家航空航天局(NASA)的一个子集智能(Surface-sensing测量大气辐射传输)提交(化学、光学和微观物理学的原位测量对流层)设施部署在敦煌网站,

图6。(a)早期SMART-COMMIT仪器设置在敦煌,中国,ACE-Asia竞选期间在尘土飞扬的一天;(b)新成立的实验室仪器设置在建筑屋顶;和(c)远景的实验室设施坐落在海拔千米的顶部附近鹿林山,台湾。

19:40 UTC

图7。2001年4月28日,一场激烈的沙尘暴在敦煌网站传递。total-sky成像仪拍摄一系列的天空条件(上半部分)近晴空(相比之下),暴风雨前的几小时(16:32 UTC),和其他四个图像接二连三的风暴过去了。尘埃的垂直分布属性(如气溶胶消光概要文件)由肪冲测量激光雷达(左下方面板)在运输。两张照片对比空气尘埃粒子的变化,(中心,当地时间下午1:30)和前1小时风暴过后(右下)。

在塔克拉玛干沙漠和戈壁之间。SMART-COMMIT(见http://smart-commit。gsfc.nasa.gov更多细节)是一个移动实验室,包括许多商用和in-house-developed远程传感仪器,以及各种各样的原位探测,测量气溶胶和前兆性质和气象参数。同样,一套类似的仪器,用额外的传感器特别是云水化学、部署ACE-Asia和ADSE(亚洲沙尘暴的实验,20012004)在水槽在台湾北部地区沙尘气溶胶的,太。竹网站~ 1.1公里的高度。此外,识别的重要环境影响气溶胶长期运输、鲁麟大气背景站(实验室)成立以来一直经营13 2006年4月,如无花果所示。6 (b)和(c) 6。坐落在山顶附近(~ 3公里高度)在台湾中部和配备先进/太精仪器。竹网站,从实验室(见测量http://labs.org.tw更多细节)观察关键参数代表自由对流层ACE-Asia后和ADSE项目。

在许多研究课题,图7所示,第一次,如何显著激烈的风暴产生了浓密的沙尘毯子,和是由一套复杂的地面观测仪器和星载传感器(没有显示)。2001年4月28日,total-sky成像仪拍摄的整个通道在即沙尘暴~下午3点。当地时间ACE-Asia敦煌网站。每日的尘埃气溶胶垂直分布(图7,左下方面板)肪冲激光雷达记录,形成的气溶胶消光概要文件可以定量地检索。浓密的尘埃颗粒完全阻塞激光雷达后向散射信号后立即尘埃前通道(~ 5分钟),其次是降雪。也图7所示照片(中心)在当地时间下午1:30接近沙尘暴,而另一个照片(右下)演示了密集的毯子的尘埃在空气中大约1小时后,风暴过去了。黄颜色明显表明不同的化学成分(如含铁量)的尘埃粒子,相比那些褐色的撒哈拉沙漠的尘土。从卫星观测,这沙尘暴开始形成于2001年4月27日,4月28日愈演愈烈,搬到东4月29 - 30日,5月1日消散。

运输中,空气中的尘埃粒子可以与人为硫酸盐和烟尘气溶胶污染严重的城市。添加到复杂云层的影响和自然海洋气溶胶,尘埃粒子到达顺风和水槽区域可以有截然不同的属性比的来源。在ACE-Asia,空气中浮尘颗粒显微图清楚地揭示他们的作品在运输的变化。粉尘采样在敦煌网站(源地区)包含主要硅酸盐,与其他粘土矿物、碳酸盐、长石组成,和石膏,而他们成为脏的时候经过污染的地区。飞机观测尘埃显微图的j·安德森(亚利桑那州立大学)表明,许多不同形式的烟尘球和nonsoot碳质矿物粉尘粒子聚合。

当这些尘埃颗粒运输顺风水槽与额有关的区域活动,干/湿清除过程涉及与云交互、生物质气溶胶和当地污染物大气成分和tro-pospheric化学进一步复杂化。在ADSE(例如林和彭,1999),云水域收集每小时太竹站点海拔的~ 1.1公里,这是经常沉浸在液体水的云由于锋面过境或地形升降。考虑到的位置和高度。竹站点和流行的东北季候风风,云水域采样逆风不应被大城市污染污染物排放从台北。随后,收集到的云水域测量来获得他们的酸度(pH值的),和电导率,并分析了离子浓度的Cl -,不,所以^ - NH +, Na +, K +、Mg2 +和Ca2 +使用离子色谱(例如林et al ., 1999),以确定云化学成分。

图8显示了一个评估的尘埃和其他人为气溶胶影响云化学通过彩色云水域(异常棕色到黑色),而通常透明颜色从自然云。此外,一个样本的pH值

图8。2002年3月22日至23日,表面测量数据显示云水化学的变化由于沙尘暴事件太。竹网站,台湾。(一)云水收集器;云(b)特写镜头被污染的水字符串;(c)每小时收集云水;(d)电导率和pH值测量;和(e)每小时的过滤器文件(日期/本地时间在白色)揭示颜色外观和pH值的变化(灰到黑数字)。

高达7.89,碱性钙离子(Ca2 +),通常的尘埃颗粒的主要成分。相比之下,云海水的pH值一般是3.0 - -4.5 Mt。竹子的网站。这个样品的电导率也测量高达962¡智商,1 cm - 1 ~ 10倍的雨水收集在台北,表示非常污染环境。云水的时间序列滤波器的论文(无花果。8 (e)清楚地描绘了不同程度的气溶胶污染:盛行风又把东北偏北dust-dominant气溶胶(pH值6),但突然改变(在当地时间3月23日21 - 22日)到南-西南的风生物质和大城市气溶胶(pH值< ~ 5)分别来自东南亚和本地。从本质上讲,棕色和黑色的颜色分别代表和生物质气溶胶的灰尘。前者往往碱化云水域,导致较低的酸度与CO2-equilibrated相比pH值为5.6。然而,生物质和大城市气溶胶通常由黑色和有机碳和相关的酸性物质(例如=),导致增加酸度云的水域。

从卫星观测结合为期五天的逆向轨迹分析,这沙尘暴爆发开始于2002年3月18日在内蒙古,搬到东3月19日至20日,覆盖整个朝鲜半岛(最高测量PMio浓度超过3000 ^ gm-3和仪器检出限)3月21 - 22日。这个尘埃流出,台湾北部与锋面过境,达到在3月22日的晚上,一直持续到3月24日的中午。与此同时,在东南亚广泛的生物质活动自3月19日也被观察到。这个事件期间,ADSE肪冲NASA / MPLNET检测的激光雷达两层强劲的(即反向散射信号。从东北偏北,低层空气尘埃粒子流水和高级,^ 2 - 3公里,生物质气溶胶的西南)。然而,额叶系统发挥了重要作用的混合粉尘/生物质气溶胶与云。云,气溶胶之间复杂的互动和大气成分是一个需要研究的重要课题在ACE-Asia对流层大气成分和化学。

辐射强迫是一个敏锐的科学兴趣的领域,因为它是理解的关键参数驱动的天气和气候系统的扰动。raybet雷竞技最新量化surface-atmosphere的能量系统,准确的表面测量宽带短波(著名0.3 - -2.8 m)和长波著名(4.050 m)辐照度通量辐射计是必需的。通过梳理辐照度测量卫星的大气与地面辐射仪与气溶胶光学厚度、辐射surface-atmosphere系统预算可以确定在一个广泛的区域(例如Hansell et al ., 2003)。然而,由于过滤圆顶和探测器之间的温度梯度变化辐射计、表面测量必须纠正占热圆顶的效果(例如Ji -蔡,2000),这可能范围从5到20瓦特m - 2级,取决于大气的状态和条件。应用表面/卫星多传感器的协同方法,许et al。(2000)表明,撒哈拉沙漠的尘土的存在导致净净冷却在海洋和气候变暖。然而,应该小心在屏蔽云污染时这种方法扩展到亚洲粉尘的辐射强迫学习,通常与阴,来的潮湿天气方面。另一方面,与辐射传感器获取光谱或窄带测量可见,短波红外,longwave-infrared,微波和激光雷达后向散射强度在表面区域,大气气溶胶和成分的准确知识可以提取,如气溶胶光学厚度和相应的垂直剖面,柱状大小分布,列水蒸气/液体量,和臭氧。这些检索参数可以用来初始化大气气溶胶在远期辐射计算模型,并进行数值模拟研究的结果。

3.2。卫星监测和检索

在所有大气属性从太空监视和检索,对流层气溶胶尤其重要,因为他们有一个相对较短的生命周期与大时间和空间变化。大气气溶胶影响太阳能和地面辐射传输光谱的各个方面(一)、空间(x, y, z),角(0,4 *)和时间(t)域;反过来,操作卫星使用的一个或多个监控这四个方面,评估和获取气溶胶的特性和作用。

从卫星气溶胶观测的最长记录可以追溯到1978年汤姆斯,并且继续目前的光环/尾身茂(臭氧监测仪器),在反相的气溶胶指数谱测量。TOMS气溶胶指数(Hsu et al ., 1996)从一双紫外光谱确定,可忽视地应对臭氧吸收强烈但Ray-leigh散射(如340、360、和380海里)。因为云的光谱反射率和表面的变化,弱紫外波长,TOMS气溶胶指数可以明确区分气溶胶和云,和检测吸收气溶胶在干旱和半干旱的表面。与thermal-contrast使用红外光谱方法,矿物气溶胶检测的汤姆斯不容易水蒸气吸收和表面温度变化。如图5中所示,TOMS气溶胶指数可以用来监测沙尘暴粉尘后解除的进化从源地区。同时,气溶胶指数的频率统计信息可以用于获取源信息归因于多种类型的气溶胶,如空气尘埃粒子、生物质吸烟和空气污染。然而,由于气溶胶指数代表的大气分子吸收par-ticulates和干预分子强烈的浓度取决于大气压力(例如Penndorf, 1957),由此产生的信号非常敏感,驻留在大气中微粒的高度。因此,在当前阶段气溶胶指数被认为是一个非常有价值的定性产品。

虽然TOMS气溶胶指数提供了信息吸收气溶胶,每天一次观察及时限制了其应用,如发行近实时沙尘暴爆发的警告。利用地球同步卫星的光谱和时间方面,刘和林(2004)成功地开发了一个自动操作系统对亚洲沙尘暴检测和监测,基于测量GMS-5 S-VISSR (Stretched-Visible旋转和红外扫描辐射计)从日本气象厅。的功效GMS-5 S-VISSR观察及时沙尘暴监测是由广泛的光谱通道(可见著名- 0.73 m;著名水蒸气- 6.75 m;红外split-window - 11 - 12¡m)和高时间分辨率(每小时)。

图9(一)描绘了散点图GMS-5 S-VISSR数字项可见光与红外通道,它清楚地识别不同的大气和环境等各个方面灰尘、云、土地和海洋表面。宽空间覆盖率和高时间分辨率的地球同步卫星,无尘背景数据可以建立在沙尘暴发生。因此,源地区的沙尘暴和dust-affected地区可以通过观察和背景之间的差异来确定数据。然而,类似的

图9。GMS-5 S-VISSR测量在02:40Z 2001年4月7日:(a)之间的散点图的数字计数可见光和红外通道(注意数量越高红外场景的亮度为可见或冷)和(b)沙尘暴检测了砂指数灰度,浅灰色代表无尘和白色的多云的地区,而越来越的灰度代表了大量的大气含尘量。

反照率值尘粒和多云的社区,尤其是在低云量地区,可能会导致重大misdetections。为了克服这个困难,split-window技术(亮度温度差11 - 12¡m)是用来提供水汽信息,因为灰尘的和多云的场景之间的主要区别是水蒸气的内容。一个例子为检测和监测沙尘暴的形成和描述dust-affected地区提出了图9 (b)。这些结果清楚表明使用红外通道的优势GMS-5减轻misdetections尘埃云的邻近地区。

协助决策者准确和及时决策,这个自动检测/监测系统很容易嵌入到GMS-5卫星接收系统加速提供关于沙尘暴爆发的信息,进化,受影响的地区。仍然有两个问题:低动态范围的S-VISSR可见通道离开小鉴别dust-contaminated云从清洁云的敏感性,和可见光通道的使用可以防止其夜间的应用程序。

气溶胶光学厚度(0 < AOT < ro),光学测量气溶胶加载,是最定量和基本属性在描述气溶胶光谱光相互作用的结果。最早从太空可靠的AOT检索,如图10所示(一个),使用两种光谱辐射测量的NOAA / AVHRR(先进的高分辨率辐射计)自1983年以来,但只有获得了全球海洋(Geogdzhayev等,2002)。由于有限的光谱通道,其他参数检索从AVHRR埃指数(a),这表明主导气溶胶的大小团体——越大,尺寸越小(例如= 4,分子;尘埃粒子)&±0。从EOS时代在1990年代末,从先进的卫星传感器测量空间覆盖率和多光谱通道宽,以及创新的算法分析,创建了一个新的地平线获取气溶胶特性。一个很好的例子是MODIS传感器上

图10。的例子(a)的月度均值气溶胶光学厚度0.55¡米波长对全球海洋使用NOAA / AVHRR数据检索(Geogdzhayev et al ., 2002);在(a) (b)一样,但检索对全球海洋植物的土地和开放(没有检索bright-reflecting表面,用黑色表示在陆地上)使用EOS / MODIS测量。

美国宇航局/ EOS泰拉和阿卡卫星,这是成功进行基准测量每日允许光谱AOT的检索和在陆地和海洋气溶胶大小参数(例如rem et al ., 2005)。图10 (b)描绘了一个当前MODIS植被生长区AOT产品在全球的和开放的海洋。

从先进的传感器获得新信息现在允许科学家们更好地理解矿物粉尘的光学和微物理特性有助于提高沙尘暴暴发的映射和预测。特别是,测量由不同卫星传感器传递的开销在不同的时间在研究沙尘的创建和发展。然而,如图10中所示(b),气溶胶特性主要附近的沙漠地区,沙尘暴频繁产生,在很大程度上仍然失踪是由于表面发射率和/或反射率中巨大的不确定性,以及不确定性在垂直配置文件中需要的气溶胶和水汽传统检索算法。虽然Terra / MISR(多角度成像SpectroRa-diometer)利用光谱和角度方面来克服这个困难获取气溶胶特性在bright-reflecting表面(餐馆et al ., 2005),其相对狭窄空间覆盖率显著影响源附近的空气中浮尘属性生成的统计数据区域(Hsu et al ., 2006)。

气溶胶检索在bright-reflecting表面(如沙漠地区附近空气尘埃粒子)一直是一个具有挑战性的问题自从卫星遥感的应用程序。从本质上讲,由卫星传感器接收到的辐射(或明显的光辉)由直接分散/发出光辉的场景和代表的贡献的光辉道路分散/直接发出光辉和/或广泛的大气和表面。在太阳能光谱波长,大气中气溶胶的存在将在黑暗的表面几乎照亮了现场和变黑现场bright-reflecting表面。新开发的“深蓝”的原理算法(Hsu et al ., 2004)获取气溶胶在bright-reflecting表面利用这样一个表面的暗属性的蓝色光谱,描绘在图11。第一次,深蓝的检索,与最优光谱波长从过去,现在,和未来MODIS-like传感器(例如GLI SeaWiFS, MODIS VIIRS),可以提供全面的气溶胶特性,允许科学家定量跟踪尘埃和fine-mode人为气溶胶的进化从源下沉地区,只有

图11。(一)最低点光谱反射率的收购撒哈拉沙漠(的气氛细线;没有分子散射-粗线)和在戈壁沙漠的表面(厚,虚线),和(b)气溶胶效率指数,显示百分比变化比较明显的光谱反射率的瑞利(aerosol-free)大气瑞利的气氛中含有气溶胶(值越高,越敏感的光谱检测气溶胶的存在)。两个灰尘模型(定期D1和D2极其吸收粉尘气溶胶)和两个操作satellite-viewing几何图形(0 o名义和60 o肢体)是用来应付灰尘影响的灵敏度范围。目前可用的最优和深蓝气溶胶检索渠道以垂直条的形式表示(如412、470、和670海里)。

图11。(a)最低点获得光谱反射率在撒哈拉沙漠(的气氛——细线;没有分子散射-粗线)和在戈壁沙漠的表面(厚,虚线),和(b)气溶胶效率指数,显示百分比变化比较明显的光谱反射率的瑞利(aerosol-free)大气瑞利的气氛中含有气溶胶(值越高,越敏感的光谱检测气溶胶的存在)。两个灰尘模型(定期D1和D2极其吸收粉尘气溶胶)和两个操作satellite-viewing几何图形(0 o名义和60 o肢体)是用来应付灰尘影响的灵敏度范围。目前可用的最优和深蓝气溶胶检索渠道以垂直条的形式表示(如412、470、和670海里)。

温和的敏感性在气溶胶柱高度不确定性(Hsu et al ., 2006)。

MODIS深蓝AOT检索的一个例子给出了2001年4月6日在图12 (c),清楚地揭示了大量沙尘发生在蒙古,Taklimaken沙漠和内蒙古。相应的Terra / MODIS图像红-绿-蓝(天桥)上午10:30和当前MODIS-operational AOT产品

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