亚洲沙尘暴爆发的卫星和地面观测综述

最后更新2023年2月19日星期日|大气科学

Si-Chee -蔡*

美国马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心大气实验室

台湾位于中国沙尘暴爆发的下风，东南亚生物质燃烧气溶胶的汇区，珠江三角洲和长三角的城市工业污染物的流出处，暴露在自然和人为的季节性环境中大气中的气溶胶．春季，中国西北干旱半干旱区(包括戈壁沙漠和塔克拉玛干沙漠)面积约1.6 × 106平方公里，区域范围不断扩大，亚洲沙尘暴频繁爆发。这些空气中的尘埃颗粒，起源于沙漠地区远离污染地区，与中国特大城市排放的人为硫酸盐和煤烟气溶胶相互作用。再加上云层和海洋气溶胶的复杂影响，到达海洋环境的尘埃颗粒可能具有与其来源截然不同的性质。

空气中的尘埃颗粒与人为污染物一起，可通过气溶胶直接/间接辐射强迫改变区域水循环，通过造成营养物质沉积异常影响渔业，并通过微量金属富集增加对人类健康的不利影响。除了局部到区域的影响外，这些沙尘气溶胶可以在不到一周的时间内迅速穿过太平洋到达北美，从而产生更大的规模效应。现代地球观测卫星[例如中分辨率成像光谱仪(MODIS)、总臭氧测绘光谱仪(TOMS)、海洋观测宽视场传感器(SeaWiFS)、地球同步气象卫星[gms]，以及由卫星和地面网络[例如气溶胶机器人网络(AERONET)、微脉冲激光雷达网络(MPLNET)]监测的它们的演变。然而，由于在空间(快照全球覆盖)或时间(长期点站点)维度上单方面构成的数据的独特性质，这些基本观测是不完整的。需要综合建模来连接这些空间和时间观测，并作为我们理解尘埃的物理、光学和物理影响的积分器辐射特性在各种强迫，响应和反馈过程中发生地球大气层系统。

最近，开展了许多现场实验(例如国际ACE-Asia和区域后续活动)，以阐明沙尘气溶胶在空间和空间上的显著变异性特征时间尺度特别是在源区和下风区附近。由于卫星、飞机和地面观测的协同作用，我们对空气中粉尘气溶胶的分布和性质的理解有了显著的进步。我们的目标/希望继续结合观测和理论研究，深入研究区域气候、水文收支、对流层化学、raybet雷竞技最新风蚀，以及亚洲的尘埃性质。这些区域性的变化(例如:气溶胶加载(如云量、降水率)是全球变化的重要组成部分，我们能否对这些变化做出可靠的预测和充分的应对，将决定可持续文明的未来走向。因此，所吸取的经验教训将有助于加强我们发布亚洲沙尘暴早期预警的能力，并最大限度地减少未来进一步的荒漠化。

*由刘金荣，徐乃勇，孙文义，林能慧，纪强，史光宇，郑明宰，林唐煌，彭志明，王胜祥，杨绍安贡献。

1.背景

进入新千年，毫无疑问，全球化是社会和经济活动的未来浪潮，包括与这些活动有关的副产品。一个很好的例子是最近亚洲沙尘暴和空气污染的加剧爆发，使公众更广泛地注意到其广泛的影响宏观尺度上的气溶胶辐射强迫关于天气和气候的raybet雷竞技最新微尺度病原体/矿物质对人类/农业疾病传播的影响。因此，气溶胶排放在一个领域可以通过跨界甚至跨洲运输对其他地区造成损害。这张令人惊叹的“活地球”照片(1968年12月22日由美国宇航局的阿波罗8号任务首次拍摄)在月球地平线上升起，真实地表明了我们的家园地球充满活力和不安宁的本质。然而，从上个世纪开始，世界人口的增长、现代技术的发展、对可消费能源的需求和土地使用的剧烈变化，以及其他因素，显示出一个指数级的趋势，这是一个主要的环境压力，使地球偏离可持续平衡。这一拯救地球的紧急呼吁在最近的纪录片《安》中得到了强烈的反响难以忽视的真相，由美国前副总统、2007年诺贝尔和平奖得主阿尔•戈尔(Al Gore)主持。

台湾，一个榜样经济奇迹发展中国家在20世纪中期的发雷竞技手机版app展中国家，现在在环境保护方面面临许多严峻的挑战。例如，除许多其他影响外，亚洲沙尘暴的爆发季节性地改变了大气和周围海洋的化学成分，污染了呼吸的空气(影响人类健康)，降低了能见度(影响交通安全)。在这篇综述文章中，我们首先介绍了亚洲沙尘暴爆发的历史和统计前景，以及与沙尘源、输运和汇相关的环境条件。第2节介绍了沙尘气溶胶的社会影响和科学意义。第3节根据现有的遥感测量、现场观测和理论建模讨论了沙尘气溶胶的性质，以更好地了解沙尘气溶胶在地球-大气系统中发挥的作用。最后，对所吸取的教训和可能采取的进一步行动战略作了总结。

1.1.沙尘暴爆发

利用来自太空的先进仪器，在地球和太阳系的其他行星上经常可以观察到大规模沙尘暴的爆发。例如，2001年6月26日，美国宇航局的哈勃太空望远镜发现火星上爆发了一场巨大的沙尘暴，迅速笼罩了整个星球，随后使火星冰川大气的温度上升了约30°c。尽管地球大陆的总和大致等于火星表面的总面积，但地球上爆发的沙尘暴通常较小，因为它不像火星那样是全球性的沙漠。地球上近三分之一的土地是沙漠或干旱地区，这些地区的年降水量要么低于25厘米(-10英寸)，要么不到蒸发量的一半。根据这个定义，极地区域(-2.8 x 107平方公里)包括地球最大的沙漠其次是亚热带非洲/中东的撒哈拉沙漠(-9.1 x 106平方公里)和阿拉伯沙漠(-2.6 x 106平方公里)，然后是亚洲中纬度的中国戈壁-塔克拉玛干沙漠(-1.6 x 106平方公里)。

在沙漠地区，沙尘暴(在某些情况下是沙尘暴)的爆发有很多名字，例如非洲撒哈拉沙漠的“simoom”，阿拉伯半岛沙漠的“haboob”，中国戈壁-塔克拉玛干沙漠的“shachenbao”，以及下风的“kosa”

图1。(a)中国古代竹条上记录的官方文件;(b)一名幸存的官员报道的中国汉代发生在塔克拉玛干沙漠的一场猛烈沙尘暴摧毁了一辆公共马车的重建图像(新华社，2002年5月);(c) MODIS/Aqua捕捉到一场典型的塔克拉玛干沙尘暴，呈现淡米色并向东北方向横扫(图片由NASA地球天文台提供，2005年12月3日);(d)戈壁-塔克拉玛干沙漠爆发猛烈沙尘暴几天后，可吸入的沙尘气溶胶覆盖了朝鲜半岛、日本和台湾的下风地区(图片来源:台北时报2006年3月20日在台湾拍摄，背景是目前世界上最高的建筑台北101大厦)。

韩日的地区。引起这些沙尘暴爆发的主要机制明显不同:来自撒哈拉沙漠的沙尘暴主要是由亚热带表面强烈的太阳加热引起的不稳定引起的(例如Karyampudi等人，1999年)，除了非洲期间，全年都有发生雨季；那些在阿拉伯沙漠形成的主要原因是亚热带夏季雷暴(也称为下暴)的崩溃(例如Tindale和Pease, 1999);而来自戈壁-塔克拉玛干沙漠的则主要与引起蒙古气旋低压和春季锋面活动的冷空气爆发有关(例如Qian et al.， 2002)。

每年有多达三分之一到一半的全球扬尘排放，估计约为800tg (Zhang et al.， 1997)，是由中国的各种沙漠引入地球大气层的。亚洲沙尘暴爆发被认为在中国北部和西北部的广大领土上持续了数十万年，但直到最近几十年，许多研究才有令人信服的证据来认识到它们的重要性风成形成中国黄土高原(例如Derbyshire等人，1998年)的尘埃颗粒，以及北太平洋的生物地球化学循环(例如Husar等人，1997年)，直到格陵兰冰原(例如Svensson等人，2000年)通过远程运输。最近，在中国敦煌(古丝绸之路的门户)附近，中国考古学家发现了一份汉代早期的“竹文献”[见图1(a)]，它正式而明确地描述了源头地区附近中国文字记录中最早的沙尘暴事件。

塔克拉玛干沙漠(土耳其语“不归路”)是塔里木盆地的主要地貌，由三大沙漠包围境内的山脉西部:北接天山，西接帕米尔高原，南接昆仑山，东部为狭窄的盐渍化沼泽洼地开口(最低海拔150米)[地形图1(c)]。来自周围山脉的雪水和冰川融水供给了塔里木盆地的所有河流，但这些水从未流入大海。此外，塔克拉玛干沙漠远离海洋的地理位置进一步消除了亚洲季风带来的降雨。塔克拉玛干(^0.34 x 106平方公里)年降水量小于10毫米，有大量干燥的河流/湖泊沉积物，构成了第二大移动-沙的沙漠(例如Sun and Liu, 2006)。因此，塔里木盆地经历的沙尘暴比地球上任何其他地方都多，每年多达100-174次(例如Washington et al.， 2003)，如图1(c)所示为典型的沙尘暴爆发。中国沙尘暴频繁爆发的另一个地区是亚洲最大的沙漠地区，大戈壁(蒙古语为“非常大而干燥”，或简称“戈壁”)。大沙漠)，北邻阿尔泰山和蒙古大草原，青藏高原西南是中国，东南是华北平原。与塔克拉玛干沙漠独特的地理不同，大戈壁(~1.29 x 106平方公里)，基本上由砾石和裸露的岩石组成，但由于当地气候和地形的变化，有许多独特的生态和地理区域。raybet雷竞技最新中国北部和西北部沙尘暴的爆发不仅覆盖了源头地区的大面积区域，而且还将空气中的尘埃颗粒顺风输送到朝鲜半岛、日本、台湾[见图1(d)]，甚至更远的地方(例如VanCuren和Cahill, 2002)。

中国沙尘暴爆发的时空分布一直是许多研究的主题(例如Wang等人，2004年及其参考文献)。一般情况下，当地面水平能见度降低到1公里或以下时，气象观测者就会报告沙尘暴;当地面能见度在1-10公里范围内时，就会报告扬尘;当能见度在10公里以下时，就会报告雾霾天气，空气中均匀地悬浮着风沙颗粒。例如，图2(a)描述了位于塔克拉玛干沙漠和大戈壁沙漠之间的中国敦煌地表观测的30年(1951-1980)月平均沙尘事件。很明显，敦煌沙尘事件的高峰季节是北方春季(3 - 5月)，最低的季节是秋季(9 - 11月)。分析现代卫星观测资料，如1979-2000年敦煌上空2°x 2°区域的TOMS气溶胶指数(如Hsu et al.， 1996)，统计特征略有变化，如图2(b)所示。这两个时空数据集之间的主要差异是最小沙尘事件的季节性趋势。虽然卫星观测与地面观测相比提供了相当大的空间覆盖范围，但它们往往对行星边界层的现象不敏感。从两个完全不同的数据集的分析来看，敦煌沙尘事件的高峰季节明显延长，在冬季，地面观测可能比卫星测量对近地表大气中的气溶胶载荷更敏感。

Wang et al.(2004)对中国现代沙尘暴爆发进行了全面概述，并得出结论:最活跃的地理区域是(1)塔克拉玛干沙漠，(2)河西走廊至内蒙古高原西部，(3)内蒙古高原中部。虽然编制的结果揭示了不同地区沙尘暴发生的季节变化，但总的来说，北方春季是沙尘暴发生的高峰期。事实上，中国所有区域的平均时间分布与敦煌非常相似[见图2(a)]。然而，关于中国沙尘暴爆发的长期趋势，Wang et al.(2004)所综述的研究之间存在相对分歧。总体而言，沙尘暴发生频率最高的是20世纪60年代和70年代;但他们的结论是，沙尘暴的频率和气温之间没有显著的统计学相关性风能，即年降水量和蒸发量。除了天气/气候系统的自然变异和其他控制因素外，Wang等人(2004)还考虑了人类活动raybet雷竞技最新，如破坏自然抗风表面和清除保护性表面

图2。(a) 1951-1980年中国敦煌(40°2’N, 94°7’E)沙尘事件的地面观测(基于水平地面能见度标准);(b) 1979-2000年敦煌附近(39-41°N, 93-95°E)沙尘事件的卫星分析，以光谱反射率(即气溶胶指数)的偏差为锚定;Hsu等人，1996)用于指示柱状大气中的气溶胶丰度;(c) 1954-2000年中国沙尘暴分布的年趋势(95%显著性水平)(Wang et al.， 2004)，利用中国气象局运营的681个关键台站的记录。

在过去50年中国沙尘暴爆发的长期趋势中发挥了最重要的作用。如图2(c)所示，沙尘暴发生频率增加的四个区域，主要是由人类活动造成的区域土地荒漠化造成的。

1.2.源/汇和传输途径

空气中的尘埃颗粒随处可见;落在我们后院的灰尘(汇)可能起源于地球上某个干旱地区(源)，但经过了数千英里(运输)。Sun et al.(2001)通过对174个台站40年(1960-1999年)气象资料的分析，认为中国春季沙尘暴的发生与锋面系统和蒙古气旋低压活动高度相关。在此基础上，将其对冷空气和沙尘暴爆发路径/频率的研究结果汇总在图3中。

从这40年的统计数据来看，中国春季沙尘暴的高峰也出现在4月，是3月或5月的3倍左右。总的来说，春季冷空气爆发的频率，来自西部、北部和西北部，范围从相对可比性(图3，左上图;Sun等，2001)到近两倍到四倍(分别为13.8%，27.8%和58.6%;Gao等人，2006)，这些都导致了沿河西走廊和内蒙古高原的大戈壁沙漠引发沙尘暴。但是，只有冷空气爆发的西线才会经常引起塔克拉玛干沙漠的沙尘暴。从戈壁大沙漠吹起的沙尘颗粒(频率总和> 80%;图3，右上图)通常升高到3km，这有利于

图3。中国沙尘暴爆发源/汇区域和传输途径的统计分析(继Sun等人，2001年之后)，覆盖晴空真彩色合成图像的EOS/MODIS产品。介绍了源附近(左下图，显示中国西部新疆省的沙尘锋经过)和汇聚上方(右上图，显示中国北京故宫上空的沙尘沉降)区域的沙尘气溶胶实例，以及冷空气爆发的路线/频率(蓝色箭头/条)和输送路径的模式/频率(棕色箭头/条)。

区域运输。因此，它们的影响仅限于区域尺度，从近端的黄土高原和北京大都市到朝鲜半岛、日本、台湾和附近的太平洋的下风地区;而主要来自塔克拉玛干沙漠，很少来自大戈壁沙漠的沙尘气溶胶(总数<20%)则经常被夹带到海拔高于5km的高度，并可被盛行西风带输送到很远的距离(如5000 km)急流．

由于边界地形的影响，塔克拉玛干沙漠上空的大气环流极其复杂[见图1(c)]，这导致了风的地形通道。塔克拉玛干的主要移动方向沙丘，沿青藏高原向上移动，风向为偏东或偏东北，这清楚表明存在普遍的低空偏东气流。因此，如果没有一个强大的垂直提升，充满灰尘的大气通风不良，粉尘气溶胶仍然被困在封闭的盆地。最近的激光雷达分析气溶胶垂直分布，如地球科学激光高度计系统(GLAS)上冰,云，以及陆地高度卫星(ICESat)，对解释此类情况非常有用。图4(a)显示了Terra/MODIS红绿蓝合成图像，描绘了塔克拉玛干沙尘暴的爆发。在拍摄这张照片的几天前，从太空中开始可以看到这场沙尘暴。在距离最近的卫星立交桥大约6小时之前，ICESat/GLAS在穿越塔克拉玛干沙漠时捕捉到了这次沙尘事件[图4(b)]，在Terra/MODIS图像上以黑线表示(图4a)。尘埃层位于离地面约3公里的地方，形成一个拱形横跨沙漠,但抬得不够高，逃不出盆外。此外，南部有沙尘层

图4。(a) 2006年3月14日获取的Terra/MODIS红绿蓝合成图像，以及(b)塔克拉玛干沙漠一次沙尘暴532 nm波长的ICESat/GLAS垂直剖面，其相应的地理位置在(a)上以黑线标记。样条线上的符号表示阿尔泰山(圆形和菱形)、天山(方形)和昆仑山(星形)山脉的各个山峰。

图5。2001年4月4日至16日的TOMS气溶胶指数综合图，描绘了亚洲沙尘颗粒穿越太平洋和北美到达大西洋的长距离输送路径。箭头/日期表示观测到的沙尘气溶胶的大小和位置，黄色-绿色-红色以沙尘负荷的密度递增顺序排列。

青藏高原上的部分拱门的厚度足以阻止激光束的完全穿透，损害了柱灰尘负荷的估计和地面水平检测。这也反映了仅利用卫星传感器监测、评估和分析复杂案例(如亚洲沙尘暴爆发)所涉及的困难。

然而，卫星测量提供了显著的结果，发现空气中的尘埃颗粒可以传播非常远的距离，如图5所示，并在其运输路径上引起各种环境影响。在春季，亚洲沙尘颗粒与其他人为和自然气溶胶一起，一旦在源区上空产生，就可以移出边界层进入自由对流层．有时随着西风急流，它们可以穿越太平洋数千英里进入美国、加拿大和其他地方。正如臭名昭著的“2001年完美沙尘暴”所证明的那样，不到一周的时间，这些沙尘就在太平洋上空移动了起来。

观测到这些尘埃气溶胶的一部分在北极消退，一些在德克萨斯州上空高达10公里的高空，另一些在马里兰州的美国宇航局/戈达德太空飞行中心上空徘徊(见2001年4月美国宇航局新闻稿)。

2.结果

产生、运输和消散空气中尘埃颗粒的过程是全球现象——非洲的尘埃经常到达阿尔卑斯山;亚洲沙尘季节性地穿过太平洋进入北美，最终进入大西洋进入欧洲。沙尘暴在地球生态系统中发挥的重要生物地球化学作用之一是，作为铁的来源(例如Meskhidze等人，2005年)的矿物粉尘从沙漠进入海洋，为浮游植物的生长提供养分，而浮游植物是海洋食物链的基础。同样，这些充满灰尘的空气为热带雨林的土壤提供了至关重要的营养物质，热带雨林被称为生命的子宫，地球上50-90%的物种都生活在这里。从历史上看，沙尘暴的爆发主要是自然事件，但最近几十年与全球人类活动有关的地表扰动的增加可能大大改变了空气中粉尘分布的净量。无限制的土地使用(如森林砍伐、过度放牧、城市化)加上长期的干旱可导致土地覆盖大面积退化，进而增加沙尘暴爆发的频率。

世界上60%以上的人口居住在亚洲，仅中国就占世界人口的20%以上(- 13亿)。中国主要依靠农产品地球上大约8-9%的耕地和永久农田都有收获。相比之下，耕地面积相似的美国，人口却只有- 3亿。此外，作为蛋白质的主要来源之一，中国占全球鱼类和海鲜消费量的33%(例如Pauly et al.，

2003年)，而来自湖泊、河流和沿海海洋的国内渔业仅占世界捕鱼量的15%。作为满足这种需求的结果，生产水产养殖淡水鱼的产量大幅增长，但中国的耕地面积却在减少。中国生态系统的平衡尤为微妙;因此，致命的扰动(例如土地覆盖和土地利用的剧烈变化，渔业枯竭)可以打破平衡，并对全球社会产生巨大的影响，因为人口规模非常大。

刘和戴蒙德(2005)综合了现有的数据和记录，详细介绍和讨论了在全球相互依存的背景下，中国不断变化的环境和社会经济挑战。关于自然灾害据统计，从公元300年到1949年，中国西北地区平均每31年遭受一次大沙尘暴。此外，根据中国科学院研究的统计数据，从20世纪50年代到90年代，平均频率增加到每年一次左右。自2000年以来，同一地区沙尘暴的平均次数上升到每年5-6次，其中2006年北京有8次。在干旱的西北地区，过度放牧和过度耕作严重退化了中国广阔的天然草地，尤其是在青海省和内蒙古自治区，这两个地区是沙尘暴的主要来源。Liu和Diamond(2005)进一步得出结论，自20世纪80年代初以来，中国90%的草地已经退化，并以每年-1.5 x 104 km2的速度减少。此外，中国目前的荒漠化状况非常严重。沙漠化总面积约2.6 × 106 km2(占中国国土面积的-27%)，其中1.6 × 106 km2为风蚀沙漠化土地。Studley(1999)估计传播速度年沙漠化面积为- 2460平方公里。中国当局(即新华社)也承认了类似的数字，并出现在2001年5月26日举行的新闻发布会上。

中国沙漠化和表土侵蚀的后果，就沙尘暴爆发而言，已经产生了世界性的影响，并经常出现在各种媒体的春季头条新闻中。一个特别的例子是1993年5月5日沙尘暴对人类生命和财产、农作物和牲畜造成的灾难性损失(Yang, 2001)。空气中的沙尘颗粒影响人类可持续发展的方式是广泛的，可根据社会影响和科学意义大致分类。

2.1.社会影响

随着大量的沙尘从中国的沙漠地区吹起并注入到大气中，这些沙尘暴经常以戏剧性的方式影响日常活动:将沙砾推入门窗，迫使人们呆在室内，引起呼吸问题，降低能见度并延误航班，并在很大程度上造成混乱。基本上，它们的长期后果是:

•降低农作物产量。空气中的尘埃颗粒不仅通过减少到达植物进行光合作用的太阳辐射而降低作物产量(Chameides等人，1999年)，而且还有助于农业疾病的传播，例如主要对亚洲的主食水稻和小麦具有毁灭性的植物病原体细菌和真菌。鉴于可耕种土地有限和不断减少的预测，以及随着人均粮食消费的增加而稳步增长的人口，这绝对是威胁食品安全(Brown, 2002)。

•构成健康风险。沙尘暴对源/汇附近和路径沿线的人的毒性影响是明显的，因为灰尘中含有铝、锌、铁和其他微量金属，会刺激眼睛和呼吸系统。沙尘暴事件发生后2 - 3天，哮喘住院人数的增加(Yang et al.， 2005 5a)和心血管病(Yang et al.， 2005b)具有显著性和统计学意义。此外，空气污染(包括可吸入粉尘气溶胶)对人类健康的这些不利影响被认为是亚太地区支气管炎、脑膜炎甚至过早死亡(例如，Xu等，1998年)增加的原因。根据世界银行2000年年度报告，亚洲主要城市的医疗费用可能高达城市收入的15-18%。•造成经济风险。在其生命周期中-在源区产生，沿路径运输，并在汇区消散-一场平均强度的沙尘暴可能会产生许多直接的经济影响(例如，伤害人员和破坏财产，破坏作物和森林，使牲畜窒息，降低半导体产量)，并以许多间接方式影响经济(例如，增加医疗成本，因引发赤潮而导致渔业枯竭，扰乱运输和通信，缩短水电大坝和河道的功能寿命)。据联合国环境规划署估计，每年的经济损失在65 - 91亿美元之间，大致相当于2001年中国国内生产总值的0.6% -0.9%。

2.2.科学意义

自20世纪70年代初以来，已经成功发射了一系列能够进行全球观测的陆地卫星，因此，在行星尺度上的尘埃科学正在崛起也就不足为奇了。这种势头在20世纪90年代末地球观测系统(EOS)时代的曙光中得到了推动——目前，有16颗活跃的极地轨道卫星(并且还在增加)，从太空中提供了前所未有的沙尘暴大小、规模、分布和运动的视图。卫星在探测和跟踪空气中的沙尘进程方面所提供的独特优势，有助于人们进一步了解人类是如何影响这些风暴的发展和强度的。多卫星观测的协同作用表明，亚洲沙尘暴爆发的强度和频率都有所增加，这与中国西北部发生的人为开发的空间和时间尺度以及随后陆地表面质量的变化是平行的。

从一个大规模的从角度看，尘埃特征的卫星测量为确定尘埃颗粒如何影响提供了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内，通过改变陆地和海洋之间的热对比。当与阳光相互作用时，空气中的尘埃颗粒不仅吸收太阳辐射，还将其反射回太空。一般来说，这将导致充满尘埃的大气层的净变暖和地球表面的净变冷。然而，海洋表面的冷却程度与陆地表面的不同。尘埃粒子如何改变地球的辐射收支取决于它们的颜色、大小、形状和化学成分。此外，从微观尺度来看，空气中的尘埃颗粒可能与大气中的水和气溶胶有非常复杂的相互作用。在某些情况下，包括尘埃颗粒在内的大气气溶胶充当凝结雨滴的核心，最终导致降水过程的增强/加速(例如Shepherd和Burian, 2003)，但在其他情况下，这些气溶胶只是抑制降水(例如Rosenfeld, 2000)。这并不令人惊讶，发现尘埃粒子的相互作用，其中气溶胶的类型由于气象学(水蒸气供应)、动力学(扩散、碰撞和合并)和微物理学(水和冰成核)等关键因素，可能非常复杂(例如Li和Yuan, 2006)。

为了了解沙尘对地球-大气系统的深刻、复杂和深远的影响，吸收空气中沙尘特性的时空变化是至关重要的。考虑到空气中粉尘特性的多样性，需要结合观测和理论方法来更好地理解和量化粉尘的影响。在这样做的过程中，出现了许多问题:

•这些不断增加的空气中的尘埃颗粒，连同人为污染物，是否会通过气溶胶的直接和间接影响(变率和强迫)急剧改变区域云分布和水文循环?

•就浮游生物的初级生产力而言，沙尘暴是否会通过营养沉积模式和程度的影响(反应和后果)对该区域的基本渔业造成严重影响?

•我们如何通过更好地了解沙尘特性及其与区域气象学的相互作用，加强我们发布沙尘暴和对人类健康不利影响的早期预警(预测)的能力?

•我们可以在多大程度上评估增加植被/树木(例如北京郊区的重新造林项目)在防止进一步荒漠化方面的有效性(反馈和预测)?

3.粉尘性质

太阳辐射是驱动地球上天气和气候系统的唯一大规模非绝热热源。raybet雷竞技最新发射地面辐射回到太空使地球保持平衡，使它适合所有形式的生命。气溶胶在改变太阳和地面辐射分布方面起着重要作用(IPCC, 2001)。大气中通常存在四种主要类型的气溶胶——粉尘颗粒、燃烧生物质的烟雾、空气污染物和海盐。光是如何被气溶胶散射、吸收和发射的关键取决于它们的物理和化学性质，包括折射率，种类，混合物，吸湿性，尺寸分布，形状和方向。彻底了解气溶胶的性质及其时空分布，对于理解地球大气如何保持当前的平衡状态以及人类活动如何可能破坏这种平衡是必要的。从协调的地面(时间尺度)和空间(空间尺度)测量中获得的信息将使科学家能够详细研究尘埃颗粒从源到汇以及沿运输路径的特性。

3.1.地面观测和分析

星载遥感观测经常受到地表信号污染的困扰。因此，信号直接来自大气成分、太阳和/或地球-大气相互作用的地面现场和遥感测量为比较提供了额外的信息，可以定量地确认综合地表、飞机和卫星数据集的有用性。在国际全球大气化学计划的支持下，东亚地区最全面的实地活动，气溶胶表征实验-亚洲(ACE-Asia;Huebert et al.， 2003)于2001年春季及以后进行了研究，以研究亚洲的粉尘和污染物气溶胶。在ACE-Asia密集观测期间(IOP)，许多地面观测点、三架飞机、两艘研究船和许多EOS卫星立交桥，在各种环境条件下同时测量了气溶胶的化学、物理、光学和辐射特性。在ACE-Asia IOP之后，一些地面站点(例如韩国的Gosan站点，台湾的Mt. Bamboo站点)继续运行，以便获得原位和柱集成气溶胶特性，以评估其空间和时间变异性。

如图6(a)所示，在沙尘暴爆发的源头地区附近，在位于敦煌的地点部署了NASA SMART(大气辐射传输表面传感测量)-COMMIT(对流层化学、光学和微物理原位测量)设施的一个分支

图6。(a)在尘土飞扬的一天，ACE-Asia活动期间，中国敦煌的早期SMART-COMMIT仪器装置;(b)在建筑物天台新建实验室仪器装置;以及(c)位于台湾鹿林山顶附近km高度的实验室设施的远景。

19:40 UTC

图7。2001年4月28日，一场猛烈的沙尘暴从敦煌遗址上空掠过。全空成像仪在风暴发生前几小时(16:32 UTC)拍摄了一系列近乎晴朗的天空(用于比较)，其他四张图像在风暴经过时快速连续拍摄。在运输过程中，由微脉冲激光雷达(左下面板)测量粉尘特性的垂直分布(例如气溶胶消光剖面)。两张照片对比了风暴过去前(中下，当地时间下午1:30)和一小时后(右下)空气中尘埃颗粒的变化。

塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠之间。SMART-COMMIT(见http://smart-commit．(详见Gsfc.nasa.gov)是一个移动实验室，由许多商用和内部开发的遥控器组成传感仪器，以及各种原位探针，用于测量气溶胶和前驱体的性质和气象参数。同样地，一套类似的仪器，特别是云水化学的额外传感器，被部署在台湾北部的沙尘气溶胶汇区，即海拔约1.1公里的竹山站点，用于ACE-Asia和ADSE(亚洲沙尘暴实验，20012004)。此外，认识到气溶胶远距离传输对环境的重要影响，2006年4月13日建立了庐林大气背景站(实验室)，并开始运行，如图6(b)和6(c)所示。位于台湾中部的山顶附近(约3公里高)，并配备了先进/精密的仪器，从竹山现场，测量从实验室(见http://labs.org.tw)在ACE-Asia和ADSE项目后，正在观测代表自由对流层的关键参数。

在众多的研究课题中，图7首次说明了一场猛烈的风暴如何戏剧性地产生了密集的尘埃毯，并由一套复杂的地面仪器和星载传感器观测到(未显示)。2001年4月28日，一台全空成像仪在下午3点左右捕捉到了这场快速逼近的沙尘暴的整个路径。当地时间正好在ACE-Asia敦煌遗址上空。微脉冲激光雷达记录了沙尘气溶胶的每日垂直分布(图7，左下面板)，通过该雷达可以定量检索气溶胶消光剖面。在尘锋通过后(约5分钟)，密集的尘粒完全阻碍了激光雷达的后向散射信号，随后降雪。图7中还显示了当地时间下午1:30拍摄的沙尘暴逼近的照片(中下)，而另一张照片(右下)显示了风暴过去约1小时后空气中密集的尘埃毯。与棕色的撒哈拉沙尘相比，黄色清楚地表明沙尘颗粒中不同的化学成分(例如铁含量)。根据卫星观测，这场沙尘暴于2001年4月27日开始形成，4月28日加强，4月29-30日东移，5月1日消散。

在运输过程中，空气中的粉尘颗粒可与来自严重污染的城市地区的人为硫酸盐和烟尘气溶胶相互作用。再加上云和天然海洋气溶胶的复杂影响，到达下风和下沉区域的尘埃颗粒可能与来自源头的尘埃颗粒具有截然不同的性质。在ACE-Asia中，空气中尘埃颗粒的显微照片清楚地揭示了它们在运输过程中成分的变化。敦煌遗址(源区)采样的粉尘颗粒主要含有硅酸盐，另外还存在粘土矿物、碳酸盐、长石和石膏，而随着时间的推移，它们会变得更脏。J. Anderson(亚利桑那州立大学)对灰尘显微照片的飞机观测显示，许多不同形式的煤烟球和非煤烟碳质颗粒与矿物粉尘颗粒聚集在一起。

当这些尘埃颗粒被顺风运送到与锋面活动有关的汇区时，涉及与云、生物质燃烧气溶胶和当地污染物相互作用的干/湿清除过程进一步使大气组成和对流层化学更加复杂。在ADSE期间(如Lin and Peng, 1999)，每小时从海拔约1.1 km的竹山站点收集云水，云水经常浸在液体中水的云由于锋面通道或地形抬升。考虑到竹山遗址的位置和海拔高度以及当时的情况东北季候风逆风的风、云水样本不应被台北排放的大城市污染物污染。随后，对收集的云水进行测量，以获得其酸度(pH值)和电导率，并使用离子色谱法分析Cl-、NO-、SO^-、NH+、Na+、K+、Mg2+和Ca2+的离子浓度(例如Lin et al.， 1999)，以确定云水的化学成分。

图8显示了通过彩色云水(异常的棕色到黑色)与自然云的正常透明颜色相比，对灰尘和其他人为气溶胶影响云化学的评估。此外，一个样品的pH值

图8。2002年3月22日至23日，台湾竹山地区的一次沙尘暴导致云水化学变化。(a)云水收集器;(b)受污染云水线近景;(c)每小时收集的云水;(d)电导率和pH值测量;以及(e)显示颜色外观和pH值变化(灰色到黑色数字)的每小时滤纸(白色为日期/当地时间)。

高达7.89，通常是由钙离子(Ca2+)碱化的，钙离子是灰尘颗粒的主要成分。竹山遗址云水pH值总体为3.0 ~ 4.5。该样品的电导率高达962±(-1cm-1)，比台北收集的雨水电导率高10倍，说明污染严重。云水的时间序列滤纸[图8(e)]清楚地描绘了不同程度的气溶胶污染:盛行的东北偏北风携带着以灰尘为主的气溶胶(pH值6)，但突然转变(当地时间3月23日21-22)到南西南的风来自东南亚和当地的生物燃烧和特大城市气溶胶(pH值< ~ 5)。从本质上讲，棕色和黑色分别代表灰尘和燃烧生物质的气溶胶。前者使云水趋于碱化，其酸度较低，co2平衡pH值为5.6。然而，生物质燃烧和超大城市气溶胶通常由黑色和有机碳以及相关的酸性物质(如SO=)组成，导致云水的酸性增加。

根据卫星观测和5天的反向轨迹分析，这次沙尘暴于2002年3月18日在内蒙古爆发，3月19日至20日向东移动，并于3月21日至22日覆盖整个朝鲜半岛(PMio的最高测量浓度超过3000 ^ mg -3，因此达到仪器检测极限)。这次沙尘流出与锋面通道有关，于3月22日傍晚抵达台湾北部，并持续至3月24日中午。同时，自3月19日以来，东南亚也观察到广泛的生物质燃烧活动。在此期间，NASA/MPLNET的ADSE微脉冲激光雷达检测到两层强烈的后向散射信号(即低层空气中的尘埃颗粒从东北偏北平流，高层^2-3公里，生物质燃烧气溶胶从西南偏南)。然而，锋面系统在灰尘/生物质燃烧气溶胶与云的混合中发挥了重要作用。气溶胶、云和大气成分之间的复杂相互作用是ACE-Asia大气成分和对流层化学研究的一个重要课题。

辐射强迫是一个具有浓厚科学兴趣的领域，因为它是理解驱动天气和气候系统的扰动的一个关键参数。raybet雷竞技最新为了量化地表-大气系统的能量学，需要用通量辐射计对宽频短波(0.3 ~ 2.8±)和长波(4.050±)辐照度进行精确的表面测量。通过结合来自大气层顶部卫星的辐照度测量和来自具有气溶胶光学厚度的地面辐射计的辐照度测量，可以确定大面积表面-大气系统的辐射预算(例如Hansell等人，2003年)。然而，由于通量辐射计中滤光罩和探测器之间的温度梯度，必须对表面测量进行修正，以考虑热罩效应(例如Ji和Tsay, 2000年)，根据大气的状态和条件，热罩效应的幅度可能在5至20瓦m-2之间。Hsu等人(2000)应用地面/卫星多传感器方法的协同作用，证明撒哈拉沙尘的存在导致海洋的净冷却和陆地的净变暖。然而，当人们将这种方法扩展到研究亚洲沙尘的辐射强迫时，在筛选云层污染时应该小心，这通常与多云、潮湿的天气锋面有关。另一方面，通过辐射传感器获取可见光、短波-红外光谱或窄带测量数据，longwave-infrared、表面微波区域和激光雷达后向散射强度，可以提取大气气溶胶及其成分的准确信息，如气溶胶光学厚度及其垂直廓线、柱状尺寸分布、柱状水汽/液量、臭氧丰度等。这些反演参数可用于辐射模式正演计算中初始化大气气溶胶廓线，并用于评价数值模拟研究结果。

3.2.卫星监测与检索

在所有需要从空间监测和检索的大气特性中，对流层气溶胶尤其重要，因为它们的寿命相对较短，时间和空间变化很大。大气气溶胶在光谱(A)、空间(x, y, z)、角度(0,4*)和时间(t)域中影响太阳和地面辐射转移的各个方面;反过来，运行卫星使用这四个方面中的一个或多个来监测、评估和检索气溶胶的性质和影响。

卫星对气溶胶观测的最长记录可以追溯到1978年底的TOMS，并继续到Aura/OMI(臭氧监测仪)，在气溶胶指数的背景下，通过反演光谱测量。TOMS气溶胶指数(Hsu et al.， 1996)是由一对紫外线光谱确定的，它们对臭氧吸收的响应微不足道，但对Ray-leigh散射有很强的响应(例如340、360和380 nm)。由于云和地表的光谱反射率不同，在紫外波段的反射率较弱，因此TOMS气溶胶指数可以明确地用于区分气溶胶和云层，并探测干旱和半干旱地表的吸收性气溶胶。与使用红外光谱的热对比法不同，TOMS对矿物气溶胶的检测不受水汽吸收和表面温度变化的影响。如图5所示，TOMS气溶胶指数可用于监测沙尘颗粒从源区上升后的沙尘暴演变。此外，利用气溶胶指数的频率统计，可以获得归因于多种类型气溶胶的源信息，如空气中的粉尘颗粒、生物质燃烧烟雾和空气污染。然而，由于气溶胶指数代表了大气分子如何干预粒子吸收的一种度量，而分子的浓度很大程度上取决于大气压力(例如Penndorf, 1957)，因此得到的信号对大气中粒子的高度相当敏感。因此，在现阶段，气溶胶指数被认为是一个极有价值的定性产品。

尽管TOMS气溶胶指数提供了大量关于吸收气溶胶的信息，但每天一次的观测限制了其及时应用，例如发布沙尘暴爆发的近乎实时警告。Liu和Lin(2004)利用地球同步卫星的光谱和时间方面，基于日本气象厅的GMS-5 S-VISSR(拉伸可见和红外自旋扫描辐射计)的测量数据，成功地开发了一种用于亚洲沙尘暴探测和监测的自动操作系统。GMS-5 S-VISSR观测的广谱通道(可见- 0.73±;水蒸气- 6.75℃;红外裂窗- 11-12±)和高时间分辨率(每小时)。

图9(a)描述了可见光和红外通道的GMS-5 S-VISSR数字计数的散点图，这些散点图清楚地识别了不同的大气和环境方面，例如灰尘、云、陆地和海洋表面。地球同步卫星空间覆盖范围广，时间分辨率高，可在沙尘暴发生前建立无尘背景数据。因此，可以通过观测数据与背景数据的差异来确定沙尘暴的源区和受沙尘影响的地区。然而,类似的

图9。2001年4月7日02:40Z时的GMS-5 S-VISSR测量:(a)可见和红外通道之间数字计数的散点图(注意，计数越高，可见场景越亮，红外场景越冷)和(b)沙尘指数灰度表示的沙尘暴探测，其中浅灰色表示无尘区域，白色表示多云区域，而灰度的递增表示大气粉尘负荷的丰度。

反照率值在尘埃颗粒和多云区域之间，特别是在低云层覆盖区域周围，可能会导致重大的错误探测。为了克服这个困难，分割窗口技术(亮度温度采用11-12±)的差异来提供水汽信息，因为灰尘和多云场景的主要差异是水汽含量。图9(b)给出了一个探测和监测沙尘暴形成并划定受沙尘暴影响区域的例子。这些结果清楚地证明了利用GMS-5的两个红外通道来减轻尘云邻近区域的误检的优越性。

为了帮助决策者做出准确和及时的决策，该自动探测/监测系统易于嵌入GMS-5卫星接收系统，以加快提供有关沙尘暴爆发、演变和受影响地区的信息。但仍有两点需要注意:S-VISSR可见通道的低动态范围使得区分灰尘污染云和干净云的灵敏度很小，而且可见通道的使用妨碍了其夜间应用。

气溶胶光学厚度(0 < AOT < ro)是描述气溶胶与光谱光相互作用结果的最定量和最基本的性质，是气溶胶载荷的光学度量。图10(a)所示，从1983年以来，最早的可靠的太空AOT反演一直使用NOAA/AVHRR(高级甚高分辨率辐射计)的两次光谱辐射测量，但仅在全球海洋上可用(Geogdzhayev et al, 2002)。由于光谱通道有限，从AVHRR中检索到的另一个参数是埃指数(a)，它表明了主要气溶胶的大小组——a越大，大小越小(例如，对于分子，a = 4;A &±0，为粉尘颗粒)。从20世纪90年代末的EOS时代开始，利用具有广泛空间覆盖和多光谱通道的先进卫星传感器进行测量，以及创新的分析算法，为检索气溶胶特性开辟了新的领域。一个很好的例子就是搭载的MODIS传感器

图10。(a)使用NOAA/AVHRR测量在全球海洋上反演的0.55 ×波长的气溶胶光学厚度月平均值(Geogdzhayev等人，2002年);(b)与(a)相同，但使用EOS/MODIS测量在全球植被土地和开放海洋上检索(没有在明亮反射表面上检索，在陆地上用黑色表示)。

NASA/EOS Terra和Aqua卫星，它们每天都成功地进行近全球测量，允许检索陆地和海洋的光谱AOT和气溶胶大小参数(例如Remer等人，2005年)。图10(b)描述了当前MODIS AOT产品在全球植被和公海上的一个情况。

从先进传感器获得的新信息现在使科学家能够更好地了解矿物粉尘的光学和微观物理性质，这有助于改进沙尘暴暴发的测绘和预测。特别是，不同卫星传感器在不同时间经过头顶所做的测量，有助于研究尘埃羽状物随时间的产生和演变。然而，如图10(b)所示，由于地表发射率和/或反射率存在很大的不确定性，以及传统反演算法所要求的气溶胶和水蒸气垂直廓线的不确定性，沙尘暴频繁发生的主要沙漠地区附近的气溶胶特性仍在很大程度上缺失。尽管Terra/MISR(多角度成像光谱仪-直径计)利用光谱和角度方面克服了在明亮反射表面上检索气溶胶特性的困难(Diner et al.， 2005)，但其相对狭窄的空间覆盖范围显著影响了源区附近空气粉尘特性的统计结果(Hsu et al.， 2006)。

自卫星遥感应用以来，在明亮反射表面(如沙漠地区附近的空气尘埃颗粒)上进行气溶胶反演一直是一个具有挑战性的问题。基本上，卫星传感器接收到的辐亮度(或表观辐亮度)包括场景直接散射/发射的辐亮度和路径辐亮度，路径辐亮度表示大气和表面直接和/或扩散散射/发射辐亮度的贡献。在太阳光谱波长上，大气中气溶胶的存在实际上会使黑暗表面上的场景变亮，而在明亮反射表面上的场景变暗。新开发的深蓝算法(Hsu et al.， 2004)用于在明亮反射表面上检索气溶胶的原理利用了这种表面在蓝色光谱上的较暗属性，如图11所示。这是“深蓝”首次利用来自过去、现在和未来MODIS类传感器(如GLI、seaifs、MODIS、VIIRS)的最佳光谱波长进行检索，可以提供全面的气溶胶特性，使科学家能够定量跟踪尘埃和精细模式人为气溶胶从源到集区域的演变

图11。(a)在上空获得的最低点光谱反射率撒哈拉沙漠（大气顶部-细线;(b)气溶胶效率指数，表示在瑞利(无气溶胶)大气和含有气溶胶的瑞利大气中，表观光谱反射率的百分比变化(数值越高，光谱对气溶胶存在的检测越敏感)。两种粉尘模型(D2为常规粉尘气溶胶，D1为极吸收粉尘气溶胶)和两种实用卫星观测几何形状(0o为标称，60o为分支)用于处理粉尘效应的敏感范围。用于气溶胶检索的最佳和当前可用的深蓝通道表示为垂直条(例如412、470和670 nm)。

图11。(a)撒哈拉沙漠上空获得的最低点光谱反射率(大气顶部-细线;(b)气溶胶效率指数，表示在瑞利(无气溶胶)大气和含有气溶胶的瑞利大气中，表观光谱反射率的百分比变化(数值越高，光谱对气溶胶存在的检测越敏感)。两种粉尘模型(D2为常规粉尘气溶胶，D1为极吸收粉尘气溶胶)和两种实用卫星观测几何形状(0o为标称，60o为分支)用于处理粉尘效应的敏感范围。用于气溶胶检索的最佳和当前可用的深蓝通道表示为垂直条(例如412、470和670 nm)。

对气溶胶羽流高度不确定性的中度敏感性(Hsu等人，2006)。

图12(c)给出了2001年4月6日MODIS深蓝AOT的一个例子，它清楚地显示了蒙古、塔克拉玛干沙漠和内蒙古上空出现的广泛的沙尘羽。相应的Terra/MODIS红绿蓝图像(上午10:30天桥)和当前MODIS运行的AOT产品

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