近年來(lái)我國(guó)沙塵暴研究的新進(jìn)展
摘 要：在2000年春季,沙塵暴的發(fā)生出現(xiàn)了自20世紀(jì)90年代以來(lái)的又一次高峰,立即引起了政府和民眾更加深入的關(guān)注,由此也帶來(lái)了沙塵暴研究的一個(gè)新的高潮,迅速涌現(xiàn)出一批重要的沙塵暴研究成果。與以往有所不同的是,這些研究所涉及的領(lǐng)域更加廣泛,幾乎涵蓋了地球科學(xué)所有領(lǐng)域以及社會(huì)、人文、經(jīng)濟(jì)等學(xué)科,探測(cè)手段更加先進(jìn),分析資料更加翔實(shí),對(duì)事實(shí)的揭露更為客觀和準(zhǔn)確。
關(guān)鍵字：沙塵暴 監(jiān)測(cè)
近年來(lái),隨著觀測(cè)手段和分析方法的進(jìn)步,我國(guó)沙塵暴研究取得了重大進(jìn)展。同時(shí)值得注意的是,在2000年春季,沙塵暴的發(fā)生出現(xiàn)了自20世紀(jì)90年代以來(lái)的又一次高峰,立即引起了政府和民眾更加深入的關(guān)注,由此也帶來(lái)了沙塵暴研究的一個(gè)新的高潮,迅速涌現(xiàn)出一批重要的沙塵暴研究成果。與以往有所不同的是,這些研究所涉及的領(lǐng)域更加廣泛,幾乎涵蓋了地球科學(xué)所有領(lǐng)域以及社會(huì)、人文、經(jīng)濟(jì)等學(xué)科,探測(cè)手段更加先進(jìn),分析資料更加翔實(shí),對(duì)事實(shí)的揭露更為客觀和準(zhǔn)確。在如此豐富的沙塵暴研究信息中,提煉出近幾年沙塵暴研究的特點(diǎn)和最新進(jìn)展,分析出各方面最具代表性的研究動(dòng)態(tài),對(duì)于相關(guān)學(xué)者開(kāi)展沙塵暴研究以及對(duì)沙塵暴研究水平提高都是十分有益的。
1我國(guó)沙塵災(zāi)害研究進(jìn)程
相對(duì)于洪澇、地震、干旱和火災(zāi)等其他自然災(zāi)害,沙塵災(zāi)害研究歷史還比較短暫。我國(guó)近代沙塵暴研究首先在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái),主要從第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)的角度研究黃土與粉塵沉積[2]。20世紀(jì)50年代,沙塵天氣開(kāi)始納入我國(guó)氣象常規(guī)觀測(cè)中必須監(jiān)測(cè)的天氣現(xiàn)象。而沙塵災(zāi)害的研究則始于20世紀(jì)70年代末,進(jìn)展速度一直較慢。自1993年5月5日西北地區(qū)特強(qiáng)沙塵暴天氣發(fā)生后,沙塵天氣及其災(zāi)害研究才受到關(guān)注,1993年9月在蘭州召開(kāi)了“首屆全國(guó)沙塵暴天氣研討會(huì)”。國(guó)家科委將沙塵暴研究正式列入“八五”攻關(guān)項(xiàng)目,設(shè)立“西北地區(qū)沙塵暴研究”項(xiàng)目。我國(guó)氣象部門(mén)1993年開(kāi)始研究使用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵暴,并初步掌握了沙塵暴的監(jiān)測(cè)方法。1994年以來(lái),國(guó)家自然科學(xué)基金委又先后資助了幾項(xiàng)與沙塵暴有關(guān)的研究項(xiàng)目,科技部和部分省市的有關(guān)科技管理部門(mén)也相繼立項(xiàng)支持對(duì)沙塵暴災(zāi)害的研究。沙塵暴研究的第一本專(zhuān)輯《中國(guó)沙塵暴研究》于1997年1月正式出版。這一時(shí)期的沙塵災(zāi)害研究主要集中在對(duì)西北地區(qū)強(qiáng)沙塵暴的研究方面,且主要進(jìn)行沙塵暴成因分析、沙塵暴監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法研究、沙塵暴天氣預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等研究,以定性和半定量研究為主。
隨著20世紀(jì)90年代末我國(guó)北方地區(qū)大范圍沙塵天氣頻繁出現(xiàn),沙塵災(zāi)害研究進(jìn)入了新時(shí)期,國(guó)際合作項(xiàng)目不斷增加,2000年朱钅容基總理訪日期間,中科院與日本科技廳簽署“風(fēng)送沙塵的形成、輸送機(jī)制及其氣候與環(huán)境影響的研究”政府級(jí)合作項(xiàng)目,主要從氣象學(xué)方面研究沙塵的形成和傳輸過(guò)程,并將分別在策勒、阿克蘇、敦煌、沙坡頭、西安、青島和北京建立環(huán)境監(jiān)測(cè)站。開(kāi)始進(jìn)行沙塵長(zhǎng)距離輸送機(jī)制、沙塵對(duì)全球氣候系統(tǒng)的影響等相關(guān)研究。由中國(guó)氣象局組織建立的國(guó)家級(jí)沙塵暴監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)于2001年3月1日投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行,中央氣象臺(tái)把沙塵暴預(yù)報(bào)納入日常天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)范圍,發(fā)布沙塵暴預(yù)報(bào)與強(qiáng)沙塵暴警報(bào),對(duì)2002年3月20日的強(qiáng)沙塵暴提前發(fā)出警報(bào)。中國(guó)氣象局從2002年2月開(kāi)始啟動(dòng)國(guó)家沙塵暴監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)首期工程,在新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西、北京等地各氣象站布設(shè)儀器設(shè)備,組建一個(gè)自動(dòng)化程度較高的沙塵暴天氣綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng),增加對(duì)沙塵天氣的特種觀測(cè)項(xiàng)目和觀測(cè)密度,在第一時(shí)間獲得沙塵暴形成、移動(dòng)、分布以及有關(guān)環(huán)境變化的數(shù)據(jù),提高沙塵暴天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。國(guó)家林業(yè)局荒漠化監(jiān)測(cè)中心負(fù)責(zé)的“沙塵暴衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)與災(zāi)情評(píng)估系統(tǒng)”于1998年開(kāi)始研建,2001年試運(yùn)行,2002年開(kāi)始對(duì)外公布我國(guó)沙塵暴災(zāi)情評(píng)估報(bào)告,并首次報(bào)告了2002年3月15～17日、20～21日兩次沙塵天氣過(guò)程中的地面損失情況和沙塵出現(xiàn)的時(shí)間、移動(dòng)路徑等內(nèi)容。沙塵天氣多發(fā)的西北五省氣象部門(mén)將聯(lián)合建立“沙塵暴聯(lián)報(bào)聯(lián)防”系統(tǒng),加強(qiáng)西北地區(qū)對(duì)沙塵暴災(zāi)害的整體預(yù)防和治理工作。甘肅省氣象局設(shè)計(jì)并創(chuàng)建的“中國(guó)沙塵暴專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站”已正式開(kāi)通, 由沙塵暴專(zhuān)業(yè)信息庫(kù)、產(chǎn)品庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、新聞庫(kù)和實(shí)況聚焦庫(kù)5個(gè)模塊構(gòu)成。這些地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建立,為沙塵災(zāi)害的深入研究奠定了基礎(chǔ),對(duì)揭示沙塵災(zāi)害的內(nèi)在機(jī)理及其產(chǎn)生、發(fā)展、消亡的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,沙塵災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境的相互關(guān)系研究具有重要作用。自20世紀(jì)90年代以來(lái)沙塵暴及沙塵災(zāi)害研究在我國(guó)廣泛開(kāi)展起來(lái)。
2沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀
目前,沙塵災(zāi)害研究手段主要有遙感監(jiān)測(cè)和地面定點(diǎn)觀測(cè)。遙感監(jiān)測(cè)多指對(duì)沙塵災(zāi)害的空間分布范圍、影響區(qū)進(jìn)行識(shí)別、定位;對(duì)沙塵運(yùn)移路徑和運(yùn)移規(guī)律的變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);沙塵信息的遙感定量提取;沙塵災(zāi)害產(chǎn)生的大氣及下墊面等背景狀況監(jiān)測(cè);沙塵災(zāi)害動(dòng)態(tài)模擬等研究。地面定點(diǎn)監(jiān)測(cè)分為集中觀測(cè)和長(zhǎng)期觀測(cè)。沙塵災(zāi)害發(fā)生時(shí)的集中觀測(cè)主要包括沙塵光學(xué)厚度測(cè)定、自動(dòng)氣象站氣象要素記錄、沙塵源地土壤狀況分析、激光雷達(dá)沙塵垂直分層觀測(cè)、沿氣流方向沙塵通量觀測(cè)、垂直方向沙塵通量觀測(cè)、能見(jiàn)度觀測(cè)(肉眼、能見(jiàn)度計(jì))、多普勒聲探測(cè)器、沙塵粒子理化特征采樣分析等。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)則包括自動(dòng)氣象站氣象要素觀測(cè)、大氣氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測(cè)、天空輻射計(jì)輻射觀測(cè)記錄、沙塵通量估算、能見(jiàn)度觀測(cè)、歷史氣候資料的整理分析、土壤觀測(cè)研究、沙塵暴歷史數(shù)據(jù)庫(kù)建立等。
集中觀測(cè)可獲得第一時(shí)間內(nèi)的實(shí)測(cè)資料,長(zhǎng)期觀測(cè)可積累大量的環(huán)境背景數(shù)據(jù),對(duì)沙塵災(zāi)害研究均十分重要,但觀測(cè)研究也具有局限性,表現(xiàn)為:1)需要特定的觀測(cè)儀器才能實(shí)現(xiàn);2)受沙塵發(fā)生時(shí)惡劣的環(huán)境條件、發(fā)生時(shí)間不確定和歷時(shí)較短等因素的制約;3)有限站點(diǎn)觀測(cè)不能保證研究所需的時(shí)間頻率和空間覆蓋率。
遙感監(jiān)測(cè)彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足,可進(jìn)行以下研究:(1)反演沙塵災(zāi)害產(chǎn)生區(qū);(2)沙塵擴(kuò)展區(qū)和大氣擾動(dòng)的關(guān)系;(3)沙塵傳輸過(guò)程中的擴(kuò)散;(4)沙塵在可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外波段的輻射特性;(5)沙塵氣溶膠光學(xué)厚度的反演;(6)不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的相互校正和？钡。
3沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)研究發(fā)展趨勢(shì)
3.1 多平臺(tái)遙感數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用
根據(jù)對(duì)沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)研究的進(jìn)展分析,目前研究所用資料仍以GMS、NOAA、FY、SeaWiFs等衛(wèi)星資料為主,這些衛(wèi)星主要是針對(duì)地球大氣研究所發(fā)射的,具有較高的時(shí)間分辨率,但空間分辨率和光譜分辨率則較低,適合作大尺度宏觀研究。
隨著一系列對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃的實(shí)施,新型遙感數(shù)據(jù)不斷出現(xiàn),綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵災(zāi)害監(jiān)測(cè)成為新的發(fā)展方向,以美國(guó)EOS系列中第一顆衛(wèi)星Terra所載中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)的應(yīng)用為標(biāo)志。EOS-MODIS先進(jìn)的儀器系統(tǒng)是世界上首次進(jìn)行星載飛行的儀器,具有較寬的光譜范圍和空間覆蓋以及隨時(shí)間變化的資料連續(xù)覆蓋,更適合于對(duì)地球上大氣、海洋和陸地進(jìn)行表面特性、云、輻射、氣溶膠、輻射平衡等信息的綜合研究。對(duì)于沙塵暴研究向縱深方向發(fā)展具有重要意義。
3.2多學(xué)科交叉滲透,使沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)研究的深度和廣度進(jìn)一步強(qiáng)化
沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)研究中新理論、新方法、新技術(shù)不斷產(chǎn)生,可以從不同立足點(diǎn)對(duì)沙塵災(zāi)害進(jìn)行研究,使沙塵災(zāi)害研究的理論更加深化。沙塵災(zāi)害的源地在地表,但其影響之一卻是將地面塵源物質(zhì)輸入大氣,短時(shí)間內(nèi)改變大氣特性,從而降低環(huán)境質(zhì)量,所以沙塵災(zāi)害的研究應(yīng)進(jìn)行地表和大氣綜合研究。大氣科學(xué)界所發(fā)展的氣溶膠理論有利于大氣混濁度等的綜合研究,但目前較多的研究以<10μm的粒子尺度作為研究對(duì)象,即核模態(tài)和積聚模態(tài),而對(duì)于>10μm的粗模態(tài)研究很少,并且多以全球尺度的氣溶膠輻射強(qiáng)迫為重點(diǎn)。粒徑較大的沙塵氣溶膠由于沉降速度快,在大氣中的存在時(shí)間短,且發(fā)生的空間范圍有限,所以國(guó)內(nèi)外的研究均很少。但沙塵氣溶膠的監(jiān)測(cè)研究對(duì)沙塵強(qiáng)度等定量分析具有重要意義。
大氣能見(jiàn)度在一定意義上可表征大氣中質(zhì)粒污染的特征,也是目前沙塵暴定義及其強(qiáng)度等級(jí)劃分的主要指標(biāo)。由于沙塵氣溶膠粒子的消光作用,使地面能見(jiàn)度降低,大氣渾濁度增加,因此氣溶膠光學(xué)厚度(大氣渾濁度)與地面能見(jiàn)度相關(guān),可通過(guò)地面能見(jiàn)度等參數(shù)反演氣溶膠光學(xué)厚度,并與遙感方法反演的氣溶膠光學(xué)厚度之間相互對(duì)比和驗(yàn)證。
氣溶膠研究和能見(jiàn)度理論研究目前主要集中在大氣科學(xué)領(lǐng)域,將這兩方面的研究成果結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于沙塵災(zāi)害信息提取,是沙塵災(zāi)害研究定量化的方向之一。遙感技術(shù)、大氣輻射傳輸理論、地面能見(jiàn)度理論相結(jié)合,探討沙塵信息遙感定量化提取方法,可以從深層次上揭示沙塵災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展、消亡的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理,推動(dòng)遙感技術(shù)、大氣輻射傳輸和能見(jiàn)度理論的綜合應(yīng)用研究,促進(jìn)多學(xué)科的交叉和滲透研究。
3.3地基遙感和衛(wèi)星遙感綜合研究
地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取是進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析不可或缺的過(guò)程,地面調(diào)查信息主要包括:(1)用光譜儀測(cè)量地表具有穩(wěn)定反射值的地物光譜反射率,如沙化土地、沙漠;(2)湖面和海面的光譜反射值;(3)太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量太陽(yáng)光譜輻射;(4)袖珍熱紅外輻射計(jì)測(cè)量表面溫度;(5)便攜式紅外輻射計(jì)測(cè)量天空溫度;(6)近地面溫度和濕度;(7)景觀全景照片等。因此,進(jìn)行沙塵災(zāi)害研究應(yīng)重視地面實(shí)驗(yàn)遙感的研究。
隨著遙感基礎(chǔ)研究的不斷發(fā)展,對(duì)沙塵的光譜特征有了深入認(rèn)識(shí)。通過(guò)地面沙化土地光譜特征的測(cè)量,對(duì)沙塵災(zāi)害的遙感監(jiān)測(cè)研究開(kāi)始由定性和半定量研究向沙塵屬性特征參數(shù)的定量提取發(fā)展。地基遙感不僅使衛(wèi)星遙感理論和數(shù)據(jù)反演方法進(jìn)一步深化、遙感圖像處理技術(shù)更加完善,也極大地?cái)U(kuò)展了衛(wèi)星資料的應(yīng)用領(lǐng)域,在沙塵預(yù)報(bào)、沙塵監(jiān)測(cè)及沙塵成因研究方面,發(fā)揮著重要的作用。
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