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,由此也帶來了沙塵暴研究的一個新的高潮,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、人文、經(jīng)濟(jì)等學(xué)科,探測手段更加先進(jìn),分析資料更加翔實(shí),對事實(shí)的揭露更為客觀和準(zhǔn)確。

關(guān)鍵字：沙塵暴 監(jiān)測

近年來,隨著觀測手段和分析方法的進(jìn)步,我國沙塵暴研究取得了重大進(jìn)展。同時值得注意的是,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,由此也帶來了沙塵暴研究的一個新的高潮,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、人文、經(jīng)濟(jì)等學(xué)科,探測手段更加先進(jìn),分析資料更加翔實(shí),對事實(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態(tài),對于相關(guān)學(xué)者開展沙塵暴研究以及對沙塵暴研究水平提高都是十分有益的。

1我國沙塵災(zāi)害研究進(jìn)程

相對于洪澇、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。我國近代沙塵暴研究首先在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域開展起來,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,沙塵天氣開始納入我國氣象常規(guī)觀測中必須監(jiān)測的天氣現(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月在蘭州召開了“首屆全國沙塵暴天氣研討會”。國家科委將沙塵暴研究正式列入“八五”攻關(guān)項目,設(shè)立“西北地區(qū)沙塵暴研究”項目。我國氣象部門1993年開始研究使用氣象衛(wèi)星監(jiān)測沙塵暴,并初步掌握了沙塵暴的監(jiān)測方法。1994年以來,國家自然科學(xué)基金委又先后資助了幾項與沙塵暴有關(guān)的研究項目,科技部和部分省市的有關(guān)科技管理部門也相繼立項支持對沙塵暴災(zāi)害的研究。沙塵暴研究的第一本專輯《中國沙塵暴研究》于1997年1月正式出版。這一時期的沙塵災(zāi)害研究主要集中在對西北地區(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)測預(yù)報方法研究、沙塵暴天氣預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計等研究,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)入了新時期,國際合作項目不斷增加,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”政府級合作項目,主要從氣象學(xué)方面研究沙塵的形成和傳輸過程,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)測站。開始進(jìn)行沙塵長距離輸送機(jī)制、沙塵對全球氣候系統(tǒng)的影響等相關(guān)研究。由中國氣象局組織建立的國家級沙塵暴監(jiān)測預(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,中央氣象臺把沙塵暴預(yù)報納入日常天氣預(yù)報業(yè)務(wù)范圍,發(fā)布沙塵暴預(yù)報與強(qiáng)沙塵暴警報,對2002年3月20日的強(qiáng)沙塵暴提前發(fā)出警報。中國氣象局從2002年2月開始啟動國家沙塵暴監(jiān)測預(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,組建一個自動化程度較高的沙塵暴天氣綜合監(jiān)測網(wǎng),增加對沙塵天氣的特種觀測項目和觀測密度,在第一時間獲得沙塵暴形成、移動、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)報的準(zhǔn)確性和時效性。國家林業(yè)局荒漠化監(jiān)測中心負(fù)責(zé)的“沙塵暴衛(wèi)星遙感監(jiān)測與災(zāi)情評估系統(tǒng)”于1998年開始研建,2001年試運(yùn)行,2002年開始對外公布我國沙塵暴災(zāi)情評估報告,并首次報告了2002年3月15～17日、20～21日兩次沙塵天氣過程中的地面損失情況和沙塵出現(xiàn)的時間、移動路徑等內(nèi)容。沙塵天氣多發(fā)的西北五省氣象部門將聯(lián)合建立“沙塵暴聯(lián)報聯(lián)防”系統(tǒng),加強(qiáng)西北地區(qū)對沙塵暴災(zāi)害的整體預(yù)防和治理工作。甘肅省氣象局設(shè)計并創(chuàng)建的“中國沙塵暴專業(yè)網(wǎng)站”已正式開通, 由沙塵暴專業(yè)信息庫、產(chǎn)品庫、知識庫、新聞庫和實(shí)況聚焦庫5個模塊構(gòu)成。這些地面監(jiān)測站網(wǎng)的建立,為沙塵災(zāi)害的深入研究奠定了基礎(chǔ),對揭示沙塵災(zāi)害的內(nèi)在機(jī)理及其產(chǎn)生、發(fā)展、消亡的動態(tài)變化過程,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年代以來沙塵暴及沙塵災(zāi)害研究在我國廣泛開展起來。

2沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測研究現(xiàn)狀

目前,沙塵災(zāi)害研究手段主要有遙感監(jiān)測和地面定點(diǎn)觀測。遙感監(jiān)測多指對沙塵災(zāi)害的空間分布范圍、影響區(qū)進(jìn)行識別、定位;對沙塵運(yùn)移路徑和運(yùn)移規(guī)律的變化過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測;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;沙塵災(zāi)害動態(tài)模擬等研究。地面定點(diǎn)監(jiān)測分為集中觀測和長期觀測。沙塵災(zāi)害發(fā)生時的集中觀測主要包括沙塵光學(xué)厚度測定、自動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、沿氣流方向沙塵通量觀測、垂直方向沙塵通量觀測、能見度觀測(肉眼、能見度計)、多普勒聲探測器、沙塵粒子理化特征采樣分析等。長期監(jiān)測則包括自動氣象站氣象要素觀測、大氣氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測、天空輻射計輻射觀測記錄、沙塵通量估算、能見度觀測、歷史氣候資料的整理分析、土壤觀測研究、沙塵暴歷史數(shù)據(jù)庫建立等。

集中觀測可獲得第一時間內(nèi)的實(shí)測資料,長期觀測可積累大量的環(huán)境背景數(shù)據(jù),對沙塵災(zāi)害研究均十分重要,但觀測研究也具有局限性,表現(xiàn)為:1)需要特定的觀測儀器才能實(shí)現(xiàn);2)受沙塵發(fā)生時惡劣的環(huán)境條件、發(fā)生時間不確定和歷時較短等因素的制約;3)有限站點(diǎn)觀測不能保證研究所需的時間頻率和空間覆蓋率。

遙感監(jiān)測彌補(bǔ)了地面觀測的不足,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)和大氣擾動的關(guān)系;(3)沙塵傳輸過程中的擴(kuò)散;(4)沙塵在可見光、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)測研究發(fā)展趨勢

3.1　多平臺遙感數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用

根據(jù)對沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測研究的進(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)星主要是針對地球大氣研究所發(fā)射的,具有較高的時間分辨率,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。

隨著一系列對地觀測計劃的實(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)測成為新的發(fā)展方向,以美國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間變化的資料連續(xù)覆蓋,更適合于對地球上大氣、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象,即核模態(tài)和積聚模態(tài),而對于>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,在大氣中的存在時間短,且發(fā)生的空間范圍有限,所以國內(nèi)外的研究均很少。但沙塵氣溶膠的監(jiān)測研究對沙塵強(qiáng)度等定量分析具有重要意義。

大氣能見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)與地面能見度相關(guān),可通過地面能見度等參數(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)厚度之間相互對比和驗證。

氣溶膠研究和能見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、消亡的動態(tài)演變規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理,推動遙感技術(shù)、大氣輻射傳輸和能見度理論的綜合應(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)分析不可或缺的過程,地面調(diào)查信息主要包括:(1)用光譜儀測量地表具有穩(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)太陽光度計測量太陽光譜輻射;(4)袖珍熱紅外輻射計測量表面溫度;(5)便攜式紅外輻射計測量天空溫度;(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)驗遙感的研究。

隨著遙感基礎(chǔ)研究的不斷發(fā)展,對沙塵的光譜特征有了深入認(rèn)識。通過地面沙化土地光譜特征的測量,對沙塵災(zāi)害的遙感監(jiān)測研究開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,也極大地擴(kuò)展了衛(wèi)星資料的應(yīng)用領(lǐng)域,在沙塵預(yù)報、沙塵監(jiān)測及沙塵成因研究方面,發(fā)揮著重要的作用。

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