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摘要：祁连山地处多区域交汇地带，地形气候独特使气溶胶来源与分布复杂，而区域生态环境面临严峻挑战，气溶胶分布直接影响降水与生态修复，当前相关系统研究匮乏。本研究基于2009—2011年ERA5再分析气溶胶数据，采用统计分析、空间插值等方法，探究祁连山区域气溶胶时空分布及谱分布特征，分析气象条件、气团输送、下垫面与人类活动的影响机理。研究结果可为完善西北干旱区气溶胶气候效应研究、支撑区域生态环境保护与人工影响天气业务提供理论与实践支撑。

关键词：祁连山；气溶胶光学厚度；时空分布；成分解析；环境气候效应

气溶胶是悬浮于大气中的固体或液体微小颗粒，作为大气重要组成部分，通过辐射强迫、云凝结核作用及影响能见度等途径，深刻影响区域气候系统与生态环境。近几十年来，受全球气候变化与人类活动影响，祁连山区域冰川消融、荒漠化加剧，生态环境面临严峻挑战，而气溶胶作为云雨形成的关键因素，其分布特征直接影响区域降水过程与生态修复效果。目前，针对祁连山区域气溶胶的系统研究较为匮乏，尤其是在时空分布规律、组成来源及与局地环境气候的耦合关系方面，缺乏精准的观测与深入分析[1]。因此，基于长期观测数据，揭示祁连山区域气溶胶时空分布特征及影响机制，对于完善西北干旱区气溶胶气候效应研究、支撑区域生态环境保护与人工影响天气业务具有重要的理论与实践价值。

一、数据来源与研究方法

（一）数据来源概述

本研究数据来源于欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析资料，该中心为国际先进的天气预报研究与业务机构，拥有庞大且规范的气象数据记录。数据类型为三级气溶胶产品，采用网格化格式存储，空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为1天，覆盖2009—2011年的连续观测周期。核心数据变量包括550nm、670nm、870nm波段的气溶胶光学厚度（AOD550、AOD670、AOD870）、细模气溶胶光学厚度值（FM_AOD550）、尘埃气溶胶光学厚度值（D_AOD550）及单次散射反照率（SSA550）。祁连山位于西北内陆干旱半干旱地区，是黄土、蒙新、青藏三大高原的分界线。东起乌鞘岭，西至当金山口与阿尔金山相连，由一系列西北—东南走向的山脉与谷地组成，地势自东向西倾斜，大部分海拔在3500—5000m。

（二）主要研究方法

1.统计分析方法

采用时间序列分析方法，对2009—2011年的气溶胶光学厚度数据进行季节、月度尺度的统计处理，计算各时段均值、方差等统计量，揭示气溶胶时间变化规律。季节划分采用常规标准，3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12－次年2月为冬季。通过计算不同季节、月度的气溶胶光学厚度均值，分析其季节波动与月度变化特征。利用方差分析，量化气溶胶光学厚度在时间序列上的稳定性。

2.空间插值与分布分析

采用空间插值方法，基于网格化数据，生成祁连山区域气溶胶光学厚度的空间分布图，直观呈现气溶胶空间分布格局。结合研究区域地形、地表类型及城市分布信息，分析气溶胶空间分布与下垫面特征的相关性。通过对比不同区域的气溶胶光学厚度数值，明确北部与南部、东部与西部、城市与自然区域的分布差异。

3.气溶胶成分识别方法

基于细模气溶胶粒子所占百分比（FMF）和单次散射反照率（SSA）进行气溶胶类型划分。细模气溶胶粒子所占百分比通过细模气溶胶光学厚度值与湿气溶胶光学厚度值的比值计算得出，FMF为细模气溶胶粒子所占百分比，FM_AOD550为550nm波段细模气溶胶光学厚度，AOD550为550nm波段总气溶胶光学厚度。

4.相关性分析方法

分析气溶胶光学厚度与气象要素及下垫面特征的相关性，探究气溶胶时空分布的影响因素。通过计算气溶胶光学厚度与月降水量的相关系数，量化降水对气溶胶的清除作用。结合地形数据，分析海拔、山脉走向对气溶胶空间分布的调控作用。

二、气溶胶时空分布特征

（一）空间分布特征

在沙尘天气下，气溶胶空间分布受高空锋区与地面冷高压共同影响，呈现显著垂直分层特征。细粒子（0.1~3μm）在沙尘过境后，4000～4500m高度形成数浓度大值区，由6005cm⁻³增至12934cm⁻³，贡献最大粒径为1.2~1.8μm，4000m以下粒径增幅尤为明显。粗粒子（1~50μm）数浓度大值区集中在3000～4000m，浓度从0.9cm⁻³升至7.0cm⁻³，主导粒径为6.5~16.6μm。与起沙前相比，细粒子和粗粒子平均数浓度分别增大2倍和3.5倍，平均粒径分别扩大3倍和1.5倍，全粒径段呈现“低浓度小粒径→高浓度大粒径”转变。气溶胶数浓度大值区呈悬垂状分布，无逆温层影响，粗粒子虽占总数浓度不足0.1%，但对地面颗粒物质量浓度起主要作用[2]。

（二）时间变化特征

祁连山区域气溶胶光学厚度时间变化显著，季节变化呈波浪形趋势：春季值最大，夏季降低，秋季最小，冬季回升。2009—2011年春季均值0.399、夏季0.288、秋季0.225、冬季0.275，2010年春季达峰值0.43。三年全年均值分别为0.2970、0.2966、0.2975，最大差距不足0.01，春季与秋冬两季呈负相关。月度变化亦呈波浪形，以3或4月为波峰、10或11月为波谷，3-5月月均值超0.35，1-2月及6-9月为0.25-0.35，10-12月小于0.25。2010年3月达最大值0.4577，2010年11月为最小值0.1667，2-3月变化最大，7月有局部极值，7-9月持续降低，12月略有回升。三年月均值0.293，方差0.0055，月均值与降水量显著相关。

不同波段气溶胶光学厚度变化趋势高度相似，且随波段宽度增加而减小，550nm波段值远大于670nm和870nm。选取每月14日数据绘制的变化图显示，AOD550始终最高、AOD670次之、AOD870最低。各波段季节与月度变化趋势一致，均在春季及3、4月出现高值，秋季及10、11月出现低值，验证了时间变化的一致性。

（三）气溶胶谱分布特征

祁连山区域气溶胶以细模粒子为主，细模气溶胶粒子所占百分比（FMF）超过98%，结合单次散射反照率（SSA550=0.937），该区域气溶胶为吸收指数较低的细模粒子气溶胶。细模气溶胶光学厚度值（FM_AOD550）主要由燃烧过程产生的硫酸盐、硝酸盐、黑碳及褐碳气溶胶组成。550nm属可见光波段，褐碳气溶胶对光的吸收作用可忽略，黑碳气溶胶吸收作用较强，而较高的单次散射反照率表明气溶胶以散射性粒子为主，主要成分为硫酸盐和硝酸盐[3]。

不同粒径段粒子浓度的时空变化特征存在差异。空间上，北部沙漠区与东部城市区粗粒子占比相对较高，南部青海湖周边细粒子占比更高，受人为活动影响较小，气溶胶来源以自然排放与远距离传输的细粒子为主。时间上，春季粗粒子占比显著升高。夏季与秋季细粒子占比上升，植被排放的孢子、花粉及人类活动产生的细粒子成为主导。冬季细粒子占比维持较高水平，主要源于人类燃煤取暖产生的硫酸盐、硝酸盐等细粒子污染物。

三、影响因素与机理分析

（一）气象条件的影响

气象条件调控祁连山区域气溶胶时空分布，主要影响气溶胶的生成、输送、沉降与扩散过程[4]。降水是气溶胶湿沉降的主要途径，研究区域全年降水量集中在5-9月，与气溶胶光学厚度低值期高度吻合。夏季印度洋与太平洋暖湿气流经祁连山地形抬升形成丰沛降水，雨滴与气溶胶粒子碰撞后携带至地面，月降水量与气溶胶光学厚度呈显著负相关，相关系数达-0.72。风速与风向影响气溶胶输送与扩散，春季西风急流与蒙古高压带来的西北气流将北部巴丹吉林沙漠、西部柴达木盆地的沙尘输送至祁连山北部与东部形成高值区，冬季蒙古高压控制下冷空气活动频繁但逆温层结抑制垂直扩散，夏季局地环流发育风速较小，气溶胶以水平扩散为主。气温通过影响地表状态与大气稳定性调控分布，春季气温回升使地表解冻裸露易起沙，冬季气温极低时逆温层结频繁阻碍扩散，气温与气溶胶光学厚度相关系数为0.35，呈弱正相关。

（二）气团来源与输送路径

祁连山区域气溶胶气溶胶外源输入主要来自两个方向：西风急流带来的上游地区气溶胶，以及蒙古高压控制下的蒙古及内蒙古地区气溶胶。春季，西风急流强度较大，将中亚、新疆地区的沙尘气溶胶向东输送，途经柴达木盆地与巴丹吉林沙漠时与本地沙尘粒子叠加，形成高强度气溶胶输送过程。2010年3月，极涡偏强导致的新疆高压脊前西北气流加剧沙尘输送，该月气溶胶光学厚度达三年来最大值0.4577。冬季，蒙古高压控制下，冷空气从蒙古及内蒙古地区向南输送，携带该区域沙尘与人为排放的气溶胶粒子进入祁连山北部区域，同时西风急流带来的北部海洋水汽含量较少。夏季，来自印度洋的暖湿气流与本地气团交汇，在祁连山地形作用下形成降水。

（三）局地下垫面与人类活动的影响

局地下垫面通过改变地表粗糙度、植被覆盖度及沙尘排放潜力，影响气溶胶的生成与分布[5-6]。祁连山区域下垫面类型多样，包括沙漠、荒漠、山地、河谷、城市等，不同下垫面气溶胶排放与扩散条件差异显著。北部与西部沙漠、荒漠地区植被覆盖率低、土壤疏松，易产生沙尘，巴丹吉林沙漠年平均风速达3.5m/s，8级以上大风日数多、沙尘天气频发。南部河谷与青海湖周边植被繁茂、土壤湿度高，沙尘排放潜力低，且高山环绕阻碍外源气溶胶输入。东部金昌市作为工业城市，工业生产、交通运输及居民生活燃烧等活动排放大量细末气溶胶粒子，形成局地高值中心。人类活动直接增加气溶胶人为排放，春季农耕活动导致地表裸露增加沙尘排放。冬季居民与工业燃煤排放使相关气体浓度升高，经化学反应生成气溶胶粒子。夏季人类活动增加，但植被覆盖提升与降水清除作用抵消部分影响。

结语

祁连山作为中国西部干旱区的重要生态屏障，维护区域生态系统功能，对于本区域及相关区域的生态建设、环境保护与社会经济发展具有重要的现实意义。本研究依据2009 - 2011年ERA5气溶胶数据，系统地揭示祁连山区域气溶胶时空分布规律，揭示了其谱分布特征以及核心影响机制，明确指出春季是祁连山区域气溶胶的高值期且细模粒子占据主导地位，气象条件、气团输送与局地下垫面和人类活动共同对气溶胶分布起到调控作用。

参考文献

[1]刘兰娅.祁连山不同时间尺度极端气候变化及其对植被的影响研究[D].兰州大学,2025.

[2]龙玉燕.祁连山地形云冰雪晶增长特征和谱分布的飞机观测研究[D].中国气象科学研究院,2025.

[3]奚立宗,把黎,庞朝云,等. 祁连山北坡沙尘天气气溶胶特征的飞机观测[J].应用气象学报,2024,35(03):311-322.

[4]程雪梅,张影,李家彦. 基于双环形光捕获的气溶胶单颗粒LIBS分析方法[J].西北大学学报(自然科学版),2025,55(06):1309-1319.

[5]胡帅,赵嘉琦,刘磊,等. 红外高光谱被动遥感气溶胶研究现状及进展[J].地球科学进展,2025,40(11):1097-1111.

[6]张玉欣,张博越,侯永慧,等. 青藏高原大气气溶胶垂直分布的飞机观测[J].干旱区研究,2025,42(11):2117-2126.

马强

青海省民和县气象局