《黄土和粉尘等气溶胶的理化特征、形成过程与气候环境变化》

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占全球排放量近一半的亚洲粉尘是对流层气溶胶的重要组分,表征粉尘活动的沙尘暴事件频繁发生,与地球环境变化和人类活动密切相关;含有过去粉尘气溶胶丰富信息的中国黄土堆积是全球气候变化记录的重要载体,粉尘对气候和环境的影响成为全球变化研究的重要课题。由于人类活动加剧,亚洲排放的碳气溶胶受到关注,与粉尘气溶胶一起成为全球变化研究的热点问题。自20世纪80年代末以来,项目完成人对中国黄土和现代粉尘及碳气溶胶进行了系统地联合研究,在国内外产生重要影响。通过在中国西北沙漠、黄土高原、青藏高原以及东部城市先后开展近20年的黄土、大气粉尘和碳气溶胶野外观测与实验分析,结合数值模拟,综合研究中国黄土、现代粉尘和碳气溶胶及其与气候环境的联系,揭示了黄土和亚洲粉尘的源区、释放、传输、沉降与变化的全过程;并在现代亚洲粉尘的理化特性、与黄土的关系、与人为气溶胶混合等方面取得了系统的科学认识;阐明中国碳气溶胶排放源特征、理化特性及其时空分布;并揭示了亚洲粉尘活动的控制因子及与气候环境变化的联系。该研究在国际上获得良好评价。首次提出中国黄土粉尘通量概念,指出黄土高原风成粉尘通量与源区干燥度和冬季风强度密切相关,记录了西北源区干旱化变迁历史。系统揭示亚洲粉尘的源区、释放、输送、沉降和再改造的全过程;发现现代粉尘与黄土的大气化学特征类似,确切证明西北内陆沙漠是黄土粉尘的源区;指出源区干燥度是粉尘产生的重要因素,发现夏季降水和随后春季植被及相关土壤湿度最终影响沙尘释放,指出天气气候因素对粉尘释放具有更加重要影响;提出不同气候期粉尘输送的概念模型,即间冰期粉尘主要受非尘暴过程的西北风控制,而冰期沙尘暴对黄土贡献显著;分辩出近源和远源粉尘的沉降模式。在内陆黄土区粉尘以影响。中国气溶胶排放居高不下,尤其是高浓度细颗粒物致使中国中东部广大城市群地区灰霾日益严重,中国的城市空气质量及其对民众健康和经济、社会的可持续稳定发展的影响面临严峻挑战。阐明中国各类气溶胶的时空分布、化学组成及其形成和转化机制,对改善中国城市空气质量至关重要。该项目作出了如下重大成果:1.揭示了中国城市群严重灰霾尤其是高浓度细颗粒物PM2.5的来源和形成机制;首次提出了气溶胶的长途传输是中国城市大气污染和灰霾形成的重要来源。发现了二次气溶胶、生物质燃烧和沙尘是中国城市灰霾形成的三个主要成因。在沙尘源区气溶胶和尘土中发现相当程度的污染元素As、Pb、Cd和黑碳。发现了有机气溶胶、硫酸盐、铵盐、硝酸盐和元素碳是能见度降低的直接影响因子。机动车排放是有机气溶胶、硝酸盐和元素碳的主要来源,揭示了控制机动车的增长已成为中国大中城市改善大气质量的当务之急。为控制PM2.5,改善中国空气质量作出重要贡献。代表论文(1,4,6)他引共213次。2.发现了沙尘在其长途传输过程中与人为污染物的混合和相互作用机制及其对城市空气质量乃至全球变化的重要影响。发现了塔克拉玛干沙漠沙尘含高硫高钙,更重要的是一次气溶胶中90%以上硫以可溶性硫酸盐存在,该发现将导致沙尘对全球变化影响的再评价。发现了污染物气溶胶与长途传输而来的沙尘的混合和反应可导致沙尘表面酸度增加到100倍。发现塔克拉玛干沙漠沙尘Ca/Al比值1.5以上,与蒙古戈壁沙尘Ca/M比值仅0.5左右形成鲜明对比,Cd/Al比值成为区分中国两大沙尘源区和判断下游地区外来沙尘源的可靠判据。发现了可用中国近海海洋沉积物中PAHs浓度记录追踪中国大陆能源排放大气污染水平历史变异的新方法。代表论文(2,5,8)他引共176次。3.提出并验证了大气海洋物质交换过程中的铁硫耦合反馈机制理论,发现了大气气溶胶中铁的存在形式的变化是全球生物地球化学循环的重要途径。沙尘暴输送比常日高数十倍的污染物,还输送高浓度的Fe(Ⅱ),且与SO<,4><'2->呈正相关。揭示了大气沉降对沿海生态乃至全球变化的重要影响,验证了项目第一完成人早年发表于《Nature》的论文所提出的铁硫耦合反馈机制理论。F(Ⅱ)的增加导致海洋生产力的增加,进而可增加海洋对大气中CO<,2>的吸收,为解决全球增温提供了新思路。代表论文(3,7)他引共254次。该项目成果受到国际上的广泛关注和肯定。该项目20篇核心论文他引1083次,SCI他引715次。8篇代表性论文总他引643次,SCI他引370次,单篇最高他引232次。项目负责人多次主持国际会议,多次作特邀报告。研究灰霾形成机制的论文是中国大陆唯一入选大气环境领域国际著名杂志《At-mosphericEnvironment》前五年引用率最高的10篇论文。另有二篇为国际出版商Elsevier授予“2005-2010五年间引用率最高的50篇论文之一”。基于相关的研究,一人获得上海市优秀博士论文奖,二人次获得上海市杰出博士人才奖。

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