塔克拉玛干腹地大气降尘的理化特性：地面观测与显微分析揭示东亚沙尘源区关键特征

本研究针对东亚重要沙尘源区——塔克拉玛干沙漠腹地大气降尘的理化特性不明问题，通过高频采样结合FIB-SEM显微形貌分析、LDPSA粒径测定及IntelliSEM EPAS矿物鉴定技术，首次系统揭示该区域降尘以微团聚体为主（粒径20-80μm占比83.73%），方解石（31.15%）和石英（18.52%）为主要矿物成分，月均沉降通量达107.15 g/m2，地面激光雷达观测显示5km内气溶胶退偏比>0.6。成果为改进沙尘数值模型参数化方案提供关键数据支撑。

　　

在全球气候变化背景下，沙尘气溶胶作为影响地球辐射平衡和生物地球化学循环的关键因子，其源区特性研究一直是国际前沿课题。塔克拉玛干沙漠作为东亚最重要的沙尘策源地，每年向大气输送数百万吨矿物颗粒，这些颗粒可跨太平洋甚至抵达欧洲阿尔卑斯山区。然而，受限于极端环境下的观测难度，该区域腹地大气降尘的物理化学特征长期缺乏系统数据，导致全球沙尘模型模拟存在显著偏差——例如WRF-Chem模型对塔克拉玛干沙尘沉降通量的模拟值比实测值低达10倍。

中国科学院新疆生态与地理研究所的研究团队在2022年春季开展了为期63天的高频观测。研究团队在塔中站（39.00°N，83.67°E）采用被动式干沉降采样器收集大气降尘，结合聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）和激光衍射粒径分析仪（LDPSA）等先进技术，首次绘制出沙漠腹地降尘的"全息图谱"。

关键技术方法包括：1）每周双样平行采样结合EPA Method 5标准计算沉降通量；2）FIB-SEM在2kV加速电压下进行1600μm×2000μm区域形貌扫描；3）LDPSA测定5g均质样品的体积-数量粒径分布；4）IntelliSEM EPAS系统对876个单颗粒进行元素-矿物分类；5）地基米散射激光雷达（532nm）获取5km内气溶胶退偏比和消光系数垂直剖面。

【降尘事件与沉降特征】
观测期间记录到沙尘天气占79.3%，其中扬沙（54.3%）和沙尘暴（25%）为主。PM₁₀浓度在3月24日强沙尘暴期间达1041μg/m³，对应吸收气溶胶指数（AAI）显著升高。两月平均沉降通量107.15 g/m²/月，占年总量的20%，是撒哈拉边缘区域的2.5倍。

【颗粒形貌与粒径分布】
FIB-SEM揭示降尘颗粒多呈不规则多边形，包括棱角状（23%）、次棱角状（31%）和微团聚体（18%）。LDPSA显示20-80μm颗粒占总数83.73%，体积分布呈双峰型（主峰100-150μm占27.04%），数均直径（D_n）54.21μm远超北京同期观测值。

【元素组成与矿物特征】
能量色散谱检测发现O-Ca-Si为核心元素组合，方解石（CaCO₃）占比最高（31.15%），其次为石英（SiO₂，18.52%）和绿泥石（11.84%）。卤化物（NaCl）占比9.52%，显著高于地表沙尘，暗示盐碱地物质的贡献。

【气溶胶垂直特性】
激光雷达观测显示5km内非球形沙尘持续存在，退偏比均值>0.6（最高0.8），消光系数>0.3km^-1。10km高空出现的高退偏比（0.5-0.8）可能与卷云混合有关。

这项研究首次建立了塔克拉玛干腹地大气降尘的理化特性数据库，揭示其粗颗粒主导（62.5-125μm）、方解石富集的独特组成。发现的高沉降通量（>1000 g/m²/年）和强非球形光学特征（退偏比>0.6）为修正GOCART等全球沙尘模型的源区参数提供了不可替代的观测约束。特别是矿物组成数据表明，传统模型可能低估了碳酸盐矿物对沙尘辐射效应的贡献。未来需结合多年度观测，进一步解析沙尘理化特性与区域气候反馈的动态关联机制。论文发表于《Journal of Arid Environments》，为理解东亚沙尘的远程传输与环境效应树立了新标尺。