甘肃河西走廊戈壁地区沙尘天气频发，产生的沙尘气溶胶一方面通过散射、吸收太阳短波和地面长波辐射，改变地球-大气系统的能量收支平衡与再分配（胡蝶等，2013；Huang et al.，2014；Bi et al.，2016）；另一方面它可以充当云凝结核或冰核改变云滴的粒径、云水含量、云反照率、生命周期等微物理特性而间接影响降水的发生和天气过程演变（Huang et al.，2006；Rosenfeld et al.；2008）。沙尘颗粒物的数浓度、质量浓度和粒径谱分布是影响其微物理、光学和辐射特性的关键物理参量（Mahowald et al.，2014；Zhang and Han，2025）。全面刻画不同地区沙尘气溶胶的粒径大小和浓度谱分布特征是确定其排放源、产生过程、传输与沉降过程和环境污染程度的一个重要前提。

由于受到不同排放源、传输过程和气象条件的共同影响，不同沙漠源区沙尘气溶胶的粒径和谱分布存在较大时空分布差异（Mahowald et al.，2014；Formenti and Di Biagio，2024）。自20世纪90年代以来，国外学者围绕非洲撒哈拉沙漠、萨赫勒地区及其下游区域的沙尘粒径谱开展了大量观测，揭示了不同传输距离下沙尘粒径的演变规律（Maring et al.，2003；Reid et al.，2003；Weinzierl et al.，2009；Formenti and Di Biagio，2024）。国内相关研究则聚焦于我国西北沙漠下游传输影响区域。已有研究表明，沙尘气溶胶数浓度受风速与天气现象影响显著。沙尘过境时，气溶胶粒径谱谱宽明显增大，粗细粒径段粒子平均数浓度大幅增加（牛生杰等，2001；成天涛等，2005；奚立宗等，2024）。不同强度沙尘天气气溶胶质量浓度谱峰值粒径范围存在差异，PM_2.5和PM₁₀的质量浓度比值在一定程度上可以表征沙尘来源（车慧正等，2005；徐鑫强等，2011；李丽等，2025）。此外，西北不同地区沙尘气溶胶粒径谱分布存在差异，内蒙古朱日和地区春季沙尘气溶胶在不同粒径范围分别符合对数正态分布、洛伦兹分布以及负指数分布（邱玉珺等，2009）；兰州地区气溶胶数浓度近似服从正态对数分布的单峰型，峰值粒径为0.54~0.67 μm，质量浓度呈现双峰型，主、次峰值分别为4.70~5.05 μm和0.67~0.78 μm（王振海等，2010；赵素平等，2012）；敦煌戈壁地区沙尘气溶胶的数浓度谱峰值粒径主要为0.5~5.0 μm，与光学遥感反演结果基本一致（Bi et al.，2014；Bi et al.，2016；Bi et al.，2017）。由于受到探测技术的限制，上述工作对沙尘粒径谱分级的研究较少，这将导致反演计算沙尘粒子光学特性存在较大的不确定性，进而影响区域气候模式对沙尘气溶胶辐射强迫、远距离传输和沉降过程的准确模拟。因此，对我国西北不同沙漠源区沙尘气溶胶粒径谱分布特征及其演变规律仍需进一步探究。

本文采用APS-3321型空气动力学粒径谱仪，于2024年8月对嘉峪关戈壁地区0.5~20.0 μm粒径的沙尘气溶胶数浓度谱开展高时间分辨率实时观测，旨在系统阐明沙尘颗粒数浓度、质量浓度及其粒径谱分布的变化特征，为揭示我国西北沙漠源区沙尘气溶胶的来源、微物理与光学特性及其辐射效应提供科学依据。

观测站点（40.320°N，98.515°E）位于距离嘉峪关市约80 km、金塔县西北方向约54 km的树窝井戈壁荒漠区，海拔高度1 230 m，采样管距地面约1.5 m。站点紧邻巴丹吉林沙漠西南缘，植被稀疏，地貌为流动沙丘与戈壁，荒漠化比例约64%，属于典型的干旱荒漠气候区。该区域夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差显著，年平均气温9.4 ℃，年日照时数可达3 086.6 h。降水稀少（年降水量为39.0~128.8 mm）且蒸发量大，年蒸发量超过2 400 mm。受强西伯利亚冷高压天气系统的影响，春季（3—5月）地面盛行强风，加之地表裸露，土壤干燥，为沙尘爆发提供了充足的沙源及动力条件，形成“干旱—荒漠化—沙尘暴”之间的正反馈循环（董元柱等，2024）。

采用APS-3321型空气动力学粒径谱仪，通过测定加速气流中不同大小粒子经过两束相互重叠激光束的飞行时间，反演粒子空气动力学的粒径及浓度谱分布信息。基于飞行时间的空气动力学粒径计数仅仅与粒子形状相关，可避免折射指数和Mie散射假设的干扰。仪器能够实时在线测量52个粒径通道的颗粒物数浓度，量程为0.001~10 000个·cm^-3，时间分辨率为5 min。观测期间，仪器采样流量设置为5 L·min^-1，其中鞘气流量4 L·min^-1，样气流量1 L·min^-1。为保证设备在强沙尘暴天气下正常运行，观测阶段配备3302型气溶胶稀释器与粒径谱仪串联运行，稀释比例设置为20∶1。

剔除仪器故障、清洁维护等时段的异常数据，经质量控制处理后，获得2024年8月1—31日有效粒径谱观测数据共计8 789组，资料有效率为98.4%。APS-3321型粒径谱仪直接测量颗粒物数浓度谱，在球形粒子假设下，气溶胶表面积谱、体积谱和质量浓度谱的计算公式（赵素平等，2012）如下：

式中：D为粒子直径，单位：μm；n_s(D)为表面积谱，单位：μm²·cm^-3；n_N(D)为颗粒物的数谱，单位：个·cm^-3；n_v(D)为体积谱，单位：μm³·cm^-3；n_m(D)为质量谱，单位：μg·cm^-3；ρ为颗粒物的质量密度，单位：g·cm^-3，本文ρ取1.0 g·cm^-3。

中国气象局和世界气象组织均根据水平能见度和风速区分浮尘、扬沙和沙尘暴等不同级别沙尘天气。观测期间由于缺乏能见度和风速数据，本文根据Bi等（2022）提出的基于不同粒径气溶胶质量浓度阈值及持续时间来识别沙尘天气等级，分为晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴，具体判据如下：1）当PM₁₀和PM_2.5质量浓度分别小于80 μg·m^-3和30 μg·m^-3，且持续3 h及以上，定义为晴天；2）当PM₁₀质量浓度为100~300 μg·m^-3，PM_2.5质量浓度大于30 μg·m^-3，且持续3 h及以上，定义为出现1次浮尘天气；3）当PM₁₀质量浓度为>300~800 μg·m^-3，PM_2.5质量浓度大于50 μg·m^-3，且持续3 h及以上，定义为出现1次扬沙天气；4）当PM₁₀质量浓度为>800~2 000 μg·m^-3，PM_2.5质量浓度大于100 μg·m^-3，且持续3 h及以上，定义为出现1次沙尘暴天气。

拉格朗日混合单粒子轨道模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，HYSPLIT）是由美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的空气资源实验室（Air Resources Laboratory，ARL）和澳大利亚气象局联合研发的一种综合性计算模式（Stein et al.，2015），是大气科学研究、环境监测领域中广泛应用的工具。该模型综合拉格朗日粒子方法和欧拉浓度方法的优势，能有效模拟计算气团轨迹、大气污染物的传输、扩散、沉降以及复杂的化学转化过程，其适用性广泛、可靠性较高，在区域和全球尺度大气环境问题研究中具有重要作用（Bi et al.，2022）。本研究使用2024年8月1—14日的全球数据同化系统（Global Data Assimilation System，GDAS）气象数据作为HYSPLIT模型初始场，该资料空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h。以观测站点为终点，分别计算20、500、1 500及3 000 m高度气团72 h后向轨迹。

为揭示不同粒径气溶胶浓度特征，将观测粒径进一步分为0.5~1.0、>1.0~2.5、>2.5~5.0、>5.0~10.0和>10.0~20.0 μm 5个粒径段，图1是2024年8月不同粒径段气溶胶质量浓度、数浓度及其对应百分比的时间变化序列。整体来看，气溶胶质量浓度和数浓度的总平均值分别为69.2 μg·m^-3和20.4个·cm^-3，5个粒径段的气溶胶质量浓度和数浓度变化趋势一致，但出现波动变化，表明该地区在8月出现多次局地性、间断性的沙尘天气过程（如8月9日、14日、17日和24—25日）[图1（a）、（b）]。

观测期间，0.5~1.0 μm粒径段气溶胶质量浓度占比最低（平均约5%），其次是1.0~2.5 μm和2.5~5.0 μm粒径段，平均占比分别为16%和25%，而5.0~20.0 μm粒径段占比最高（平均为50%）[图1（c）]。数浓度则以0.5~1.0 μm粒径段占绝对主导（平均占比80%），其次是1.0~2.5 μm粒径段的平均占比为20%，其余粒径均小于10%[图1（d）]。气溶胶数浓度占比受沙尘过程影响显著。例如，8月9日沙尘暴发生前，0.5~1.0 μm数浓度的占比约80%，发生时降至28%，沙尘结束后逐渐恢复到80%。同时，沙尘暴过程伴随的强风容易将地面粗尘土粒子卷入大气中，明显增加粗模态颗粒物占比，使1.0~2.5 μm与2.5~5.0 μm粒径段的数浓度占比分别由21%和5%上升至52%和16%，沙尘过程显著影响1.0 μm以上粗粒径气溶胶数浓度变化。

Reid等（2008）研究表明，基于APS测量的0.8~10.0 μm颗粒的质量浓度可作为沙尘气溶胶的衡量指标，而0.542 μm颗粒可视为表征硫酸盐颗粒的良好替代指标。据此，图2给出2024年8月沙尘气溶胶与硫酸盐污染物质量浓度的平均日变化。可以看出，沙尘粒子的小时平均质量浓度为20.000~100.000 μg·m^-3，而对应硫酸盐污染物的质量浓度范围仅为0.030~0.100 μg·m^-3。表明观测站点的气溶胶以粗模态沙尘颗粒为主，局地人类活动排放污染物的影响很小。硫酸盐污染物质量浓度呈双峰变化，在08：00和20：00达到峰值，分别为0.102、0.067 μg·m^-3。而粗粒径沙尘呈单峰型变化，峰值出现在12：00，对应质量浓度为102.310 μg·m^-3。不同气溶胶呈现的峰值变化特征主要受大气边界层结构日变化、气象条件和强沙尘天气出现的时间等因素共同决定。

表1给出了观测期间4种典型天气类型下5个粒径段气溶胶的数浓度和质量浓度百分比情况。晴天条件下，0.5~1.0 μm气溶胶数浓度占总数的80.9%，低于兰州地区90.8%的占比（赵素平等，2012）；浮尘、扬沙和沙尘暴天气下，0.5~1.0 μm数浓度占比分别下降至70.5%、63.7%和39.9%。同时，上述3类沙尘过程明显提升了>1.0~2.5 μm粒径段的数浓度占比，使其从晴天的15.4%分别上升为24.2%、30.8%和48.3%，表明沙尘天气对粗粒径粒子占比的增加具有显著贡献。

0.5~1.0 μm和>2.5~5.0 μm粒径段气溶胶质量浓度占比随着沙尘强度的增大而降低；>5.0~10.0 μm和>10.0~20.0 μm粗粒径段在不同天气类型中的质量浓度占比较高且非常稳定，分别为23.8%~30.2%和28.6%~31.5%。4种天气类型中>2.5~10.0 μm粒径的质量浓度占比为50.2%~53.3%，明显高于非洲沙漠下游传输区的观测结果（34.9%~44.5%）（Formenti and Di Biagio，2024）。这主要由于其观测站点均位于非洲沙尘源区的下游且距离较远，在远距离传输过程中大颗粒的粗沙尘粒子通过重力干沉降作用逐渐被去除，导致观测的沙尘颗粒占比比本文沙漠源区低。

图3是不同天气类型下气溶胶平均质量浓度和数浓度的日变化。整体来看，晴天条件下气溶胶质量浓度保持在60 μg·m^-3以下，数浓度为10~20 个·cm^-3，并在上午08：00达到峰值。浮尘主要发生于10：00—17：00，数浓度和质量浓度峰值分别为40个·cm^-3和220 μg·m^-3。扬沙过程主要发生在06：00—09：00，其质量浓度峰值可达到600 μg·m^-3，对应数浓度超过110个·cm^-3。沙尘暴主要出现在09：00—18：00，其质量浓度和数浓度峰值均出现在正午12：00，分别为2 400 μg·m^-3和240个·cm^-3。研究表明河西走廊东部夏季沙尘暴75%出现在13：00—20：00，且主要由中小尺度天气系统引发的热对流导致（李玲萍等，2017），本文观测的沙尘暴出现时段与其相近，表明本站沙尘暴可能由正午热对流活动触发。

图4为不同天气类型下气溶胶数浓度和质量浓度粒径谱的平均变化。从图4（a）可以看出，气溶胶数浓度谱在晴天呈单峰分布，在其他天气呈双峰分布；晴天、浮尘和扬沙天气下数浓度的主峰对应0.626 μm粒径，浮尘和扬沙的第二个峰值对应粒径分别为1.114 μm和1.286 μm；而沙尘暴过程中气溶胶数浓度的两个峰值分别对应粒径为0.583 μm和1.486 μm，表明强沙尘暴对沙漠源区大颗粒气溶胶数浓度具有显著贡献。从图4（b）可以看出，晴天、浮尘、扬沙天气下气溶胶质量浓度谱均呈双峰分布，第一个峰值分别为43、96、121 μg·m^-3，对应的粒径为4.371、3.523、3.278 μm，而第二个峰值分别为47、97、160 μg·m^-3，对应的粒径为19.810、15.960、15.960 μm；沙尘暴天气下的质量浓度谱与其他天气类型不同，呈三峰分布，峰值分别为492、575、665 μg·m^-3，对应粒径为4.371、6.264、13.820 μm。值得注意的是，非洲沙漠地区、兰州及敦煌的相关研究中（Reid et al.，2003；赵素平等，2012；Bi et al.，2017），均未发现沙尘暴天气下质量浓度谱存在三峰型分布特征。这是因为以往观测主要在沙尘输送的下游地区进行，大粒径粗颗粒物在长距离传输中已发生沉降，无法被观测到，而本文观测点位于戈壁沙尘源区，能够捕捉到沙尘过程卷起的不同粒径的本地粗颗粒物，因此呈现出独特的三峰分布特征。此外，Reid等（2008）在2004年8—9月西亚阿拉伯海湾地区观测到沙尘气溶胶的粗粒径模态具有稳定的特性，其沙尘气溶胶平均峰值粒径为2.450~4.550 μm，本文与其观测的结果一致。

图5是2024年8月8—10日不同粒径下沙尘气溶胶数浓度和质量浓度随时间的变化。这期间依次出现了扬沙、沙尘暴和晴天3种天气。8月8日06：00开始出现扬沙，0.5~2.5 μm粒径颗粒物的数浓度由晴天的20个·cm^-3陡然增大到100个·cm^-3，而>2.5~7.5 μm粒径的数浓度升高到30个·cm^-3，是晴天数浓度的2倍[图5（a）]；对应0.5~10.0 μm粒径质量浓度激增至300 μg·m^-3，同时，>10.0~17.5 μm粒径的质量浓度也明显增加[图5（b）]。8月9日09：00开始出现强沙尘暴过程，其数浓度高值区持续时间较长，粒径范围扩大到5.0 μm，数浓度高值达230个·cm^-3；同时，5.0~10.0 μm粒径的数浓度达70个·cm^-3，是扬沙过程数浓度的2倍；沙尘暴过程的质量浓度最高值达800 μg·m^-3，是扬沙天气的2.6倍，高值区对应的粒径为1.0~15.0 μm。

图6为沙尘暴发生前（8月8日，扬沙）、发生时（8月9日，沙尘暴）及结束后（8月10日，晴）气溶胶数浓度和质量浓度谱的每6 h平均变化。扬沙发生前（00：00—06：00），数浓度谱表现为单峰型分布，峰值粒径为0.626 μm；扬沙发生时呈现双峰结构（06：00—12：00），主峰值粒径为1.197 μm；扬沙结束后（12：00—18：00）又转变为单峰结构，峰值粒径为0.583 μm；峰值粒径段在扬沙天气下变得更宽，其中1.0~2.0 μm的颗粒物占据主导[图6（a）]。同时，扬沙过程使质量浓度谱变为多峰型结构，最大峰值粒径为14.860 μm[图6（b）]。

沙尘暴开始出现到结束的过程中，数浓度谱呈现单峰和双峰分布交替出现的特点。具体来说，00：00—06：00表现为单峰型，峰值粒径为0.583 μm；06：00—12：00单峰转变为不明显的双峰型，峰值粒径分别为0.626、1.486 μm；12：00—18：00是沙尘暴发展旺盛的阶段，气溶胶数浓度谱为典型的单峰型分布，峰值粒径为1.382 μm[图6（c）]，质量浓度谱则表现出三峰结构分布，峰值粒径分别为3.523、6.264、14.860 μm[图6（d）]。8月10日晴天的数浓度谱在不同时间段内均表现出单峰结构分布[图6（e）]，而对应的质量浓度谱随粒径增大呈现多峰结构[图6（f）]。

以上分析表明，观测期间内数浓度谱在晴天呈单峰分布，其峰值粒径为0.583~0.626 μm。沙尘过程导致数浓度谱由单峰转为双峰，主峰粒径为1.197~1.486 μm。沙尘结束后数浓度谱由双峰逐渐恢复为单峰型，主峰粒径减小到0.583~0.626 μm。质量浓度谱在沙尘过程中呈三峰分布，沙尘结束后转变为单峰或双峰分布。

利用HYSPLIT后向轨迹模型对8月9日沙尘暴发生前72 h 4个不同高度（20、500、1 500、3 000 m）的气团来源轨迹进行模拟追踪（图7）。可以看到，气团来自哈萨克斯坦和塔克拉玛干沙漠。8月7日3 000 m气团沿阿尔泰山向东南移动，8月8日向南移动到敦煌地区，并于8月9日向东移动至观测站点上空；1 500 m气团沿阿尔泰山南麓进入新疆，于8月9日到达观测站点上空；500 m高度气团来自哈萨克斯坦东部，在8月7日由天山北麓进入新疆，8月8日经祁连山脉向东南移动到达观测站点上空；近地面20 m高度气团源自塔克拉玛干沙漠3 000 m高度，环绕祁连山脉移动于8月8日沉降，未能到达观测站点，8月9日20 m高度的气团来自观测站点周边地区。以上分析表明，本次沙尘暴天气的中、高层空气团来自哈萨克斯坦和塔克拉玛干沙漠地区，近地面气团来自观测站点周围的戈壁沙漠区域。

本文采用APS-3321型空气动力学粒径谱仪于2024年8月在嘉峪关戈壁沙漠源区开展沙尘气溶胶不同粒径谱分布的观测试验，对比分析不同天气类型下气溶胶数浓度谱和质量浓度谱的变化特征，探究了沙尘暴过程发生前后气溶胶数浓度、质量浓度及其占比的变化规律，得到以下主要结论。

1）沙尘过程显著影响气溶胶数浓度与质量浓度占比，与晴天相比，沙尘天气下0.5~1.0 μm粒径段数浓度占比降低，而1.0 μm以上粒径段数浓度占比升高。质量浓度占比的变化趋势与数浓度相似，但5.0~20.0 μm粒径段占比升高幅度更显著。

2）晴天条件下，气溶胶数浓度为10~20个·cm^-3，质量浓度低于60 μg·m^-3。浮尘主要发生于10：00—17：00，数浓度和质量浓度峰值分别为40个·cm^-3和220 μg·m^-3。扬沙主要出现在06：00—09：00，数浓度峰值超过110个·cm^-3，质量浓度峰值可达到600 μg·m^-3。沙尘暴集中在09：00—18：00，其数浓度和质量浓度峰值分别为240个·cm^-3和2 400 μg·m^-3。

3）数浓度谱和质量浓度谱分布形态随天气条件改变。晴天条件下数浓度谱呈单峰分布，峰值粒径为0.626 μm；浮尘、扬沙和沙尘暴条件下均呈双峰分布，主峰粒径分别为0.626、0.626、0.583 μm。质量浓度谱方面，晴天、扬沙和浮尘条件下呈双峰型分布，主峰粒径分别为4.371、3.523、3.278 μm，次峰粒径分别为19.810、15.960、15.960 μm；沙尘暴天气下表现出三峰型结构，峰值粒径分别为4.371、6.264、13.82 μm。

4）沙尘暴过程使气溶胶数浓度谱由单峰分布转变为双峰分布，而质量浓度谱由单峰分布转变为三峰型分布。后向轨迹分析表明，沙尘暴期间中高层气团以远距离输送为主，近地面气团则多为站点局地生成。