1995～2004年东亚沙尘气溶胶的模拟源汇分布及垂直结构

熊 洁,赵天良*,韩永翔,Gong S L

(1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京 210044；2.Air Quality Research Division,Science and Technology Branch,Environment Canada,Toronto,Ontario M3H 5T4,Canada)

干旱半干旱地区风蚀产生的沙尘是大气气溶胶的主要成分,全球大气气溶胶的50%主要来自沙漠及其周边地区的矿物气溶胶[1].沙尘气溶胶对区域甚至全球的生态环境和气候变化具有重要影响,它不但可以通过反射、散射、吸收太阳短波辐射和地面长波辐射来直接改变全球辐射平衡[2-4],也能作为云凝结核间接改变云微物理结构和降水的发展[5].沙尘气溶胶还能对大气化学产生重要改变,而且当其沉降到地面和海洋时,与陆地、大气、海洋间的地球生物循环紧密相关[2-4,6].

近几年来,以亚洲沙尘暴为重点的沙尘气溶胶的观测和模拟研究很多[7-12],对沙尘暴的总颗粒物浓度、动力学特征、理化特性及传输路径各方面都有涉及.Zhang[12]根据亚洲粉尘关键区域(中国沙漠、黄土高原、青藏高原和中国历史降尘区)大气气溶胶中各元素的浓度—粒径分布、沉降速率、沉降通量以及元素示踪系统的解析,发现中国北方沙漠存在2个粉尘地—气交换活跃区域,即中国西部沙漠和北部沙漠高尘区,并且证明这两个区域及其邻区是亚洲粉尘和黄土高原黄土主要来源的中心区域.东亚沙尘的铁肥料效应[4]可能增加海洋中光合作用生物量[13].2001春季亚洲气溶胶特性实验 (ACE-Asia)的一系列模式工作研究发展了针对东亚沙漠地区的沙尘气溶胶模型,模拟分析了东亚沙尘暴及沙尘气溶胶的时空分布及传输特征[13-16].对沙尘辐射效应[17]、粒径分布[18]等方面的数值模拟国内外也有不少成果.

较长序列的沙尘数据主要来自气象站的地面能见度观测,对其时空分布特征已经做了大量的研究[18-22],然而它仅是一种定性和半定量的观测数据;卫星监测具有空间覆盖广、高时间解析观测能力等优点,非常适合大范围地区沙尘暴监测,但是其精度不足且时间序列过短;雷达探测可反映沙尘的垂直结构,然而仅是单点的观测,时间序列和空间分布缺少信息.目前,基于上述观测以及沙尘暴实验观测评估的数值模拟是研究东亚沙尘气溶胶的主要方法之一,它可以完整地反映沙尘的时空分布.虽然许多学者对东亚地区的沙尘暴,沙尘气溶胶及其传输进行了大量的模拟研究[18,23],但从多年长时间沙尘气溶胶模拟中对东亚地区沙尘气溶胶的源汇特征和垂直廓线特征做研究却鲜有涉及.研究沙尘气溶胶的源汇分布特征对于认知东亚沙尘地—气交换的区域特征,尤其是沙尘源区,黄土风成和海洋沉积具有重要意义,其垂直分布则是研究沙尘气溶胶辐射强迫及其与云降水作用的关键要素.因此,本文正是基于对全球气溶胶模式GEM-AQ/EC的1995～2004年10年沙尘气溶胶模拟分析,重点探讨和建立东亚地区沙尘气溶胶源汇分布和垂直结构的特征.

1 气溶胶模式GEM-AQ/EC简介

全球气溶胶模式GEM-AQ/EC[24]是一个全球多尺度化学天气气候模拟系统,它在加拿大天气预报业务模式GEM中在线耦合了气相化学模块ADOM和气溶胶模块CAM,可模拟包括海盐、矿物或沙尘、黑碳、有机碳和硫酸盐等5大气溶胶组份[25],其中气溶胶模块CAM按气溶胶的直径从0.01～40.96um分为12个档,包括了气溶胶排放、传输、化学转化和干湿沉降等所有大气气溶胶过程,并与微物理的云模块相结合来处理气溶胶与云降水的相互作用,根据风蚀起沙物理过程参数化在线计算沙尘起沙通量[26].在1995～2004年间全球气溶胶模拟中,GEMAQ/EC模式垂直分为28层,顶层高度为10hPa,水平分辨率为全球统一的 1°×1°,以 NCEP-再分析气象场每6h驱动,连续模拟了10年.GEMAQ/EC合理地模拟了全球气溶胶排放量、大气浓度和气溶胶光学厚度及其年际变化和季节特征[24].鉴于GEM-AQ/EC对全球气溶胶的模拟评估,本文利用这10年全球的沙尘气溶胶GEM-AQ/EC模拟结果,侧重分析东亚地区沙尘气溶胶源汇分布及垂直结构的特征.

东亚位于亚洲东部,太平洋西侧,主要包括中国、蒙古、朝鲜、韩国和日本5个国家.总面积约1200万km2,约占全球大陆面积的9%.地形西高东低,成3级阶梯：第一级为青藏高原,第二级为系列盆地和高原,第三级为低平原、丘陵和一些海岛.东部沿海地区季风气候显著,是世界上最典型的亚热带、温带季风气候区,即东亚季风区;西部内陆地区温带大陆性气候典型,属干旱、半干旱气候区;青藏高原地区为高地气候区.作为全球沙尘气溶胶主要源区之一,东亚大陆的沙漠地区主要分布在中国北方及蒙古的属干旱、半干旱气候区.本文选取的研究区域包括东亚及其周边的地区,经纬度范围为 32°N～54°N,73°E～150°E.

2 结果与讨论

2.1 沙尘排放源区域及其变化特征

沙尘排放量是指地面向其上大气垂直传输的沙尘气溶胶的总量,主要取决于近地面风力、沙源分布、地表植被和湿度等要素的变化[14,27].从图1可见,东亚沙尘气溶胶起沙源区主要集中在新疆的塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠,昆仑山以南青藏高原以北的区域,内蒙古西部的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库不齐沙漠、毛乌素沙地,内蒙古中部的浑善达克沙地,科尔沁沙地,东北部的呼伦贝尔沙地,蒙古的南部高原以及巴尔科什湖南部的萨雷耶西克阿特劳沙漠.其中有2大中心起沙区,一个是覆盖蒙古国南部及我国内蒙古中西部的沙漠、戈壁地区,包括浑善达克、巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库不齐、毛乌素等沙漠;另外一个为南疆的塔克拉玛干沙漠.

在广阔的蒙古国南部及我国内蒙古中西部的沙漠、戈壁地区东亚沙尘这一主要源区,其起沙强度中心值达到500t/(km2·a),以浑善达克沙地和巴丹吉林沙漠起沙强度为最大(图1).浑善达克沙地处于中国北方农牧交错带,该区域生态系统较为脆弱,由于受自然条件和人为干扰的共同作用,草原逐渐被沙丘代替,沙漠化发展迅速[28],其在东亚沙尘起沙中的作用最大.巴丹吉林沙漠有固定沙丘、灌丛沙堆等分布,是阿拉善高原中最大的一个沙漠[29],其起沙量较浑善达克沙地次之,是东亚的重要起沙源区.塔克拉玛干沙漠处于南疆的塔里木盆地,是世界最大的流动性沙漠之一,中国境内最大的沙漠,面积达3.5×104km2,其起沙高值中心也超过100t/(km2·a),是中亚沙尘排放重要源区(图1).另外,青藏高原西北部也是一个重要的沙尘起沙区,虽然起沙量相对较小,但其粉尘极易扬升到西风急流区,成为远东-太平洋地区的重要沙尘排放源区[30].这一模拟结果表明东亚地面沙尘排放高值区主要集中在东亚的沙漠或戈壁区,同大量的沙尘暴研究结果一致[31-33].

图1 模拟的东亚地区1995～2004年10年沙尘气溶胶的平均年排放量Fig.1 Dust aerosol sources with annual dust emissions over EastAsia

图2 东亚沙尘气溶胶排放量和总沉降量的月变化Fig.2 Monthly variations of dust aerosol emissions and total depositions over EastAsian

东亚地区的地面起沙量存在明显的季节变化(图2),春季最大、夏季下降、秋季小幅度回升、冬季最小,本文给出的定量的数值与根据能见度定性计算的沙尘暴结果相一致[17].呈现这种变化的原因是由于东亚沙尘暴的发生受到风速、地表植被状况、土壤湿度和雪盖等因素的制约[34-36].春季3、4、5月因植被稀少,气温回升,沙漠及裸露地表冰雪消融、土层松动,这为起沙的发生提供了丰富的物源[37];同时东亚春季频发与中纬度冷锋气旋相联系的东亚冬季风地面强风,这为起沙的发生提供了动力条件[38],故是沙尘暴最多的月份,春季3个月的起沙总量占全年的66.81%,其中4月起沙量最大,达到15.29Mt.夏季降水增多,土壤湿度大、植被状况好,不利于起沙和沙尘暴的生成,沙尘排放量逐渐减小.到秋季由于北方植被状况减少沙尘排放量有一个小幅度的回升,但远远小于春季各月份的值;由于北方积雪冻土等,冬季起沙量只占全年的3.24%,其中1月份值最小,只有0.23Mt.

图3中,1995～2004年中,2001年沙尘排放量最大,达81.04Mt;2004和1995年次之,分别为62.74,60.34Mt;1997年沙尘排放量最小,为24.45Mt;1999年次之,为27.25Mt.东亚地区沙尘排放量呈现显著地年际变化,1995～2004年东亚沙尘排放量整体上为逐年上升的趋势,其递增率约为2.30Mt/a.

图3 1995～2004年东亚沙尘排放量和沉降量的年际变化趋势Fig.3 Interannual variability and trends in EastAsian dust emissions and depositions over 1995～2004

2.2 模拟的东亚沙尘气溶胶干湿沉降及区域收支

2.2.1 沙尘沉降的区域特征 大气中沙尘气溶胶清除有干、湿沉降2种方式：因被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降;湿沉降是大气中的物质通过云降水落到地面的过程,包括云中清除和云下冲刷两类[39].模拟的东亚地区1995～2004年10年平均的年沙尘总沉降量分布情况如图4所示,沉降区包含了东亚所有的地区,沙尘沉降高值中心与排放量高值中心基本上保持一致.沙尘排放高值中心沙尘湿沉降与干沉降的比值在0.1以下,即在东亚沙尘排放源区(降水稀少的干旱、半干旱沙漠区域),干沉降过程是该区域沙尘清除的主要过程.随着沙尘的向东向南传输,越远离沙尘排放源区比值越大,湿沉降在大气中沙尘清除贡献逐渐变大.向东到达东北平原、日本海地区,向南到秦岭、长江中下游平原一带比值为1,这些地区干湿沉降量相当;中国东北、长江以南及西太平洋包括日本、朝鲜半岛湿沉降与干沉降之比大于1,湿沉降量占沉降总量的主要部分.这一结论支持了Zhao等[16]有关东亚沙尘源区及其附近以干沉降为主,然而在东亚沙尘更远距离传输过程中湿沉降占主导地位的结论.

由图2可见,沉降量的月变化趋势与沙尘排放量大致相同.春季的3、4、5月沉降量大,4月份值达到最大为11.11Mt;夏季沉降逐渐减少,总量仍比秋冬季节的大;秋季沉降量有一个小幅度的回升;冬季沉降量最小,最小值出现在1月份,为0.47Mt.东亚沙尘沉降量的月变化趋势与沙尘排放量月变化大致相同,表明东亚局地沙漠地区排放的沙尘主导了东亚沙尘气溶胶及其沉降的变化.由图3可见,1995～2004年10年间,1998和2001年沉降量最大,分别达到55.31,55.51Mt;1997年总沉降量最小,为22.14Mt.东亚地区沙尘沉降总量在1995～2004年10年间呈增加的趋势,其年递增率为1.03Mt,与该地区的起沙总量年际增加趋势一致.东亚地区沙尘的起沙量大小主导着该地区沉降量的变化,东亚沙尘作为全球的几大源区之一影响着其西风带下游区域的大气沙尘气溶胶及其沉降.

图4 1995～2004沙尘气溶胶平均年沉降量和湿干沉降之比Fig.4 Total dust depositions and ratio of wet and dry depositions averaged over 10 years of 1995～2004

2.2.2 沙尘气溶胶的区域收支平衡 沙尘的亏盈或源汇,即沙尘排放量与沉降量之间的平衡.图5中,净沙尘源区即起沙量大于沉降量的区域、净沙尘汇区即沉降量大于起沙量的区域.东亚净沙尘源区与地面沙尘排放及沉降高值区相对应(图1和图4),包括蒙古高原及其邻近的内蒙古巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、毛乌素、库不齐、浑善达克等沙地、沙漠地区,南疆的塔克拉玛干沙漠,昆仑山以南青藏高原以北区域.除以上沙尘净源区外,其余地区均为净沙尘汇区,最大的净汇区集中在紧邻净沙尘源区的黄土高原及华北平原西部(位于昆仑山、祁连山(南山)、秦岭、泰山、鲁山山地一线以北的干旱和半干旱地带),而黄土是千百万年沙尘沉积并经过土壤再生而形成的产物[40],这一研究成果为黄土的风成学说提供了强有力的证据.此外,受中纬度西风环流控制的东亚沙尘传输影响,净沙尘汇区呈明显的东西走势,中国南方及附近海域、朝鲜、韩国、日本以及西太平洋地区都不同程度的接收着来自东亚沙尘源区的沙尘(图5).另外,从月的收支平衡(表1)来看,只有冬季的12、1、2月份的沙尘排放与沉降差值的为负值,即沉降总量大于排放量,其他季节差值都为正,即排放量大于沉降总量,说明东亚地区除了冬季外的春夏秋3个季节都是沙尘的净源区,而冬季我国北方大部分地区被冰雪覆盖沙尘排放量最弱(图2),强西风急流输入大量外来(如印度塔尔沙漠和中亚沙漠)的沙尘,东亚地区整体上则扮演着沙尘净接收区(表1).

图5 十年东亚地区沙尘气溶胶排放量和沉降量的亏盈Fig.5 10-year budgets of dust aerosols between dust emissions and depositions over EastAsia

2.3 沙尘气溶胶的垂直结构变化

目前,东亚沙尘气溶胶对辐射强迫和云降水影响的不确定的关键原因之一是对其垂直分布的了解不够.GEM-AQ/EC模拟的东亚沙尘气溶胶分布提供的沙尘垂直信息要更为详细准确,对研究其源区周边及远距离传输中沙尘气溶胶辐射强迫和对云降水影响意义重大[41-42].

表1 东亚地区各月沙尘气溶胶排放(E)与沉降总量(TD)及差值(E-TD)Table 1 Monthly variations of dust aerosol emission(E)and total depositions(TD)over EastAsian

由图6可见,地面沙尘气溶胶由源区向四周扩散,其中有3个高值区：1)南亚印度半岛上的沙尘主要来自印度沙漠和伊朗高原的卢特荒漠;2)中国西北部的沙漠、戈壁和蒙古南部高原;3)南疆盆地的塔克拉玛干沙漠,其中后2个高值区对应着图1中东亚地区沙尘气溶胶的年排放量的2个高中心地区.而在6km高空的对流层中高部,大气沙尘气溶胶分布受地表源区的影响减弱,沙尘气溶胶浓度较地面低.在对流层西风的作用下沙尘由源区上空自西向东传输直至西太平洋上空形成东西向的带状态分布.气候学上,东亚沙尘在对流层中上层受中纬度西风带和冷锋作用,从源区地面扬起的沙尘能够传输到中国南方及太平洋上空,甚至能达到太平洋彼岸的美洲[43].

图6 1995～2004东亚地区表面(a)和6km(b)高度沙尘气溶胶的平均浓度Fig.6 Dust aerosol concentrations averaged over 1995～2004 at(a)surface and(b)6km in EastAsia

对 40°N(36°N～45°N 的平均)的沙尘气溶胶作垂直剖面(图 7a).它显示近地面 80°E～88°E 存在一个弱的沙尘气溶胶高值中心,位于塔克拉玛干沙漠;100°E～120°E 为强高值中心,是蒙古国南部及其邻近的地区,包括中国浑善达克、巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库不齐、毛乌素等在内的沙漠戈壁地区.这2个高值区对应着图1中东亚地区沙尘气溶胶的年排放量的2个高中心地区.沙尘由沙源地面高值区在传输过程中,大气稀释和干湿沉降,浓度逐渐减小.同时受西风影响沙尘在向东扩散的同时浓度逐渐减小,高值中心逐渐抬升,到140°E以东大气沙尘的垂直分布的高值主要集中在对流层中层5000m高度.

图7 沿40oN(a)和110oE(b)沙尘气溶胶的垂直剖面Fig.7 Vertical sections of dust aerosols along(a)40oN and(b)110oE

对 110°E(101°E～120°E 的平均)的沙尘气溶胶作垂直剖面(图7b).它显示近地面高值区为38°N～44°N,集中在对流层 3km 高度以内.沙尘向南传输集中在对流层3km高度内,存在2个高值中心,向南逐渐减弱.沙尘的向北传输主要集中在对流层中上层6～8km高度,且高值中心逐渐抬高.这表明在沙漠源区以南我国大陆大部地区,大气沙尘气溶胶垂直分布主要集中在3km高度以下的对流层低部,而在沙漠源区以北的东亚地区,为不同的沙尘气溶胶垂直分布,其高中心位于对流层中上层6～8km高度.

受东亚大气环流控制,东亚沙尘主要向南、东、北3个方向输送,东亚沙尘传输主要集中在东亚大陆对流层低层3km高度以下,各方向传输过程中大气沙尘气溶胶的垂直结构的高值中心随着传输的距离增加而逐渐升高.向南在中国南部地区沙尘垂直分布主要集中在近地面层3km高度以下,向东往西太平洋地区沙尘高中心位于在对流层中层5000m高度上下,向北沙尘垂直廓线的高值出现在在对流层中上层6～8km高度;在东亚大陆大部地区,大气沙尘垂直分布主要集中对流层低层3 km高度以下(图7).

本研究中,东亚地区沙尘气溶胶特征仅是建立在10年全球空气质量模式模拟之上.由于模式本身,地表资料及模拟时间等不确定因素的局限,东亚地区沙尘气溶胶的源汇分布和垂直分布的基本特征的认识还需要在沙尘气溶胶过程,数值模式改进和观测资料收集等基础上进一步补充和完善.

3 结论

3.1 东亚沙漠地区是东亚沙尘排放源区.其中覆盖的蒙古国南部及我国内蒙古中西部的沙漠戈壁地区是一主要源区,其起沙强度中心值达到500t/(km2·a),以浑善达克沙地和巴丹吉林沙漠起沙强度为最大.塔克拉玛干沙漠是中亚沙尘排放重要源区,其起沙高值中心也超过100t/(km2·a).

3.2 东亚地区沙尘排放和沉降有明显的季节变化,且二者的季节性周期大致相同：春季最大、夏季下降、秋季小幅度回升、冬季最小.东亚局地沙漠地区排放的沙尘主导了东亚沙尘气溶胶及其沉降的变化.东亚沙尘沉降高值区与起沙源区一致,源区及附近以沙尘干沉降为主,远距离传输到中国东北、长江以南及西太平洋包括日本、朝鲜半岛沙尘湿沉降占主导地位.

3.3 东亚地区沙尘排放量和沉降量均具有显著的年际变化,且趋势一致.1995～2004年东亚沙尘排放量和沉降量整体上为逐年增强的趋势,排放量递增率约为2.30Mt/a,总沉降量年递增率为1.03Mt.最大的净沙尘汇区在紧邻沙尘源区的黄土高原及华北平原西北部.东亚地区春夏秋3季都是沙尘的净源区,但冬季强西风急流输入大量东亚以外的沙尘,东亚地区整体上则扮演着沙尘净接收区.

3.4 在东亚大陆大部地区,大气沙尘垂直分布主要集中在3km高度以下的对流层低层,而在西太平洋地区沙尘高值中心位于对流层中层5000m高度上下,在东亚沙漠以北地区沙尘垂直廓线的高值出现在在对流层中上层6～8km高度.东亚沙尘气溶胶垂直结构区域变化对各地沙尘气溶胶辐射强迫和云降水产生不同的影响效应.参考文献：

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