黄土高原黄土的成因:沙尘气溶胶源汇模拟与黄土堆积

刘唯佳,韩永翔,赵天良 (南京信息工程大学,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044)

黄土高原黄土的成因:沙尘气溶胶源汇模拟与黄土堆积

刘唯佳,韩永翔*,赵天良 (南京信息工程大学,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044)

黄土高原是重要的降尘区还是沙尘源区这一科学问题至今未有确切定论.本文利用北半球气溶胶区域气候模式 NARCM,根据1995～2004年10a的模拟数据,分析了中国区域沙尘起沙量、沉降量以及沙尘的盈亏空间分布及风场,得到如下结论:1)沙漠及沙漠化地区是起沙量最大的区域、沉降量高值区集中在沙漠、沙漠化地区及其下风方向.黄土高原起沙量很小,而沉降量远大于起沙量.2)沙尘源区是沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘汇区,降尘量由西北向东南递减.3)黄土高原因太行山和秦岭阻挡,处在最大的沙尘汇区.黄土高原的黄土是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果,模拟分析结论为黄土的风成学说提供了有力的证据.

黄土；沙尘气溶胶模拟；沙尘盈亏；风成说

气候变化目前已成为科学研究的热点问题,而黄土作为第四纪冰期的一种产物,可以从中提取古气候变化信息,这使得黄土成为与深海沉积、极地冰芯同等重要的古环境三大支柱记录之一[1],并建立了黄土-冬季风体系,其黄土堆积的粒度指标被认为揭示了搬运粉尘风动力变化及沉积环境变化,也即可反映东亚冬季风的演化与沙尘暴的发育历史[2].中国的黄土高原是世界上黄土分布最广、厚度最大的地区,关于它的成因问题引起了地学界的广泛关注,并且出现了20余种学术观点的激烈争论[3],主要有风成说、水成说、洪积说、冲积说、土壤说、残积说、宇宙说、多成因说等 8种假说[4].在众多假说中,风成说是黄土形成的主要成因这一观点被大多数科学家所接受,认为荒漠地区是黄土物质的源地,在沙尘暴的作用下,沙尘经释放、搬运后,通过沉降作用形成降尘长年累月经土壤的再生作用就形成了厚厚的黄土.另外,有学者认为黄土高原不但是一个重要的降尘区,而且其自身也是北半球沙尘的一个重要源区[5].然而风成说的主要依据主要来自黄土的地理分布及分带特征、黄土厚度的规律分布以及黄土的物质成分和结构等[3,6],本质上仍是点对点的研究,在空间上缺乏整体性和连贯性,同时也无法回答黄土高原是重要的降尘区还是重要沙尘源区这一科学问题.

本文利用北半球气溶胶区域气候模式NARCM,根据1995～2004年10a沙尘气溶胶模拟结果及风场的变化与黄土主要分布区进行了比对,建立沙尘沉降盈亏与黄土之间的关系,结合他人的研究及观测结果[7-13],进而为黄土的风成说提供证据,也试图对黄土高原到底是沙尘的源区还是汇区这一科学问题进行探讨,旨在为黄土反演的气候变化研究提供理论依据.

1 NARCM气溶胶模式介绍

采用北半球气溶胶区域气候模式 NARCM (The Northern Aerosol Regional Climate Model),该模式是加拿大区域气候模式 RCM(The Canadian Regional Climate Model)与耦合气溶胶模块CAM(Coupled Aerosol Mudule)的结合体[14], RCM包括来自于加拿大全球气候模式中的物理包[15]、加拿大的地表计划CLASS(Canadian Land Surface Scheme)[16],以及用于研究动力学和被动示踪剂的半拉格朗日和半隐式运输计划[17].在CAM 中,一种尺度分离的多元气溶胶的质量守恒方程表示如下[14]:

式(1)右端各项分别为:沙尘的传输项、源项、干洁大气项、干沉降项以及湿沉降项(云内项和云下清除项).传输过程包括已经解决的动力难题,还包括对流和子湍流扩散等.

NARCM囊括了大气气溶胶的所有流程:产生、传输、发展、结合、干湿沉降,以及解决云滴与气溶胶之间的相互作用的一个明确的微物理云模块.模式中包括了粉尘排放量、浓度及沉降量在内的所有大气气溶胶的变量.该模式域覆盖了北半球诸多地区,包含东亚、北太平洋以及北美洲西部在内[14,18],时间积分步长是 20min,所有气溶胶的粒径分布是用从0.01µm到40.96µm的12个径级来区别的[18].NARCM中的土壤质地尺度分布模块[19-21],根据中国土壤质地而改进,该土壤质地包含12大类的粒度分布以及3个典型时期(1960s～70s、1980s～90s和21世纪)中国最新沙漠分布情况[14,22].由沙漠质地分布、卫星获得的土地的利用情况和粗糙度长度、以及观测到的土壤湿度综合而成的数据,为东亚沙尘的释放量模式提供了一种连贯的参数输入设置法.本文利用NARCM 1995～2004年的模拟数据,着重分析了中国区域沙尘起沙量、沉降量以及沙尘的盈亏空间分布及风场的特征.

2 结果分析

2.1 春季沙尘释放和沉降变化特征

释放量是指从地面向上传输的沙尘总量,即起沙量.不同时间沙尘释放量不同,主要取决于沙漠地区的近地面风力、沙源分布、地表植被和湿度等要素的变化[14,23].春季为我国沙暴多发的季节,利用北半球气溶胶区域气候模式NARCM模式获得了1995～2004年春季沙尘起沙量月平均的空间变化特征(图 1).分析模式模拟的结果表明:我国沙尘起沙源区主要集中在塔克拉玛干沙漠、浑善达克、巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库不齐、毛乌素等沙漠及沙漠化地区,有学者指出,以塔克拉玛干沙漠为主体的中国西部沙漠源区、蒙古源区、和以巴丹吉林沙漠为中心的中国北部沙漠源区贡献了亚洲沙尘释放总量的约 70%,它们可视为亚洲沙尘的3个贡献量最大的源区,也可视为是黄土高原黄土物质的主要源地[24-25],模式模拟的沙尘源区与中国主要沙漠及沙漠化地区的分布几乎完全重合.同时,沙尘起沙量和覆盖区域都在 4月达到最大,3月份的起沙区域明显偏小,起沙量与5月份大体相当,这一结果同观测的4月沙尘暴最多的结论是一致的[13].这些事实说明模式模拟的结果能够较真实地反映沙尘的源地.黄土高原的沙尘起沙量约为(50±5)t/km2.

沙尘粒子通过干沉降和湿沉降两种途径从大气中清除出去.干沉降是指悬浮于大气中的气溶胶粒子不断被下垫面吸收或吸附,形成持续向地面迁移的过程[26];而湿沉降是指悬浮于大气中的各种粒子由于降水冲刷而沉降的过程,气体和微粒在云内和云下的清除主要以湿沉降为主[26].由1995～2004年春季总沉降(即干湿沉降之和)月平均的空间变化特征(图1)看出,因为沙尘起沙进入大气后随风向下游扩散并沉降,且半径大于l0µm 的较大粒子主要沉降在源区及其附近,远距离传输的主要是半径小于l0µm的较小粒子[27],沙漠地区大部分大于l0µm的粒子又沉降到沙漠里,所以,沙尘沉降高值区与起沙量高值区的位置基本一致,且分布在其下风方向,但其高值区的沉降量仅是起沙量高值区的一半左右.同时,在沙源区的下风方向,沙尘沉降量随着距沙源区距离的增大而逐渐递减,沉降量的范围扩展到了中国大部分地区.与沙尘起沙量的月变化一样,4月的沉降量最大,3月和5月相当.黄土高原沙尘的沉降量约为(100±10)t/km2.

图1 中国春季1995～2004年3～5月月平均起沙量(左)和总沉降(右)空间分布Fig.1 Spatial distribution of monthly dust emissions (left) and total depositions (right) in China from March to May over 1995～2004

从图 1中黄土高原春季起沙量和总沉降量来看,黄土高原的起沙量较小且局限于高原的西北部一小块地方,而沉降范围则覆盖整个高原地区且其沉降量远大于起沙量.对比起沙量和总沉降的空间分布,除沙漠及沙漠化地区以外,其余地区沉降量也远大于起沙量.

2.2 沙尘的盈亏及风场分析

春季虽然是沙尘暴最为频繁的季节,但其他月份仍有沙尘暴的发生.为了更准确地了解黄土高原的沙尘的盈亏情况,我们计算了 1995～2004年 10a的年平均沙尘盈亏(图2),即沙尘总起沙量减去总沉降量.沙尘盈亏的分布特征可以清晰地反映出沙尘的源汇区.从图中可以看出在整个中国范围内,沙尘盈余的区域(源区,起沙量大于沉降量)与地面沙尘起沙量、沉降量高值区相对应并有所扩大,也即沙尘源区主要出现在我国的沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘亏缺的区域(汇区,起沙量小于沉降量),沙尘汇区的面积远大于沙尘源区,且呈现出极其明显的沙尘堆积离沙源越远厚度越薄的现象.受中纬度西风环流控制的影响,沙尘汇区呈明显的东西走势,而且均以片状分布在起沙区的下风方向.有两个大的沙尘汇区,其最大的沙尘汇区集中在紧邻沙尘源区的黄土高原及华北平原西部,该沉降区其南端甚至扩展到长江中游地区,东部也一直延伸到长白山一带.另一个沙尘汇区位于塔克拉玛干沙漠与昆仑山脉之间,沉降量较小.除了上述的两类区域外,中国其他地方的起沙量和沉降量几乎是平衡的,因此没有表现出明显的源汇区.黄土高原的北部区域正是处在最大的沙尘汇区之中,也即它是沉降沙尘最大的地区之一.从2012年黄土高原东部18个监测点观测到的大气降尘量的空间分布来看[13],降尘量由北向南呈递减的趋势,与图 2中年平均沙尘盈亏的趋势是一样的,也即沙尘离沙源越远厚度越薄.与2012年观测实况相比,本文模拟的空间较观测的空间更加广大,结论更具有普遍性.观测与模拟的相同结果为黄土的风成学说提供了有力的证据.

图2 中国地区10年沙尘气溶胶释放量和沉降量的盈亏Fig.2 10-year budgets of dust aerosols between dust emissions and depositions in China

图3 1961～2010年3～5月份近地面平均风场Fig.3 March-to-May average surface wind field over 1961～2010

结合50a春季平均风场(图3)可以发现,我国中高纬度地区春季整体吹的是偏西风和偏北风,沙尘粒子在风力的作用下向东向南输送,但因近乎南北向太行山脉和东西向秦岭山脉阻挡作用,形成的一个半封闭的区域,因地面风速在遇到山脉时速度被削减得很快,因此在太行山以西、秦岭以北的地区(即黄土高原及其西北部)形成了一个弱风区,使那些被风携带的大量沙尘粒子通过重力沉降(大颗粒)或者受到山脉地形的阻曳而沉降,而通过吸附作用小粒子也慢慢沉降下来.由此可见,经过千百万年漫长的积累,堆积的沙尘经过土壤的再生作用就形成了黄土高原.

3 讨论

黄土高原是世界上黄土分布最广、厚度最大的地区,也即应该是沙尘汇区量值最大的区域,模拟的黄土高原的西北部区域正是处在最大的沙尘汇区之中(图 2),与实际黄土分布对比发现,高原东南部并不处在最大的沙尘汇区之中.但该模拟结果只能代表从1995～2004年这10a中落到地面的沙尘平均净沉降量,而这期间的温度比较高,在气候学上属于间冰期.在间冰期,亚洲中高纬地区的温度明显升高,中国南北方温差也随之减小,冷空气活动不再频繁发生,沙尘暴强度也明显减小.而西伯利亚高压和阿留申低压的减弱,使得冷空气在进入东亚时,不仅强度已明显减小,而且在很多情况下是从偏东北方向的路径入侵的[28].即沙尘的来源主要以北部的沙漠地区(蒙古中西部地区)为主,这就导致了沙尘暴的中心向北偏移[29],进而导致黄土高原的沙尘沉降分布向西北收缩且沉降量较小.而黄土是千百万年经过漫长的年代经土壤的再生作用才形成,也即它不但有间冰期,还有冰期.冰期时的气候比现在冷干得多[30-32],气候带均依次向南推移,而且当时中国大陆上的风力也比现在要大,主要以西北方向的风为主.南北方温差的增大,导致沙尘暴频繁发生,而且沙尘的来源以中国西部沙漠地区占据主导地位[33],沙尘源区的扩大将导致黄土高原上比间冰期有更多更厚的黄土沉积[33]且向东南扩张,扩张遇到太行山、秦岭受阻而止.今天我们看到黄土高原区域是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果.本文虽然没有冰期的模拟结果,但根据前人的研究成果,黄土为风成的结论仍然成立.因模式的分辨率较粗,退化草地、弃耕农田、干河床等高起沙量区域没有做详细分析,有待以后的研究.

4 结论

4.1 沙漠及沙漠化地区是起沙量最大的区域、沉降量高值区分布在沙漠及沙漠化地区及其下风方向.黄土高原春季沙尘起沙量(50±5)t/km2、沉降量(100±10)t/km2,表明黄土高原起沙量很小,而沉降量远大于起沙量.

4.2 中国沙尘源区主要出现在沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘汇区,沙尘汇区的面积远大于沙尘源区,降尘量呈由北向南递减的趋势.黄土高原因太行山和秦岭阻挡,处在最大的沙尘汇区,且呈现出明显的沙尘堆积离沙源越远厚度越薄的现象.

4.3 黄土高原的黄土是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果,模式分析结论为黄土的风成学说提供了有力的证据.

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The causes of loess formation over Loess Plateau: simulated dust aerosol sources and sinks and loess accumulation.

LIU Wei-jia, HAN Yong-xiang, ZHAO Tian-liang (Climate and Weather Disasters Collaborative Innovation Center, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3041～3046

There is a scientific debate argument whether Loess Plateau is an important region of dust aerosol sinks or sources. Based on the 10-year (1995～2004) aerosol simulations of the northern aerosol regional climate model NARCM, the spatial distribution of dust aerosol emissions, depositions and budgets as well as wind field were analyzed. The simulation analysis showed 1) the highest dust emissions appeared in the desert and desertification areas, while the highest dust depositions were concentrated over the desert and desertification areas as well as their immediately downwind region.The dust depositions largely exceeded the dust aerosol emission in Loess Plateau with the low dust emissions. 2) Desert and desertification area were the main dust sources, the rest of areas were dust sinks. Dust depositions declined from the northwest to the Southeast.3) Due to the barrier of the Taihang and Qinling Mountains, the Loess Plateau was the largest dust sink region with the highest depositions. The loess over Loess Plateau was accumulated by dust depositions over the long term evolution of glacial and interglacial periods. The dust aerosol simulation provided a solid evidence for the theory of eolian loess.

loess；dust aerosol simulation；budgets of dust；formation of eolian loess

X513

A

1000-6923(2014)12-3041-06

刘唯佳(1990-),女,辽宁朝阳人,南京信息工程大学硕士研究生,主要从事气候变化的研究.

2014-03-25

国家自然科学基金资助项目(41375158,41030962, 41175093)

* 责任作者, 教授, han-yx66@126.com