塵卷風(fēng)對沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)及其與太陽輻射的關(guān)系

段佳鵬,韓永翔,趙天良,宋昊冬 (南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室,江蘇 南京 210044)

沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的主要組成部分,全球每年大約會有1000～3000Tg[1]的沙塵氣溶膠排放量,至少相當(dāng)于對流層氣溶膠總量的 50%[2],因其“陽傘效應(yīng)”[3]、“冰核效應(yīng)”[4]和“鐵肥料效應(yīng)”[5],對全球變化和環(huán)境變化具有重要的影響.以前的研究認(rèn)為大氣中的沙塵氣溶膠主要來源于沙漠地區(qū)的沙塵暴過程[6-7].受大尺度強風(fēng)天氣系統(tǒng)控制,在近地面大風(fēng)動力驅(qū)動下,沙塵暴將地面大量的沙塵粒子卷起并注入大氣中,僅亞洲沙漠地區(qū)通過沙塵暴排放到大氣中的沙塵氣溶膠每年約有800Tg[8].Han等[9]提出熱對流與塵卷風(fēng)聯(lián)合起沙機制與沙塵暴起沙機制互為補充,共同影響沙漠地區(qū)上空的沙塵氣溶膠的含量.沙塵暴雖然在春季多發(fā),并揚升大量的沙塵氣溶膠到大氣中,但是發(fā)生最嚴(yán)重的年份也僅 80次左右,仍是相對小概率事件[10].由于沙塵暴作為極端天氣事件對大氣環(huán)境和人類健康的危害嚴(yán)重及其遠(yuǎn)距離傳輸特性,目前的沙塵觀測及模擬研究主要針對沙塵暴起沙過程,卻幾乎忽略了塵卷風(fēng)熱對流等的大氣邊界層起沙過程.沙漠地區(qū)晴朗微風(fēng)天氣占絕對優(yōu)勢.在晴朗弱風(fēng)的天氣背景下,太陽輻射加大了地面感熱通量,造成近地面空氣溫度升高,在對流邊界層熱浮力驅(qū)動下,熱空氣上升而形成熱力對流[11-12].在一定的角動量條件下,形成一種旋轉(zhuǎn)上升的對流渦,能夠卷起并攜帶地面沙塵和輕小物體上升到大氣對流層中上部,稱為塵卷風(fēng),其中部分熱對流沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的塵卷風(fēng),稱為沙塵羽.據(jù)野外觀測:最大塵卷風(fēng)直徑超過100m,其持續(xù)時間超過了 30多 min[13],形成塵卷風(fēng)的速度閾值范圍是 1.5～7.5m/s[14];一個較大的沙塵羽能夠把大約3000kg的沙塵粒子帶到高空中,而一個直徑大約 100m的塵卷風(fēng)能夠把15000kg的沙塵注入到大氣中[15],炎熱夏日的沙漠地區(qū)每百平方公里可揚起沙塵約 250kg[16].研究認(rèn)為沙塵羽和塵卷風(fēng)貢獻(xiàn)了大約 35%的全球沙塵氣溶膠[15],美國大陸大約65%的沙塵釋放來自于塵卷風(fēng)和沙塵羽[17],撒哈拉沙漠超過30%沙塵被塵卷風(fēng)和干熱對流帶入到大氣[18].顯然,塵卷風(fēng)貢獻(xiàn)的大氣沙塵氣溶膠含量不容忽視.

本文依據(jù)塵卷風(fēng)熱力學(xué)理論和方法[15],利用中國北方沙漠地區(qū)地面及大氣邊界層的觀測資料,計算塵卷風(fēng)對大氣沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)并分析了塵卷風(fēng)與太陽輻射之間的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,以我國最大的沙塵源區(qū)—塔克拉瑪干沙漠為例,進(jìn)一步估計該地區(qū)塵卷風(fēng)與沙塵暴過程對大氣沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)比例.

1 研究方法與資料獲取

1.1 研究方法

塵卷風(fēng)熱對流運動的熱機理論[13]指出決定塵卷風(fēng)強度的主要因素是熱力學(xué)效率:

式中:ZCBL為對流邊界層的高度;Th為地面溫度;Γad為絕熱遞減率(Γad=10K/km).

塵卷風(fēng)發(fā)生時的有效作用面積S=S總·σ,S總為塵卷風(fēng)發(fā)生區(qū)域的總面積,σ為有效起沙面積比率[19]:

無量綱的機械能摩擦損耗系數(shù)μ≈12～24,地面到對流邊界層頂?shù)膲簭姴睢鱌=ρairgZCBL,空氣密度ρair=1kg/m3,重力加速度g=9.8g/m2,驅(qū)動塵卷風(fēng)的熱量流Fin≈(11±5)kW/m2,對流邊界層有效太陽輻射時間尺度TR≈9×105s[15].

1.2 資料的獲取

塔克拉瑪干沙漠地表溫度資料來自中國國家氣象局.太陽輻射日變化和月均變化資料分別來自極端干旱荒漠區(qū)的野外觀測試驗資料和中國國家氣象中心歸檔的原始?xì)庀笥涗泩蟊砑捌湫畔⒒a(chǎn)品.對流邊界層高度來自塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)對流邊界層高度的觀測資料[18,20-25],其中缺少2月和11月的對流邊界層高度資料(圖1),其擬合函數(shù)為:

式中:H表示對流邊界層高度;M表示月份.式(3)的擬合值與觀測值相關(guān)系數(shù)R2=0.908,通過SPSS軟件分析得Sig.=0<0.05,即擬合方程顯著.

圖1 對流邊界層高度的月變化Fig.1 Monthly changes of convective boundary layer height

2 結(jié)果分析

2.1 塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率日變化

塔克拉瑪干沙漠觀測到的塵卷風(fēng)日變化呈單峰型(表1) ,早上9:00開始出現(xiàn),13:00～15:00出現(xiàn)的最為頻繁,然后開始下降,18:00后基本沒有觀測到塵卷風(fēng)的出現(xiàn)[26].由公式(1)可知塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率是對流邊界層高度和地表溫度的函數(shù).對流邊界層高度和地溫資料來源于2000年5月29日至6月9日敦煌荒漠戈壁夏季晴天進(jìn)行的陸氣相互作用野外加強觀測實驗[27],因此利用這兩個參數(shù)可以計算出塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率日變化(表2).

由圖2可知,從9:00～13:00太陽輻射強度不斷增大,在 13:00達(dá)到最大值;從 13:00之后太陽輻射強度開始逐漸減小.在太陽加熱下,隨著地面熱量累積和釋放,地面溫度從9:00～14:00不斷升高,在14:00時達(dá)到了最大值,14:00之后開始逐漸降低.熱力學(xué)效率從 9:00～14:00迅速增大,在14:00達(dá)到了最大值,14:00～17:00迅速減小.對流邊界層高度和地表溫度是決定塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率的主要因素,而對流邊界層高度依賴于地表及太陽的加熱的作用[27],所以在 14:00地表溫度、對流邊界層高度和熱力學(xué)效率同時達(dá)到了最大值,但滯后太陽輻射強度 1h.另外,計算的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率同觀測的塵卷風(fēng)日變化基本一致,表明利用公式計算的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率可大體反映真實塵卷風(fēng)的日變化.

表1 塵卷風(fēng)發(fā)生頻率百分?jǐn)?shù)(當(dāng)?shù)貢r間)Table 1 The percentages of dust devil occurrences in the local time

表2 塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率日變化Table 2 Diurnal changes of thermodynamic efficiency

2.2 塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率季節(jié)變化

據(jù) 1964～1970年南疆戈壁灘上塵卷風(fēng)發(fā)生的統(tǒng)計資料(表 3)知:塵卷風(fēng)主要出現(xiàn)在暖季,其中 5～8月次數(shù)最多,而 12月到次年1月幾乎絕跡[26].塔克拉瑪干沙漠塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率見表 3,其中4月～6月的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率分別為11%、11.7%和12.2%,美國亞利桑那州圖森地區(qū)4月～6月的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率分別為 10%、10%和12%[15],兩地計算得出的熱力學(xué)效率值非常接近,說明本文對流邊界層高度的擬合數(shù)據(jù)具有一定有效性.

圖2 塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率與地表溫度、太陽輻射強度Fig.2 Diurnal changes of thermodynamic efficiency of dust devils, surface temperature and solar radiation

表3 塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率和發(fā)生次數(shù)的月變化Table 3 Monthly changes of thermodynamic efficiency and number of dust devil

由圖 3可知,太陽輻射強度從春季到夏季不斷增大,在春末和夏初達(dá)到最大值,進(jìn)入秋冬季節(jié)后開始逐漸減小.塵卷風(fēng)的熱力學(xué)效率月變化緊密依賴于太陽輻射強度同樣有顯著的季節(jié)性變化規(guī)律:從冬季到夏季熱力學(xué)效率逐月不斷增大,并在夏季 7月份達(dá)到最大值 12.5%,進(jìn)入秋季后逐月減小,在冬季12月份達(dá)到了最小值2.2%.塵卷風(fēng)的熱力學(xué)效率與太陽輻射強度變化[28]保持了較好的同步性.

2.3 塵卷風(fēng)和沙塵暴起沙量的比較

一個標(biāo)準(zhǔn)的塵卷風(fēng)和沙塵羽的平均垂直起沙通量分別為 0.7g/(m2·s)和 0.1g/(m2·s),最大起沙通量和最小起沙通量分別為 1.13g/(m2·s)和0.47g/(m2·s)[15].因塵卷風(fēng)主要出現(xiàn)在白天,所以本文用晝長代表塵卷風(fēng)的起沙時間.塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率由公式(1)計算得出,有效起沙面積比率由式(2)計算得出,有效起沙面積由塔克拉瑪干沙漠總面積(大約33.76×1010m2)與有效起沙面積比率相乘得出,利用塵卷風(fēng)的以上參數(shù)和垂直起沙通量進(jìn)行估算塵卷風(fēng)在塔克拉瑪干沙漠起沙量的月變化(表4).在塔克拉瑪干沙漠中塵卷風(fēng)在不同季節(jié)的平均起沙量分別為:夏季 0.4×108t、春季0.3×108t、秋季 0.2×108t、冬季 0.1×108t.塵卷風(fēng)的年均起沙量、最大起沙量和最小起沙量分別為1.1×108t,1.5×108,0.6×108t.

由圖 4可知,塵卷風(fēng)的起沙量有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,春季到夏季起沙量不斷增大,并且在夏季 7月達(dá)到了最大值,進(jìn)入秋冬季節(jié)后起沙量顯著減小.地面溫度與塵卷風(fēng)起沙量的月變化保持了顯著的一致性關(guān)系,可以斷定:依賴于太陽輻射強度,塵卷風(fēng)起沙量有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律.

圖3 熱力學(xué)效率與太陽輻射強度月變化Fig.3 Monthly changes of thermodynamic efficiency of dust devils and solar radiation太陽輻射強度來源于文獻(xiàn)[26]

表4 塵卷風(fēng)月起沙量Table 4 Monthly dust aerosol emissions estimated dust devils

沙塵暴是沙漠地區(qū)特有的天氣現(xiàn)象,在塔克拉瑪干沙漠沙暴日數(shù)為 5～60d.在塔克拉瑪干沙漠腹地,68%沙塵暴發(fā)生在 4～7月份,20%左右發(fā)生于夏季末和秋季,10%以下出現(xiàn)在冬季[29],但其每次發(fā)生的持續(xù)時間不同.在1997～2002年這6a中,共發(fā)生沙塵暴 88次,總持續(xù)時間為 306.61h,年平均為 51.10h[30].沙漠中的平均垂直輸沙通量的計算差異非常大,從最大 40.07×10-7kg/(m2·s)(塔克拉瑪干沙漠腹地塔中,2008年7月19日)[31]到最小 9.95×10-9kg/(m2·s)(敦煌,2002 年 4 月 8日)[32],相差近 3個數(shù)量級,因無實際觀測的垂直輸沙通量,所以無法斷定哪個更符合實際,但后者同其他地區(qū)在沙塵暴期間計算的輸沙通量更接近,如 1.58×10-8kg/(m2·s)(敦煌,2002 年 4 月 13日)[32]、7.52×10-8kg/(m2·s)(朱日和,2006 年 3 月26日)和4.27×10-8kg/(m2·s)(朱日和,2006年4月6日)[33].雖然無法確定塔克拉瑪干沙漠沙塵暴期間平均垂直輸沙通量的具體數(shù)值,但根據(jù)以上文獻(xiàn),可大體估算出塔克拉瑪干沙漠中沙塵暴的垂直起沙量的變化范圍(表5).

圖4 塵卷風(fēng)起沙量和地面溫度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of dust emission from dust devils and surface temperature

表5 塔克拉瑪干沙漠沙塵暴的年起沙量Table 5 Dust aerosol emissions from dust storms averaged over the Taklimakan desert

假定沙塵暴波及整個塔克拉瑪干沙漠,那么計算得出塔克拉瑪干沙漠中沙塵暴可能的年最大起沙量為 2.5×108t,而最小的年起沙量為0.6×106t.塵卷風(fēng)的年最大起沙量為1.5×108t,最小起沙量為 0.6×108t,塵卷風(fēng)起沙量與沙塵暴最大垂直輸沙通量計算的年起沙量相當(dāng),但比其余垂直輸沙通量計算的年起沙量大 2個量級,因此塵卷風(fēng)對中國北方沙塵氣溶膠總量的貢獻(xiàn)具有非常重要的作用.

3 結(jié)論

3.1 依賴于太陽輻射強度變化,塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率有明顯的日和季節(jié)性變化.塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率日變化:熱力學(xué)效率從 9:00～14:00迅速增大,14:00達(dá)到最大值,14:00～17:00迅速減小,有與地面溫度同步的日變化規(guī)律,且同觀測的塵卷風(fēng)日變化基本一致;塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率季節(jié)變化:從冬季到夏季熱力學(xué)效率逐月不斷增大,并在夏季7月份達(dá)到最大值,然后進(jìn)入秋季和冬季之后開始逐月減小,在冬季12月份達(dá)到了最小值.

3.2 塵卷風(fēng)對沙塵氣溶膠總量的貢獻(xiàn)具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律:塵卷風(fēng)在夏季對大氣沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)量最大,其次是春季和秋季,冬季貢獻(xiàn)最小,其與太陽輻射強度及地面溫度保持了同步的季節(jié)變化.

3.3 塔克拉瑪干沙漠中,沙塵暴可能的年最大起沙量為 2.5×108t,最小的年起沙量為 0.6×106t;塵卷風(fēng)的年均起沙量為 4.0×106t,與沙塵暴的年起沙量大體相當(dāng),因此塵卷風(fēng)貢獻(xiàn)的大氣沙塵氣溶膠不容忽視.

[1]Zender C S, Miller R L, Tegen I. Quantifying mineral dust mass budgets: terminology, constraints and current estimates [J]. Eos.,2004,85,(45):522.

[2]Cakmur R V, Miller R L, Periwitz J, et al. Constraining the magnitude of the global dust cycle by minimizing the different between amodel and observations [J]. J. Geophys. Res., 2006, 111,doi:10.1029/2005JD005791.

[3]魏 麗,沈志寶.大氣沙塵氣溶膠輻射特性的衛(wèi)星觀測 [J]. 高原氣象, 1998,17(4):347-355.

[4]王明星,張仁健.大氣氣溶膠研究的前沿問題 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2001,6(1):119-124.

[5]Han yongxiang, Fang xiaomin, Xi xiaoxia, et al. Dust storm in asia continent and its bio-environmental effects in the northpacific: A case study of the strongest dust event in april, 2001 in central Asia [J]. Chinese Scinece Bullrtin, 2006,51(6):723-730.

[6]Ginoux P, Chin M, Tegen I, et al. Source and distributions of dust aerosols simulation with the GOCART model [J]. J. Geophy. Res,2001,106,20,255-273.

[7]李嘉偉,韓志偉,張仁健.2010年春季東亞地區(qū)沙塵氣溶膠和PM10的模擬研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(10):1600-1608.

[8]Zhang X Y, Arimoto R,An Z S.Dust emission from Chinese desert sources linked to variations in atmospheric circulation [J]. Joumal of Geophysical Research, 1997,102,(D23):25041-28047.

[9]Han Y, Dai X, Fang X, et al. Dust aerosol: A possible accelerant for an increasingly arid climant in North China [J]. Journal of Arid Environments, 2008,72(8):1476-1489.

[10]周自江,王錫穩(wěn),牛若蕓.近 47年中國沙塵暴氣候特征研究 [J].應(yīng)用氣象學(xué)報, 2002,13(2):193-200.

[11]鄧祖琴,韓永翔,白虎志,等.中國北方沙漠戈壁區(qū)沙塵氣溶膠與太陽輻射的關(guān)系 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(11):1761-1767.

[12]王民俊,韓永翔,鄧祖琴,等.全球主要沙源區(qū)沙塵氣溶膠與太陽輻射的關(guān)系 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(4):577-583.

[13]Snow J T, McClelland T M. Dust devils at White Sands Missile Range, New Mexico: 1. Temporal and spatial distributions [J].Geophys. Res., 1990,95(13):707–13,721.

[14]Oke A M C, Tapper N J, Dunkerley D.Willy-willies in the Australian landscape: The role of key meteorological variables and surface conditions in defining frequency and spatial characteristics [J]. Journal of the Arid Enviornments, 2007,71:201-215.

[15]Koch J, Renno N O. The role of convective plumes and vortices on the global aerosol budget [J]. Geophysical Research Letters,2005,32(18):L18806 (1-5).

[16]Hall F F. Visibility reductions from so. 1 dust in the western united states [J]. Atmos. Environ., 1981,15;1929-1933.

[17]Gillette D, Sinclair P C. Estimation of suspension of alkaline material by dust devils in the United States [J]. Atmos. Environ.,1990,24:1135-1142.

[18]Marsham J H, Parker D J, Grams C M, et al. Observation of mesoscale and boundary-layer circulations affecting dust uplift and transport in the Saharan boundary layer [J]. ACPD,2008,8:8817-8846.

[19]Renno N O, Ingersoll A P. Natural convection as a heat engine: A theory for CAPE [J]. J. Atmos. Sci. 1996,53:572-585.

[20]喬 娟,張 強,張 杰,等.西北干旱區(qū)冬、夏大氣邊界層結(jié)構(gòu)對比研究 [J]. 中國沙漠; 2010,(02):422-430.

[21]李巖瑛,張 強,薛新玲,等.民勤大氣邊界層特征與沙塵天氣的氣候?qū)W關(guān)系研究 [J]. 中國沙漠, 2011,(03):757-764.

[22]張 強,張 杰,喬 娟,等.我國干旱區(qū)深厚大氣邊界層與路面熱力過程的關(guān)系研究 [J]. 中國科學(xué), 2011,41(09):1365-1374.

[23]張 強,衛(wèi)國安,侯 平.初夏敦煌荒漠戈壁大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征的一次觀測研究 [J]. 高原氣象, 2004,(05):587-597.

[24]惠小英,高曉清,韋志剛,等.利用探空氣球升速判定敦煌夏季白天邊界層高度的分析 [J]. 高原氣象, 2011,30(03):614-619.

[25]劉明星.戈壁下墊面夏冬季大氣邊界層結(jié)構(gòu)及演變特征的對比研究 [D]. 北京:北京大學(xué), 2008:35-47.

[26]樂 之.南疆戈壁灘上的塵卷風(fēng) [J]. 氣象,1983,(4):33.

[27]張 強,趙映東,王 勝,等.極端干旱荒漠區(qū)典型晴天大氣熱力邊界層結(jié)構(gòu)分析 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2007,22(11):1150-1157.

[28]鄧祖琴,韓永翔,白虎志,等.沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠含量變化的原因分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(12):1233-1238.

[29]李 虎,李 霞,肖繼東,等.塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴的遙感監(jiān)測 [J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1999,22(3):219-223.

[30]李生宇,雷加強,徐新文,等.塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴特征——以塔中地區(qū)為例 [J]. 自然災(zāi)害學(xué)報, 2006,(02):14-19.

[31]楊興華,何 清,艾力?買買提明.塔中地區(qū)一次沙塵暴過程的輸沙通量估算 [J]. 干旱區(qū)研究, 2010,(06):969-974.

[32]沈志寶,申彥波,杜明遠(yuǎn),等.沙塵暴期間戈壁沙地起沙率的觀測結(jié)果 [J]. 高原氣象, 2003,22(6):545-550.

[33]沈建國,孫照渤,章秋英,等.干旱草原地區(qū)起沙通量的初步研究[J]. 中國沙漠, 2008,28(6):1045-1049.