干旱半干旱地區(qū)塵卷風(fēng)研究進展

欒兆鵬，趙天良*，韓永翔，楊興華，LIU Feng，何　清，劉　沖

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，中國氣象局氣溶膠—云—降水重點開放實驗室，江蘇　南京210044；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆　烏魯木齊830002；3.伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校，美國　伊利諾伊　香檳　61820）

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干旱半干旱地區(qū)塵卷風(fēng)研究進展

欒兆鵬1，趙天良1*，韓永翔1，楊興華2，LIU Feng3，何清2，劉沖1

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，中國氣象局氣溶膠—云—降水重點開放實驗室，江蘇南京210044；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校，美國伊利諾伊香檳61820）

摘要：塵卷風(fēng)是一種發(fā)生在對流邊界層的垂直渦旋，多發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)，其旋轉(zhuǎn)過程中強上升氣流攜帶大量沙塵粒子，成為沙塵氣溶膠排放的一個重要起沙過程。然而，相對于沙塵暴研究，目前對塵卷風(fēng)及大氣邊界層的起沙過程的認知相當(dāng)有限。從塵卷風(fēng)發(fā)生的時空變化、邊界層特征、形成原因和輸沙量4個方面對塵卷風(fēng)當(dāng)前研究狀況進行總結(jié)，并指出當(dāng)前塵卷風(fēng)研究重點及未來研究方向。

關(guān)鍵詞：塵卷風(fēng)；沙塵粒子；邊界層特征；輸沙量；研究進展

欒兆鵬，趙天良，韓永翔，等.干旱半干旱地區(qū)塵卷風(fēng)研究進展[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：1-8.

大氣中懸浮的沙塵氣溶膠是全球氣溶膠中最重要的組成部分，約占全球自然氣溶膠總量的三分之一（IPCC，2013），自然界沙塵全球年排放量約1000～ 4000 Tg[1-2]。大氣中的沙塵氣溶膠能夠削弱到達地面的太陽輻射，使地面接收的太陽能減少，并且作為云凝結(jié)核、冰核對云和降水產(chǎn)生影響，從而對區(qū)域以及全球氣候變化產(chǎn)生極其重要的影響[3]。地面沙塵在卷起過程中，會對區(qū)域及全球環(huán)境產(chǎn)生影響，而大氣中的沙塵氣溶膠隨大氣環(huán)流傳輸，則將地球系統(tǒng)有機結(jié)合起來，成為研究全球環(huán)境效應(yīng)的重要紐帶[4]，同時沙塵氣溶膠能夠改變大氣化學(xué)過程，進而影響反應(yīng)性氣體及溫室氣體的濃度和分布，甚至有研究認為，沙塵氣溶膠能夠和大氣中溫室氣體相互作用，從而減弱由溫室氣體造成的全球溫度升高現(xiàn)象，成為全球氣候變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。因此，沙塵氣溶膠研究成為地球科學(xué)尤其環(huán)境變化領(lǐng)域的一個熱點問題。

沙塵氣溶膠的來源包括背景沙塵氣溶膠和沙塵暴揚起的氣溶膠。其中背景沙塵氣溶膠指太陽輻射的熱力作用、陣風(fēng)以及人類活動等排放至空氣中的沙塵氣溶膠，沙塵暴由于能夠攜帶巨量沙塵氣溶膠而一度被認為是空氣中沙塵氣溶膠的主要來源，但目前全球沙塵暴模擬中，普遍存在模擬的沙塵通量遠小于觀測值的現(xiàn)象[6]。然而，目前沙塵氣溶膠模式基本上僅僅考慮沙塵暴的沙塵氣溶膠起沙過程。與沙源區(qū)起沙的沙塵暴等天氣現(xiàn)象相比，發(fā)生頻率最高的是塵卷風(fēng)。因此，塵卷風(fēng)的觀測研究有助于完善沙塵氣溶膠模式，更完整地模擬大氣氣溶膠極其環(huán)境氣候效應(yīng)，同時塵卷風(fēng)將沙漠地區(qū)大量沙塵粒子傳入高空，與沙塵暴和低風(fēng)（<7 m/s）傳沙提供了一種互補機制。

塵卷風(fēng)（圖1）是一種發(fā)生在對流邊界層的垂直渦旋，多呈柱狀或倒錐狀，其形成的主要原因為太陽照射造成地表受熱不均勻，在浮力作用下形成熱力對流，在一定的角動量條件下，形成一種旋轉(zhuǎn)上升的對流渦[7]，因其旋轉(zhuǎn)過程中能夠攜帶大量沙塵粒子至高空而可見。國外對于火星包括地球塵卷風(fēng)研究較多[8-9]，火星在軌衛(wèi)星以及著陸探測器發(fā)現(xiàn)火星上塵卷風(fēng)發(fā)生頻率極高[10-11]，對于火星塵卷風(fēng)研究當(dāng)前多利用星載相機、遙感設(shè)備等獲得高分辨率塵卷風(fēng)圖像、地表圖以及氣象數(shù)據(jù)并加以分析[8，12，13]，而火星塵卷風(fēng)結(jié)構(gòu)以及輸沙量等方面的研究也促進了地球塵卷風(fēng)研究[14-15]。國內(nèi)對于塵卷風(fēng)研究起步較晚，甚至還沒有對塵卷風(fēng)進行系統(tǒng)觀測[16-17]，因此有必要對目前塵卷風(fēng)研究進展進行總結(jié)，為將來塵卷風(fēng)研究提供基礎(chǔ)。

1　塵卷風(fēng)發(fā)生時空變化特征

1.1空間分布特征

塵卷風(fēng)多發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)[18]，其形成條件包括以下幾個方面：大氣中干對流渦旋的形成主要受熱對流浮力和摩擦耗散的影響[19]，研究表明，當(dāng)w*/u*>5.0時，更容易形成塵卷風(fēng)，也就是說高對流邊界層尺度同時地表較平滑的條件下更容易形成塵卷風(fēng)[20]；同時日照造成的大氣超絕熱減溫率也是塵卷風(fēng)形成的必要條件[20]，在超絕熱減溫率大氣條件下地表更容易形成熱對流泡，在浮力作用下熱對流泡上升，其底部中心位置形成小的渦旋[16]，當(dāng)?shù)乇碛猩硥m粒子時，小的渦旋將周圍沙塵粒子卷起，并逐漸增大，形成肉眼可見的塵卷風(fēng)，因此地表充足的沙塵源也是塵卷風(fēng)形成的必要條件之一。目前對塵卷風(fēng)進行觀測研究的區(qū)域包括美國西南部、非洲、澳大利亞、南美、中東、中國、加拿大亞北極[21-22]，其中絕大部分研究區(qū)域都是沙漠區(qū)或荒漠地帶，Jemmett-Smith etal.[2]利用氣象數(shù)據(jù)判別全球塵卷風(fēng)分布，指出全球塵卷風(fēng)最活躍的地區(qū)為紅海海岸的阿拉伯半島和南美阿塔卡馬沙漠，結(jié)合當(dāng)前塵卷風(fēng)研究的主要區(qū)域以及全球沙塵源區(qū)分布[20]，可以粗略地得出塵卷風(fēng)發(fā)生頻率較高的地區(qū)主要位于美國西南部沙漠區(qū)、阿拉伯半島沙漠區(qū)、中國西北部沙漠—荒漠區(qū)、南美西海岸沙漠區(qū)以及澳大利亞沙漠區(qū)。

1.2時間分布特征

塵卷風(fēng)的發(fā)生具有突發(fā)性、移動性以及移動路徑的不確定性等特性，目前很難準確預(yù)測塵卷風(fēng)何時發(fā)生。對于不同強度塵卷風(fēng)，其尺度大小也不盡相同，高度從幾米至千米以上均被觀測到過[23-24]，不同尺度塵卷風(fēng)的生命周期也不相同，多數(shù)塵卷風(fēng)的生命周期是在30 min以內(nèi)，但也有觀測發(fā)現(xiàn)塵卷風(fēng)能夠持續(xù)數(shù)小時[21]。

通過對塔克拉瑪干沙漠肖塘地區(qū)塵卷風(fēng)觀測發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)塵卷風(fēng)多發(fā)生在12:00—18:00（BT），其中高發(fā)時段為14:00—15:00（BT），主要原因在于該時間段內(nèi)該地區(qū)太陽照射強烈，地表溫度急劇升高，從而創(chuàng)造出形成塵卷風(fēng)的初始條件[18，20，23]。一般情況下，塵卷風(fēng)多在夏季出現(xiàn)，當(dāng)塵卷風(fēng)出現(xiàn)時，發(fā)生時間段約8 h[10，23，25]。表1為當(dāng)前文獻中塵卷風(fēng)出現(xiàn)時間總結(jié)[20，23，25-28]，從中可以發(fā)現(xiàn)，塵卷風(fēng)出現(xiàn)的時間多在11:00—17:00，其中高發(fā)時間段約為14:00—15:00，且多在5—8月出現(xiàn)，當(dāng)冷空氣經(jīng)過較暖地表時，也會在春冬季偶爾出現(xiàn)塵卷風(fēng)[21]。

表1　塵卷風(fēng)出現(xiàn)時間地點總結(jié)

圖1　塔克拉瑪干沙漠地區(qū)發(fā)生的塵卷風(fēng)

2　大氣邊界層特征

塵卷風(fēng)突發(fā)性、移動性以及移動路徑的不確定性特征造成其觀測極其困難。對塵卷風(fēng)氣象特征的觀測始于20世紀40年代，Ives[18]將觀測儀器安裝在吉普車上追逐塵卷風(fēng)，來測量塵卷風(fēng)的水平和垂直風(fēng)速、溫度、氣壓等，Sinclair[23，24，29]也用了相同的方法對塵卷風(fēng)內(nèi)部氣象特征進行測量，為后來的塵卷風(fēng)數(shù)值模擬研究提供了參數(shù)，而后塵卷風(fēng)觀測多采用固定點觀測[30-32]，這種方法雖然觀測數(shù)據(jù)準確率高，但觀測效率低。隨著大氣探測科技的進步，近年來出現(xiàn)新的塵卷風(fēng)觀測方法，比如運用飛行器探測[33]、多普勒雷達[33]、氣壓記錄器[34-35]等。

塵卷風(fēng)是一種中心溫度高、氣壓低的垂直渦旋[29]，對于塵卷風(fēng)渦旋中心與周圍環(huán)境之間溫差，同一高度不同塵卷風(fēng)具有不同的范圍大小，Sinclair[29]對不同大小塵卷風(fēng)測量得到2 m高處塵卷風(fēng)內(nèi)外溫差為4～8℃，Trattetal.[36]測得的2 m高處溫差則為1～3℃，但當(dāng)前多數(shù)觀測到的塵卷風(fēng)2 m高處中心與周圍環(huán)境溫差在4～8℃范圍內(nèi)[24，29，30]，對于不同溫差的產(chǎn)生主要受不同地表絕熱減溫率以及地形等因素影響[19，37，38]，同時還可能與塵卷風(fēng)的強度有關(guān)[23-24]，但由于觀測資料有限，目前還無法得到塵卷風(fēng)內(nèi)部溫度具體分布特征，也沒有證明塵卷風(fēng)強度與溫差有直接聯(lián)系的依據(jù)。當(dāng)前觀測到的塵卷風(fēng)中有氣旋式旋轉(zhuǎn)也有反氣旋式旋轉(zhuǎn)[30，39，40]，但其中心氣壓均低于周圍環(huán)境氣壓，塵卷風(fēng)中心與環(huán)境氣壓差是判別塵卷風(fēng)強度的重要依據(jù)[34-35]，21世紀前觀測得到的塵卷風(fēng)中心與環(huán)境氣壓差多在2～5 hPa范圍內(nèi)[24，29，32]，但近年來觀測結(jié)果卻與之前相差較大，大多<2 hPa，如Trattetal.[36]測得氣壓差為0.3～1 hPa，Lorenz[35]測得的氣壓差為0.3～1.5 hPa，這可能與觀測儀器的精度有關(guān)，也有可能是近期觀測的塵卷風(fēng)強度較小。

對于塵卷風(fēng)的風(fēng)速測量目前也較少，多數(shù)研究側(cè)重于塵卷風(fēng)整體移動速度，Sinclair[24，29]，Ives[18]，Balme[21]及Metzger[10]等觀測數(shù)據(jù)表明一般情況下，典型塵卷風(fēng)的水平風(fēng)速為3～20 m/s，垂直風(fēng)速為3～15 m/s[21]，其移動速度的大小取決于塵卷風(fēng)的大小[41]，F(xiàn)lower[40]觀測結(jié)果表明2～50 m高塵卷風(fēng)移動速度最快，達到10 m/s，同時塵卷風(fēng)的移動速度和方向還與環(huán)境風(fēng)有關(guān)[40，42]，通常塵卷風(fēng)沿著環(huán)境風(fēng)方向移動，Balme etal.[15]通過觀測10 m高處塵卷風(fēng)及環(huán)境風(fēng)速得出在該高度處塵卷風(fēng)的移動速度要比環(huán)境風(fēng)快10% ～20%，即塵卷風(fēng)20 m高左右移動風(fēng)速可以代表邊界層風(fēng)速。而塵卷風(fēng)內(nèi)部具體風(fēng)速變化特征目前還沒有詳細的觀測數(shù)據(jù)。

圖2　利用大渦模擬對塵卷風(fēng)成熟階段結(jié)構(gòu)特征模擬圖

鑒于塵卷風(fēng)形成的邊界層條件以及內(nèi)部氣象特征觀測的困難性，塵卷風(fēng)模擬得以迅速發(fā)展，其數(shù)值模擬研究多采用大渦模擬（Large Eddy Simulation, LES）對其研究分析（圖2），最早利用大渦模擬對塵卷風(fēng)形成以及內(nèi)部氣象特征進行系統(tǒng)研究的是Kanak[43]，然而其基于對流邊界層尺度對塵卷風(fēng)進行大渦模擬的尺度較大，并不能模擬出塵卷風(fēng)形成過程以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，之后，Kanak[44]、Gu[16，17，45]、Ohno[46]等均不斷減小水平網(wǎng)格間距對塵卷風(fēng)內(nèi)部氣象特征進行了模擬分析，其中Gu etal.[45]提出的三維、高分辨率、塵卷風(fēng)尺度的大渦模擬不僅模擬出塵卷風(fēng)的形成過程，還首次模擬出塵卷風(fēng)內(nèi)部溫度、氣壓、風(fēng)速等氣象特征分布。當(dāng)前多數(shù)塵卷風(fēng)模擬初始條件參照Sinclair[23-24]觀測數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果顯示其切向速度多在5～10m/s范圍內(nèi)，內(nèi)外溫差約為2～7 K，在觀測值范圍內(nèi)，但壓降模擬值與Sinclair的觀測值相比普遍較小，約為2～3.6 hPa[47]。通過觀測難以測量的特征比如內(nèi)部風(fēng)速分布情況，利用數(shù)值模擬能夠很好的呈現(xiàn)出來[17，46]，并且在模擬塵卷風(fēng)速度的過程中還發(fā)現(xiàn)其分布符合蘭金渦特征，即塵卷風(fēng)實際上是一種類蘭金渦[16，44]。

3　塵卷風(fēng)成因

塵卷風(fēng)的形成機制探究一直是塵卷風(fēng)研究的重點，當(dāng)前普遍接受的塵卷風(fēng)形成機制為：地表被太陽照射加熱，近地面空氣產(chǎn)生超絕熱減溫率，使得近地表空氣在浮力作用下向上移動[48]，造成一種不穩(wěn)定狀態(tài)，形成熱對流，從而形成對流混合層[21，31，48]，當(dāng)有垂直渦旋來源存在時，在熱對流底部中心形成垂直渦旋，在水平方向氣流增強以及上升氣流的拉伸作用下，垂直渦旋逐漸增強[16，49]，最終形成塵卷風(fēng)。總體而言，塵卷風(fēng)的形成需要垂直渦旋來源和強上升氣流，Ryan[38]和Oke etal.[37]均指出強上升氣流主要來源于日照影響導(dǎo)致的地表超絕熱減溫率[41]，Ansmann etal.[50]則通過觀測得出當(dāng)?shù)乇碇? m高處減溫率在8.5～10 K/m之間時，最有利于塵卷風(fēng)的形成，而塵卷風(fēng)形成前，1 m與2 m間空氣溫度差須超過0.9～1℃這一閾值。而垂直渦旋來源的研究結(jié)果當(dāng)前并不統(tǒng)一，先前的研究認為垂直渦旋的形成主要是由于地形的原因，即垂直渦旋形成主要是由環(huán)境水平風(fēng)切變造成，而水平風(fēng)切變則與不同地形條件下的障礙物有關(guān)[51-52]，但這一說法并沒有證據(jù)直接證明，直到Maxworthy[53]通過公式推導(dǎo)得出塵卷風(fēng)垂直渦旋來源于水平渦旋的傾斜以及地表垂直風(fēng)切變，水平渦旋來源于對流泡循環(huán)，Hessetal.[31]進一步指出對流下沉氣流及其切變是塵卷風(fēng)垂直風(fēng)速的重要來源，Kanak etal.[43-44]則利用大渦模擬指出水平對流渦旋的傾斜是塵卷風(fēng)形成的重要因素。Carroll and Ryan[39]、Kanak[44]等還提出不同大小對流泡之間的融合也是塵卷風(fēng)垂直渦旋形成的可能原因之一[16，44]。

盡管以上塵卷風(fēng)形成機制中部分因素在后來的觀測及數(shù)值模擬中得以證實[43-44]，但塵卷風(fēng)的形成是否受地表風(fēng)切變以及背景風(fēng)影響仍然是一個爭論點，Ansmann etal.[50]認為當(dāng)背景風(fēng)水平風(fēng)速在2～7 m/s時，最有利于塵卷風(fēng)的形成，Hessand Spillane[31]認為決定塵卷風(fēng)是否形成的不是背景風(fēng)，而是對流下沉氣流以及下沉轉(zhuǎn)向氣流相互作用形成的風(fēng)波動，即使在沒有背景風(fēng)的條件下也能夠形成塵卷風(fēng)，在部分塵卷風(fēng)數(shù)值模擬研究中也得出在高風(fēng)切變和沒有風(fēng)切變的條件下更容易產(chǎn)生塵卷風(fēng)，即風(fēng)切變和背景風(fēng)并非制約塵卷風(fēng)形成的主要因素[54-55]，Toigoetal.[55]通過對火星上塵卷風(fēng)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)塵卷風(fēng)在沒有風(fēng)切變和高風(fēng)切變的條件下更容易形成。Kanak etal.[43-44]，F(xiàn)iedlerand Kanak[56]，Toigoet al.[55]，Gheynaniand Taylor[14]等大部分塵卷風(fēng)數(shù)值模擬也多設(shè)定背景風(fēng)為零，但近期Ohno etal.[46]，Ito et al.[48]通過數(shù)值模擬研究卻發(fā)現(xiàn)弱風(fēng)或中等強度背景風(fēng)條件下更有利于塵卷風(fēng)的形成。垂直渦旋形成后，其強度的維持和增強機制也是目前塵卷風(fēng)探究的主要問題之一，Ohnoetal.[46]通過模擬發(fā)現(xiàn)塵卷風(fēng)主要依靠與周邊相同旋轉(zhuǎn)方向小型渦旋的合并以及對流泡邊界水平渦流的傾斜、垂直渦流的拉伸作用來增強其強度，但塵卷風(fēng)形成初期周邊形成相同轉(zhuǎn)向的渦旋的概率并不高，因此該機制可能并非維持和增強塵卷風(fēng)強度的主要機制，需要進一步研究。而對于塵卷風(fēng)消失過程的機理，目前的觀測研究、試驗研究以及數(shù)值模擬中均未展開研究。雖然當(dāng)前通過觀測、數(shù)值模擬等方法對塵卷風(fēng)的形成機制以及影響因子都有一定的探究，但目前塵卷風(fēng)具體形成過程以及強化過程仍然不清楚。

4　塵卷風(fēng)輸沙量研究

前面已經(jīng)提到，塵卷風(fēng)是一種發(fā)生在對流邊界層，中心氣壓低的特殊垂直渦旋，在旋轉(zhuǎn)過程中上升氣流能夠卷起地表沙塵物質(zhì)，塵卷風(fēng)的沙塵通量受到各種因素的影響，Neakrase etal.[57-58]通過試驗表明，塵卷風(fēng)沙塵通量取決于渦旋強度，渦旋強度則主要取決于渦旋中心與環(huán)境之間氣壓差，中心氣壓差提供了一個額外的升力，使得塵卷風(fēng)更有效的將地表沙塵粒子傳輸至高空[59-60]。Gu etal.[17]利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)塵卷風(fēng)中心部位存在著微弱的下沉氣流，構(gòu)建了塵卷風(fēng)眼，阻礙了沙塵粒子的擴散，從而進一步提高了塵卷風(fēng)的輸沙效率，同時在旋轉(zhuǎn)過程中大的粒子受離心力作用大，更容易被拋向兩側(cè)，而小的粒子則容易被傳輸至高空[16]。Neakrase etal.[57]通過試驗指出塵卷風(fēng)起沙量的大小還與地表粗糙度有關(guān)，地表粗糙度的小幅增加不僅能夠增大渦旋尺度，同時能降低將細小粒子傳輸至高空的速度閾值，從而卷起更多沙塵粒子[57]。典型塵卷風(fēng)（平均直徑3～150 m，沙塵柱高300～600 m，沙塵粒子直徑<25 μm）沙塵負載量一般不會超過100～120 mg/（m2·s），0.5 m高度沙塵負載量約為0.9 mg/（m2·s），4.5 m沙塵負載量約為7.5 mg/（m2·s）[61]，整體沙塵負載量約為28 mg/（m2·s），當(dāng)背景風(fēng)速較大時，其沙塵負載量甚至?xí)^1000 mg/（m2·s）[62]。Rennoetal.[62]利用雷達觀測表明塵卷風(fēng)引起的沙塵濃度約為環(huán)境濃度的103倍，利用這一數(shù)據(jù)計算得到塵卷風(fēng)造成的大氣中總懸浮顆粒物含量約為100 mg/m3，而一個直徑在15 m左右，旋轉(zhuǎn)風(fēng)速約為2 m/s塵卷風(fēng)能夠向大氣中輸送1 kg左右的細沙塵粒子（直徑<10 μm），大的塵卷風(fēng)甚至能夠輸送20 kg左右細沙塵粒子。Metzger[63]指出在1000 m2的范圍內(nèi)，整個夏季（6、7、8月）塵卷風(fēng)能夠卷起約9 t沙塵粒子，Koch and Renno[64]則通過公式推算得到塵卷風(fēng)和沙塵羽每年能夠向高空輸送大約215×107t沙塵粒子，約占全球沙塵輸送量的34%±19%，從這個數(shù)據(jù)上看，塵卷風(fēng)在全球沙塵排放中起著極其重要的作用，Jemmett-Smith etal.[2]在Koch and Renno的研究基礎(chǔ)上利用最新高分辨率氣象數(shù)據(jù)分析認為塵卷風(fēng)和沙塵羽每年能夠向高空輸送大約729×105t沙塵粒子，約占全球沙塵輸送量的3.4%，表明塵卷風(fēng)和沙塵羽在全球沙塵排放中起著極小的作用，而這一結(jié)果與Koch and Renno的研究結(jié)果相差兩個數(shù)量級，盡管當(dāng)前利用公式推算等方法大體得出塵卷風(fēng)輸沙量，但由于全球塵卷風(fēng)發(fā)生頻率、塵卷風(fēng)發(fā)生高頻區(qū)沙源面積、塵卷風(fēng)內(nèi)部粒子分布特征、沙塵通量等因素的不確定性，不同學(xué)者得出的輸沙貢獻量相差較大，當(dāng)前還沒有較為準確的數(shù)據(jù)，因此塵卷風(fēng)在全球沙塵排放中起到的作用仍需進一步研究。

5　問題與展望

從塵卷風(fēng)的研究現(xiàn)狀來看，無論是外場觀測、邊界層理論分析還是數(shù)值模擬，近年來都取得了一定的進步，但對其認識仍然具有局限性，存在大量的問題需要深入的研究：首先，當(dāng)前對塵卷風(fēng)研究的主要問題在于塵卷風(fēng)觀測困難，由于塵卷風(fēng)具有突發(fā)性、移動性以及移動路徑的不確定性特征，固定傳感設(shè)備很難捕捉到塵卷風(fēng)，造成其內(nèi)部特征包括溫度、氣壓、風(fēng)速、粒子分布等觀測數(shù)據(jù)嚴重缺乏，同時塵卷風(fēng)形成的大氣邊界層特征包括地表減溫率、地表粗糙度、大氣邊界層尺度、背景風(fēng)大小等也缺乏觀測，這也對塵卷風(fēng)發(fā)生的預(yù)測帶來困難。

其次，在大氣邊界層數(shù)值模擬方面，對塵卷風(fēng)進行模擬的大渦模擬模式多是基于對流邊界層尺度條件下，利用特定的水平網(wǎng)格尺度在不同的風(fēng)速、地表熱通量等邊界層條件下模擬塵卷風(fēng)的形成以及維持和發(fā)展過程。早期模擬結(jié)果中，其模擬的塵卷風(fēng)尺度遠大于觀測值，且不能準確反映塵卷風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及特征，雖然當(dāng)前模擬精度越來越高，但相比于實際觀測得到的塵卷風(fēng)尺度仍然較大，且存在切向風(fēng)速、中心氣壓差模擬值較大現(xiàn)象。同時模擬過程中初始邊界層條件設(shè)置多未考慮地表粗糙度和背景風(fēng)大小等因素，有可能是造成模擬值較大的原因。

在目前天氣及氣候模式中，沙塵氣溶膠起沙方案僅能反映大尺度天氣系統(tǒng)下地面強風(fēng)驅(qū)動的沙塵暴過程并沒有考慮大氣邊界層內(nèi)次網(wǎng)格尺度的塵卷風(fēng)等起沙機制過程，而觀測事實表明次網(wǎng)格尺度的熱對流及塵卷風(fēng)等邊界層過程具有和沙塵暴相當(dāng)?shù)臍馊苣z貢獻。因此，為了完整地研究沙塵氣溶膠及其環(huán)境氣候效應(yīng)，基于包括塵卷風(fēng)等大氣邊界層起沙過程的外場觀測和大氣邊界層數(shù)值模擬，在天氣及氣候模式中發(fā)展并引入大氣邊界層起沙過程的參數(shù)化方案，是塵卷風(fēng)研究一個重要方面?？紤]到干旱和半干旱地區(qū)多發(fā)塵卷風(fēng)和其沙塵氣溶膠主要影響的區(qū)域性，這一方面研究對干旱氣候變化的研究尤為重要。

因此，應(yīng)加強塵卷風(fēng)及其沙漠地區(qū)大氣邊界層的外場觀測，相比于固定傳感設(shè)備，帶有測量儀器的移動設(shè)備更適合塵卷風(fēng)的觀測，同時利用衛(wèi)星、遙感等數(shù)據(jù)，來發(fā)展新的數(shù)據(jù)獲取方法；側(cè)重塵卷風(fēng)發(fā)生邊界層條件的觀測，以便更準確地通過氣象數(shù)據(jù)來獲得塵卷風(fēng)發(fā)生時空分布規(guī)律及發(fā)生頻率；塵卷風(fēng)的大渦模擬過程中初始邊界層條件考慮加入地表粗糙度以及背景風(fēng)因子；導(dǎo)出對流邊界層內(nèi)決定熱對流和塵卷風(fēng)形成的參數(shù)與次網(wǎng)格尺度起沙通量之間的經(jīng)驗公式，在天氣及氣候模式中現(xiàn)有起沙方案基礎(chǔ)上，建立大氣邊界層起沙參數(shù)化新方案，并將改進的熱對流和塵卷風(fēng)及陣風(fēng)起沙參數(shù)化方案引入模式，完善天氣氣候模式中沙塵氣溶膠的起沙方案，更完整的大氣氣溶膠的模擬將有助于評估大氣沙塵氣溶膠對天氣及氣候變化，尤其是我國西北云降水天氣和干旱氣候的影響。

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Advancesin StudyofDustDevilsoverArid and Semi-arid Regions

LUAN Zhaopeng1，ZHAO Tianliang1，HAN Yongxiang1，YANG Xinghua2，LIU Feng3，HE Qing2，LIU Chong1
（1.Collaborative Innovation Centeron Forecastand Evaluation ofMeteorologicalDisasters，Key Laboratoryfor Aerosol- Cloud-Precipitation ofChina MeteorologicalAdministration，Nanjing UniversityofInformation Science and Technology，Nanjing210044，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.UniversityofIllinoisatUrban -Champaign，Champaign 61820，Illinois，USA）

AbstractDustdevilsare verticalvorticesin the convective boundary layer.They typically occur overthe arid and semi-arid regions.A greatquantity ofdustparticlesislifted by strongupdraftsof dustdevils,which isan importantmechanism fordustaerosolemissions.However,compared to the sandstorm,ourunderstanding ofdustdevilsand theirdustemissions in the atmosphere are rather limited.The papermainly reviewsthe research progressofdustdevilsin the respectsoftemporalspatial variation, atmospheric boundary layer characteristics, formation mechanism and dust emission fluxes,and summarizesthemajorissuesin currentstudyofdustdevils.

Key wordsdustdevil；dustaerosol；atmosphericboundarylayer；dustemission；research progress

中圖分類號：P425.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0799（2016）02-0001-08

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.001

收稿日期：2015-08-26

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（41175093，41375158）；南京信息工程大學(xué)科研啟動基金資助項目（20110304）。

作者簡介：欒兆鵬（1990-），男，碩士研究生，主要從事大氣沙塵氣溶膠研究。E-mail：luanzp2014@163.com

通訊作者：趙天良（1962-），男，教授，主要從事氣候變化、空氣質(zhì)量等方面研究。E-mail：josef_zhao@126.com