一次沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠對輻射的影響

周 旭，張 鐳，孫乃秀，高興艾

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

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一次沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠對輻射的影響

周 旭，張 鐳，孫乃秀，高興艾

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

沙塵氣溶膠對輻射有顯著影響，利用耦合了Shao2004起沙參數(shù)化方案的WRF/Chem(大氣/化學(xué)全耦合模式)，模擬分析了沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠對輻射的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠可以導(dǎo)致地面向下的短波輻射通量減小42.51%，平均減小-3.30～-49.46 W·m-2，最大可達(dá)-162.67 W·m-2；沙塵氣溶膠可以通過自身向外發(fā)射長波輻射，導(dǎo)致地面向下的長波輻射通量增大，地面向下的長波輻射通量平均增加為17.49～ 50.49 W·m-2，最大可達(dá)99.17 W·m-2。當(dāng)PM10濃度為10～20 mg·m-3，沙塵氣溶膠能夠減小地面向下的長波輻射通量，即沙塵氣溶膠在該地區(qū)對大氣具有“保溫”作用；白天沙塵氣溶膠主要增加大氣層頂向上的長波輻射通量，夜間則減少大氣層頂向上的長波輻射通量，大氣層頂向外的長波輻射通量平均變化為-25.29～ 28.83 W·m-2，最大可達(dá)87.22 W·m-2。

沙塵氣溶膠；短波輻射通量；長波輻射通量；向外長波輻射通量

引 言

沙塵氣溶膠是大氣中懸浮的細(xì)小的土壤粒子，通過輻射和云凝結(jié)核作用影響大氣輻射平衡和降水[1]。沙塵氣溶膠的來源主要有自然條件排放和人類活動排放2種，Tegen等[2]認(rèn)為人類活動形成的沙塵氣溶膠對于大氣中沙塵柱含量的貢獻(xiàn)作用很小，僅占到沙塵氣溶膠總排放量的十分之一，張小曳等[3]認(rèn)為亞洲地區(qū)沙塵氣溶膠的排放量約占全球的50%?？蹈毁F等[4]從沙塵氣溶膠的產(chǎn)生、輸送及光、化學(xué)特性和輻射特性方面等對前人的工作進(jìn)行總結(jié)，指出沙塵氣溶膠輻射強(qiáng)迫的計(jì)算存在一定難度。

對沙塵氣溶膠的短期影響也有很多研究，如Pérez等[11]指出沙塵氣溶膠的存在引起地面向上的熱通量減小，導(dǎo)致湍流熱通量和沙塵排放減少；Stanelle等[12]發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠略微的增加了大氣層頂(TOA)向上的輻射通量，長、短波輻射通量增加約26 W·m-2；Spyrou等[13]研究了沙塵氣溶膠短期內(nèi)對區(qū)域氣候的影響，導(dǎo)致對流層低層大氣溫度廓線改變；Rémy等[14]認(rèn)為沙塵氣溶膠白天可以通過減小太陽輻射降低地面最低溫度，從而增強(qiáng)低層大氣的穩(wěn)定度，沙塵氣溶膠夜間通過發(fā)射長波輻射加熱低層大氣，從而減少邊界層的穩(wěn)定度，有助于邊界層高度的抬高；孔丹等[15]認(rèn)為白天沙塵的輻射強(qiáng)迫對地表有冷卻作用, 而夜間起“保溫”作用；Heinold等[16]研究表明沙塵氣溶膠能夠顯著減少地面和大氣層頂(TOA)向外的長波輻射，其分別導(dǎo)致地面和大氣層頂(TOA)的強(qiáng)迫為17和9 W·m-2，這種作用在夜間更為顯著；Han等[17]發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠的短波輻射強(qiáng)迫午后可以達(dá)到-570 W·m-2，約是該時段長波輻射強(qiáng)迫最大值的5倍，而夜間長波輻射強(qiáng)迫為60 W·m-2；韓志偉等[18]研究表明強(qiáng)沙塵暴過程中，沙塵源區(qū)的沙塵氣溶膠地面短波輻射強(qiáng)迫可達(dá)-90 W·m-2，長波輻射強(qiáng)迫最大為40 W·m-2；成天濤[19]等指出沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠對大氣向下長波輻射平均強(qiáng)迫為16.76 W·m-2，到達(dá)地面的凈輻射通量平均減少62.76 W·m-2，對于夜間而言，地面長波輻射平均減少67.84 W·m-2。

上述研究表明沙塵氣溶膠輻射效應(yīng)對全球氣候變換具有潛在的作用，同時沙塵氣溶膠短時間內(nèi)對輻射也存在一定的影響。對于沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠短時間內(nèi)的影響可能與沙塵濃度、光學(xué)屬性以及沙塵的時空分布有關(guān)。目前，對中國西北地區(qū)沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠短時間內(nèi)對輻射影響的研究尚不多見?；谶@一問題，本文利用改進(jìn)的WRF/Chem模式，模擬了2010年4月24日發(fā)生在中國西北地區(qū)的強(qiáng)沙塵暴過程，分析沙塵氣溶膠對地面短波輻射、長波輻射和大氣層頂長波輻射的影響，繼而揭示沙塵氣溶膠與輻射之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及天氣過程

1.1 沙塵模式

Shao[20]指出沙塵暴集成預(yù)報系統(tǒng)包含地理信息系統(tǒng)、大氣模式、風(fēng)蝕過程、陸面過程以及沙塵的輸送過程等。WRF/Chem模式是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)預(yù)報系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(FSL)開發(fā)，包含氣象模式(WRF)和化學(xué)模式(CHEM)，是將兩者在線完全耦合的新一代區(qū)域空氣質(zhì)量模式[21]，其化學(xué)模塊中關(guān)于沙塵氣溶膠的計(jì)算已經(jīng)考慮了沙塵的起沙、輸送和沉降過程，可用于沙塵的模擬研究，原有的起沙參數(shù)化方案為GOCART (Georgia Institute of Technology Goddard Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation and Transport model) ，雖然能夠較好地模擬沙塵的排放、輸送等過程，但是沒有考慮沙粒躍移和集合粒子分裂導(dǎo)致的起沙過程。Shao等[22-24]從理論框架、數(shù)值模擬并結(jié)合沙塵天氣過程，最終給出基于3種物理起沙機(jī)制(空氣拖曳力的夾卷、沙粒躍移轟擊和集合粒子的分裂)以及粒徑譜分布的沙塵通量參數(shù)化方案，從這一意義上說，Shao等的參數(shù)化方案是目前考慮因素較為全面的起沙模型之一，基于這一起沙參數(shù)化方案的沙塵模式也被廣泛應(yīng)用，如Shao等[25-26]利用耦合了該方案的CEMSYS5模式成功模擬了2002年和2003年春季東亞地區(qū)的沙塵天氣過程。吳成來等[27]利用觀測和模擬對比GOCART和Shao等的參數(shù)化方案發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)Shao2004參數(shù)化方案的模擬性能優(yōu)于GOCART參數(shù)化方案。

本文采用的大氣模塊是WRF中尺度天氣預(yù)報模式，起沙參數(shù)化方案采用Shao2004參數(shù)化方案，其中沙塵垂向通量表示為：

其中，cy是比例系數(shù)，γ是表示沙塵粒徑分布的權(quán)重因子，pm(dj)和pf(dj)分別表示為粒徑的全分布和最小分布，g表示重力加速度，u*表示摩擦速度，Qs(i)是沙塵粒徑為di的沙粒通量，σm為沙塵粒子的轟擊效率，將上述方程離散化并耦合到WRF/Chem中，WRF/Chem為參數(shù)化方案提供摩擦速度、擴(kuò)散系數(shù)等，參數(shù)化方案計(jì)算的沙塵濃度提供給輻射方案進(jìn)而進(jìn)行輻射的計(jì)算。

利用該沙塵預(yù)報系統(tǒng)模擬了2010年4月24—26日的沙塵天氣，模擬區(qū)域的中心取在35°N、105°E，模擬區(qū)域?yàn)?5°N ～42°N、92°E ～118°E，其中經(jīng)向220個格點(diǎn)，緯向160個格點(diǎn)，水平分辨率為30 km，垂直28層。模擬區(qū)域地形如圖1所示。為剔除模式內(nèi)部迭代過程未達(dá)到動態(tài)平衡的影響，模式自4月23日00:00(北京時，下同)開始積分，至24日12:00認(rèn)為模式可以得到充分預(yù)熱，即剔除模式SPIN-UP的影響。文中進(jìn)行2組數(shù)值試驗(yàn)：第一組試驗(yàn)(WRF_D)中將Shao2004參數(shù)化方案開啟，該組試驗(yàn)?zāi)苣M出沙塵氣溶膠的排放、擴(kuò)散過程；第二組試驗(yàn)(WRF_ND)修改Shao2004參數(shù)化方案中的參數(shù)，在模擬過程中水平沙塵通量為0 kg·m-2·s-1，則排放到大氣中的沙塵氣溶膠也為0 μg·m-2。最后將2組數(shù)值試驗(yàn)中的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對比分析。此外，為計(jì)算沙塵氣溶膠對輻射的影響，計(jì)算時調(diào)用WRF-Chem模式自帶的長/短波輻射傳輸方案，該方案只能用來計(jì)算沙塵氣溶膠對輻射的直接影響。由于沙塵氣溶膠的間接效應(yīng)比較復(fù)雜，目前工作還沒有考慮其對輻射的影響，因此本文的數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算的是沙塵氣溶膠的直接輻射影響，暫不考慮沙塵氣溶膠的氣候反饋。

圖1 模擬區(qū)域和站點(diǎn)位置示意圖

1.2 沙塵天氣過程

受冷鋒和蒙古氣旋共同影響，2010年4月24—26日，南疆盆地和新疆東部、青海西北部、內(nèi)蒙古西部、甘肅河西地區(qū)和寧夏等地出現(xiàn)大風(fēng)，并伴有沙塵天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)了沙塵暴。此次沙塵過程甘肅全省有16個觀測站出現(xiàn)大風(fēng)沙塵暴天氣，其中鼎新、臨澤、張掖、民樂、民勤、酒泉出現(xiàn)特強(qiáng)沙塵暴，酒泉、民勤最小能見度為0 m[28-30]。

1.3 沙塵氣溶膠的時空變化

圖2給出沙塵天氣過程中模擬的PM10濃度時空分布，圖3為FY-3A氣象衛(wèi)星監(jiān)測的4月25日12:10的沙塵分布。從圖2a看出，24日18:00，沙塵氣溶膠主要分布在新疆東部和甘肅西部，19:00左右甘肅金昌、武威、民勤等地出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴；25日00:00 PM10分布區(qū)域擴(kuò)大到甘肅中東部、內(nèi)蒙古西部(圖2b)；04:00前后沙塵暴繼續(xù)向東擴(kuò)展，到達(dá)寧夏大部和陜西西部地區(qū)(圖2c)；12:00前后，民勤、內(nèi)蒙古中部出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴(圖2d)；26日00:00沙塵氣溶膠已經(jīng)傳輸?shù)饺A中和華東等地(圖2e)。對比圖2d和圖3可以看出模擬的PM10分布與氣象衛(wèi)星監(jiān)測的沙塵分布是比較一致的，主要位于甘肅北部和東部、內(nèi)蒙古中西部等地區(qū)。

2 沙塵氣溶膠地面輻射的影響

已有的研究結(jié)果[31]表明沙塵氣溶膠白天起到冷卻地面和低層大氣的作用，夜間能夠向外輻射長波輻射，同時加熱地面。

對比WRF_D和WRF_ND的模擬試驗(yàn)結(jié)果，給出沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠對地面向下短波輻射(SWDOWN)和地面向下長波輻射(GLW)的影響。

圖2 2010年 4月24—26日沙塵天氣過程模擬的PM10濃度(單位：mg·m-3)時空分布(a)24日18:00，(b)25日00:00，(c)25日04:00，(d)25日12:00，(e)26日00:00

圖3 FY-3A氣象衛(wèi)星監(jiān)測的4月25日12:10沙塵分布

民勤位于甘肅省河西走廊中部，此次沙塵天氣過程中民勤出現(xiàn)能見度為0 m的情況，且民勤處在巴丹吉林與騰格里沙漠的交界處，具有一定的代表性，因此選取民勤作為主要的研究測站。

2.1 沙塵氣溶膠對地面短波輻射通量影響

因沙塵氣溶膠濃度與PM10濃度存在直接關(guān)系，所以用PM10濃度的變化來代表沙塵氣溶膠濃度變化，利用WRF_D與WRF_ND的模擬結(jié)果，可以看出沙塵氣溶膠對地面短波輻射通量的影響。

圖4分別給出民勤站沙塵氣溶膠對地面向下短波、長波輻射和大氣層頂向外長波輻射的影響。從圖4a看出，25日07:00—13:00 PM10濃度迅速從2.98 mg·m-3增大到82.65 mg·m-3，對應(yīng)的沙塵氣溶膠導(dǎo)致的地面向下的短波輻射通量減少量從17.23 W·m-2增加到450.68 W·m-2，說明沙塵氣溶膠對地面向下的短波輻射有強(qiáng)烈的減弱作用。無沙塵氣溶膠(WRF_ND)情況下，25日13:00模擬的地面向下的短波輻射通量為1 060.23 W·m-2，因沙塵氣溶膠導(dǎo)致地面向下的短波輻射通量減小42.51%，可見沙塵氣溶膠對短波輻射通量的影響十分顯著。

圖4 2010年4月24—26日沙塵氣溶膠對民勤輻射的影響(a)地面向下短波輻射，(b)地面向下長波輻射，(c)大氣層頂向上的長波輻射Fig.4 Dust aerosol impact on radiation flux in Minqin station on 24-26 April 2010(a) ground downward short wave radiation flux, (b) GLW, (c) OLR

圖5是4月25日10:00、12:00和14:00沙塵氣溶膠對區(qū)域地面向下短波輻射通量的影響。從25日12:00 PM10濃度空間分布(圖2d)看出，高濃度的沙塵氣溶膠主要分布在甘肅北部、內(nèi)蒙古中西部和山西北部，低濃度的沙塵氣溶膠主要分布在青海大部、甘肅大部和陜西、河南等地。由圖5可知，沙塵氣溶膠對地面向下短波輻射通量存在一定影響，沙塵氣溶膠的存在減小了到達(dá)地面的短波輻射通量，且沙塵氣溶膠濃度越高，地面向下短波輻射通量減小越多。沙塵氣溶膠濃度高的地區(qū)，地面向下短波輻射通量減小約300 W·m-2，而沙塵氣溶膠濃度較低區(qū)域地面向下短波輻射通量減小約100 W·m-2。地面向下短波輻射通量會直接影響地面能量平衡，進(jìn)而影響大氣內(nèi)其他氣象要素，因此沙塵氣溶膠對短波輻射的影響顯得尤為重要。

2.2 沙塵氣溶膠對地面長波輻射的影響

沙塵氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射對地面向下的長波輻射產(chǎn)生影響，同時也能對地面向上的長波輻射進(jìn)行吸收和散射，并可以通過自身向外發(fā)射長波輻射對地面向下的長波輻射通量(GLW)產(chǎn)生影響。

圖5 2010年4月25日10:00(a)、12:00(b)及14:00(c)沙塵氣溶膠對區(qū)域地面向下短波輻射通量(單位：W·m-2)的影響

從圖4b可以看出沙塵暴過程中沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量的影響。24日19:00—25日06:00，沙塵氣溶膠導(dǎo)致地面向下的長波輻射通量減小，說明沒有沙塵氣溶膠的情況下，大氣中的熱量通過長波輻射迅速傳輸?shù)降孛?，大氣迅速降溫，而沙塵氣溶膠的存在對大氣具有一定的“保溫”作用；25日08:00—18:00，地面向下長波輻射通量增大，說明沙塵氣溶膠白天吸收太陽輻射，通過自身向外發(fā)射長波輻射，因而地面向下長波輻射通量增大，沙塵氣溶膠濃度高的時候該作用能部分抵消沙塵氣溶膠導(dǎo)致的氣溫降低；25日19:00—23:00沙塵氣溶膠的濃度較小，其中21:00 PM10濃度僅為2.11 mg·m-3，此時沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量的影響僅為14.02 W·m-2。

圖6給出沙塵暴過程中25日白天及夜間沙塵氣溶膠對區(qū)域地面向下長波輻射通量的影響?？梢钥闯?，白天沙塵氣溶膠對地面向下的長波輻射通量存在一定影響，在沙塵氣溶膠濃度高的地區(qū)，沙塵氣溶膠起到減小地面向下長波輻射通量的作用，有利于將熱量保留在大氣中，對地面具有降溫作用，并對大氣保溫；在沙塵氣溶膠高濃度與低濃度的交接處，沙塵氣溶膠具有增加地面向下長波輻射通量的作用，使得局地溫度梯度增加，從而增加風(fēng)速，這與Rémy等[14]的研究結(jié)果一致；對于沙塵氣溶膠濃度小的區(qū)域，沙塵氣溶膠具有微弱的增強(qiáng)地面向下長波輻射通量的作用，這是因?yàn)闈舛刃〉膮^(qū)域，沙塵氣溶膠混合均勻，粒徑越小其單次散射反照率越大[32]，并且沙塵氣溶膠的散射能力在紅光到近紅外波段強(qiáng)于非沙塵氣溶膠[33]，因此沙塵氣溶膠的散射作用可以導(dǎo)致到達(dá)地面的長波輻射通量增加。

圖6 4月25日沙塵氣溶膠白天(上)及夜間(下)對區(qū)域地面向下長波輻射通量(單位：W·m-2)的影響

夜間，沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量的影響主要與大氣中沙塵氣溶膠的濃度有一定關(guān)系。甘肅中西部地區(qū)延伸到新疆東部為一個沙塵氣溶膠濃度低值帶，PM10濃度均<5 mg·m-3，該地區(qū)沙塵氣溶膠能夠增大地面向下的長波輻射通量，起到降低大氣低層溫度的作用。此外甘肅與內(nèi)蒙古交界處和青海中部地區(qū)有一個沙塵氣溶膠濃度相對較高的地帶，PM10濃度在10～20 mg·m-3之間，這些地區(qū)的沙塵氣溶膠能夠減小地面向下的長波輻射通量，即沙塵氣溶膠在這些地區(qū)具有“保溫”作用。

3 沙塵氣溶膠對大氣層頂向外的長波輻射通量的影響

從圖4c可以看出，沙塵氣溶膠的主要作用是增加大氣層頂向上的長波輻射通量，24日19:00出現(xiàn)沙塵天氣，民勤地表PM10濃度增大，沙塵氣溶膠垂直向上擴(kuò)散，將大氣中的熱量以長波輻射的形式傳輸?shù)酱髿鈱禹?，說明沙塵氣溶膠通過自身向外發(fā)射長波輻射，將能量傳輸?shù)酱髿鈱禹?，從而增加大氣層頂向上的長波輻射通量，平均改變量為18.32 W·m-2。25日10:00出現(xiàn)第二次沙塵過程，PM10濃度迅速增大，超過了80 mg·m-3，大量的沙塵氣溶膠在大氣中積累，削弱了地面和大氣中的能量向上的傳輸，因此11:00—15:00沙塵氣溶膠導(dǎo)致大氣層頂向外的長波輻射通量減小，平均為-24.82 W·m-2。

圖7給出了民勤地區(qū)沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量和大氣層頂向外長波輻射通量的影響?？梢钥闯觯硥m氣溶膠對地面向下的長波輻射通量的影響和對大氣層頂向外的長波輻射通量的影響存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量的改變量為正值時，沙塵氣溶膠對大氣層頂向外的長波輻射通量改變量為負(fù)值，反之亦然。當(dāng)?shù)孛嫦蛳麻L波輻射通量改變量為正時，此時大氣層頂向外的長波輻射通量為負(fù)值，說明沙塵氣溶膠能夠?qū)⒏邔拥妮椛渫ㄟ^散射和吸收作用傳遞到地表面，起到增加地面溫度的作用。反之，當(dāng)?shù)孛嫦蛳碌拈L波輻射通量改變量為負(fù)值時，大氣層頂向外的長波輻射通量為正值，說明沙塵氣溶膠可以將地面能量傳遞到大氣層頂。

圖7 2010年4月24—26日沙塵氣溶膠對民勤GLW和OLR的影響

4 沙塵氣溶膠對站點(diǎn)的輻射通量影響

為定量描述沙塵氣溶膠對輻射的影響，表1給出不同站點(diǎn)4月25日12:00因沙塵氣溶膠的存在而導(dǎo)致的地面向下長波輻射通量、短波輻射通量以及大氣層頂向外長波輻射通量的改變量。

表1 2010年4月25日12:00沙塵氣溶膠對不同站點(diǎn)輻射通量的影響

從表1看出，哈密和敦煌地面向下的長波輻射通量改變小于零，說明沙塵氣溶膠使到達(dá)地面的長波輻射減少，這是因?yàn)榇藭r這2個地區(qū)的沙塵氣溶膠已經(jīng)混合均勻，在大氣中均勻分布；對于地面向下的短波輻射通量，哈密、敦煌、民勤、阿拉善、SACOL和西安等地沙塵氣溶膠對輻射的改變量均小于零。PM10濃度最大的民勤地區(qū)對地面向下短波輻射通量的影響最大，可以達(dá)到-162.67 W·m-2；沙塵氣溶膠使得哈密、敦煌和民勤地區(qū)大氣層頂向外的長波輻射通量減小，這主要是因?yàn)檫@些地區(qū)沙塵層較低，沙塵氣溶膠阻擋了地面和大氣向上的長波輻射，而阿拉善、SACOL和西安地區(qū)的OLR改變量為正值，此時沙塵氣溶膠已經(jīng)得到充分混合，沙塵層高度高，能夠通過散射作用增加大氣層頂向外的長波輻射。

表2給出26日00:00沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量和大氣層頂向外長波輻射通量的影響?？梢钥闯觯归g哈密和敦煌地區(qū)沙塵氣溶膠能夠減小地面向下的長波輻射通量，兩地地面向下的長波輻射通量均為負(fù)值，說明沙塵氣溶膠具有降低地面溫度的作用，而民勤、阿拉善、SACOL和西安等地區(qū)的GLW改變量為正值，說明沙塵氣溶膠具有加熱低層大氣的作用。

表2 2010年4月26日00:00沙塵氣溶膠對不同站點(diǎn)輻射影響

表3給出沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠在24 h 內(nèi)對地面向下長波輻射通量、地面向下短波輻射通量和大氣層頂向外長波輻射通量的平均影響。沙塵氣溶膠地面向下長波輻射通量的影響除哈密地區(qū)外，其余地區(qū)均是正值，其中西安地區(qū)的地面向下長波輻射通量改變量最大；沙塵氣溶膠對地面向下短波輻射通量的影響均為負(fù)值，說明沙塵氣溶膠在24 h內(nèi)平均減小地面向下短波輻射，對低層大氣和地面具有冷卻作用；哈密和西安地區(qū)大氣層頂向外長波輻射通量的改變量為負(fù)值，說明沙塵氣溶膠在這2個地方具有減小向外長波輻射的作用，而民勤、阿拉善和SACOL地區(qū)沙塵氣溶膠對大氣層頂向外的長波輻射通量的影響均為正值，說明這3個地區(qū)沙塵氣溶膠能夠增加大氣層頂向外的長波輻射通量。

表3 2010年4月25日08:00—26日08:00沙塵氣溶膠的平均影響

由表4可知，沙塵氣溶膠白天對地面向下長波輻射影響最大的是民勤地區(qū)，影響最小的是阿拉善地區(qū)；夜間影響最大的是哈密地區(qū)，最小的則為民勤地區(qū)。白天對地面向下短波輻射通量影響最大的地區(qū)為民勤地區(qū)，最小的地區(qū)則是敦煌地區(qū)。沙塵氣溶膠對大氣層頂向外的長波輻射通量白天和夜間影響最大的地區(qū)均為敦煌，最小地區(qū)均為阿拉善。

計(jì)算24 h不同站點(diǎn)沙塵氣溶膠的輻射通量影響，可知沙塵氣溶膠對地面向下的長波輻射通量影響的變化范圍為17.49～50.49 W·m-2，地面向下短波輻射通量的影響為-3.30～ -49.46 W·m-2，對大氣層頂向外的長波輻射通量的影響為-25.29～ 28.83 W·m-2。

表4 沙塵氣溶膠對不同地區(qū)的輻射通量影響對比(單位：W·m-2)

5 結(jié) 論

(1)沙塵氣溶膠對短波輻射通量的影響十分顯著，可以導(dǎo)致地面向下的短波輻射通量減小42.51%，沙塵氣溶膠濃度高的地區(qū)，地面向下短波輻射通量減小約300 W·m-2，而沙塵氣溶膠濃度較低的區(qū)域地面向下短波輻射通量減小約100 W·m-2。

(2)沙塵氣溶膠可以通過自身向外發(fā)射長波輻射，該作用的強(qiáng)弱與沙塵氣溶膠濃度有一定的關(guān)系，當(dāng)PM10濃度<5 mg·m-3，沙塵氣溶膠能夠增大地面向下長波輻射通量，起到一定的冷卻低層大氣的作用，當(dāng)PM10濃度在10～20 mg·m-3之間，沙塵氣溶膠能夠減小地面向下的長波輻射通量，對低層大氣具有“保溫”作用。

(3)沙塵氣溶膠將大氣中的熱量通過其散射作用增加大氣層頂向上的長波輻射通量，具有降低大氣中沙塵層溫度的作用。沙塵氣溶膠在夜間對低層大氣具有加熱作用，引起地面溫度升高，白天具有削弱向下的短波輻射通量的作用，導(dǎo)致地面降溫。

(4)沙塵氣溶膠對地面向下長波輻射通量的影響范圍為17.49～50.49 W·m-2，最大可達(dá)99.17 W·m-2；對地面向下短波輻射通量的影響為-3.30～-49.46 W·m-2，最大可達(dá)-162.67 W·m-2；對大氣層頂向外的長波輻射通量影響為-25.29～28.83 W·m-2，最大可達(dá)87.22 W·m-2。

[1] 陳麗,銀燕. 礦物氣溶膠遠(yuǎn)程傳輸過程中的吸收增溫效應(yīng)對云和降水的影響[J]. 高原氣象,2008,27(3):628-636.

[2] Tegen I, Werner M, Harrison S P, et al. Relative importance of climate and land use in determining present and future global soil dust emission[J]. Geophysical Research Letters, 2004,31(5):325-341.

[3] 張小曳. 亞洲粉塵的源區(qū)分布、釋放、輸送、沉降與黃土堆積[J]. 第四紀(jì)研究,2001(1):29-40.

[4] 康富貴,李耀輝. 近10 a西北地區(qū)沙塵氣溶膠研究綜述[J]. 干旱氣象,2011,29(2):144-150.

[5] Haywood J, Boucher O. Estimates of the direct and indirect radiative forcing due to tropospheric aerosols:A review[J]. Reviews of Geophysics, 2000,38(4):513-543.

[6] 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.

[7] Miller R L, Tegen I, Perlwitz J. Surface radiative forcing by soil dust aerosols and the hydrologic cycle[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2004,109(D4):361-375.

[8] Hofmann D J, Butler J H, Dlugokencky E J, et al. The role of carbon dioxide in climate forcing from 1979 to 2004:introduction of the Annual Greenhouse Gas Index[J]. Tellus Series B-chemical & Physical Meteorology, 2006,58(5):614-619.

[9] 徐成鵬. 中國地區(qū)沙塵氣溶膠的時空分布特征[D]. 蘭州：蘭州大學(xué),2014.

[10] Su J, Huang J, Fu Q, et al. Estimation of Asian dust aerosol effect on cloud radiation forcing using Fu-Liou radiative model and CERES measurements[J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2008,8(10):2763-2771.

[11] Pérez C, Nickovic S, Pejanovic G, et al. Interactive dust-radiation modeling: A step to improve weather forecasts[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2006(111):3505-3515.

[12] StanelleT, Vogel B, Vogel H, et al. Feedback between dust particles and atmospheric processes over West Africa during dust episodes in March 2006 and June 2007[J]. Atmospheric Chemistry & Physics Discussions, 2010,10(22):7553-7599.

[13] Spyrou C, Kallos G, Mitsakou C, et al. Radiative effects of desert dust on weather and regional climate[J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2013,13(11):1327-1365.

[14] Rémy S, Benedetti A, Bozzo A, et al. Feedbacks of dust and boundary layer meteorology during a dust storm in the eastern Mediterranean[J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2015,15(22):12909-12933.

[15] 孔丹,何清,張瑞軍,等. 塔克拉瑪干沙漠腹地春季一次沙塵暴沙塵氣溶膠的輻射特征[J]. 干旱氣象,2008,26(2):36-40.

[16] Heinold B, Tegen I, Schepanski K, et al. Dust radiative feedback on Saharan boundary layer dynamics and dust mobilization[J]. Geophysical Research Letters, 2008,35(20):525-530.

[17] Han Z, Li J, Guo W, et al. A study of dust radiative feedback on dust cycle and meteorology over East Asia by a coupled regional climate-chemistry-aerosol model[J]. Atmospheric Environment, 2013,68(1):54-63.

[18] 韓志偉,李嘉偉,夏祥鰲,等. 中國春季人為和沙塵氣溶膠對大氣輻射的影響[J]. 十一屆全國氣溶膠會議暨第十屆海峽兩岸氣溶膠技術(shù)研討會摘要集[C]. 2013.

[19] 成天濤,呂達(dá)仁,徐永福. 渾善達(dá)克沙地沙塵氣溶膠的輻射強(qiáng)迫[J]. 高原氣象,2005,24(6):920-926.

[20] Yaping Shao, 2004:Simplification of a dust emission scheme and comparison with data[J]. J Geophys Res, 109, D10202, doi:10.1029/2003JD004372.

[21] Peckham S E, Grell G A, McKeen S A, et al. WRF/Chem Version 3.2 User’s Guide.

[22] Yaping Shao, Eunjoo Jung, Lance M Leslie. Numerical prediction of northeast Asian dust storms using an integrated wind erosion modeling system[J]. J Geophys Res, 2002,107(D24):4814, doi:10.1029/2001JD001493.

[23] Yaping Shao, Yan Yang, Jianjie Wang, et al. Northeast Asian dust storms: Real-time numerical prediction and validation[J]. J Geophys Res, 2003,108(D22):4691.

[24] Yaping Shao. Numerical Prediction of Dust Weather[J]. Climatic and Environmental Research, 2004,9(1):127-138.

[25] Shinoda M, Gillies J A, Mikami M, et al. Temperate grasslands as a dust source:Knowledge, uncertainties, and challenges[J]. Aeolian Research, 2011:3(3):271-293.

[26] Shao Y, Wang J. A climatology of Northeast Asian dust events[J]. Meteorologische Zeitschrift, 2003,12(4):187-196.

[27] 吳成來,林朝暉. WRF/Chem模式中兩種起沙參數(shù)化方案對東亞地區(qū)一次強(qiáng)沙塵暴過程模擬的影響[J]. 氣候與環(huán)境研究,2014,19(4):419-436.

[28] 郭萍萍,殷雪蓮,劉秀蘭,等. 河西走廊中部一次特強(qiáng)沙塵暴天氣特征及預(yù)報方法研究[J]. 干旱氣象,2011:29(1):110-115.

[29] 沈潔,李耀輝,胡田田,等. 一次特強(qiáng)沙塵暴成因及近地面要素脈動特征[J]. 中國沙漠,2014,34(2):507-517.

[30] 趙旋,李耀輝,康富貴,等. “4.24"民勤特強(qiáng)沙塵暴過程初步分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(6):40-46.

[31] Choobari O A, Zawar-Reza P, Sturman A. The global distribution of mineral dust and its impacts on the climate system:A review[J]. Atmospheric Research, 2014,138(3):152-165.

[32] 劉菲. 沙塵氣溶膠輻射特性的初步研究[D]. 南京：南京信息工程大學(xué),2006.

[33] 柳晶. 中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性及輻射強(qiáng)迫的衛(wèi)星遙感觀測研究[D]. 南京：南京信息工程大學(xué),2008.

Dust Aerosol Influence on Radiation During a Dust Weather Process

ZHOU Xu, ZHANG Lei, SUN Naixiu, GAO Xin’ai

(CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,KeyLaboratoryofSemi-AridClimateChangesoftheMinistryofEducation,Lanzhou730000,China)

Dust aerosols play an important role in radiation budget. Aerosol-radiation interactions during dust storms were studied by implementing dust emission scheme by Shao (2004) (hereinafter referred to as Shao 2004 scheme) in Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF/Chem). Downward short wave radiation flux at ground surface was reduced by an average of 42.51%, with hourly average range from -3.30 to -49.46 W·m-2, and the instantaneous maximum was -162.67 W·m-2. Dust aerosol radiation emission enhanced the downward long wave radiation flux at ground surface, with hourly average range from 17.49 to 50.49 W·m-2, and the instantaneous maximum was 99.17 W·m-2. The downward long wave radiation flux at ground surface was reduced in the region with PM10concentrations ranging from 10 to 20 mg·m-3, and the reduced radiation was reserved in the atmosphere and kept the air warm. Daytime dust aerosols mainly enhanced the outgoing radiation flux at the top of atmosphere (TOA), while nighttime theymainly reduced outgoing radiation flux at TOA. The outgoing radiation flux at TOA ranged from -25.29 to +28.83 W·m-2, with an instantaneous maximum of 87.22 W·m-2.

dust aerosol; short wave radiation flux; long wave radiation flux; outgoing long wave radiation flux

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0763

2016-04-11；改回日期：2016-06-15

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金“干旱半干旱氣候變化機(jī)理”(41521004)及國家自然基金面上項(xiàng)目(41475008)共同資助

周旭(1984-)，男，安徽宿州人，在讀博士研究生，主要從事起沙參數(shù)化、沙塵氣溶膠數(shù)值模擬研究. E-mail：xzhou11@lzu.edu.cn

張鐳. E-mail：zhanglei@lzu.edu.cn

1006-7639(2016)-05-0763-09 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0763

P422.9

A

周 旭，張 鐳，孫乃秀，等.一次沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠對輻射的影響[J].干旱氣象，2016，34(5)：763-771, [ZHOU Xu, ZHANG Lei, SUN Naixiu, et al. Dust Aerosol Influence on Radiation During a Dust Weather Process[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):763-771],