東亞沙塵分布、源匯及輸送特征的模擬研究

郭 俊,銀 燕,王詠薇,康漢青,肖 輝,陳 魁,郝 囝(.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 200；2.江蘇省氣候中心,江蘇 南京 20008；3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 200；.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 50080)

東亞沙塵分布、源匯及輸送特征的模擬研究

郭 俊1,2,銀 燕1,3*,王詠薇1,康漢青1,肖 輝4,陳 魁1,郝 囝1(1.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044；2.江蘇省氣候中心,江蘇 南京 210008；3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044；4.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 510080)

采用全球氣溶膠模式(GOCART)模擬結(jié)果,討論了東亞地區(qū)沙塵氣溶膠時(shí)空分布、排放與沉降以及區(qū)域輸送特征.結(jié)果表明,中國境內(nèi)沙源主要位于塔克拉瑪干沙漠、河西走廊及河套地區(qū).排放強(qiáng)度春季最大,夏季和秋季逐漸減小,冬季最弱,且強(qiáng)度逐年減弱,區(qū)域年平均排放為581Tg/a.模擬的沙塵光學(xué)厚度(AOD)分布與衛(wèi)星觀測具有很好的一致性,其中塔克拉瑪干沙漠AOD大值與沙塵暴活動(dòng)密切相關(guān),其出現(xiàn)時(shí)間最早,持續(xù)時(shí)間最長.區(qū)域平均而言,干沉降和濕沉降可以分別清除 77%和 22%的沙塵排放,其中沙塵源區(qū)干沉降起主導(dǎo)作用,遠(yuǎn)離源區(qū)的東北及西北太平洋,濕沉降更加重要.沙塵大粒子主要通過重力干沉降移出,而濕沉降對小粒子貢獻(xiàn)超過 60%.重力干沉降全年(特別是春季)起主導(dǎo)作用,對流降水濕沉降在夏季作用顯著增強(qiáng),總體來說,沙塵總沉降速率逐年減小.東亞沙塵氣溶膠通過 3條輸送帶自西向東傳輸,可以影響我國華北、華中和華南.對散度的研究表明,氣溶膠平流項(xiàng)對沙塵源區(qū)氣溶膠輻散作用較大,沙塵排放顯著影響該地區(qū)沙塵的輸送和AOD;而塔里木盆地西側(cè)沙塵輻合中心是風(fēng)場輻合輻散項(xiàng)導(dǎo)致的,說明地形和風(fēng)場對該地區(qū)沙塵輸送和AOD很重要.

沙塵氣溶膠；起沙量；分布；干濕沉降；輸送

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮于其中的所有固態(tài)、液態(tài)粒子形成的多相體系.大氣氣溶膠的種類非常多,其中沙塵氣溶膠幾乎占據(jù)對流層大氣氣溶膠總量的一半,是對流層大氣氣溶膠的重要成分[1].氣溶膠不僅可以造成大氣污染,影響人類居住環(huán)境,還能通過直接[1]、間接[2-3]及半直接效應(yīng)[4]影響氣候.首先,沙塵氣溶膠同時(shí)具有散射和吸收特性,它可以通過散射和吸收太陽短波輻射,冷卻地表,還可以通過吸收短波和長波輻射,加熱大氣,通過改變局地能量平衡影響大氣動(dòng)力結(jié)構(gòu),進(jìn)而對天氣氣候產(chǎn)生重要影響[5-7];其次,沙塵氣溶膠還可以作為云凝結(jié)核和冰核,通過影響云微物理過程,影響云和降水的分布和強(qiáng)度[8].近些年的研究還表明,東亞[7,9]及非洲[10-11]沙塵的遠(yuǎn)距離輸送,會(huì)在高空產(chǎn)生熱泵效應(yīng)(EHP),使局地降水增加,雨帶位置變化,但這方面的研究仍具有很大不確定性.因此,準(zhǔn)確描述沙塵氣溶膠的時(shí)空分布、演變規(guī)律及傳輸特征,對于研究沙塵輻射強(qiáng)迫,了解其對氣候及環(huán)境的影響,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

已有關(guān)于沙塵的研究,無論采用觀測或模擬的方法,對其成因、時(shí)空分布特征,以及氣候效應(yīng)都取得了一些進(jìn)展[12-14].已有研究表明,東亞是沙塵氣溶膠的重要源地,中國西北和蒙古沙漠地區(qū)是沙塵的重要源區(qū),春季是東亞沙塵暴的多發(fā)季節(jié)[12-17].對亞洲沙塵暴的研究表明,地表強(qiáng)風(fēng)可以使大量沙塵粒子進(jìn)入大氣,導(dǎo)致下風(fēng)方向嚴(yán)重的環(huán)境問題[15,18].采用數(shù)值模擬的方法,Tegen等

[19]、Ginoux等[20]在全球范圍內(nèi)計(jì)算了沙塵排放、光學(xué)厚度及濃度的時(shí)空分布特征.Zhang等

[21]、Perry等[22]模擬結(jié)果表明,每年有 800Tg的沙塵進(jìn)入大氣,其中 20%在區(qū)域尺度上傳輸,50%可以流出東亞大陸,跨太平洋輸送.由于東亞地區(qū)地形復(fù)雜、土地利用多樣以及人類活動(dòng)劇烈,因而,已有觀測和模擬的結(jié)果還具有很大的不確定性.

目前基于站點(diǎn)和衛(wèi)星資料的觀測研究仍然是東亞沙塵氣溶膠研究的熱點(diǎn),但是仍存在一些問題.比如,站點(diǎn)觀測的能見度是一種定性和半定量數(shù)據(jù);衛(wèi)星觀測的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)受到自身算法的限制,精度不高,時(shí)間序列較短;激光雷達(dá)觀測雖然可以準(zhǔn)確反映沙塵的垂直分布,但是站點(diǎn)空間分布稀疏[17].因此數(shù)值模擬的方法仍然是研究東亞地區(qū)沙塵氣溶膠的重要手段之一.目前關(guān)于全球沙塵氣溶膠排放及分布的研究較多,但是東亞區(qū)域尺度上沙塵氣溶膠時(shí)空分布、沉降及區(qū)域內(nèi)部傳輸?shù)难芯窟€比較少.因此,本文利用全球大氣化學(xué)氣溶膠輻射傳輸模式GOCART(Goddard Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation and Transport)2000～2007年沙塵的模擬結(jié)果,重點(diǎn)探討和建立了東亞沙塵氣溶膠時(shí)空分布、源匯及區(qū)域內(nèi)部傳輸特征,并且初步得到了不同影響因子(包括排放源和風(fēng)場地形)對沙塵輸送的影響.

1 模式、資料及方法介紹

1.1 模式介紹

GOCART模式是一個(gè)全球大氣化學(xué)氣溶膠輻射傳輸模式,可以模擬5種主要的大氣氣溶膠成分,包括黑碳、有機(jī)碳、硫酸鹽、海鹽和沙塵.模式中氣溶膠模擬考慮了氣溶膠及其前體物的排放、氣相和液相化學(xué)過程、平流及濕對流、邊界層混合、以及干沉降和濕沉降過程.其中,干沉降包含重力干沉降和湍流干沉降;濕沉降包含對流性降水濕沉降和大尺度降水濕沉降.

模式中沙塵的排放采用了參數(shù)化[20]并對其改進(jìn)了方法[23].將沙塵粒子從0.01～10μm分成8段(即0.1～0.18,0.18～0.3,0.3～0.6,0.6～1,1～1.8, 1.8～3,3～6,6～10μm,其中 0.01～1μm 為積聚模態(tài), 1～10μm為粗模態(tài)),地表起沙量是地表風(fēng)速以及沙塵粒徑比例等的函數(shù):

式中:Fp是起沙量,μg/(m2·s);C 是尺度因子,1 μg·s2/m5;S是源函數(shù);sp為粒徑段p的比例;u是地表風(fēng)速,m/s;ut是臨界風(fēng)速(由粒子尺度和地表濕度決定).由方程(1)可知,沙塵排放主要受到地表風(fēng)速、沙漠分布、地表植被覆蓋狀況、地表濕度以及沙塵粒徑比例等因子的共同影響.

已有研究表明,沙塵排放及濃度分布與地形高度分布反相關(guān).這主要與GOCART模式中起沙方案有關(guān).如果盆地地形高度變化劇烈,那么在盆地的山谷和洼地中就會(huì)包含很多沉積物,產(chǎn)生較高的起沙量;如果盆地較為平坦,沉積物就會(huì)分布地比較均勻[20].一般而言,沙塵排放較大的區(qū)域都具有地表高風(fēng)速、低植被覆蓋以及較干燥.

本研究中,模式水平分辨率2°(緯度)×2.5°(經(jīng)度),垂直分辨率 30層,模式頂0.01hPa.模式采用Goddard Earth Observing System Data Assimilation System(GEOS-4, ftp://ftp.as.harvard. edu/gcgrid/GEOS_4x5/GEOS_4_v4/)同化的氣象資料每6h驅(qū)動(dòng)一次,模擬時(shí)段是2000～2007年,本文分析的是GOCART8年模擬結(jié)果.模式詳細(xì)介紹參考已發(fā)表的文章[20,23].通過對比該模式模擬結(jié)果與地面站點(diǎn)和衛(wèi)星,Chin等[23]研究表明GOCART可以模擬出全球大氣氣溶膠的排放、濃度以及 AOD的空間分布及季節(jié)變化.由于GOCART在全球尺度上的評估工作已有很多,本文側(cè)重利用其8年模擬結(jié)果,討論了東亞地區(qū)沙塵氣溶膠的分布、沉降及輸送特征.

1.2 資料介紹

本文使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是Multiangle Imaging Spectroradiometer(MISR)氣溶膠光學(xué)厚度資料以及Total Ozone Mapping Spectrometer(TOMS)和Ozone Monitoring Instrument(OMI)氣溶膠指數(shù)(Aerosol Index, AI)資料.MISR搭載在Terra衛(wèi)星上,共有4個(gè)波段(446,555,672及867nm),9個(gè)觀測角度(0°,±26.1°,±45.6°,±60.0°,±70.5°),9d就能覆蓋全球.本文使用MISR全球3級(jí)555nm光學(xué)厚度產(chǎn)品,空間分辨率 0.5°(緯度)×0.5°(經(jīng)度).由于MISR從9個(gè)不同角度觀測地球,因此能獲取豐富的地表反射信息,而且其氣溶膠算法采用非均勻地表方法,不依賴于地表反射率的假設(shè)[24].

TOMS或OMI氣溶膠指數(shù)AI定義為氣溶膠輻射效應(yīng)導(dǎo)致的UV波段光譜的改變[25].當(dāng)氣溶膠指數(shù)為正時(shí),表示存在吸收性氣溶膠,因此 AI可以用來近似診斷沙塵暴的發(fā)生[26].在以往的研究中,AI也被廣泛用來驗(yàn)證模擬的沙塵AOD分布.本文選取的 TOMS AI空間分辨率 1°(緯度)×1.25°(經(jīng)度),OMI AI空間分辨率 1°(緯度)×1°(經(jīng)度).由于 TOMS數(shù)據(jù)只到 2005年(2000～2005,ftp://toms.gsfc.nasa.gov/pub/eptoms/d ata/),因此,本研究引入了2006～2007年的OMI氣溶膠指數(shù)(2006～2007,ftp://toms.gsfc.nasa.gov/ pub/omi/data/).以往研究表明,同時(shí)采用2種氣溶膠指數(shù)是可行的[18,26].

1.3 方法介紹

利用逐日風(fēng)場數(shù)據(jù)和模擬的氣溶膠濃度數(shù)據(jù),可以分析東亞地區(qū)沙塵氣溶膠的輸送特征.各模式層緯向和經(jīng)向沙塵傳輸通量可用下式得到(Fλ,F?,μg·s/kg):式中:g0是重力加速度,m/s2;p1和p2是模式層的界面氣壓,Pa;u和v是各層水平方向速度,m/s;C是沙塵氣溶膠質(zhì)量混合比,g/kg.

因此,散度在球坐標(biāo)系下的方程可以簡化為2部分:

式中:r是地球半徑,m;φ是緯度;λ是經(jīng)度.方程(4)右邊第1項(xiàng)是氣溶膠平流項(xiàng),表示由于沙塵濃度空間分布不均勻?qū)е碌臍馊苣z輸送和散度變化;第2項(xiàng)是風(fēng)場輻合輻散項(xiàng),表示由于風(fēng)場和地形影響造成的氣溶膠輸送和散度變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 沙源位置及起沙量

圖 1給出了東亞地區(qū)地形以及年平均起沙量分布.如圖1所示,本文所選取的研究區(qū)域包含了整個(gè)中國大陸,囊括了主要的東亞沙塵源區(qū).模式可以模擬出東亞地區(qū)3個(gè)主要的沙塵源地,包含了新疆的塔克拉瑪干沙漠(區(qū)域 A,80°～95°E, 35°～42°N)、古爾班通古特沙漠(區(qū)域C,80°～95°E, 42°～50°N),以及內(nèi)蒙古西部的騰格里沙漠及其周邊區(qū)域(區(qū)域 B,100°～110°E,35°～45°N).其他的沙塵源區(qū),諸如昆侖山以南的青藏高原區(qū)域,蒙古國南部高原,內(nèi)蒙古中東部沙漠(包含渾善達(dá)克沙地,科爾沁沙地等),以及巴爾科什湖南部的薩雷耶西克阿特勞沙漠,都能很好的模擬出來.總的來說,中國境內(nèi)的沙源主要包括塔里木盆地、河西走廊以及河套地區(qū),中國境外沙源主要位于蒙古國南部以及西亞北部地區(qū)[13-14,27].

起沙量最大值位于新疆塔里木盆地,那里的塔克拉瑪干沙漠是世界上最大的流動(dòng)性沙漠之一,起沙量可以超過 1800mg/(m2·d).其次,在蒙古高原,特別是騰格里沙漠附近,由于受到干旱以及人類活動(dòng)的影響,草場退化導(dǎo)致該地區(qū)沙漠化趨勢日益嚴(yán)重,起沙中心超過 1000mg/(m2·d).另外,位于北疆的古爾班通古特沙漠附近區(qū)域,起沙強(qiáng)度中心也能超過 600mg/(m2·d).模式結(jié)果表明,沙塵排放較大的區(qū)域往往地表風(fēng)速較高、植被覆蓋稀疏、地表比較干旱,并且主要沙塵源區(qū)都位于 40°N附近,沙塵源地的分布與地形高度分布反相關(guān).

圖1 (a)模擬區(qū)域及地形分布和(b)東亞地區(qū)2000～2007年平均沙塵氣溶膠排放量及3個(gè)主要沙漠的位置Fig.1 (a) The model domain and distribution of terrain height in meters and (b) the predicted annual mean dust production during the period from 2000～2007 locations of three major deserts in East AsiaA,塔克拉瑪干沙漠;B,騰格里沙漠;C,古爾班通古特沙漠

東亞地區(qū)沙塵排放同樣具有明顯的年際(圖 2a)和季節(jié)(圖 2b)變化特征.如圖 2a所示, 2000～2007年間,沙塵的排放年際變化差異較大. 2001年和 2004年排放量最大,分別達(dá)到624.33Tg和615.82Tg;而2003年和2005年相對較小,為504.30Tg和538.34Tg.Ginoux等[20]指出,地表風(fēng)速越大,濕度越小,越有利于沙塵排放量的增加;反之,沙塵排放量將減少.由于模擬時(shí)段內(nèi)地表風(fēng)速和地表濕度變化的影響,東亞地區(qū)沙塵排放量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢,遞減率為2.89Tg/a.并且,粗模態(tài)沙塵的年際減少趨勢以及減少的排放總量均明顯大于細(xì)模態(tài)沙塵.圖 2b給出沙塵季節(jié)變化特征,東亞沙塵排放春季最大,夏季和秋季逐漸減少,冬季最弱.春季 4月份排放的最大值可以超過 80Tg,而整個(gè)春季的起沙量占全年起沙量的 37.63%.春季起沙量較大主要是因?yàn)樵摷竟?jié)風(fēng)速較大,植被稀少,有利于沙塵的形成;夏季降水增多,土壤濕度加大,植被覆蓋改善,導(dǎo)致起沙量不斷降低.從表 1可以看出,東亞區(qū)域和年平均起沙量可以達(dá)到581Tg/a,這與其他模式模擬的結(jié)果[28-32]較一致(46～736Tg/a),表明 GOCART模式對東亞地區(qū)的沙塵具有很好的模擬能力.

圖2 模擬的東亞地區(qū)沙塵排放和沉降(a)年際變化及(b)季節(jié)變化Fig.2 The simulated (a) interannual and (b) seasonal variations of dust production and deposition in East Asia from GOCART model

表1 不同模式模擬的東亞地區(qū)沙塵氣溶膠起沙量、沉降量及柱含量Table 1 The modeled dust emissions, depositions, and budget in this study and previous studies in East Asia

2.2 沙塵氣溶膠空間分布特征

圖3進(jìn)一步給出了東亞地區(qū)多年平均各季節(jié)GOCART模擬和MISR觀測的AOD空間分布.將模擬的 AOD結(jié)果與起沙分布對比表明,2者具有很高的空間一致性.AOD大值往往位于起沙量較大的區(qū)域,也即40°N附近,大值中心包含了塔克拉瑪干沙漠(春季大于0.8)、古爾班通古特沙漠(春季大于0.4)和廣大內(nèi)蒙古中東部沙區(qū)(春季大于 0.5).以上模擬結(jié)果與觀測結(jié)果基本一致,說明模式可以較為真實(shí)反映沙塵區(qū)氣溶膠高濃度分布特征.模擬和觀測在部分地區(qū)也存在不一致,主要是因?yàn)槟M結(jié)果僅給出沙塵的AOD,而MISR測量的是總AOD,所以包含了其他污染氣溶膠;其次,模式選取的網(wǎng)格精度較低,也限制了模式對地表特征的模擬;另外,衛(wèi)星 AOD反演算法到目前為止仍存在很大的不確定性.對比不同季節(jié)AOD分布可以發(fā)現(xiàn),春季和夏季,中國境內(nèi)沙塵高濃度主要分布在 120°E以西的沙漠地區(qū)以及西北邊境和青藏高原的西側(cè)一線.秋季和冬季,隨著大氣環(huán)流的調(diào)整,以上AOD大值分布型也隨之改變,AOD中心顯著減弱,且只出現(xiàn)在 120°E以西的沙漠核心地帶.以上季節(jié)變化和空間分布特征,與熊潔等[17], Zhang等[18],及 Sun等[26]的模擬結(jié)果一致.全年來看,春季(3～5月)是一年中 AOD最大的季節(jié),模擬的區(qū)域平均AOD可達(dá)0.14,夏季次之(0.09),秋季(0.06)和冬季(0.05)都比春季小很多.MISR的觀測結(jié)果也表明,年均沙塵氣溶膠濃度高值主要出現(xiàn)在春季的塔克拉瑪干沙漠及 40°N沙塵傳輸帶附近.這與春季是中國北方沙塵暴最為活躍的季節(jié)有關(guān)[13-14,18].以上模擬和觀測結(jié)果表明,中國境內(nèi)沙塵氣溶膠存在顯著的空間及時(shí)間變化特征,模式可以很好模擬出東亞沙塵天氣發(fā)生的季節(jié)和空間特征.

圖3 (a～d)GOCART模擬的沙塵AOD與(e～h)MISR觀測的總AOD分布的季節(jié)變化Fig.3 Comparisons of (a～d) the modeled dust AOD from GOCART model and (e～h) the observed total AOD from MISR in different seasons

2.3 沙塵氣溶膠時(shí)間變化特征

2.3.1 年際變化特征 圖4給出了模擬和MISR觀測的3個(gè)主要沙塵源地(圖1b)AOD隨時(shí)間的變化.

圖4 GOCART模擬和MISR觀測的3個(gè)主要沙漠區(qū)域氣溶膠AOD年際變化Fig.4 Interannual comparisons between GOCART simulated and MISR observed mean AOD in three key desert regions delineated

如圖4所示,沙塵氣溶膠具有很強(qiáng)的年際變化特征.各沙塵源區(qū) AOD隨時(shí)間呈顯著的年循環(huán),并且在每年春季出現(xiàn)爆發(fā)性增長,在秋季和冬季急劇減少.春季 AOD大值與春季起沙量急劇增加、中國北方不斷發(fā)生的揚(yáng)沙和沙塵暴有關(guān).比較不同沙塵源區(qū)模擬的AOD隨時(shí)間變化特征可以發(fā)現(xiàn),沙塵AOD都是春季和夏季較大,秋季和冬季較小.特別地,模擬的塔克拉瑪干沙漠AOD大值持續(xù)時(shí)間較其他2個(gè)主要沙漠長很多.比較相同季節(jié)不同沙源 AOD可以發(fā)現(xiàn),模擬和觀測結(jié)果在塔克拉瑪干沙漠差異較大,而在騰格里沙漠以及古爾班通古特沙漠,模式可以很好模擬出觀測的沙塵 AOD年際變化.將不同沙源進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn),塔克拉瑪干沙漠 AOD季節(jié)變化幅度明顯大于騰格里沙漠以及古爾班通古特沙漠.這主要是因?yàn)?塔克拉瑪干沙漠所處的塔里木盆地面積廣大,山谷和洼地包含很多沉積物,產(chǎn)生較高的起沙量[20],導(dǎo)致起沙函數(shù)對環(huán)境氣象因子(例如地表風(fēng)速和濕度)的敏感程度也更大.綜合來說,模擬和觀測得到的 AOD相關(guān)系數(shù)在塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠以及古爾班通古特沙漠分別可以達(dá)到0.78,0.66,0.61.

圖5 GOCART模擬的AOD和TOMS/OMI觀測的氣溶膠指數(shù)在3個(gè)主要沙漠區(qū)域的季節(jié)變化特征Fig.5 Seasonal comparisons between the GOCART simulated mean AOD and the TOMS/OMI observed aerosol index in three key desert regions

2.3.2 季節(jié)變化特征 圖5給出了3個(gè)主要沙塵源地模擬的沙塵AOD以及TOMS/OMI觀測的氣溶膠指數(shù)季節(jié)變化.從圖中可以看到,模擬的沙塵AOD季節(jié)變化特征與AI變化特征一致.在沙塵暴較活躍的季節(jié),也就是AI較大的季節(jié)(4～7月),往往對應(yīng)著沙塵高濃度和光學(xué)厚度大值.在3個(gè)沙塵源區(qū),即塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠以及古爾班通古特沙漠,沙塵AOD和AI的相關(guān)性可以分別達(dá)到 0.91,0.88,0.83.本文模擬結(jié)果和一些已有研究[13-14,18]都表明,塔克拉瑪干沙漠是沙塵暴活動(dòng)最為頻繁的地區(qū),相較其他沙塵源地,光學(xué)厚度和氣溶膠指數(shù)大值出現(xiàn)時(shí)間較早,持續(xù)時(shí)間較長,相關(guān)性也更好;而中國北方地區(qū),特別是騰格里沙漠附近,同樣也是沙塵暴活躍的區(qū)域,但是該地區(qū)沙暴主要出現(xiàn)在春季(3～5月),并且隨時(shí)間迅速減弱,沙暴的持續(xù)時(shí)間和對 AOD的影響,弱于塔克拉瑪干沙漠.

2.4 沙塵氣溶膠的沉降及收支

2.4.1 干沉降和濕沉降 進(jìn)入大氣的沙塵氣溶膠會(huì)通過干沉降和濕沉降 2種過程移除[12,17,33].本模式中,干沉降分為2部分,即重力干沉降和湍流干沉降;濕沉降則分為大尺度降水濕沉降和對流降水濕沉降.

模擬得到的東亞地區(qū) 8年平均沙塵氣溶膠沉降量分布如圖6a和6b所示,沉降區(qū)域幾乎包括了整個(gè)東亞大陸,高值中心與排放中心基本一致.干沉降的高值出現(xiàn)在 40°N附近,在塔克拉瑪干沙漠出現(xiàn)干沉降大值中心,超過 800mg/(m2·d).濕沉降存在3個(gè)大值中心,分別位于新疆塔克拉瑪干沙漠以西、騰格里沙漠附近的廣大華北區(qū)域、以及印度西北部,這些大值中心的濕沉降量都超過30mg/(m2·d).如圖6c所示,在110°E以西沙塵源區(qū),濕沉降與干沉降之比小于 0.1,說明在沙塵排放源區(qū),干沉降起主要作用.這主要是因?yàn)檩^大的沙塵粒子更容易降落到源區(qū)地面,通過重力干沉降清除.而較小的沙塵粒子,可以向東傳輸進(jìn)入華北,因此,越遠(yuǎn)離沙塵源區(qū),濕沉降與干沉降比值就越大,濕沉降的作用也就更明顯.在中國東北、云南、日本及附近海域、中印半島以及印度東部和南部,濕沉降和干沉降之比大于 1,說明在這些區(qū)域濕沉降的貢獻(xiàn)要大于干沉降.這一結(jié)果與 Zhao等[33]的結(jié)論一致,表明東亞沙塵源區(qū)附近以干沉降為主,在沙塵遠(yuǎn)距離傳輸過程中濕沉降占主導(dǎo)地位.

如圖2a和2b所示,沙塵總沉降及其各組分的年際和季節(jié)變化特征與沙塵排放基本一致.如圖2a所示,2001年和2004年總沉降最大,可以達(dá)到608.62和607.19Tg;2003年和2005年總沉降最小,分別為509.83和531.01Tg.總沉降在8a時(shí)間里呈現(xiàn)下降趨勢,年遞減率為 5.79Tg/a,與該地區(qū)起沙量變化較少趨勢一致,但是降低速度更快,說明東亞大氣中的沙塵含量在逐年快速遞增.沙塵沉降季節(jié)變化表明(圖 2b),春季大氣總沙塵沉降量較大,其他季節(jié)逐漸減小,冬季最小.5月總沉降最大值可以達(dá)到 72.87Tg,而 2月最小值為27.31Tg.在所有沉降因子中,重力干沉降與總沉降的變化趨勢一致,也是春季最大,是構(gòu)成總沉降最重要的部分.對流降水濕沉降具有明顯的季節(jié)變化,在夏季出現(xiàn)最大值,其對總沉降的貢獻(xiàn)也不能忽略.相較于以上2種沉降,湍流干沉降和大尺度降水濕沉降對總沉降的影響相對較小.

2.4.2 區(qū)域收支 圖6d給出了2000～2007年東亞地區(qū)沙塵氣溶膠大氣柱含量,它可以反映區(qū)域沙塵氣溶膠的收支情況.由圖6d可知,沙塵含量大值位于塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠及其下風(fēng)區(qū)域,涵蓋了 40°N廣大地區(qū),從中國西北一直到朝鮮半島和日本.沙塵柱含量的中心位于新疆塔克拉瑪干沙漠,極值可以超過1000mg/m2.總體來說,如表1所示,干沉降和濕沉降可以分別清除77%和22%的沙塵氣溶膠,只有約1%的沙塵排放可以駐留在大氣中,對局地和下風(fēng)方向的大氣環(huán)境產(chǎn)生影響.表2進(jìn)一步給出了各粒徑段沙塵排放、沉降及柱含量的統(tǒng)計(jì)特征.大氣中有效半徑大于1μm的沙塵粒子主要通過干清除過程(特別是重力清除過程)移出,而有效半徑小于1μm的小粒子,濕清除的貢獻(xiàn)超過 60%.沙塵不同粒徑段對其大氣柱含量也具有明顯不同的貢獻(xiàn),區(qū)域年平均而言,大氣中大約75%的沙塵集中在1～3μm粒徑段.

圖6 模擬的2000～2007年東亞地區(qū)平均沙塵氣溶膠(a)干沉降、(b)濕沉降、(c)濕沉降和干沉降之比以及(d)柱含量Fig.6 The simulated (a) dry deposition, (b) wet deposition, (c) ratio of wet and dry depositions, and (d) column burden of dust aerosol averaged over the period 2000～2007in East Asia from GOCART model

表2 模擬的東亞地區(qū)各粒徑沙塵氣溶膠起沙量、沉降量及柱含量Table 2 The simulated production, depositions, and budget of different dust bins from GOCART in East Asia

2.5 區(qū)域輸送

東亞地區(qū)沙塵氣溶膠的遠(yuǎn)距離輸送可以影響局地降水和雨帶的位置,從而對區(qū)域氣候產(chǎn)生重要影響[7,9].

圖7 模擬的2000～2007年東亞地區(qū)平均(a)沙塵氣溶膠通量及總散度,以及(b)氣溶膠平流和(c)風(fēng)場對總散度的貢獻(xiàn)Fig.7 The predicted (a) dust aerosol flux divergence overlaid by column averaged transport streamline, and the dust flux divergence contributed by (b) aerosol advection term and (c) wind field divergence/ convergence term from 2000～2007

圖7a給出了東亞地區(qū)沙塵氣溶膠整層水平通量流場分布.總體而言,東亞地區(qū)沙塵氣溶膠呈現(xiàn)自西向東的環(huán)流輸送特征,存在3個(gè)主要的沙塵輸送帶:1)位于 40°N附近的沙塵輸送帶可以將源自塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠及蒙古高原的沙塵氣溶膠向東輸送至華北、朝鮮半島及日本周邊海域.吳澗等[13-14]及 Zhao等[33]指出該輸送帶對于我國北方及東北亞的沙塵天氣具有重要的影響,這一輸送主要集中在對流層中高層5km左右[17].2)位于30°～40°N之間的沙塵輸送帶,可以將青藏高原及西亞的沙塵向東南輸送到華中和華南.3)30°N以南的沙塵輸送帶,將源自阿拉伯半島的沙塵遠(yuǎn)距離輸送至印度半島及中印半島.

東亞沙塵氣溶膠主要包括 2個(gè)輻散區(qū):1)位于40°N附近的沙塵源區(qū),從塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠向東,一直到蒙古高原南部、內(nèi)蒙古中部的廣大干旱和半干旱區(qū);2)巴爾科什湖南部的薩雷耶西克阿特勞沙漠以及整個(gè)青藏高原.在除此以外的廣大東亞大陸和海洋地區(qū),都為沙塵輻合.特別是在新疆塔里木盆地西側(cè),青藏高原以北地區(qū),存在一個(gè)沙塵氣溶膠強(qiáng)輻合中心.通過比較圖7b和7c發(fā)現(xiàn),上訴沙塵源地氣溶膠輻散主要受氣溶膠平流項(xiàng)影響,也就是強(qiáng)沙塵排放會(huì)導(dǎo)致源區(qū)沙塵向區(qū)域外輸送.而塔里木盆地西側(cè)沙塵輻合中心主要受風(fēng)場輻合輻散項(xiàng)影響,也就是風(fēng)場和地形對當(dāng)?shù)厣硥m輸送的作用更大.以上研究表明,在沙塵源區(qū)及 40°N沙塵傳輸帶,局地沙塵排放對當(dāng)?shù)厣硥m輸送及光學(xué)厚度大值影響較大.而在塔里木盆地西側(cè),地形和風(fēng)場作用對該地區(qū)沙塵的輸送和光學(xué)厚度很重要.

由于東亞地區(qū)受東亞夏季風(fēng)顯著影響,因此,沙塵輸送還存在顯著的季節(jié)變化特征.總體來說,東亞大陸地區(qū)春季沙塵輸送強(qiáng)度明顯大于夏季.春季沙塵源區(qū)沙塵的排放量較大,濃度散度起主導(dǎo)作用,使春季輻散區(qū)明顯強(qiáng)度大于夏季;而夏季由于季風(fēng)的爆發(fā),降水清除作用的加強(qiáng),以及沙塵排放的減少,導(dǎo)致濃度散度的作用受到抑制,輻散區(qū)強(qiáng)度和范圍減小,輻合區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng).

3 結(jié)論

3.1 中國境內(nèi)沙源主要位于塔克拉瑪干沙漠、河西走廊及河套地區(qū).年平均起沙量最大值出現(xiàn)在塔克拉瑪干沙漠,中心超過 1800mg/(m2·d).東亞沙塵排放具有明顯的年際和季節(jié)變化.排放呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢,遞減率為 2.89Tg/a.季節(jié)尺度上,春季排放最大,占全年總排放的 37.63%,夏季和秋季排放逐漸降低,冬季最弱.區(qū)域年平均排放為581Tg/a.

3.2 沙塵光學(xué)厚度時(shí)空分布特征與衛(wèi)星觀測結(jié)果具有很好的一致性.區(qū)域平均春季沙塵 AOD最大(0.14),夏季次之(0.09),而秋季(0.06)和冬季(0.05)急劇減小.通過和 TOMS/OMI氣溶膠指數(shù)對比研究發(fā)現(xiàn),塔克拉瑪干沙漠 AOD大值與沙塵暴活動(dòng)密切相關(guān),AOD大值出現(xiàn)時(shí)間最早,持續(xù)時(shí)間也最長.

3.3 東亞沙塵源區(qū)干沉降起主導(dǎo)作用,而遠(yuǎn)離源區(qū)的東北、日本及太平洋海域,濕沉降更加重要.平均而言,干沉降和濕沉降可以分別清除77%和 22%的沙塵排放.沙塵大粒子主要通過干沉降(特別是重力沉降)移出,而濕沉降對小粒子的貢獻(xiàn)超過 60%.粒徑范圍 1～3μm的大粒子貢獻(xiàn)了75%的沙塵柱含量.此外,沙塵沉降率以 5.79Tg/a趨勢逐年遞減,季節(jié)尺度上,重力干沉降在全年(特別是春季)占主導(dǎo)地位,而對流降水濕沉降在夏季顯著增強(qiáng).

3.4 東亞地區(qū)沙塵氣溶膠通過3條輸送帶自西向東傳輸.40°N附近來自塔里木盆地的沙塵輸送可以影響中國北方;30°～40°N來自青藏高原的沙塵輸送影響華中和華南;30°N以南的沙塵輸送影響印度半島及中印半島.沙塵源區(qū)氣溶膠輻散是氣溶膠平流項(xiàng)造成的,說明沙塵排放會(huì)顯著影響該地區(qū)沙塵輸送以及 AOD大值;而塔里木盆地西側(cè)沙塵輻合中心是風(fēng)場輻合輻散項(xiàng)導(dǎo)致的,說明風(fēng)場和地形對該地區(qū)沙塵輸送和AOD大值很重要.沙塵輸送呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征,春季,沙塵輸送強(qiáng)度較大,輻散區(qū)較強(qiáng);夏季,沙塵輻散區(qū)強(qiáng)度和范圍減小,輻合區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng),沙塵輸送受到抑制.

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GUO Jun1,2,YIN Yan1,3*, WANG Yong-wei1, KANG Han-qing1, XIAO Hui4, CHEN Kui1, HAO Jian1(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Jiangsu Climate Center, Nanjing 210008, China；3.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；4.Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：801～812

The spatial and temporal distribution, production and deposition, and regional transport of mineral dust aerosol over East Asiawere quantified by usingthe Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport (GOCART) model. Model results showed thatthe Takalamakan Desert, the Hexi Corridor, and the Hetao Area were the main dust source regions in China. The dust production waslargest in spring, relatively small in summer and autumn, and reachedits minimum value in winter. Moreover, the dust production was gradually decreased year by year. The annual mean of regional dust emission waspredicted to be 581Tg/a. In general, the modeled dust aerosol optical depth (AOD) agreed well with the satellite observations spatially and temporally. Specifically, the high AOD in the Takalamakan Desert was notably influenced by the dust storm activities, in which AOD reached its peaks earlierin a year and kept longer compared with other sources. On the annual mean of regional basis, the dry and wet depositionscould remove 77% and 22% of the total dust production, respectively. The dry deposition was the dominate dust removal process over dust sources, while the wet deposition was more important when dust was transportedto northeastern China and the northwestern Pacific oceans. Furthermore, the removal process of coarse mode dust was mainly determined by gravitational dry deposition, in contrast, the wet deposition contributedto more than 60% of the removal process of accumulate mode dust. As the most important component, the gravitational dry deposition dominatedthe dust removal process throughout the year, especially in spring,while the wet deposition from convectiveprecipitationcould not be neglected in summer. Similar to dust production, the dust deposition also showed a decreasing trend over the simulation period. There were three major dust transport routes in East Asia, by which the dust aerosol could be transported from the dust source regions to northern, central, and southern China. In addition, the dust divergence region due to aerosol advection term was mainly located over the dust source regions, suggesting that the local heavy dust emission had great impacts on the dust transport and the high AOD there. On the other hand, the dust convergence in the western Tarim Basin induced by wind divergenceconvergence term indicated that the wind and topography were important for the high dust AOD there.

dust aerosol；production；distribution；dry and wet depositions；transport

X513

A

1000-6923(2017)03-0801-12

郭 俊(1986-),男,江蘇南京人,博士,研究方向?yàn)榇髿獬煞峙c區(qū)域氣候變化.發(fā)表論文6篇.

2016-07-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91337101,41590873,41505052)

* 責(zé)任作者, 教授, yinyan@nuist.edu.cn