撒哈拉地區(qū)沙塵氣溶膠南北空間型 分布特征及其成因

邸文婧, 牛笑應(yīng), 陳子琦, 劉 俊, 王 鑫*

(1. 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; 2. 蘭州中心氣象臺(tái), 甘肅 蘭州 730020)

0 引 言

氣溶膠是指直徑在0.001～100 μm 之間的固體或液體微粒懸浮于空氣中形成的多相體系[1]。大氣中包含多種氣溶膠類型, 其中沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠最重要的組分之一, 它可以通過(guò)直接輻射效應(yīng)[2-4]和間接輻射效應(yīng)[5-6], 以及半直接輻射效應(yīng)[7]影響地球輻射平衡, 進(jìn)而改變大氣環(huán)流[8-9], 影響區(qū)域及全球氣候變化。據(jù)估計(jì), 全球每年向大氣中排放的沙塵氣溶膠達(dá)10～20 億噸, 幾乎占對(duì)流層中氣溶膠總量的一半[10]。沙塵氣溶膠是以海-陸-氣耦合為核心的全球氣候系統(tǒng)變化中的重要環(huán)節(jié), 它不僅對(duì)區(qū)域輻射收支產(chǎn)生影響, 其向海洋的輸送與沉降對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)也有顯著影響[11]。全球主要的沙塵源區(qū)都集中在北半球, 而沙塵氣溶膠含量的高值區(qū)主要位于非洲北部、印度半島、阿拉伯半島以及中國(guó)塔克拉瑪干和戈壁沙漠地區(qū)[12-14]。非洲是全球最主要的沙塵源區(qū)[15], 每年釋放到大氣中的沙塵約為670 Mt[16], 并且全球約58%的沙塵排放來(lái)自非洲撒哈拉沙漠[17]。沙塵氣溶膠根據(jù)其來(lái)源可以分為自然沙塵和人為沙塵[18], 自然沙塵主要來(lái)自于沙漠、戈壁和荒漠化土地等干旱或半干旱地區(qū), 受下墊面和天氣狀況影響較大[19], 而人為沙塵主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)、過(guò)度放牧、城市生活、道路交通和工業(yè)建設(shè)等人類活動(dòng)。沙塵氣溶膠一般為粒徑較大的非球形粒子[20], 然而在人為沙塵源地, 由于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致沙塵氣溶膠含水量增加, 沙塵粒子因吸濕增長(zhǎng)更趨向于球形, 同時(shí)工業(yè)活動(dòng)等也將產(chǎn)生大量硫酸鹽和硝酸鹽, 這些粒徑較小的球形粒子與沙塵氣溶膠混合, 將導(dǎo)致該地區(qū)沙塵氣溶膠更趨于球形。北非作為全球最主要的沙塵氣溶膠源地, 通常被當(dāng)作自然沙塵源, 但Huanget al.[2]指出非洲地區(qū)人為沙塵氣溶膠含量約占總氣溶膠含量的56.8%, 薩赫勒地區(qū)人為沙塵與自然沙塵的貢獻(xiàn)相當(dāng)。

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)撒哈拉地區(qū)沙塵氣溶膠的排放、傳輸及其影響等做了大量研究。撒哈拉地區(qū)排放的沙塵在大氣環(huán)流的影響下, 可以越過(guò)大西洋傳輸?shù)矫绹?guó)地區(qū), 還可以到達(dá)亞洲西部以及蒙古高原地區(qū)[21]。受傳輸路徑影響, 沙塵氣溶膠不僅是大西洋洋面上大氣氣溶膠的重要組成部分, 影響大西洋的海洋生態(tài)系統(tǒng), 還為亞馬遜熱帶雨林帶去養(yǎng)分[22-23]。值得注意的是, 沙塵氣溶膠在大西洋上的傳輸有明顯的年際變化, 其中冬季的年際變化更加強(qiáng)烈, 而這與北大西洋濤動(dòng)指數(shù)(NAO)的逐年變化有關(guān)[24]。同時(shí), 由于非洲沙塵源地地表風(fēng)速的減小, 大西洋中部沙塵氣溶膠光學(xué)厚度在 1982- 2008 年期間以每10 年約10%的速度減少, 而該減少與土地利用或植被覆蓋的變化并沒(méi)有直接關(guān)系[25]。此外, 非洲地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth, AOD)的空間分布沒(méi)有明顯的年際變化[12,26-27], 而沙塵氣溶膠的時(shí)空分布及變化除了與排放源強(qiáng)度、穩(wěn)定性等密切相關(guān)[12], 還與全球和區(qū)域大氣環(huán)流的變化和調(diào)整有關(guān)[27-28], 比如, 撒哈拉中西部沙塵多發(fā)區(qū)域主要與非洲東風(fēng)波以及溫帶擾動(dòng)有關(guān)[29]。北非地區(qū)在拉尼娜年沙塵排放量較多, 厄爾尼諾年則較少[27]。因此, 可以利用大氣氣溶膠的時(shí)空變化特征反映區(qū)域大氣環(huán)流和氣候變化[28]。除此之外, 溫度及太陽(yáng)輻射也是影響沙塵氣溶膠空間分布的重要因子。Alpertet al.[30]的研究表明, 北非地區(qū)大氣中沙塵氣溶膠總量與太陽(yáng)輻射高度相關(guān), 并認(rèn)為太陽(yáng)輻射是反演沙塵氣溶膠指數(shù)的重要?jiǎng)恿σ蜃?。Hanet al.[31]指出中國(guó)北部地區(qū)在沒(méi)有沙塵事件發(fā)生的情況下, 由溫度變化引起的局地強(qiáng)干熱對(duì)流可將沙塵帶至高空1～6 km, 使氣溶膠指數(shù)升高。

不同粒徑大小的氣溶膠往往具有不同的理化特性和光學(xué)特性, 非洲作為全球最大的沙塵氣溶膠排放源, 研究分析撒哈拉地區(qū)不同時(shí)期主要的氣溶膠類型以及沙塵氣溶膠的空間分布至關(guān)重要。因此, 本次研究擬利用MODIS、CALIPSO 等衛(wèi)星遙感資料, 并結(jié)合MERRA-2 再分析資料, 分析2007-2017 年撒哈拉地區(qū)沙塵氣溶膠的空間分布特征及其光學(xué)特性, 并揭示造成這種空間分布型的原因, 為撒哈拉地區(qū)氣候模式的改進(jìn)以及氣溶膠化學(xué)成分的研究提供重要參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 CALIPSO 數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹

CALIPSO (cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations, 云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外開(kāi)拓者衛(wèi)星觀測(cè))衛(wèi)星是A-Train 系列衛(wèi)星成員之一, 它是2006 年美國(guó)宇航局和法國(guó)國(guó)家航天中心聯(lián)合發(fā)射的觀測(cè)衛(wèi)星[32]。CALIPSO 搭載了3 個(gè)主要探測(cè)器: 正交極化云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)、寬視角相機(jī)(WFC)和紅外成像輻射計(jì)(IIR)。其中CALIOP 激光雷達(dá)主要用于探測(cè)全球云和氣溶膠垂直分布信息, 它擁有波長(zhǎng)為532 nm 和1064 nm 的兩個(gè)通道, 提供532 nm 和1064 nm 衰減散射, 532 nm 極化后向散射的高分辨率廓線, 氣溶膠層的分布情況, 以及氣溶膠層數(shù)據(jù)的光學(xué)厚度、體退偏比、衰減色比和衰減后向散射系數(shù)等信息[33]。CALIPSO 衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)地球觀測(cè)系統(tǒng)(earth observation system, EOS)的定義分為不同的級(jí)別: Level 0～4。本次研究主要使用CALIOP 提供的2007-2017 年Level 2 的5 km 分辨率氣溶膠層產(chǎn)品, 該產(chǎn)品提供了氣溶膠體退偏比、粒子退偏比、總色比和粒子色比等信息, 可用于區(qū)分球形和非球形粒子, 其中退偏比是指532 nm 波段的垂直方向后向散射系數(shù)與水平方向后向散射系數(shù)的比值, 可用于區(qū)分冰云和水云、描述氣溶膠粒子的球形程度, 其中, 自然沙塵主要來(lái)源于干旱、半干旱地區(qū)的沙漠地區(qū), 其主要由非球形度高的粗粒子組成, 退偏比值較大, 相比之下人為氣溶膠則更趨向于球形, 退偏比值較小。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量, 我們將退偏比的有效值控制在0～1 范圍內(nèi)。

1.2 MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹

中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)是NASA 搭載在Terra 和Aqua 衛(wèi)星上的主要傳感器, Terra 和Aqua 衛(wèi)星分別于1999 年和2002 年升空, 是太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星。MODIS 提供了在400～14400 nm 的36 個(gè)通道的全球觀測(cè), 每1 到2 天覆蓋全球1 次, 掃描寬度達(dá)2330 km (橫向) ×10 km (縱向), 最高可見(jiàn)光分辨率達(dá)到250 m[34-36], 可用于反演氣溶膠和地表特征。其中, AOD 是描述大氣氣溶膠光學(xué)特性的重要參數(shù), 它不僅可以用于估算大氣中氣溶膠的含量, 還可以通過(guò)確定氣溶膠的尺度評(píng)估大氣污染程度及尺度[37-38]。由于MODIS 陸地反演算法不提供亮地表地區(qū)的數(shù)據(jù), Hsuet al.[39]基于藍(lán)光通道地表反射率相對(duì)較暗, 提出了 AOD 深藍(lán)反演算法, 得到了亮地表區(qū)的AOD, 與MODIS 暗地表算法相結(jié)合, 從而獲得全球AOD 分布。本次研究主要使用了Aqua 衛(wèi)星提供的2007-2017 年 MODIS Level 3 月平均格點(diǎn)資料(MYD08-M3), 空間分辨率為1°×1°。

1.3 MERRA-2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹

MERRA-2 (the modern-era retrospective analysis for research and applications version 2)再分析資料是美國(guó)國(guó)家航空航天局全球建模和同化室(GMAO)提供的現(xiàn)代衛(wèi)星時(shí)代最新大氣實(shí)時(shí)再分析資料, 包括基本氣象要素和氣溶膠產(chǎn)品[40-41]。MERRA-2 產(chǎn)生于戈達(dá)德地球觀測(cè)系統(tǒng)(GEOS)大氣模式和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(DAS)的5.12.4 版本, 除此之外, MERRA-2 第1 次將氣溶膠對(duì)氣候系統(tǒng)其他物理過(guò)程的影響同化于全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)中[42]。該資料在氣溶膠信息的同化過(guò)程中包含了全球氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)(aerosol robotic network, AERONET)的觀測(cè)資料、MODIS、多角度成像光譜儀(multi-angle imaging spectro radiometer, MISR)和甚高分辨率輻射計(jì)(advanced very high resolution radiometer, AVHRR)衛(wèi)星遙感資料[43-45], 水平分辨率為0.5°×0.625°, 垂直分辨率共72 層, 從地表向上延伸至0.01 hPa。本次研究使用了MERRA-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中2007-2017 年撒哈拉地區(qū)各類型氣溶膠和總氣溶膠光學(xué)厚度的月數(shù)據(jù)。

1.4 環(huán)境氣象場(chǎng)資料

NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)是全球大氣再分析資料, 它由美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(national centers for environment prediction, NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(national centers for atmospheric research, NCAR)聯(lián)合制作[46]。該系統(tǒng)所用的數(shù)值模式是NCEP 業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中尺度全球譜模式(GSM), 采用三維變分同化技術(shù), 水平分辨率為 T62 高斯格點(diǎn)(全球共有 192× 94 格點(diǎn)), 垂直分辨率為 28 層等δ面, 底層為995 hPa, 頂層約為 3 hPa。它不僅包含的要素多, 范圍廣, 而且延伸的時(shí)段長(zhǎng), 是1 個(gè)綜合數(shù)據(jù)集。本次研究使用了NCEP/NCAR 提供的2007-2017 年850 hPa 的月平均海平面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

本次研究使用的降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自全球降水氣候中心(global precipitation climatology centre, GPCC), GPCC 提供了0.5°×0.5°、1.0°×1.0°和2.5°×2.5° 3 種水平分辨率數(shù)據(jù), 我們選取空間分辨率為1°×1°的全球陸地月平均降水?dāng)?shù)據(jù), 時(shí)間長(zhǎng)度為2007-2017年。GPCC 的全球陸地降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)基于全球約65000 個(gè)臺(tái)站至少 10 年的觀測(cè)資料得到, 使用Sphere Map 插值方法并經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 撒哈拉地區(qū)沙塵氣溶膠的空間分布及其光學(xué)特性

北非地區(qū)位于東北信風(fēng)背風(fēng)側(cè), 多為熱帶和副熱帶大陸性氣候, 溫度日變化較大。撒哈拉北部地區(qū)相對(duì)濕度較小, 而在撒哈拉以南的幾內(nèi)亞灣沿岸地區(qū), 由于受夏季風(fēng)環(huán)流影響, 雨水較為豐沛, 相對(duì)濕度較高。圖1 給出了本次研究的兩個(gè)重點(diǎn)研究區(qū)域——撒哈拉北部(15～30°N)和撒哈拉南部(0～15°N) 地區(qū), 其中填充圖為撒哈拉地區(qū)2007-2015 年歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)的空間分布, 所用資料來(lái)自 GIMMS(global inventory modeling and mapping studies)工作組, 空間分辨率為8 km×8 km。

大氣氣溶膠的類型和含量與區(qū)域氣候和大氣環(huán)境污染息息相關(guān)。圖2 給出了利用MODIS 數(shù)據(jù)得到的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)1-12 月月平均AOD 的空間分布。從圖2 可以看出, 撒哈拉南部(0～15°N)地區(qū)1-3 月AOD 明顯高于其他月份, 最大值在0.8以上。此外, 該高值區(qū)在1-8 月逐漸向北移動(dòng), 高值區(qū)中心最北可達(dá)22°N 附近, 并于9 月開(kāi)始向南回撤, 且AOD 值較低。夏季(6-8 月)AOD 高值區(qū)明顯位于靠近大西洋的非洲北部地區(qū), 高值區(qū)以北為相對(duì)濕度較小的撒哈拉沙漠干旱區(qū)[47], 而以南為強(qiáng)降雨帶指示的赤道輻合帶[28]。除降水和相對(duì)濕度外, 撒哈拉沙漠地區(qū)(15°N 附近)還受熱帶、副熱帶天氣系統(tǒng)影響, 導(dǎo)致沙塵天氣頻發(fā), AOD 值偏高。冬季(12 月至2 月)AOD 高值區(qū)明顯位于15°N 以南的幾內(nèi)亞灣沿岸, 撒哈拉北部地區(qū)AOD 值明顯降低。因此, 撒哈拉地區(qū)氣溶膠的空間分布具有明顯的季節(jié)性差異和地理差異, 本次研究旨在探討造成該AOD 南北空間型分布差異的成因。

圖3 給出了撒哈拉地區(qū)2007-2017 年期間, 利用MODIS 衛(wèi)星資料以及MERRA-2 再分析資料得到的AOD 在不同季節(jié)的空間分布?？梢钥闯鰞煞N資料得到的撒哈拉地區(qū)AOD 的空間型基本一致。春季AOD 的高值區(qū)位于撒哈拉南部地區(qū)(0～15°N); 夏季AOD 高值區(qū)較春季發(fā)生北移, 基本位于15°N 以北, 且最大值均在0.7 以上; 秋季AOD 值均比其他季節(jié)低, 最大值僅為0.5 左右, 且高值區(qū)較夏季向南移動(dòng); 冬季AOD 的高值區(qū)主要集中在撒哈拉地區(qū)以南的幾內(nèi)亞灣沿岸, 且AOD 最大值在0.7 以上, 這與以往研究[12,28,48-49]給出的沙塵氣溶膠的空間分布基本一致。

圖1 研究區(qū)域示意圖(紅色矩形框)以及2007-2015 年撒哈拉地區(qū)NDVI 指數(shù)的空間分布(填充色) Fig.1 Study areas (red boxes) and spatial distribution of NDVI in Sahara regions from 2007 to 2015 (color)

圖2 MODIS 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)月均AOD 的空間分布 Fig.2 Spatial distribution of monthly AOD from MODIS in Sahara regions from 2007 to 2017

圖3 MERRA-2 和MODIS 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)各季節(jié)AOD 的空間分布 Fig.3 Spatial distribution of seasonal AOD form MERRA-2 and MODIS in Sahara regions from 2007 to 2017

根據(jù)化學(xué)組分, MERRA-2 提供的氣溶膠分類為沙塵(dust, DU)、黑碳(black carbon, BC)、有機(jī)碳(organic carbon, OC)、硫酸鹽(sulfate, SU)和海鹽(sea salt, SS)。為探究撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)主要的氣溶膠類型, 圖4 給出了2007-2017 年撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)各組分氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布。其中硫酸鹽AOD 和海鹽AOD 空間分布上的季節(jié)性差異較小, 雖然夏季硫酸鹽AOD 稍高于其他季節(jié), 但整體量值較低(小于0.05), 基本可忽略不計(jì)。黑碳和有機(jī)碳AOD 的分布具有一定的季節(jié)差異, 均表現(xiàn)為夏季AOD 值最高, 主要分布在南非北部地區(qū), 其次是冬季, 高值區(qū)較夏季偏北, 位于北非和南非交界處, 這主要由生物質(zhì)燃燒以及降水的季節(jié)性變化造成[50]。對(duì)比沙塵AOD 在不同季節(jié)的分布可知, 撒哈拉地區(qū)沙塵AOD 的最大值在夏季, 最大值達(dá)0.6 以上, 秋季最小, 冬季沙塵AOD 最大值約為0.5。此外, 沙塵氣溶膠與總氣溶膠的空間分布基本一致, 且沙塵AOD高值區(qū)的移動(dòng)與撒哈拉沙漠干旱區(qū)和赤道輻合帶的緯向移動(dòng)同步[28,48]。

為了進(jìn)一步了解撒哈拉地區(qū)的主導(dǎo)氣溶膠類型, 我們基于MERRA-2 再分析資料對(duì)比了2007-2017年不同季節(jié)南北兩個(gè)區(qū)域各類型氣溶膠AOD 對(duì)總AOD 的貢獻(xiàn)率(圖5)?？梢钥闯? 撒哈拉北部地區(qū)的主導(dǎo)氣溶膠類型為沙塵氣溶膠, 其貢獻(xiàn)率的季節(jié)性變化不大, 均在80%以上, 其中春季、夏季、秋季和冬季分別為88%、82%、80%和80%; 硫酸鹽氣溶膠在夏季和秋季的貢獻(xiàn)率略高于其他季節(jié), 均為11%; 碳?xì)馊苣z和海鹽氣溶膠的貢獻(xiàn)較小, 且沒(méi)有明顯的季節(jié)變化。而北非南部的幾內(nèi)亞灣沿岸人口密集, 人類活動(dòng)、石油產(chǎn)業(yè)和礦產(chǎn)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和能源消耗可以產(chǎn)生較為嚴(yán)重的大氣污染[51], 因此, 在撒哈拉南部地區(qū), 各類型氣溶膠的貢獻(xiàn)具有明顯的季節(jié)性差異, 其中沙塵氣溶膠仍為該地區(qū)的主導(dǎo)氣溶膠類型, 但其貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于北部地區(qū), 且春季最高(75%), 冬季次之(58%), 夏季最小(46%)。值得注意的是, 撒哈拉南部地區(qū)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率明顯高于北部, 且夏季和冬季最大(27%), 秋季次之(24%), 春季最小(12%); 硫酸鹽氣溶膠各季節(jié)貢獻(xiàn)率分別為: 6%(春季)、16%(夏季)、15%(秋季)和7%(冬季); 而黑碳和海鹽氣溶膠對(duì)撒哈拉南部總AOD 的貢獻(xiàn)較小, 但均略高于北部。

圖4 MERRA-2 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)各季節(jié)不同類型氣溶膠光學(xué)厚度空間分布 Fig.4 Spatial distribution of seasonal AOD from MERRA-2 for different types of aerosols in Sahara regions from 2007 to 2017

圖5 基于MERRA-2 的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)各類型氣溶膠在總氣溶膠中的貢獻(xiàn)率 Fig.5 Contribution of each kind of aerosol to total AOD from MERRA-2 in different seasons in Sahara regions from 2007 to 2017

不同類型的氣溶膠往往具有不同的理化特性和光學(xué)特性, 自然沙塵氣溶膠主要來(lái)自于沙漠地區(qū), 一般是非球形度較高的粗粒子。而人為氣溶膠粒子的球形度較高, 粒徑較小。撒哈拉北部地區(qū)有全球最大的自然沙塵排放源地, 沙塵氣溶膠在總氣溶膠中的占比達(dá)80%以上, 因此該地區(qū)的氣溶膠可以很好地表征自然沙塵的粒子特征, 相比之下撒哈拉南部地區(qū)存在大量人為氣溶膠, 尤其是夏季。為了對(duì)比分析撒哈拉地區(qū)自然沙塵以及人為污染氣溶膠之間的差異, 本次研究基于CALIPSO 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分別給出了不同季節(jié)撒哈拉地區(qū)層積分體積退偏比的空間分布(圖6)和頻譜分布(圖7)。結(jié)果表明, 不同地區(qū)氣溶膠體積退偏比的分布也具有明顯的季節(jié)性差異, 尤其是冬季和夏季?？傮w而言, 體積退偏比在夏季最大, 春季次之, 冬季最小。在夏季, 體積退偏比的高值區(qū)位于撒哈拉北部, 最高值達(dá)0.2 以上, 且主要集中在0.05～0.15 范圍內(nèi), 另外體積退偏比的高值中心與沙塵AOD 及總AOD 的高值中心一致。然而, 夏季撒哈拉南部地區(qū)的退偏比較小, 且主要集中在0.01～0.05 范圍內(nèi)。因此, 夏季撒哈拉北部的氣溶膠非球形程度明顯高于南部, 這主要是由于夏季撒哈拉北部主要以自然沙塵氣溶膠為主, 而撒哈拉南部地區(qū)沙塵氣溶膠含量較小, 且人為氣溶膠占比較大。在冬季, 撒哈拉地區(qū)的體積退偏比較小, 且南北差異不大, 高值區(qū)較夏季更偏南, 而撒哈拉南部地區(qū)氣溶膠體積退偏比的值則明顯高于夏季, 且主要集中在0.025～0.1 范圍內(nèi), 表明冬季撒哈拉南部地區(qū)氣溶膠粒子的非球形程度高于夏季, 這主要是因?yàn)槎救龉喜康貐^(qū)的沙塵氣溶膠含量明顯高于夏季。

2.2 影響沙塵氣溶膠空間分布的氣候因子

沙塵作為北非地區(qū)的主要?dú)馊苣z類型, 其覆蓋面積廣, 生命周期長(zhǎng), 能對(duì)區(qū)域輻射平衡產(chǎn)生重要影響。沙塵氣溶膠空間分布的季節(jié)性變化與大尺度環(huán)流有密切關(guān)系。由于撒哈拉地區(qū)位于北回歸線兩側(cè), 北部地區(qū)常年受北大西洋高壓控制, 以南地區(qū)則處于副熱帶高壓帶與熱帶低壓帶之間的信風(fēng)帶, 因此撒哈拉地區(qū)的傳輸型沙塵受副高和盛行風(fēng)的影響, 其中夏季主要影響其西部和北部地區(qū), 冬季則主要影響其西南地區(qū)[48]。為深入探究大氣環(huán)流形勢(shì)的季節(jié)性變化對(duì)撒哈拉地區(qū)沙塵氣溶膠的影響, 我們給出了850 hPa 高度上的風(fēng)場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)和高度的平均場(chǎng)(圖8)。對(duì)比冬、夏兩季, 可以看出撒哈拉地區(qū)的氣壓帶與風(fēng)帶有明顯的變化。夏季, 北大西洋高壓中心海平面氣壓高達(dá)1026 hPa 以上, 且位于撒哈拉沙漠以西的亞速爾群島附近, 而撒哈拉以東地區(qū)則被低壓控制, 低壓中心海平面氣壓小于1002 hPa, 撒哈拉北部位于高低壓中間, 處于脊前槽后位置, 近地面盛行東北風(fēng), 夏季東北風(fēng)最南可至15°N 附近。東北風(fēng)盛行期間降水少, 氣候干燥[52], 易形成起沙天氣, 因此撒哈拉北部地區(qū)夏季沙塵 AOD 值較高。同時(shí), 撒哈拉南部地區(qū)氣壓梯度從南部沿海向北, 且夏季熱帶海洋氣團(tuán)中心氣壓高達(dá)1026 hPa以上, 控制范圍大, 呈楔形向北伸入, 受該氣團(tuán)影響, 撒哈拉南部地區(qū)風(fēng)速較小, 且有偏西風(fēng), 風(fēng)由大西洋海上吹向陸地, 西南風(fēng)攜大量暖濕氣流登陸, 盛行期間該地區(qū)進(jìn)入雨季[48], 因此夏季撒哈拉南部地區(qū)沙塵AOD 值較低。冬季, 非洲大陸上的海平面氣壓最高值可達(dá)1024 hPa, 撒哈拉北部地區(qū)被高壓系統(tǒng)控制, 氣壓梯度從北非向南逐漸降低, 而撒哈拉南部地區(qū)盛行偏東風(fēng), 來(lái)自撒哈拉和西亞地區(qū)的風(fēng)由內(nèi)陸吹向沿海, 較為干燥, 夜晚溫度較低, 容易形成逆溫, 不利于污染物擴(kuò)散, 并攜帶了大量沙塵氣溶膠, 導(dǎo)致冬季撒哈拉南部地區(qū)沙塵AOD 值較高, 且存在大量人為氣溶膠。

圖6 CALIPSO 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)層積分體積退偏比的空間分布 Fig.6 Spatial distribution of seasonal integrated volume depolarization ratio from CALIPSO in Sahara regions from 2007 to 2017

圖7 CALIPSO 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)層 積分體積退偏比的頻譜分布 Fig.7 Spectral distribution of integrated volume depolarization ratio from CALIPSO in Sahara regions from 2007 to 2017

圖9 給出了500 hPa 高度上的風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng), 以及降水的平均場(chǎng)?？梢钥闯? 在500 hPa 高度上, 夏季撒哈拉地區(qū)被副熱帶高壓控制, 并呈兩槽一脊的環(huán)流形勢(shì), 說(shuō)明該地區(qū)為晴好天氣, 高溫少雨, 有利于沙塵氣溶膠的排放與傳輸; 而冬季高空則表現(xiàn)為平直的緯向西風(fēng)環(huán)流, 沒(méi)有閉合的高壓中心, 風(fēng)速較大, 當(dāng)沙塵氣溶膠進(jìn)入高空后, 可以快速傳輸?shù)狡渌貐^(qū)。除此之外, 撒哈拉南部地區(qū)的降水也有明顯的季節(jié)變化, 且表現(xiàn)為夏季最高, 冬季最低, 這與源自幾內(nèi)亞灣的熱帶海洋氣團(tuán)有關(guān)。降水不僅可以通過(guò)影響土壤濕度、相對(duì)濕度等因子, 還能通過(guò)改變沙塵氣溶膠的主要沉降方式來(lái)影響大氣中的沙塵氣溶膠含量。撒哈拉南部地區(qū)常年為低壓區(qū), 夏季盛行西南季風(fēng), 導(dǎo)致撒哈拉南部地區(qū)進(jìn)入雨季, 由于降水對(duì)氣溶膠的清除作用使南部地區(qū)沙塵AOD 降低。冬季隨著北非大陸氣壓持續(xù)升高, 西南季風(fēng)的影響減弱, 影響范圍僅限于南非地區(qū), 南部地區(qū)的降水量達(dá)到全年最低, 不利于污染物的擴(kuò)散, 進(jìn)一步加強(qiáng)了撒哈拉南部地區(qū)沙塵AOD 空間分布的季節(jié)差異。

圖8 NCEP 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)850 hPa 風(fēng)矢量場(chǎng)(箭頭, 單位為m/s)、 海平面氣壓場(chǎng)(填充色, 單位為 hPa)和高度(等值線, 單位為m)的均值場(chǎng) Fig.8 Mean field of wind (arrows, m/s), sea level pressure (color, Pa) and height (contours, m) from NCEP at 850 hPa from 2007 to 2017

圖9 2007-2017 年NCEP 提供的撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)500 hPa 風(fēng)矢量場(chǎng)(箭頭, 單位為m/s)、 高度(等值線, 單位為m)的均值場(chǎng)和GPCC 提供的降水量場(chǎng)(填充色, 單位為mm) Fig.9 Mean field of wind (arrows, m/s) and height (contours, m) from NCEP and precipitation from GPCC (color, mm) at 500 hPa from 2007 to 2017

除大氣環(huán)流、降水和地表?xiàng)l件, 溫度也是影響撒哈拉地區(qū)沙塵天氣的重要因子之一。溫度一方面通過(guò)影響局地大氣環(huán)流、地表植被狀態(tài)等影響沙塵氣溶膠含量, 另一方面作為引起沙塵事件的熱力因子影響沙塵氣溶膠含量。圖10 給出了撒哈拉地區(qū)2007-2017 年850 hPa 近地面溫度的分布。溫度的高值區(qū)隨太陽(yáng)直射在南北回歸線之間的移動(dòng)而變化, 夏季溫度的高值區(qū)位于撒哈拉北部地區(qū), 最高值可達(dá)30°以上, 溫度梯度由北向南, 冬季溫度的高值區(qū)則位于撒哈拉南部地區(qū), 溫度不超過(guò)23°, 且由南向北逐漸減少。撒哈拉地區(qū)大氣中的沙塵氣溶膠含量與天文輻射呈顯著正相關(guān)[53], 因此夏季撒哈拉北部地區(qū)產(chǎn)生局地?zé)釋?duì)流, 更多的沙塵氣溶膠進(jìn)入大氣中, 而冬季撒哈拉南部地區(qū)沙塵含量更高。撒哈拉地區(qū)溫度的變化進(jìn)一步增加了冬、夏兩季沙塵AOD空間分布的季節(jié)性差異。

圖10 NCEP 提供的2007-2017 年撒哈拉地區(qū)不同季節(jié)850 hPa 溫度均值場(chǎng) Fig.10 Seasonal mean temperature field from NCEP at 850 hPa from 2007 to 2017

3 結(jié) 論

(1) 撒哈拉地區(qū)氣溶膠的空間分布具有明顯的季節(jié)性差異, 夏季AOD 北高南低, 冬季南高北低。夏季沙塵AOD 高值區(qū)位于撒哈拉北部地區(qū), 最大值達(dá)0.6 以上, 而冬季沙塵AOD 高值區(qū)則位于撒哈拉南部地區(qū), 最大值約為0.5。

(2) 影響撒哈拉地區(qū)氣溶膠空間分布的主要?dú)馊苣z類型是沙塵。然而, 撒哈拉南部地區(qū)沙塵氣溶膠對(duì)總AOD 的貢獻(xiàn)具有明顯的季節(jié)性差異, 該地區(qū)夏季人為氣溶膠占比大, 氣溶膠粒子趨于球形; 而該地區(qū)冬季的退偏比明顯高于夏季, 說(shuō)明氣溶膠粒子的非球形程度更高。

(3) 撒哈拉地區(qū)沙塵氣溶膠南北空間型分布與大氣環(huán)流及溫度密切相關(guān)。夏季, 撒哈拉北部地區(qū)位于高低壓中心之間脊前槽后的位置, 撒哈拉南部地區(qū)近地面盛行偏西風(fēng), 該地區(qū)進(jìn)入雨季, 增強(qiáng)了沙塵氣溶膠的濕沉降, 導(dǎo)致夏季撒哈拉地區(qū)沙塵AOD 值北高南低。冬季, 撒哈拉北部地區(qū)被高壓控制, 高空為平直的西風(fēng)氣流, 撒哈拉南部地區(qū)近地面盛行偏東風(fēng), 來(lái)自撒哈拉和西亞地區(qū)的風(fēng)攜帶了大量沙塵氣溶膠, 且溫度較低, 容易形成逆溫, 不利于污染物擴(kuò)散, 導(dǎo)致冬季撒哈拉南部地區(qū)沙塵AOD 較高。此外, 溫度的季節(jié)性差異也進(jìn)一步促進(jìn)了沙塵氣溶膠南北空間型分布。