巴丹吉林沙漠腹地沙塵事件對近地表氣溫和太陽總輻射的影響

吳盈盈，劉旭陽，王振亭

（1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049）

氣溶膠是懸浮在空氣中的固體、液體微粒組成的多相體系的顆粒物質(zhì)[1-2]。沙塵是氣溶膠的主要成分之一，也稱礦物沙塵，通過浮塵、揚沙和沙塵暴等沙塵天氣被釋放和滯留在大氣中。沙塵既可以通過反射、吸收和散射太陽輻射直接影響地—氣系統(tǒng)的輻射平衡和能量收支過程，也可以作為水汽的凝結(jié)核影響云和降水的形成，間接地對區(qū)域和全球的氣候變化產(chǎn)生影響。同時，沙塵對氣候系統(tǒng)的變化高度敏感[3]。礦物沙塵的釋放、傳輸和沉積等過程都極易受到氣候變化的影響。在近百年來全球氣候變暖的背景條件下，沙塵—氣候效應(yīng)研究越來越重要。

沙塵輻射效應(yīng)研究主要從兩方面展開：一方面通過理論分析和數(shù)值模擬計算沙塵氣溶膠的輻射反饋效應(yīng)。王宏等[4]計算了海洋和沙漠上空沙塵氣溶膠的輻射加熱（冷卻）率，發(fā)現(xiàn)位于高空的沙塵層具有加熱大氣的作用。宿興濤等[5]對東亞沙塵氣溶膠的輻射強迫效應(yīng)和其對溫度的影響進行了模擬。陳勇[6]分析了沙塵短波輻射效應(yīng)對不同天氣系統(tǒng)的影響，提出沙塵加熱爬升效應(yīng)。周旭等[7]則通過模擬沙塵暴過程來分析沙塵氣溶膠對不同輻射的作用，表明沙塵氣溶膠可減少短波輻射，增加長波輻射。另一方面，利用短期的野外觀測數(shù)據(jù)直接研究沙塵氣候效應(yīng)。辛金元等[8]發(fā)現(xiàn)騰格里沙漠邊緣的沙塵氣溶膠對太陽直接輻射具有衰減作用。金莉莉等[9]和陳霞等[10]利用塔中站的觀測數(shù)據(jù)，研究了沙塵氣溶膠對不同類型輻射和氣溫的影響。胡澤勇等[11]和田磊等[12]通過沙塵暴觀測實驗分析沙塵氣溶膠對太陽輻射的作用。

上述研究表明，沙塵的輻射強迫效應(yīng)或正或負，對氣溫的影響隨著高度的增加而變化。同時，沙塵—氣候反饋會受沙塵顆粒粗細、分布高度、組成成分等因素的影響，從而使礦物沙塵的輻射強迫效應(yīng)更加復(fù)雜[13]。目前，沙塵輻射強迫效應(yīng)在氣候變化中的地位和作用有待確定[14]。作為沙塵源區(qū)的內(nèi)陸沙漠，自然環(huán)境十分惡劣，鮮有針對其腹地長期、系統(tǒng)的沙塵—氣候效應(yīng)研究[15]。本文利用巴丹吉林沙漠腹地小型氣象站點的實測資料，研究沙塵對近地表氣溫和太陽總輻射的影響，以期為進一步探究沙塵—氣候互饋機制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

巴丹吉林沙漠位于阿拉善高原西部，弱水以東，拐子湖之南，北大山之北，雅布賴山以西。東西長約442 km，南北寬為354 km，總面積約5.2×104km2，是我國的第二大流動性沙漠[16]。地勢呈東南高，西北低的特征。海拔高度在1 200～1 600 m，有“沙漠珠峰”之稱。該沙漠受內(nèi)蒙古高氣壓控制，屬于極端干旱的溫帶大陸性氣候。夏季炎熱，最高溫度可達42℃；冬季寒冷干燥，最低溫度可至-25℃以下。降水稀少，多集中在5—9月，季節(jié)變率較大[17]。

數(shù)據(jù)來源于巴丹吉林沙漠腹地的小型自動氣象站點（102.07°E，40.05°N），該地海拔1 239 m，年降水量約80.3 mm[18]，周圍分布著許多高大的沙丘。表1是小型自動氣象站（HOBO-U30）相關(guān)傳感器的主要技術(shù)指標。觀測時間為2015年12月22日—2020年5月27日。其中，2017年2—7月和2019年4—7月數(shù)據(jù)缺失。

表1 傳感器類型、架設(shè)高度及技術(shù)指標

1.2 研究方法

1.2.1 沙塵事件的定義

沙塵事件是指由強風導(dǎo)致的沙塵顆粒起動、傳輸和沉降過程。隨著近地層風速不斷增大，沙質(zhì)地表的沙塵會被吹揚到空氣中，隨風運動。風是沙塵事件發(fā)生的主要動力，故依據(jù)風速判定沙塵事件的發(fā)生和結(jié)束。當10 min平均風速等于或大于臨界起沙風速時，沙塵事件開始；當風速減小到臨界起沙風速以下時，沙塵事件緩慢終止?？紤]到間歇性是風沙運動的固有特征，本文將持續(xù)半小時以上的風沙過程作為一次事件。若一日之內(nèi)有多個離散點的風速大于或等于臨界起沙風速，則首先計算其兩兩之間的時間間隔，當間隔≥1 h，劃分為兩次沙塵事件。參考前人[19-21]對巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)的研究，綜合考慮觀測位置、地表粗糙程度、沙物質(zhì)粒徑分布等因素，本文臨界起沙風速取6.5 m/s。

1.2.2 氣溫和輻射變化

為了分析沙塵對近地表太陽總輻射的影響，估算沙塵對總輻射的作用強度，首先需要扣除太陽輻射本身變化規(guī)律的影響并盡可能減小誤差。在晴朗無云的天氣條件下，輻射變化主要受太陽高度角控制[22]。因此，選擇天空中沒有云或云量很少的晴天作為研究沙塵對近地表太陽總輻射和氣溫影響的參照物。標準晴天的判斷依據(jù)是總輻射日變化曲線光滑且呈標準倒“U”形[10，23]。具體做法為，對于一次沙塵事件，選取當月2～7個標準晴天同一時刻的總輻射數(shù)據(jù)，以平均值作為參考值，在此基礎(chǔ)上計算沙塵事件發(fā)生時總輻射的變化率。因為近地表在夜間接收不到太陽輻射，僅分析發(fā)生在白天的沙塵事件。氣溫參考值按相同方法計算。

輻射和氣溫的變化率定義為：

式中，R和T分別為沙塵事件的平均輻射和氣溫，R0和T0為相應(yīng)的參考值。

2 結(jié)果與討論

2.1 沙塵事件的統(tǒng)計特征

統(tǒng)計結(jié)果表明，觀測期間內(nèi)共發(fā)生118次沙塵事件。由沙塵事件的統(tǒng)計特征（圖1）可知，平均風速多分布在6.0～6.5 m/s，其次是5.5～6.0 m/s和6.5～7.0 m/s，僅有2次沙塵事件的平均風速達到8.5～9.0 m/s（圖1a）。與沙塵暴發(fā)生時的瞬時風速（≥25 m/s）相比，沙塵事件的平均風速明顯偏低。單次沙塵事件的持續(xù)時間較短，大多在1～2 h，僅有極少數(shù)沙塵事件的持續(xù)時間達到10～11 h（圖1b）。春季（3—5月）和夏季（6—8月）是沙塵事件頻繁發(fā)生的時段，尤其是在春季的5月，累計發(fā)生的沙塵事件高達28次（圖1c）。相比之下，秋冬季節(jié)較少發(fā)生沙塵事件。

圖1 沙塵事件的平均風速（a）、持續(xù)時間（b）和發(fā)生月份（c）

2.2 沙塵對太陽總輻射的影響

圖2為2016年一次典型沙塵事件發(fā)生時連續(xù)3 d的輻射日變化曲線。沙塵事件前一天（24日）的輻射日變化曲線光滑，是天氣狀態(tài)良好的晴天。在沙塵事件發(fā)生的當天（25日），各個時刻的總輻射值均有不同程度的降低，尤其是總輻射的日峰值明顯比前后兩天低。后一天（26日）的輻射日變化曲線雖與24日的變化趨勢相同，但上下波動顯著。由此可初步推斷，沙塵事件會影響地表附近的太陽總輻射。

圖2 沙塵事件發(fā)生時的近地表太陽輻射日變化

圖3給出了所有沙塵事件的輻射變化率。絕大部分沙塵事件都會對總輻射起到衰減作用。沙塵是吸收性很強的非球型粒子，其形狀不規(guī)則，空間取向不同[24]。當太陽短波輻射入射到沙塵粒子上，一部分會被其吸收，另一部分則會被散射，分為前向散射和后向散射。隨著空氣中沙塵顆粒濃度增高、數(shù)量增多，上述過程就會多次重復(fù)，削弱了到達近地表的太陽總輻射。

圖3 沙塵事件的輻射變化率

針對個別輻射升高的沙塵事件，單獨統(tǒng)計了其發(fā)生的時間段、平均風速、持續(xù)時間以及輻射變化的幅度（表2）。輻射升高的原因在于：（1）單次沙塵事件的持續(xù)時間短，平均風速低，揚起的沙塵較少，對太陽輻射的作用并不強烈；（2）與參考值的選取有關(guān)，太陽輻射隨高度角的增加而升高，總輻射存在月變化，在選取參考值時沒有從根本上消除總輻射月變化規(guī)律的影響。

表2 輻射升高的沙塵事件

對于絕大多數(shù)輻射衰減的沙塵事件，單獨進行了統(tǒng)計分析（圖4a）?？紤]到沙塵對風的滯后效應(yīng)，即當風速下降到臨界起沙風速以下，地表附近空氣中的沙塵濃度不會立即降低，存在響應(yīng)時間，因而計算了從沙塵事件發(fā)生時刻至當日日落時刻的輻射衰減率（圖4b）。不同沙塵事件對太陽總輻射的作用強度存在較大差異。在沙塵事件發(fā)生期間，輻射衰減率多分布在10%～20%，其次是0%～10%和70%～80%，平均衰減約為35.47%；將計算時間延長至當日日落后，輻射衰減率的變化區(qū)間和各區(qū)間的占比都有所改變，輻射衰減率多在0%～10%，其次是10%～20%和30%～40%，平均衰減約為33.30%。

圖4 沙塵事件發(fā)生期間（a）和沙塵事件發(fā)生至當日日落時刻（b）輻射衰減率的統(tǒng)計

上述結(jié)果在定量上與其它沙漠地區(qū)的觀測有所差異。在騰格里沙漠東南端，沙塵氣溶膠造成太陽直接輻射平均衰減約38%[8]。在河西走廊中部的張掖，春季大氣渾濁度每增加0.1，太陽總輻射平均減少約10.45 W/m2[12]。在塔克拉瑪干沙漠腹地，與典型晴天相比，春季的浮塵、揚沙和沙塵暴天氣導(dǎo)致太陽總輻射日總量分別減少了29.7%、29.2%和36.2%；夏季時各沙塵天氣下總輻射日總量則分別降低了27.3%、17.3%和52.1%[9]?？傮w而言，沙塵會使總輻射和直接輻射削弱很多。

2.3 沙塵對近地表氣溫的影響

沙塵事件發(fā)生前后連續(xù)3 d的氣溫日變化見圖5。近地表氣溫的日變化規(guī)律明顯，氣溫最高值出現(xiàn)在午后，最低值出現(xiàn)在日出前。這與太陽輻射的變化規(guī)律基本一致。即使是在春季夜晚，沙漠腹地的氣溫依舊較高（20℃左右），可能與沙漠地表能量收支和陸面物理屬性[13]有關(guān)。在4月25日沙塵事件發(fā)生時，氣溫變化趨勢與前后兩天相似，但整體溫度較低，白天最高溫度＜20℃。由此可知，沙塵事件會對地表附近的氣溫產(chǎn)生明顯影響。

圖5 沙塵事件發(fā)生時的氣溫日變化

在全部沙塵事件中，氣溫降低90次，升高28次（圖6）。顯然，大部分沙塵事件會降低近地表的氣溫。因為氣溫變化與太陽輻射聯(lián)系緊密，沙塵事件會使到達地表附近的總輻射減少，從而影響到地面發(fā)射的長波輻射和大氣內(nèi)能積累，造成氣溫降低。

圖6 沙塵事件的氣溫變化率

針對沙塵事件中出現(xiàn)的氣溫升高現(xiàn)象，其主要原因在于：（1）巴丹吉林沙漠沙粒的平均粒徑較粗[25]，單次沙塵事件過程中揚起的沙粒稍少，對氣溫的影響并不強烈，導(dǎo)致在沙塵天氣下近地表氣溫存在升高的現(xiàn)象。這與楊帆等[20]對巴丹吉林沙漠北緣沙塵天氣的研究以及胡文峰等[21]對沙塵暴過程中氣溫變化規(guī)律的分析相一致。（2）與氣溫的變化特征有關(guān)。尤其是在沙漠腹地，氣溫的日較差和月較差均很大[26]，會對氣溫的參考值產(chǎn)生影響。

與單獨探討輻射衰減的沙塵事件類似，圖7為氣溫衰減率的統(tǒng)計結(jié)果。在不同沙塵事件中，氣溫降低的幅度存在較大差異。但整體分布表明，無論是沙塵事件發(fā)生期間（圖7a）還是沙塵事件發(fā)生至當日日落（圖7b），氣溫降低的區(qū)間都主要集中在0%～10%，其次是10%～20%和20%～30%。與前人研究[11]相比，地處極端干旱區(qū)的甘肅敦煌，沙塵暴過境前氣溫較高，過境后的10 min內(nèi)，氣溫下降3.22℃。在半干旱區(qū)吉林通榆的沙塵天氣過程中，地面氣溫受沙塵影響較弱[27]。

圖7 沙塵事件發(fā)生期間（a）和沙塵事件發(fā)生至日落時刻（b）氣溫衰減率的統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)巴丹吉林沙漠腹地小型氣象站2015—2020年的風速、溫度、太陽輻射實測資料，利用風速定義了沙塵事件，分析了沙塵對近地表氣溫和太陽總輻射的影響，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)沙塵事件定義，計算出在觀測期間內(nèi)共發(fā)生118次沙塵事件，持續(xù)時間短，多在1～2 h，平均風速低，主要集中在6.0～6.5 m/s。另外，沙塵事件多發(fā)生在春季和夏季，秋季次之，冬季最少。

（2）沙塵事件會對近地表的太陽總輻射產(chǎn)生衰減作用，雖然不同沙塵事件對太陽總輻射產(chǎn)生的作用和大小存在差異。在沙塵事件發(fā)生期間，輻射降低的主要分布區(qū)間是10%～20%，平均衰減約35.47%；從沙塵事件發(fā)生時刻至當日日落時刻，總輻射的平均衰減率約33.30%。

（3）沙塵會降低近地表的氣溫。由于沙塵對總輻射衰減顯著，而氣溫和輻射關(guān)系非常密切，導(dǎo)致近地層氣溫降低。無論是在沙塵事件發(fā)生期間，還是在沙塵事件發(fā)生至當日日落，近地表氣溫降低的幅度多在0%～10%。

致謝：感謝中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所康永德老師對本文提出的寶貴意見。