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太阳辐射对粉尘污染的影响

砂砂岩浆胶主要来自世界沙漠地区,是流层气溶胶的主要成分,约占流层气溶胶总数的一半。进入氛围的沙颗粒不仅对环境和人类生活环境产生了显著影响,而且还通过以下方式影响世界和区域气候:通过散射和吸收太阳辐射,降低至低地区和地面的太阳辐射。吸收长波辐射可以加热层,改变大气能量平衡,影响天气和气候。进入云中后,形成一个冷质核和一个冰核,影响云和降水的强度和结构。砂浆岩及其远程输送对下游地区的环境和生态环境有显著影响,影响着当地黄土的沉积和海洋生态环境的变化,影响着全球化合部门的浓度和分布。通过将砂、水、土壤和沉积时间与地球上的五个大环境地区有机地联系起来,是研究世界变化及其环境效应的重要纽带和重要环境因素之一。因此,沙砂岩和荒漠化的研究引起了人们的关注。对沙尘气溶胶的研究无论从其气候成因、时空分布特征、数值模拟,还是环境影响和气候效应等领域都取得了重大突破.因为沙尘气溶胶数值模型能对大气动力学和物理化学过程有较好的描述,其嵌套的天气及气候模式能够合理地模拟全球及区域沙尘时空分布及其天气气候效应,而且通过敏感性实验帮助认识其排放、传输和沉降等一系列科学问题,成为研究沙尘气溶胶的一种重要手段,如Tegen等、Joussaume、Genthon利用沙尘模式模拟了矿物沙尘的起源、传输和分布,并计算了沙尘的光学厚度.Westphal等、Kayampudi等、Toon等均模拟了撒哈拉沙漠沙尘的远距离输送,并提出了沙尘起沙的概念模型.Uemastu等模拟了亚洲沙尘的跨太平洋传输,并表明亚洲沙尘可以传输到北太平洋并且到达北美.国内的沙尘天气数值模拟及预报近年来也取得了大量的成果,成功模拟出了中国境内沙尘暴事件爆发、传输和沉降等过程,中亚沙尘越太平洋的传输也得到了观测的支持.Shao等和Song将沙尘模式系统IWEMS嵌套进当时的国家气象中心天气预报业务模式T213-GCM成功地作出了亚洲沙尘暴的实时天气预报.赵琳娜等和孙建华等将邵亚平的起沙方案与中尺度模式MM5V3耦合用于我国北方沙尘天气预测.包含了沙尘气溶胶模型的中国气象局化学天气预报系统CUACE/Dust以及中国科学院大气物理所的空气质量模式系统NAQPMS的自主成功研制,将气溶胶地面和卫星遥感观测资料同化方法及模式集成预报技术引入气溶胶数值预报方面.关于全球沙尘气溶胶排放量的模拟研究也有不少,如Ginoux等、Zender等和Textor等对比了不同的全球模式中的沙尘分布,揭示了模式对于全球沙尘气溶胶排放量的估算存在很大的变化范围(514~5999Tg/a),Werner等的工作表明不同模式对不同沙漠源区排放量的估算也存在很大的不同.相对于全球沙尘气溶胶的排放量的研究,目前关于全球沙尘气溶胶的沉降及其汇分布特征的研究相对较少,全球不同沙漠地区沙尘气溶胶源的季节特征和年际变化也值得研究.因此,本文利用全球沙尘气溶胶模式GEM-AQ/EC模拟的1995~2004年全球沙尘气溶胶的起沙量和干湿沉降量,分析全球主要沙漠地区沙尘气溶胶源尤其是气溶胶汇的空间特征,季节分布和年际变化.将有助于深入认识大气沙尘气溶胶的变化对全球及区域气候环境变化的影响和相互作用.1气溶胶模拟结果全球气溶胶模式GEM-AQ/EC是一个在线的、全球多尺度化学天气气候模拟系统,它将气相化学模块ADOM和气溶胶模块CAM耦合到了加拿大天气预报业务模式GEM中,可模拟包括海盐、矿物沙尘、黑碳、有机碳和硫酸盐等五大气溶胶组分,其中气溶胶模块CAM控制了包括排放、传输、化学转化和干湿沉降等所有的大气气溶胶过程,并与微物理的云模块相结合来处理气溶胶与云降水的相互作用.根据风蚀起沙物理过程参数化在线计算沙尘起沙通量.在1995~2004年间全球气溶胶模拟中,GEM-AQ/EC模式垂直分为28层,顶层高度为10hPa,水平分辨率为全球统一的1°x1°,以NCEP-再分析气象场每6h驱动,连续模拟了10年.Gong等介绍了模式系统的气溶胶模拟并依据观测资料详细地评估了其模拟结果,表明该模式可以很好地模拟各种气溶胶特性(气溶胶光学厚度和质量浓度)的时空分布特征.GEM-AQ/EC能够为全球气溶胶的时空分布提供满意的模拟结果.沙尘气溶胶模拟误差主要来自模式对气象场(风、降水及大气边界层参数等)模拟及地表状况(土壤湿度、植被、沙漠等)的描述.为了不断修正沙尘气溶胶模拟误差,深入认识风蚀起沙物理机制,完善沙尘气溶胶起沙物理过程参数化,建立一个精确的起沙通量计算方案,是沙尘气溶胶模式发展的一个重要挑战.本文利用1995~2004年全球的沙尘气溶胶GEM-AQ/EC模拟结果,侧重分析全球不同地区沙尘气溶胶源汇分布及其季节特征和年际变化.按照全球主要的大沙漠的地理分布,本文将研究区域分为北非(15uf0b0N~35uf0b0N,20uf0b0W~40uf0b0E),阿拉伯半岛(14uf0b0N~40uf0b0N,38uf0b0E~60uf0b0E),中亚(20uf0b0N~55uf0b0N,55uf0b0E~73uf0b0E),东亚(32uf0b0N~54uf0b0N,73uf0b0E~133uf0b0E)及澳大利亚(12uf0b0S~46uf0b0S,113uf0b0E~153uf0b0E)五大区域进行研究(图1).其中非洲北部的撒哈拉位于世界上最大的沙漠-撒哈拉沙漠,它囊括了西撒哈拉沙漠、利比亚沙漠、阿拉伯沙漠和努比亚沙漠,其面积约占全球沙漠总面积的32.7%;阿拉伯半岛包括了代赫纳沙漠、内夫得沙漠以及鲁卜哈利沙漠,其面积约占全球沙漠总面积的14.1%;中亚主要有土库曼斯坦境内的卡拉库姆沙漠、乌兹别克斯坦境内中部地区沙漠其面积约占全球沙漠总面积的15.5%;东亚主要指中国北部包含塔克拉玛干沙漠、河西走廊、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地和浑善达克沙地,其面积约占全球沙漠总面积的5%;澳大利亚处于南半球,它包括了大沙沙漠、吉布森沙漠、维多利亚沙漠和辛普森沙漠,其面积约占全球沙漠总面积的7.5%.为了分析海洋上沙尘气溶胶的沉降,本文还对沙尘气溶胶沉降作了全球陆地和海洋分区处理.各沙漠区的沙尘暴频次资料,取自文献[46-48].2结果分析2.1模式比较和年际变化起沙量是指从地面向上大气中排放的沙尘总量,它主要取决于地表风,沙漠分布,地表植被和湿度等要素的变化.沉降分为干沉降和湿沉降,干沉降是指悬浮于大气中的各种粒子以其自身末速度沉降并不断被下垫面吸收或吸附的过程,主要受大气中污染物的浓度和干沉积速率两方面的共同影响;而湿沉降是悬浮于大气中的各种粒子由于云和降水清除冲刷的过程,具有速度快、突发性强等特点.图1是模式模拟1995~2004年沙尘气溶胶年平均起沙量全球分布.可以看出,沙尘起沙量的高值区主要集中在北非、阿拉伯半岛、中亚、东亚的中国北方及蒙古和南半球的澳大利亚.起沙量的大值区基本与全球的沙漠分布一致,这也说明模式可以很好的模拟出沙尘气溶胶的起沙区.其中,5个研究区中起沙总量以北非最大,大于5000t/(km2·a),约占全球总起沙量的66.6%,北非沙漠对全球沙尘气溶胶贡献最大;阿拉伯半岛次之,小于2000t/(km2·a),约占全球总起沙量的6.8%;中亚起沙总量小于1000t/(km2·a),约占全球总起沙量的5.3%;澳大利亚起沙总量小于1000t/(km2·a),约占全球总起沙量的4.0%;东亚最少,处于500t/(km2·a)和1000t/(km2·a)之间,约占全球总起沙量的3.2%.另外,在南美,北美也有一定的起沙量,但远小于上面几个区域的值.表1给出了不同模式模拟的全球沙尘排放量.可以看出本文模拟结果是可靠的.总沉降是指干沉降和湿沉降的总和.图2是1995~2004年沙尘气溶胶年平均沉降量的全球分布.从图2可清楚地看到,同沙尘起沙量集中在沙漠源区不同,沉降遍布全球的陆地和海洋,但沉降的高值区仍旧分布在5个重要的沙漠源区及其紧邻下风地区,最大值出现在北非,大约为2000t/(km2·a);在印度洋和大西洋上均有较大的沉降量,大于50t/(km2·a),这与北非和阿拉伯半岛沙漠源区的沙尘远距离输送有关,另外,研究表明在北太平洋上也有东亚的沙尘长距离输送,但本文沉降在北太平洋上的沙尘小于50t/(km2·a),主要是由于模拟的东亚沙漠起沙偏小.图3为1995~2004年沙尘气溶胶年平均收支量的全球分布.总收支量是指总起沙量与总沉降量的差值.从图3可以看出,净支出(起沙量大于总沉降量)的区域对应着沙尘起沙量大值区(图1),与沙漠源区一致,这表明全球沙漠地区是沙尘气溶胶的最主要的发源地.而净收入(起沙量小于总沉降量)的区域主要分布在沙漠源区周围,且大值区围绕着沙漠源区并向下风方向延伸,这说明沙漠地区扬起的沙尘气溶胶除沉降到本地以外,还可以通过沙尘气溶胶的区域及洲际长距离输送,沉降到其下游地区(陆地和海洋),从而形成净收入大于10t/(km2·a)的位于0°N~60°N之间的带状分布,北非、欧亚大陆、西太平洋、北印度洋、北美和大西洋都在这个带状分布区内,这一研究成果与其他研究相符.2.2沙区干沉降的季节变化从5个区域起沙量和沙尘暴频次的季节变化(图4)可以看出5个区域沙尘起沙量都存在明显的季节变化,除阿拉伯半岛有4月和7月2个峰值外,其余4个区域起沙量的季节变化均为单峰型.其中东亚和北非在4月、阿拉伯半岛在3月,南半球的澳大利亚在10月,最大值均出现在南半球冬季.模拟的5个区域起沙量变化趋势与各自区域的沙尘暴频次的变化趋势基本一致,也证实模拟的沙尘气溶胶季节变化是可信的.图4显示5大沙尘源区的干湿沉降量的季节变化,总体看来,除澳大利亚外,其他4个区域都以干沉降为主,尤以北非最为明显,干旱的北非沙漠上干沉降在大气沙尘气溶胶清除中占有绝对的主导地位.干沉降量的季节变化趋势与起沙量变化几乎完全一致.受云降水的作用,湿沉降的季节变化与各区域降水特征及其季节变化紧密相关,中亚湿沉降的峰值出现在3月.另外,地处南半球海洋环绕的澳大利亚湿沉降略大于干沉降,湿沉降的峰值出现在南半球夏季的12月,干沉降的峰值出现在南半球春季的10月.为进一步地讨论全球5个主要沙漠地区沙尘气溶胶起沙量和总沉降量的季节变化特征及其区域差异,各个变量月变化的标准偏差相对于其10年平均值的比率(%)定义为其季节变率,其大小定量地表示了各个变量的季节性强弱.表2列出了5个主要沙漠地区起沙量和总沉降量月变化的标准偏差及其季节变率.在全球5个主要沙漠地区中,东亚地区沙尘气溶胶起沙量和总沉降量的季节变化率均为最大,分别高达103.6%和91.5%,而北非沙漠起沙量和总沉降量的季节变化率均最小,分别为44.4%和41.8%,其他3个区域的季节变化率大小基本相同,维持在大约50%~60%的范围.2.3沙量的年际变化从图5(a)可以看出,全球总沙尘起沙量10年来保持略微上升的趋势,基本围绕大约1500Mt的平均值上下波动,而全球陆地的沉降量则以约9.9Mt/a的速率减小.全球陆地的起沙量远大于其沉降量,且其趋势相反,这暗示在这10年中有更多的沙尘气溶胶沉降到海洋.图5(b)和图5(f)显示北非和澳大利亚10年来的起沙量和沉降量的变化,它们的起沙量和沉降量都呈现出逐年递减的趋势,而图5(c、d、e)代表的阿拉伯半岛、中亚和东亚的起沙量和沉降量却呈现出逐年递增的趋势.东亚在1997年起沙量和沉降量相当,而在1998和1999年沉降量明显大于起沙量,这表明东亚除自身排放沙尘外,还接受了来自西风带上风的中亚,阿拉伯地区甚至北非外源沙尘气溶胶的沉降.同时,图5还可揭示出10年内各个区域不同年份对全球沙尘总量的贡献,如东亚和中亚起沙量的最大值均出现在2001年分别为82Mt和94Mt,对当年全球沙尘起沙量的贡献分别约为5.9%和6.7%.而北非起沙量的最大值出现在2002年为1100Mt,对全球陆面沙尘起沙量贡献高达66.3%;阿拉伯地区起沙量的最大值出现在2003年为122Mt,约占当年全球沙尘起沙总量的8.3%;澳大利亚起沙量的最大值出现在1996年为107Mt,对全球沙尘起沙量贡献约为6.7%.表3统计了10年间全球及5个主要沙漠地区沙尘气溶胶起沙的平均年总量,年际变化标准偏差及其年际变化率(年际变化标准偏差与平均年总量的比率).在1995~2004这10年间,全球总起沙量年际变化率为6.3%,以北非沙漠起沙量年际变化率最低(7.4%),而以东亚(28.3%)和澳大利亚(45.0%)起沙量年际变化最为明显,这可能与东亚和澳大利亚冬季风显著的年际变化紧密相关.而10年平均而言,北非沙漠(999Mt)对全球总沙尘起沙量(1500Mt)的贡献高达66.6%并以在五个源区最大年际变化标准偏差(74Mt),这表明尽管北非以外4个区域的起沙量存在较大的年际变化直接控制各个区域大气气溶胶变化,但北非沙漠地区大程度决定全球起沙总量的年际变化.3区域砂沙特征

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