中國北方沙漠戈壁區沙塵氣溶膠與太陽輻射的關系

鄧祖琴,韓永翔,2*,白虎志,趙天良 (.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室,甘肅 蘭州 70020；2.南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 20044；.加拿大環境署空氣質量研究部,Toronto, Ontario MH 5T4,加拿大)

中國北方沙漠戈壁區沙塵氣溶膠與太陽輻射的關系

鄧祖琴1,韓永翔1,2*,白虎志1,趙天良3(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室,甘肅 蘭州 730020；2.南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044；3.加拿大環境署空氣質量研究部,Toronto, Ontario M3H 5T4,加拿大)

利用中國大陸氣溶膠指數(TOMS AI)、天文總輻射、地面太陽總輻射和沙塵能見度等觀測和理論計算資料,對中國北方沙漠戈壁區沙塵氣溶膠與太陽輻射的關系進行了分析.結果表明:沙漠地區太陽輻射和沙塵氣溶膠指數有非常高的相關性,且變化趨勢一致.表明由太陽輻射觸發的熱對流是影響沙漠地區沙塵氣溶膠最主要的因子;沙塵氣溶膠進入大氣中,必然也會對太陽輻射產生重大的影響.晴日時沙塵氣溶膠吸收和散射輻射可達沙塵暴(含揚沙)天氣時的60%以上.

沙塵氣溶膠；太陽輻射；熱對流；吸收和散射輻射

太陽輻射是地球上最重要的熱源,是驅動大氣運動的主要動力.太陽輻射進入地球大氣后,會受到臭氧的吸收、云的吸收、水氣的吸收、空氣分子的吸收和散射以及氣溶膠的吸收和散射等作用,共同使入射光的強度減弱[1].大氣氣溶膠可以散射和吸收太陽短波輻射以及地球長波輻射,進而影響地氣系統的輻射平衡[2];另外,還可以作為凝結核影響云的輻射特性[3-4]及作為反應表面影響大量化學反應的速度[5],因此,大氣氣溶膠在大氣輻射和氣候以及環境變化研究中占有重要地位[6-7].沙塵氣溶膠是最主要和分布最廣的自然氣溶膠,大量研究表明,中國西北部沙漠是全球沙塵氣溶膠主要源地之一[8-13],大量沙塵從源區輸送到其他地方[14].因此,研究沙漠戈壁區的沙塵氣溶膠對大氣輻射的影響,具有十分重要的科學意義.以前對沙漠戈壁區沙塵氣溶膠的輻射強迫研究,主要集中在沙塵暴的研究[15-19].然而,多年的觀測結果表明,中國北方沙漠區單站沙塵暴(含揚沙)發生最頻繁的年份,其發生次數也僅在120次左右,這表明由沙塵暴所貢獻給大氣的沙塵氣溶膠總量是有限的.Han等[20]認為,中國北方沙漠戈壁區存在另外一種完全不同于沙塵暴起沙機制的熱對流與塵卷風聯合起沙機制,它與沙塵暴起沙機制互為補充,并推論由太陽輻射觸發的熱對流是影響沙漠地區沙塵氣溶膠最主要的因子之一.本課題組[21]利用1998～2005年中國大陸沙漠地區臭氧總量制圖光譜儀氣溶膠指數(TOMS AI)和太陽輻射的資料,初步證明在晴朗無風的天氣背景下,由太陽輻射觸發的熱對流與塵卷風聯合起沙對大氣沙塵氣溶膠含量的貢獻遠大于沙塵暴起沙的貢獻,沙漠地區上空的沙塵氣溶膠含量是它們共同作用的結果.TOMS觀測自1978年11月開始,2005年結束,共有24a的觀測資料.本文作者之前的研究只用了 8a的資料,而本文利用中國大陸沙漠地區22a TOMS AI資料、更長時間的太陽輻射、沙塵能見度等觀測資料,試圖對由太陽輻射引發的塵卷風與干熱對流所貢獻給大氣中的沙塵氣溶膠含量和沙塵暴所貢獻的沙塵氣溶膠含量進行更進一步的分析,并結合其他研究結果,探討沙漠地區沙塵氣溶膠對該區太陽輻射的影響.

1 研究區域、數據來源及計算方法

研究區域為中國塔里木盆地-北方沙漠戈壁區(圖 1),其沙漠面積占我國沙漠面積的 70%以上

[22].這一區域不但是我國沙塵暴高發區[23-25],而且區域內太陽輻射非常強烈,熱對流活動異常劇烈[26],塵卷風活動非常頻繁[27].

TOMS觀測不受云的影響,能夠反演不同下墊面條件下沙塵氣溶膠的特性[28],在大氣沙塵研究中得到廣泛應用[29].本研究使用的TOMS氣溶膠指數(AI)數據來自美國 Goddard航天中心1.25°×1°(經緯度)的氣溶膠指數資料.TOMS觀測的時間段為1978年11月～2005年12月,由于衛星故障及觀測軌道高度的調整,TOMS資料分為2個時間段:1978年11月～1993年5月和1996年7月～2005年12月.為保證資料的穩定與連續,本研究使用1979年1月～1992年12月、1998年1月～2005年12月的AI日值資料.在研究區域中有AI觀測格點133個.

圖1 研究區域和地面觀測站點Fig.1 Studying regions and the stations of surface observations

太陽輻射、沙塵能見度等地面觀測資料均來自中國國家氣象中心歸檔的原始氣象記錄報表及其信息化產品,考慮到觀測資料年代的一致性,沙塵能見度的計算使用了其中 44個站的資料,輻射計算使用了17個站點資料,地面觀測資料的年代為1979年1月～1992年12月、1998年1月～2005年12月共22a.

沙塵天氣過程的等級依據成片出現沙塵天氣的國家基本(準)站的數目和沙塵天氣的等級劃分[30].若某次沙塵天氣過程同時達到兩種以上等級時,以最強的沙塵天氣過程等級為準.其中揚沙天氣過程的定義為:在同一次天氣過程中,相鄰5個或5個以上國家基本(準)站在同一觀測時次出現了揚沙或更強的沙塵天氣[30].本文以區域內5個以上站點出現了揚沙或更強的沙塵天氣代表區域內出現了沙塵暴(含揚沙)天氣過程.

大氣上界天文日總輻射量的計算,采用以下公式[31],此公式在輻射計算中得到廣泛應用[18,32]:

式中: Q0為日天文總輻射;I0為太陽常數;T為周期;ρ為日地相對距離;δ為太陽赤緯;ω0為日落時角;φ為地理緯度;θ0為地球角位移;dn為年內天數.

對區域內17個輻射站由以上公式計算各站的天文日總輻射,進而得到區域上的天文日總輻射均值(簡稱為天文輻射),它在理論上代表了該研究區接收的最大的太陽輻射.同時,根據地面17個站點的觀測資料,計算了該研究區同期的地面太陽總輻射(簡稱觀測輻射),它是天文輻射到達地面后的太陽散射輻射和太陽直接輻射之和.二者的差值則代表了天文輻射進入地球大氣后,受到各種因子吸收和散射(如大氣的分子、氣溶膠、水汽等吸收、散射和反射)沒有到達地面的能量(簡稱大氣吸收和散射總輻射).

2 結果與分析

2.1 中國沙漠戈壁區22年AI日均值與太陽輻射的關系

本文作者[21]利用1998～2005年中國大陸沙漠地區的TOMS AI和太陽輻射進行對比分析,結果表明除 2001年外,發現盡管年際間有微小的差異,但二者仍表現出明顯的規律性:從 1月開始,中國北方沙源區太陽輻射值逐漸增大,到6、7月份達到最大值,然后逐漸降低;太陽輻射和AI 有較為一致的變化趨勢[21].本研究在此基礎上增加了1979～1992年連續、穩定的14a資料,以便在更長時間內驗證這種關系是否存在.由圖 2可清楚地看見,除 1979～1981年及 2001年外,其余年份太陽輻射和AI 有較為一致的變化趨勢(R=0.648,P＜0.001).但是2者在個別時間出現不匹配現象,如AI常在4～5月達到最高峰值,但太陽輻射最高的峰值出現在 6月,這種不匹配現象可能是年內月平均沙塵暴發生的高峰期間為4～5月.由圖3可見,AI和沙塵暴發生次數的變化有著很好的一致性,在4月沙塵發生日數和AI同時達到全年最大值,5月以后,隨沙塵的發生逐漸減少,AI 逐漸降低,表明 AI的變化與沙塵暴發生密切相關.為了得到由太陽輻射觸發的熱對流與塵卷風聯合起沙供給大氣的沙塵氣溶膠 AI與太陽輻射的關系,按是否發生沙塵暴(含揚沙)將AI日資料分為有沙塵暴發生時的AI(AI沙塵暴)和沒有沙塵暴 (AI非沙塵暴)發生時兩部分,對 22a的資料求多年月平均,剔除沙塵暴對AI的影響,結果表明,AI非沙塵暴與太陽輻射有顯著的一致變化性(圖 3)(R=0.93, P＜0.001).這些進一步表明沙塵暴起沙模型和塵卷風與干熱對流的聯合起沙模型互為補充,沙漠地區上空的沙塵氣溶膠含量是它們共同作用的結果.同時,從更長的時間序列證明,太陽輻射是影響北方沙漠戈壁區AI的重要因素.

圖2 日均AI和太陽輻射隨時間的變化Fig.2 Temporal changes of daily AI and solar radiation

圖3 沙塵暴(含揚沙)發生時和無沙塵暴發生時的AI和觀測輻射的22a月平均Fig.3 Monthly averages for 22 years of AI and solar radiation when dust storm occurred and did not occur圖A次坐標軸中AI值×20,以便在圖中更清晰的反映AI的變化趨勢

2.2 中國沙漠戈壁區沙塵氣溶膠對太陽輻射的影響

2.2.1 沙塵暴和非沙塵暴發生的天文輻射和觀測輻射的分析 對研究區天文輻射和觀測輻射首先進行相關分析(圖4),結果表明不論研究區有無沙塵暴發生,觀測輻射和天文輻射都有非常好的線性關系(P＜0.001).但有沙塵暴發生時,觀測輻射和天文輻射的線性回歸方程為 y觀測=0.518x

天文+ 57.584(R=0.84)(樣本數 2594,P＜0.001).而沒有沙塵暴發生時,其線性回歸方程為 y觀測=0.5349x天文+ 115.54(R=0.92)(樣本數5442,P＜0.001).顯然,沒有沙塵暴發生時的觀測輻射和天文輻射的相關性更顯著.這暗示在其他沒有太陽輻射地面觀測站的沙漠地區,可以通過計算該地區的天文輻射,進而得到地面總輻射.如果能夠知道該區域出現沙塵暴的時間,則可更精確地推算出其地面總輻射,并進而推算出大氣氣溶膠的光學指數.

圖4 沙塵暴和無沙塵暴發生時觀測輻射與天文輻射的散點圖Fig.4 Scatter charts of solar radiation and astronomical radiation when dust storm occurred and did not occurr

對研究區沙塵暴發生時天文輻射與觀測輻射進行對比(圖 5A),發現只有 53.5%的天文輻射到達地面,變化幅度在20%～72%之間,但是晴朗天氣時(圖 5B),到達地面的天文輻射被削弱的部分也超過了42%,變化幅度在15%～74%之間.從具體每日天文輻射與觀測輻射的差值曲線,可以明顯地看出,其差值(大氣吸收和散射總輻射)與天文輻射和地面觀測輻射均具有非常高的一致性變化,R分別為0.898和0.654(樣本數5442,P＜0.001).但二者具有不同的物理意義,大氣吸收和散射總輻射與觀測輻射的高相關和同步性,表明地面接收的能量越大,熱對流越強,由太陽輻射觸發的熱對流與塵卷風聯合起沙供給大氣的沙塵氣溶膠含量也越大,因此導致沙塵氣溶膠反射和散射造成的大氣吸收和散射總輻射也越多,它代表了太陽輻射對大氣沙塵氣溶膠的作用;大氣吸收和散射總輻射與天文輻射的高相關和同步性,表明天文輻射越多,到達地面的輻射也越多,進而使大氣中的沙塵氣溶膠含量增加,由于沙塵氣溶膠的反射和散射,大氣中的吸收和散射總輻射也越大,它代表了大氣沙塵氣溶膠對太陽輻射的影響.

圖5 發生沙塵暴(含揚沙)時及沒有發生沙塵暴(含揚沙)時的天文輻射、觀測輻射及兩者的差值Fig.5 Solar radiation、astronomical radiation and their difference when dust storm occurred and non-dust storm occurred

圖6 晴日(2001-08-20)和沙塵天氣(2001-04-16)太陽直接輻射衰減狀況[33]Fig.6 The attenuations of direct solar radiation in sunny day(2001-08-20) and dust weather(2001-04-16)[33]

大氣吸收和散射總輻射中包含了臭氧的吸收、云的吸收、水汽的吸收、空氣分子的吸收和散射以及氣溶膠的吸收和散射等作用.根據文獻[33](圖6),無論是晴天還是沙塵暴天氣里,沙漠地區大氣水汽含量非常小,水汽的吸收相對來說微弱且恒定[34],水汽的平均吸收率為 5.6%,臭氧的吸收量最小且相對恒定,平均吸收率為 2.7%.在晴日里,氣溶膠粒子對太陽直接輻射的衰減平均約為16.9%[33](圖6A),而在沙塵暴天氣里,氣溶膠粒子對太陽直接輻射的衰減平均約為38%[33](圖6B).而晴空天氣和沙塵暴天氣時的大氣吸收和散射總輻射(即天文輻射和觀測輻射的差值)22年累計值分別為5.9×1010J/m2和4.1×1010J/m2,則晴空時氣溶膠粒子造成的太陽輻射的衰減約為沙塵暴天氣時的60%(圖7),這些事實表明中國北方沙漠戈壁區晴空時太陽輻射觸發的熱對流和塵卷風聯合起沙所產生的沙塵氣溶膠對太陽輻射的影響非常顯著.

圖7 發生沙塵暴(含揚沙)時及沒有發生沙塵暴(含揚沙)時的天文輻射、觀測輻射及沙塵氣溶膠的吸收和散射輻射Fig.7 Solar radiation、astronomical radiation and the absorption and scattering of solar radiation of dust aerosol when dust storm occurred and non-dust storm occurred

3 結論

3.1 沙漠地區太陽輻射和沙塵氣溶膠指數有非常高的相關性,且變化趨勢一致.表明由太陽輻射觸發的熱對流是影響沙漠地區沙塵氣溶膠含量最主要的因子.

3.2 沙塵氣溶膠進入大氣中,必然也會對太陽輻射產生重大的影響.大氣吸收和散射總輻射與天文輻射和地面的輻射具有非常一致的變化和高相關.

3.3 中國北方沙漠戈壁區晴日時沙塵氣溶膠的吸收和散射總輻射可達沙塵暴(含揚沙)天氣時的 60%以上,晴日里沙塵氣溶膠對太陽輻射的削弱也很顯著.

[1] 石廣玉.大氣輻射學 [M]. 北京:科學出版社, 2007.

[2] Charlson R J, Langner J, Rodhe H, et al. Perturbation of the northern hemisphere radiative balance by backscattering from anthropogenic sulfate aerosols [J]. Tellus, 1991,43AB, 152-163.

[3] Twomey S, Piepgrass M, Wolfe T L. An assessment of the impact of pollution on global cloud albedo [J]. Tellus, 1984,36B(5), 356-366.

[4] Ackerman A S, Toon O B, Stenvens D E, et al. Reduction of tropical cloudiness by soot [J]. Science, 2000,288(5468): 1042-1047.

[5] Stephen E, Schwartz S E, Andreae M O. Uncertainty in climate change caused by aerosols [J]. Science, 1996, 272(5265):1121.

[6] 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.

[7] 石廣玉,王 標,張 華,等.大氣氣溶膠的輻射與氣候效應 [J].大氣科學, 2008,32(4): 826-840.

[8] Washington R, Todd M, Middleto N J, et al. Dust-storm source areas determined by the total ozone monitoring spectrometer and surface observations [J]. Annals of the Association of American Geographers, 2003,93(2):297-313.

[9] 成天濤,呂達仁,陳洪濱,等.渾善達克沙地沙塵氣溶膠的粒譜特征 [J]. 大氣科學, 2005,29:147-153.

[10] 張德二.我國歷史時期以來降塵的天氣氣候學分析 [J]. 中國科學, 1984,(3):278-288.

[11] 張小曳,沈志寶,張光宇,等.青藏高原遠源西風粉塵與黃土堆積[J]. 中國科學(D輯), 1996,26(2):147-153.

[12] Zhang X Y, Gong S L, Zhao T L, et a1. Sources of Asian dust and role of climate change versus desertification in Asian dust emission [J]. Geophysical Research Letters, 2003,30(24):2272-2275.

[13] Prospero J M, Ginoux P, Torres O, et al. Environmental characterization of global sources of atmospheric soil dust identified with the nimbus 7 total ozone mapping spectrometer (toms) absorbing aerosol product [J]. Reviews of Geophysics, 2002,40(3):1002-1032.

[14] Duce R A, Unni C K, Ray B J, et al. Long-range atmospheric transport of soil dust from Asia to the tropical North Pacific: Temporal variability [J]. Science, 1980,209(4464):1522-1524.

[15] 趙 偉,劉紅年,吳 澗.中國春季沙塵氣溶膠的輻射效應及對氣候影響的研究 [J]. 南京大學學報(自然科學), 2008,44(6): 598-607.

[16] 沈志寶,魏 麗.我國西北大氣沙塵氣溶膠的輻射效應[J].大氣科學, 2000,24(4):541-548.

[17] 李 韌,季國良.敦煌地區大氣氣溶膠的輻射效應 [J]. 太陽能學報, 2004,25(3):320-324.

[18] 陳 霞,魏文壽,劉明哲.塔里木盆地沙塵氣溶膠對短波輻射的影響—以塔中為例 [J]. 中國沙漠, 2008,28(5):920-926.

[19] 胡 波,王躍思,何新星,等.北京2004年一次強沙塵暴過程的輻射特征研究 [J]. 氣候與環境研究, 2005,10(2):265-274.

[20] Han Y, Dai X, Fang X, et al. Dust aerosol: A possible accelerant for an increasingly arid climate in North China [J]. Journal of Arid Environments, 2008,72:1476-1489.

[21] 鄧祖琴,韓永祥,白虎志,等.沙漠地區沙塵氣溶膠含量變化的原因分析 [J]. 中國環境科學, 2009,29(12):1233-1238.

[22] 吳 正.中國沙漠與治理研究50年 [J]. 干旱區研究, 2009,26(1): 1-7.

[23] 周自江,王錫穩,牛若蕓.近 47年中國沙塵暴氣候特征研究 [J].應用氣象學報, 2002,13(2):193-200.

[24] 韓永翔,趙天良,宋連春,等.北太平洋地區春季粉塵的空間分布特征——觀測及模擬研究 [J]. 中國環境科學, 2005,25(3): 257-201.

[25] 錢正安,宋敏紅,李萬元.近 50年來中國北方沙塵暴的分布及變化趨勢分析 [J]. 中國沙漠, 2002,22(2):106-111.

[26] 徐祥德,周明煜,陳家宜,等.青藏高原地-氣過程動力、熱力結構綜合物理圖象 [J]. 中國科學(D輯), 2001,31(5):428-440.

[27] 顧兆林,趙永志,郁永章,等.塵卷風的形成、結構和卷起沙塵過程的數值研究 [J]. 氣象學報, 2003,61(6):751-760.

[28] Herman J R, Bhartia P K, Torres O, et al. Global distribution of UV-absorbing aerosols from Nimbus 7/TOMS data [J]. J. Geophys. Res., 1997,102(D14):16911-16922.

[29] Washington R, Todd M, Middleto N J, et al. Dust-storm source areas determined by the total ozone monitoring spectrometer and surface observations [J]. Annals of the Association of American Geographers, 2003,93(2):297-313.

[30] GB/T20480-2006 沙塵暴天氣等級 [S].

[31] 康德拉捷夫.太陽輻射能 [M]. 李懷瑾譯,北京:科學出版社, 1962:68-550.

[32] Thorsten Pohlert. Use of empirical global radiation models for maize growth simulation [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2004, 126(1/2):47-58.

[33] 辛金元,張文煜,袁九毅,等.沙塵氣溶膠對直接太陽輻射的衰減研究 [J]. 中國沙漠, 2003,23(3):311-315.

[34] 孔琴心,熊效振,劉廣仁.荒漠地區直接太陽光譜的測量 [J]. 高原氣象, 1992,11(4):353-360.

Relationship between dust aerosol and solar radiation in gebi desert in North China.

DENG Zu-qin1, HAN Yong-xiang1,2*, BAI Hu-zhi1, ZHAO Tian-liang3(1.Key Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of Gansu Province, Key Open Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction of China Meteorological Administration, Lanzhou Arid Meteorological Institute of China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China；2.School of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；3.Air Quality Research Branch, Meteorological Service of Canada, Toronto, Ontario M3H 5T4, Canada). China Environmental Science, 2011,31(11)：1761～1767

Relationship between dust aerosol and solar radiation in gebi desert in North China was analyzed based on observational and calculative data, such as TOMS aerosol index (AI), total astronomical radiation, total solar radiation and dust visibility. in China mainland. It turns out that there were perfect correlation and same trend between the total solar radiation and AI, suggesting that the thermal convection triggered by solar radiation was the most important factor for dust aerosol. It also shows that the input of dust aerosol in atmosphere would affect solar radiation significantly and persistently. Besides these, the ratio of absorption and scattering of solar radiation by dust aerosol between fine days and sandstorm was above 60%.

dust aerosol；solar radiation；thermal convection；absorption and scattering of solar radiation

X513

A

1000-6923(2011)11-1761-07

2011-01-27

國家自然科學基金資助項目(41075113);國家科技支撐計劃(2008BAC40B04);甘肅省自然科學基金項目(2008GS01964)

* 責任作者, 教授, han-yx66@126.com

致謝：TOMS AI數據來自Goddard Space Flight Center, 在此表示感謝.

鄧祖琴(1981-),女,四川開縣人,助理研究員,碩士,主要從事沙塵氣溶膠和氣候變化方面的研究.發表論文3篇.