黃土高原黃土的成因:沙塵氣溶膠源匯模擬與黃土堆積

劉唯佳,韓永翔,趙天良 (南京信息工程大學,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044)

黃土高原黃土的成因:沙塵氣溶膠源匯模擬與黃土堆積

劉唯佳,韓永翔*,趙天良 (南京信息工程大學,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044)

黃土高原是重要的降塵區還是沙塵源區這一科學問題至今未有確切定論.本文利用北半球氣溶膠區域氣候模式 NARCM,根據1995～2004年10a的模擬數據,分析了中國區域沙塵起沙量、沉降量以及沙塵的盈虧空間分布及風場,得到如下結論:1)沙漠及沙漠化地區是起沙量最大的區域、沉降量高值區集中在沙漠、沙漠化地區及其下風方向.黃土高原起沙量很小,而沉降量遠大于起沙量.2)沙塵源區是沙漠及沙漠化地區,其余的地區則是沙塵匯區,降塵量由西北向東南遞減.3)黃土高原因太行山和秦嶺阻擋,處在最大的沙塵匯區.黃土高原的黃土是冰期和間冰期交替、經過漫長年代沙塵沉降的結果,模擬分析結論為黃土的風成學說提供了有力的證據.

黃土；沙塵氣溶膠模擬；沙塵盈虧；風成說

氣候變化目前已成為科學研究的熱點問題,而黃土作為第四紀冰期的一種產物,可以從中提取古氣候變化信息,這使得黃土成為與深海沉積、極地冰芯同等重要的古環境三大支柱記錄之一[1],并建立了黃土-冬季風體系,其黃土堆積的粒度指標被認為揭示了搬運粉塵風動力變化及沉積環境變化,也即可反映東亞冬季風的演化與沙塵暴的發育歷史[2].中國的黃土高原是世界上黃土分布最廣、厚度最大的地區,關于它的成因問題引起了地學界的廣泛關注,并且出現了20余種學術觀點的激烈爭論[3],主要有風成說、水成說、洪積說、沖積說、土壤說、殘積說、宇宙說、多成因說等 8種假說[4].在眾多假說中,風成說是黃土形成的主要成因這一觀點被大多數科學家所接受,認為荒漠地區是黃土物質的源地,在沙塵暴的作用下,沙塵經釋放、搬運后,通過沉降作用形成降塵長年累月經土壤的再生作用就形成了厚厚的黃土.另外,有學者認為黃土高原不但是一個重要的降塵區,而且其自身也是北半球沙塵的一個重要源區[5].然而風成說的主要依據主要來自黃土的地理分布及分帶特征、黃土厚度的規律分布以及黃土的物質成分和結構等[3,6],本質上仍是點對點的研究,在空間上缺乏整體性和連貫性,同時也無法回答黃土高原是重要的降塵區還是重要沙塵源區這一科學問題.

本文利用北半球氣溶膠區域氣候模式NARCM,根據1995～2004年10a沙塵氣溶膠模擬結果及風場的變化與黃土主要分布區進行了比對,建立沙塵沉降盈虧與黃土之間的關系,結合他人的研究及觀測結果[7-13],進而為黃土的風成說提供證據,也試圖對黃土高原到底是沙塵的源區還是匯區這一科學問題進行探討,旨在為黃土反演的氣候變化研究提供理論依據.

1 NARCM氣溶膠模式介紹

采用北半球氣溶膠區域氣候模式 NARCM (The Northern Aerosol Regional Climate Model),該模式是加拿大區域氣候模式 RCM(The Canadian Regional Climate Model)與耦合氣溶膠模塊CAM(Coupled Aerosol Mudule)的結合體[14], RCM包括來自于加拿大全球氣候模式中的物理包[15]、加拿大的地表計劃CLASS(Canadian Land Surface Scheme)[16],以及用于研究動力學和被動示蹤劑的半拉格朗日和半隱式運輸計劃[17].在CAM 中,一種尺度分離的多元氣溶膠的質量守恒方程表示如下[14]:

式(1)右端各項分別為:沙塵的傳輸項、源項、干潔大氣項、干沉降項以及濕沉降項(云內項和云下清除項).傳輸過程包括已經解決的動力難題,還包括對流和子湍流擴散等.

NARCM囊括了大氣氣溶膠的所有流程:產生、傳輸、發展、結合、干濕沉降,以及解決云滴與氣溶膠之間的相互作用的一個明確的微物理云模塊.模式中包括了粉塵排放量、濃度及沉降量在內的所有大氣氣溶膠的變量.該模式域覆蓋了北半球諸多地區,包含東亞、北太平洋以及北美洲西部在內[14,18],時間積分步長是 20min,所有氣溶膠的粒徑分布是用從0.01μm到40.96μm的12個徑級來區別的[18].NARCM中的土壤質地尺度分布模塊[19-21],根據中國土壤質地而改進,該土壤質地包含12大類的粒度分布以及3個典型時期(1960s～70s、1980s～90s和21世紀)中國最新沙漠分布情況[14,22].由沙漠質地分布、衛星獲得的土地的利用情況和粗糙度長度、以及觀測到的土壤濕度綜合而成的數據,為東亞沙塵的釋放量模式提供了一種連貫的參數輸入設置法.本文利用NARCM 1995～2004年的模擬數據,著重分析了中國區域沙塵起沙量、沉降量以及沙塵的盈虧空間分布及風場的特征.

2 結果分析

2.1 春季沙塵釋放和沉降變化特征

釋放量是指從地面向上傳輸的沙塵總量,即起沙量.不同時間沙塵釋放量不同,主要取決于沙漠地區的近地面風力、沙源分布、地表植被和濕度等要素的變化[14,23].春季為我國沙暴多發的季節,利用北半球氣溶膠區域氣候模式NARCM模式獲得了1995～2004年春季沙塵起沙量月平均的空間變化特征(圖 1).分析模式模擬的結果表明:我國沙塵起沙源區主要集中在塔克拉瑪干沙漠、渾善達克、巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫不齊、毛烏素等沙漠及沙漠化地區,有學者指出,以塔克拉瑪干沙漠為主體的中國西部沙漠源區、蒙古源區、和以巴丹吉林沙漠為中心的中國北部沙漠源區貢獻了亞洲沙塵釋放總量的約 70%,它們可視為亞洲沙塵的3個貢獻量最大的源區,也可視為是黃土高原黃土物質的主要源地[24-25],模式模擬的沙塵源區與中國主要沙漠及沙漠化地區的分布幾乎完全重合.同時,沙塵起沙量和覆蓋區域都在 4月達到最大,3月份的起沙區域明顯偏小,起沙量與5月份大體相當,這一結果同觀測的4月沙塵暴最多的結論是一致的[13].這些事實說明模式模擬的結果能夠較真實地反映沙塵的源地.黃土高原的沙塵起沙量約為(50±5)t/km2.

沙塵粒子通過干沉降和濕沉降兩種途徑從大氣中清除出去.干沉降是指懸浮于大氣中的氣溶膠粒子不斷被下墊面吸收或吸附,形成持續向地面遷移的過程[26];而濕沉降是指懸浮于大氣中的各種粒子由于降水沖刷而沉降的過程,氣體和微粒在云內和云下的清除主要以濕沉降為主[26].由1995～2004年春季總沉降(即干濕沉降之和)月平均的空間變化特征(圖1)看出,因為沙塵起沙進入大氣后隨風向下游擴散并沉降,且半徑大于l0μm 的較大粒子主要沉降在源區及其附近,遠距離傳輸的主要是半徑小于l0μm的較小粒子[27],沙漠地區大部分大于l0μm的粒子又沉降到沙漠里,所以,沙塵沉降高值區與起沙量高值區的位置基本一致,且分布在其下風方向,但其高值區的沉降量僅是起沙量高值區的一半左右.同時,在沙源區的下風方向,沙塵沉降量隨著距沙源區距離的增大而逐漸遞減,沉降量的范圍擴展到了中國大部分地區.與沙塵起沙量的月變化一樣,4月的沉降量最大,3月和5月相當.黃土高原沙塵的沉降量約為(100±10)t/km2.

圖1 中國春季1995～2004年3～5月月平均起沙量(左)和總沉降(右)空間分布Fig.1 Spatial distribution of monthly dust emissions (left) and total depositions (right) in China from March to May over 1995～2004

從圖 1中黃土高原春季起沙量和總沉降量來看,黃土高原的起沙量較小且局限于高原的西北部一小塊地方,而沉降范圍則覆蓋整個高原地區且其沉降量遠大于起沙量.對比起沙量和總沉降的空間分布,除沙漠及沙漠化地區以外,其余地區沉降量也遠大于起沙量.

2.2 沙塵的盈虧及風場分析

春季雖然是沙塵暴最為頻繁的季節,但其他月份仍有沙塵暴的發生.為了更準確地了解黃土高原的沙塵的盈虧情況,我們計算了 1995～2004年 10a的年平均沙塵盈虧(圖2),即沙塵總起沙量減去總沉降量.沙塵盈虧的分布特征可以清晰地反映出沙塵的源匯區.從圖中可以看出在整個中國范圍內,沙塵盈余的區域(源區,起沙量大于沉降量)與地面沙塵起沙量、沉降量高值區相對應并有所擴大,也即沙塵源區主要出現在我國的沙漠及沙漠化地區,其余的地區則是沙塵虧缺的區域(匯區,起沙量小于沉降量),沙塵匯區的面積遠大于沙塵源區,且呈現出極其明顯的沙塵堆積離沙源越遠厚度越薄的現象.受中緯度西風環流控制的影響,沙塵匯區呈明顯的東西走勢,而且均以片狀分布在起沙區的下風方向.有兩個大的沙塵匯區,其最大的沙塵匯區集中在緊鄰沙塵源區的黃土高原及華北平原西部,該沉降區其南端甚至擴展到長江中游地區,東部也一直延伸到長白山一帶.另一個沙塵匯區位于塔克拉瑪干沙漠與昆侖山脈之間,沉降量較小.除了上述的兩類區域外,中國其他地方的起沙量和沉降量幾乎是平衡的,因此沒有表現出明顯的源匯區.黃土高原的北部區域正是處在最大的沙塵匯區之中,也即它是沉降沙塵最大的地區之一.從2012年黃土高原東部18個監測點觀測到的大氣降塵量的空間分布來看[13],降塵量由北向南呈遞減的趨勢,與圖 2中年平均沙塵盈虧的趨勢是一樣的,也即沙塵離沙源越遠厚度越薄.與2012年觀測實況相比,本文模擬的空間較觀測的空間更加廣大,結論更具有普遍性.觀測與模擬的相同結果為黃土的風成學說提供了有力的證據.

圖2 中國地區10年沙塵氣溶膠釋放量和沉降量的盈虧Fig.2 10-year budgets of dust aerosols between dust emissions and depositions in China

圖3 1961～2010年3～5月份近地面平均風場Fig.3 March-to-May average surface wind field over 1961～2010

結合50a春季平均風場(圖3)可以發現,我國中高緯度地區春季整體吹的是偏西風和偏北風,沙塵粒子在風力的作用下向東向南輸送,但因近乎南北向太行山脈和東西向秦嶺山脈阻擋作用,形成的一個半封閉的區域,因地面風速在遇到山脈時速度被削減得很快,因此在太行山以西、秦嶺以北的地區(即黃土高原及其西北部)形成了一個弱風區,使那些被風攜帶的大量沙塵粒子通過重力沉降(大顆粒)或者受到山脈地形的阻曳而沉降,而通過吸附作用小粒子也慢慢沉降下來.由此可見,經過千百萬年漫長的積累,堆積的沙塵經過土壤的再生作用就形成了黃土高原.

3 討論

黃土高原是世界上黃土分布最廣、厚度最大的地區,也即應該是沙塵匯區量值最大的區域,模擬的黃土高原的西北部區域正是處在最大的沙塵匯區之中(圖 2),與實際黃土分布對比發現,高原東南部并不處在最大的沙塵匯區之中.但該模擬結果只能代表從1995～2004年這10a中落到地面的沙塵平均凈沉降量,而這期間的溫度比較高,在氣候學上屬于間冰期.在間冰期,亞洲中高緯地區的溫度明顯升高,中國南北方溫差也隨之減小,冷空氣活動不再頻繁發生,沙塵暴強度也明顯減小.而西伯利亞高壓和阿留申低壓的減弱,使得冷空氣在進入東亞時,不僅強度已明顯減小,而且在很多情況下是從偏東北方向的路徑入侵的[28].即沙塵的來源主要以北部的沙漠地區(蒙古中西部地區)為主,這就導致了沙塵暴的中心向北偏移[29],進而導致黃土高原的沙塵沉降分布向西北收縮且沉降量較小.而黃土是千百萬年經過漫長的年代經土壤的再生作用才形成,也即它不但有間冰期,還有冰期.冰期時的氣候比現在冷干得多[30-32],氣候帶均依次向南推移,而且當時中國大陸上的風力也比現在要大,主要以西北方向的風為主.南北方溫差的增大,導致沙塵暴頻繁發生,而且沙塵的來源以中國西部沙漠地區占據主導地位[33],沙塵源區的擴大將導致黃土高原上比間冰期有更多更厚的黃土沉積[33]且向東南擴張,擴張遇到太行山、秦嶺受阻而止.今天我們看到黃土高原區域是冰期和間冰期交替、經過漫長年代沙塵沉降的結果.本文雖然沒有冰期的模擬結果,但根據前人的研究成果,黃土為風成的結論仍然成立.因模式的分辨率較粗,退化草地、棄耕農田、干河床等高起沙量區域沒有做詳細分析,有待以后的研究.

4 結論

4.1 沙漠及沙漠化地區是起沙量最大的區域、沉降量高值區分布在沙漠及沙漠化地區及其下風方向.黃土高原春季沙塵起沙量(50±5)t/km2、沉降量(100±10)t/km2,表明黃土高原起沙量很小,而沉降量遠大于起沙量.

4.2 中國沙塵源區主要出現在沙漠及沙漠化地區,其余的地區則是沙塵匯區,沙塵匯區的面積遠大于沙塵源區,降塵量呈由北向南遞減的趨勢.黃土高原因太行山和秦嶺阻擋,處在最大的沙塵匯區,且呈現出明顯的沙塵堆積離沙源越遠厚度越薄的現象.

4.3 黃土高原的黃土是冰期和間冰期交替、經過漫長年代沙塵沉降的結果,模式分析結論為黃土的風成學說提供了有力的證據.

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The causes of loess formation over Loess Plateau: simulated dust aerosol sources and sinks and loess accumulation.

LIU Wei-jia, HAN Yong-xiang, ZHAO Tian-liang (Climate and Weather Disasters Collaborative Innovation Center, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3041～3046

There is a scientific debate argument whether Loess Plateau is an important region of dust aerosol sinks or sources. Based on the 10-year (1995～2004) aerosol simulations of the northern aerosol regional climate model NARCM, the spatial distribution of dust aerosol emissions, depositions and budgets as well as wind field were analyzed. The simulation analysis showed 1) the highest dust emissions appeared in the desert and desertification areas, while the highest dust depositions were concentrated over the desert and desertification areas as well as their immediately downwind region.The dust depositions largely exceeded the dust aerosol emission in Loess Plateau with the low dust emissions. 2) Desert and desertification area were the main dust sources, the rest of areas were dust sinks. Dust depositions declined from the northwest to the Southeast.3) Due to the barrier of the Taihang and Qinling Mountains, the Loess Plateau was the largest dust sink region with the highest depositions. The loess over Loess Plateau was accumulated by dust depositions over the long term evolution of glacial and interglacial periods. The dust aerosol simulation provided a solid evidence for the theory of eolian loess.

loess；dust aerosol simulation；budgets of dust；formation of eolian loess

X513

A

1000-6923(2014)12-3041-06

劉唯佳(1990-),女,遼寧朝陽人,南京信息工程大學碩士研究生,主要從事氣候變化的研究.

2014-03-25

國家自然科學基金資助項目(41375158,41030962, 41175093)

* 責任作者, 教授, han-yx66@126.com