粉塵氣溶膠的生態(tài)與氣候效應(yīng)

粉塵氣溶膠的生態(tài)與氣候效應(yīng)

每年春季，中國北方的干旱地區(qū)，特別是四個沙地（楚山沉積物、科爾沁沉積物、毛烏素沉積物和漢江沉積物），是中國東部沉積物的主要來源。與我國北方荒漠化地區(qū)相似,在許多發(fā)展中國家所處的中緯度干旱\,半干旱草原及荒漠地帶,由于人口的迅速增長,不合理的農(nóng)業(yè)開墾以及過度放牧,造成草原加速退化和生態(tài)的急劇惡化,從而形成新的沙塵暴源和引發(fā)更頻繁的沙塵暴災(zāi)害。根據(jù)IPCC第二次和第三次評估報告,沙塵氣溶膠是影響氣候變化的重要因素之一,它不僅能夠散射太陽輻射和吸收地氣紅外輻射,而且作為云凝結(jié)核對全球或區(qū)域降水分布和變率產(chǎn)生影響。最近幾年有關(guān)沙塵氣溶膠的輻射強(qiáng)迫、生態(tài)環(huán)境及氣候效應(yīng)已經(jīng)引起了科學(xué)家的高度重視,但是目前還不能準(zhǔn)確的對其進(jìn)行評估,主要是沒有建立氣溶膠輻射模型。因此對沙塵源地的粒子濃度的監(jiān)測,對于建立沙塵氣溶膠輻射模型,準(zhǔn)確估算沙塵氣溶膠的長期氣候及輻射效應(yīng)具有重要作用。另外,通過風(fēng)蝕作用脫離地表土壤懸浮于空中的沙塵氣溶膠微粒,在大氣湍流的作用下向四周擴(kuò)散,最后輸送到幾千公里以外的地方。這些長時間懸浮于大氣中的塵粒對區(qū)域和全球氣候的變化將產(chǎn)生強(qiáng)迫。因此精確計算沙塵源地的氣溶膠物理特性、較為準(zhǔn)確的測算地表土壤的沙塵啟動速度以及研究沙塵氣溶膠的長距離傳輸對研究其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及氣候強(qiáng)迫就顯得極為重要。但是,地表風(fēng)蝕過程和地表沙粒被風(fēng)吹起的物理過程非常復(fù)雜。國內(nèi)外雖然做了大量理論和試驗方面的研究:Dong等通過風(fēng)洞試驗研究了風(fēng)沙流的通量廓線;沈志寶等根據(jù)大氣中粒子數(shù)濃度的觀測資料,分別估算了敦煌地區(qū)戈壁地表在沙塵暴和揚(yáng)沙階段的沙塵排放率;成天濤等利用起沙通量模式和地面起沙半經(jīng)驗方案,估算了渾善達(dá)克沙地春季地表臨界起沙風(fēng)速及沙塵通量。Gillette等根據(jù)地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制,認(rèn)為沙塵排放量是風(fēng)速(或摩擦速度)和地表狀況(包括土壤水分和地表植被等)的函數(shù)。但國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究往往受到資金等因素的限制,大多比較零散。目前對我國渾善達(dá)克沙地的風(fēng)沙啟動速度方面做了一些研究,但是針對渾善達(dá)克沙地春季沙塵暴條件下產(chǎn)生的沙塵氣溶膠的長距離輸送問題研究較少。采用“內(nèi)蒙古干旱草原土壤-植被-大氣相互作用(IMGRASS)”重大基金項目的部分觀測資料,計算了渾善達(dá)克沙地春季10m高度的沙粒啟動速度,并估算了該沙地沙塵氣溶膠的傳輸距離。這一結(jié)果對定性評估沙塵氣溶膠生態(tài)環(huán)境和氣候效應(yīng)、數(shù)值模擬沙塵暴過程風(fēng)沙啟動傳輸機(jī)制和建立沙塵氣溶膠輻射模型具有重要意義。1氣溶膠粒徑和顆粒表面顆粒大小的探測渾善達(dá)克沙地所用資料主要來自PMSFssp-100型激光粒譜儀在內(nèi)蒙古桑根達(dá)來的觀測結(jié)果。PMS觀測系統(tǒng)是一種粒子前向散射分光計,其原理是當(dāng)粒子通過激光束時,接收其前向散射,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換,其脈沖信號通過脈沖分析器分辨,最終得出粒子大小信息,并自動分檔計數(shù),探測范圍在0.5～100μm之間。在分析渾善達(dá)克沙塵氣溶膠時參考了2006年3—4月在內(nèi)蒙古朱日和基準(zhǔn)氣候站(以美國MSP公司生產(chǎn)的1000XP型WPS激光粒度光譜儀)的觀測結(jié)果。該儀器利用激光前向散射、電子遷移率和顆粒物濃縮原理分析氣溶膠顆粒濃度和數(shù)目,探測范圍在0.5～100μm之間。上述試驗的儀器采樣高度均在3～4m,這一高度能夠有效地避免地表土壤顆粒的影響。2沙區(qū)的風(fēng)積沙草原渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒草原中部,處于42°—45°N、112°—117°E之間(圖1)。從生態(tài)地理區(qū)來看,該沙地是一個獨(dú)特的溫帶稀樹草原區(qū),是風(fēng)積沙覆蓋在高平原上的東西伸展的沙地。從東部的草甸草原向西伸展到荒漠草原,東西長約500km,南北寬約50～100km。沙地內(nèi)部由于其原始地表的復(fù)雜性,存在著風(fēng)成沙丘與丘間低地,并有大小不等的湖泊。在春季強(qiáng)大風(fēng)侵襲下,多沙塵暴天氣,是京津地區(qū)上空浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴的主要源地之一。3結(jié)果分析3.1不同地區(qū)罪犯增加了沙氣溶膠濃度沙塵源地直徑小于10μm的氣溶膠粒子不僅能夠進(jìn)入呼吸系統(tǒng)對沙塵源地人體健康造成危害,而且能夠進(jìn)入高層大氣,通過長距離的傳輸,對下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。從渾善達(dá)克沙地采集到的沙塵氣溶膠樣品來看(表1),沙塵暴條件下當(dāng)?shù)厣硥m濃度要大于寧夏賀蘭山地區(qū)沙塵暴期間的濃度,數(shù)濃度平均直徑2.42μm亦比賀蘭山地區(qū)數(shù)濃度平均直徑大。另外,從表2可以看出,在渾善達(dá)克沙地,沙塵暴期間沙塵氣溶膠數(shù)濃度PM10在622.8～3044.6之間,占樣本總濃度的99.95%;沙塵氣溶膠數(shù)濃度PM2.5在535.8～2183.9之間,占樣本總濃度的72%～84%。因此,在渾善達(dá)克沙地腹地,如果以2.5μm為基準(zhǔn)劃分粗細(xì)粒子,細(xì)粒子占主要方面。3.2沙粒啟動風(fēng)速地表土壤的風(fēng)力侵蝕過程中沙粒的運(yùn)動主要有三種形式:躍遷、懸浮和蠕動。能夠進(jìn)入高層大氣遠(yuǎn)距離輸送的沙粒主要是通過懸浮運(yùn)動來實現(xiàn)的。而地表顆粒物只有在超過閾值風(fēng)速的大風(fēng)條件下才可能移動,這個閾值風(fēng)速被定義為沙粒的啟動速度。拜格諾給出了均勻沙的流體啟動速度的計算方法:V*t=5.75×Aσ?ρρgd?????√logzκ(1)V*t=5.75×Aσ-ρρgdlogzκ(1)式中:A為一常數(shù),均勻沙的實驗值A(chǔ)=0.1;σ為沙粒密度;ρ為空氣密度;κ為卡曼常數(shù),取0.38;g為重力加速度;z為給定計算高度;d為粒子直徑;V*t沙粒啟動速度,可見啟動值隨沙粒直徑的平方根成正比。根據(jù)表3可知,沙塵暴期間渾善達(dá)克沙地近地面沙塵氣溶膠數(shù)濃度的平均粒徑分別為2.42μm。為在氣候模式、沙塵暴預(yù)警系統(tǒng)和沙塵氣溶膠輻射模型中充分利用國家氣象臺站積累的大量近地層風(fēng)的觀測資料,在計算沙粒啟動風(fēng)速時選取了10m高度。3.3渾善達(dá)克沙地沙門氣溶膠的距離輸送l=40εμ2uσ2g2d4(2)l=40εμ2uσ2g2d4(2)4氣溶膠輻射模型的建立1)鑒于國家氣象部門的風(fēng)速觀測高度為10m,而目前我國進(jìn)行的沙塵啟動風(fēng)速的研究很不統(tǒng)一,有的觀測高度是1m,也有的是2m,并且沙塵粒子的啟動風(fēng)速不同學(xué)者往往采用不同的計算方法,因此,以往在氣候模式及沙塵暴預(yù)報系統(tǒng)中對已取得的研究成果的應(yīng)用尚未和氣象部門積累了數(shù)十年的風(fēng)速資料之間建立很好的聯(lián)系。筆者采用計算了渾善達(dá)克沙地春季沙塵暴期間10m高度沙塵啟動速度,這一結(jié)果可為數(shù)值模擬、沙塵暴預(yù)警系統(tǒng)或建立氣溶膠輻射模型提供更翔實的參考依據(jù)。2)沙塵氣溶膠的長距離輸送問題不僅是環(huán)境問題