太陽輻射對粉塵污染的影響

太陽輻射對粉塵污染的影響

砂砂巖漿膠主要來自世界沙漠地區(qū)，是流層氣溶膠的主要成分，約占流層氣溶膠總數(shù)的一半。進(jìn)入氛圍的沙顆粒不僅對環(huán)境和人類生活環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響，而且還通過以下方式影響世界和區(qū)域氣候：通過散射和吸收太陽輻射，降低至低地區(qū)和地面的太陽輻射。吸收長波輻射可以加熱層，改變大氣能量平衡，影響天氣和氣候。進(jìn)入云中后，形成一個冷質(zhì)核和一個冰核，影響云和降水的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。砂漿巖及其遠(yuǎn)程輸送對下游地區(qū)的環(huán)境和生態(tài)環(huán)境有顯著影響，影響著當(dāng)?shù)攸S土的沉積和海洋生態(tài)環(huán)境的變化，影響著全球化合部門的濃度和分布。通過將砂、水、土壤和沉積時間與地球上的五個大環(huán)境地區(qū)有機(jī)地聯(lián)系起來，是研究世界變化及其環(huán)境效應(yīng)的重要紐帶和重要環(huán)境因素之一。因此，沙砂巖和荒漠化的研究引起了人們的關(guān)注。對沙塵氣溶膠的研究無論從其氣候成因、時空分布特征、數(shù)值模擬,還是環(huán)境影響和氣候效應(yīng)等領(lǐng)域都取得了重大突破.因?yàn)樯硥m氣溶膠數(shù)值模型能對大氣動力學(xué)和物理化學(xué)過程有較好的描述,其嵌套的天氣及氣候模式能夠合理地模擬全球及區(qū)域沙塵時空分布及其天氣氣候效應(yīng),而且通過敏感性實(shí)驗(yàn)幫助認(rèn)識其排放、傳輸和沉降等一系列科學(xué)問題,成為研究沙塵氣溶膠的一種重要手段,如Tegen等、Joussaume、Genthon利用沙塵模式模擬了礦物沙塵的起源、傳輸和分布,并計(jì)算了沙塵的光學(xué)厚度.Westphal等、Kayampudi等、Toon等均模擬了撒哈拉沙漠沙塵的遠(yuǎn)距離輸送,并提出了沙塵起沙的概念模型.Uemastu等模擬了亞洲沙塵的跨太平洋傳輸,并表明亞洲沙塵可以傳輸?shù)奖碧窖蟛⑶业竭_(dá)北美.國內(nèi)的沙塵天氣數(shù)值模擬及預(yù)報近年來也取得了大量的成果,成功模擬出了中國境內(nèi)沙塵暴事件爆發(fā)、傳輸和沉降等過程,中亞沙塵越太平洋的傳輸也得到了觀測的支持.Shao等和Song將沙塵模式系統(tǒng)IWEMS嵌套進(jìn)當(dāng)時的國家氣象中心天氣預(yù)報業(yè)務(wù)模式T213-GCM成功地作出了亞洲沙塵暴的實(shí)時天氣預(yù)報.趙琳娜等和孫建華等將邵亞平的起沙方案與中尺度模式MM5V3耦合用于我國北方沙塵天氣預(yù)測.包含了沙塵氣溶膠模型的中國氣象局化學(xué)天氣預(yù)報系統(tǒng)CUACE/Dust以及中國科學(xué)院大氣物理所的空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)NAQPMS的自主成功研制,將氣溶膠地面和衛(wèi)星遙感觀測資料同化方法及模式集成預(yù)報技術(shù)引入氣溶膠數(shù)值預(yù)報方面.關(guān)于全球沙塵氣溶膠排放量的模擬研究也有不少,如Ginoux等、Zender等和Textor等對比了不同的全球模式中的沙塵分布,揭示了模式對于全球沙塵氣溶膠排放量的估算存在很大的變化范圍(514~5999Tg/a),Werner等的工作表明不同模式對不同沙漠源區(qū)排放量的估算也存在很大的不同.相對于全球沙塵氣溶膠的排放量的研究,目前關(guān)于全球沙塵氣溶膠的沉降及其匯分布特征的研究相對較少,全球不同沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠源的季節(jié)特征和年際變化也值得研究.因此,本文利用全球沙塵氣溶膠模式GEM-AQ/EC模擬的1995~2004年全球沙塵氣溶膠的起沙量和干濕沉降量,分析全球主要沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠源尤其是氣溶膠匯的空間特征,季節(jié)分布和年際變化.將有助于深入認(rèn)識大氣沙塵氣溶膠的變化對全球及區(qū)域氣候環(huán)境變化的影響和相互作用.1氣溶膠模擬結(jié)果全球氣溶膠模式GEM-AQ/EC是一個在線的、全球多尺度化學(xué)天氣氣候模擬系統(tǒng),它將氣相化學(xué)模塊ADOM和氣溶膠模塊CAM耦合到了加拿大天氣預(yù)報業(yè)務(wù)模式GEM中,可模擬包括海鹽、礦物沙塵、黑碳、有機(jī)碳和硫酸鹽等五大氣溶膠組分,其中氣溶膠模塊CAM控制了包括排放、傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)化和干濕沉降等所有的大氣氣溶膠過程,并與微物理的云模塊相結(jié)合來處理氣溶膠與云降水的相互作用.根據(jù)風(fēng)蝕起沙物理過程參數(shù)化在線計(jì)算沙塵起沙通量.在1995~2004年間全球氣溶膠模擬中,GEM-AQ/EC模式垂直分為28層,頂層高度為10hPa,水平分辨率為全球統(tǒng)一的1°x1°,以NCEP-再分析氣象場每6h驅(qū)動,連續(xù)模擬了10年.Gong等介紹了模式系統(tǒng)的氣溶膠模擬并依據(jù)觀測資料詳細(xì)地評估了其模擬結(jié)果,表明該模式可以很好地模擬各種氣溶膠特性(氣溶膠光學(xué)厚度和質(zhì)量濃度)的時空分布特征.GEM-AQ/EC能夠?yàn)槿驓馊苣z的時空分布提供滿意的模擬結(jié)果.沙塵氣溶膠模擬誤差主要來自模式對氣象場(風(fēng)、降水及大氣邊界層參數(shù)等)模擬及地表狀況(土壤濕度、植被、沙漠等)的描述.為了不斷修正沙塵氣溶膠模擬誤差,深入認(rèn)識風(fēng)蝕起沙物理機(jī)制,完善沙塵氣溶膠起沙物理過程參數(shù)化,建立一個精確的起沙通量計(jì)算方案,是沙塵氣溶膠模式發(fā)展的一個重要挑戰(zhàn).本文利用1995~2004年全球的沙塵氣溶膠GEM-AQ/EC模擬結(jié)果,側(cè)重分析全球不同地區(qū)沙塵氣溶膠源匯分布及其季節(jié)特征和年際變化.按照全球主要的大沙漠的地理分布,本文將研究區(qū)域分為北非(15uf0b0N~35uf0b0N,20uf0b0W~40uf0b0E),阿拉伯半島(14uf0b0N~40uf0b0N,38uf0b0E~60uf0b0E),中亞(20uf0b0N~55uf0b0N,55uf0b0E~73uf0b0E),東亞(32uf0b0N~54uf0b0N,73uf0b0E~133uf0b0E)及澳大利亞(12uf0b0S~46uf0b0S,113uf0b0E~153uf0b0E)五大區(qū)域進(jìn)行研究(圖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、利比亞沙漠、阿拉伯沙漠和努比亞沙漠,其面積約占全球沙漠總面積的32.7%;阿拉伯半島包括了代赫納沙漠、內(nèi)夫得沙漠以及魯卜哈利沙漠,其面積約占全球沙漠總面積的14.1%;中亞主要有土庫曼斯坦境內(nèi)的卡拉庫姆沙漠、烏茲別克斯坦境內(nèi)中部地區(qū)沙漠其面積約占全球沙漠總面積的15.5%;東亞主要指中國北部包含塔克拉瑪干沙漠、河西走廊、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙地和渾善達(dá)克沙地,其面積約占全球沙漠總面積的5%;澳大利亞處于南半球,它包括了大沙沙漠、吉布森沙漠、維多利亞沙漠和辛普森沙漠,其面積約占全球沙漠總面積的7.5%.為了分析海洋上沙塵氣溶膠的沉降,本文還對沙塵氣溶膠沉降作了全球陸地和海洋分區(qū)處理.各沙漠區(qū)的沙塵暴頻次資料,取自文獻(xiàn)[46-48].2結(jié)果分析2.1模式比較和年際變化起沙量是指從地面向上大氣中排放的沙塵總量,它主要取決于地表風(fēng),沙漠分布,地表植被和濕度等要素的變化.沉降分為干沉降和濕沉降,干沉降是指懸浮于大氣中的各種粒子以其自身末速度沉降并不斷被下墊面吸收或吸附的過程,主要受大氣中污染物的濃度和干沉積速率兩方面的共同影響;而濕沉降是懸浮于大氣中的各種粒子由于云和降水清除沖刷的過程,具有速度快、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn).圖1是模式模擬1995~2004年沙塵氣溶膠年平均起沙量全球分布.可以看出,沙塵起沙量的高值區(qū)主要集中在北非、阿拉伯半島、中亞、東亞的中國北方及蒙古和南半球的澳大利亞.起沙量的大值區(qū)基本與全球的沙漠分布一致,這也說明模式可以很好的模擬出沙塵氣溶膠的起沙區(qū).其中,5個研究區(qū)中起沙總量以北非最大,大于5000t/(km2·a),約占全球總起沙量的66.6%,北非沙漠對全球沙塵氣溶膠貢獻(xiàn)最大;阿拉伯半島次之,小于2000t/(km2·a),約占全球總起沙量的6.8%;中亞起沙總量小于1000t/(km2·a),約占全球總起沙量的5.3%;澳大利亞起沙總量小于1000t/(km2·a),約占全球總起沙量的4.0%;東亞最少,處于500t/(km2·a)和1000t/(km2·a)之間,約占全球總起沙量的3.2%.另外,在南美,北美也有一定的起沙量,但遠(yuǎn)小于上面幾個區(qū)域的值.表1給出了不同模式模擬的全球沙塵排放量.可以看出本文模擬結(jié)果是可靠的.總沉降是指干沉降和濕沉降的總和.圖2是1995~2004年沙塵氣溶膠年平均沉降量的全球分布.從圖2可清楚地看到,同沙塵起沙量集中在沙漠源區(qū)不同,沉降遍布全球的陸地和海洋,但沉降的高值區(qū)仍舊分布在5個重要的沙漠源區(qū)及其緊鄰下風(fēng)地區(qū),最大值出現(xiàn)在北非,大約為2000t/(km2·a);在印度洋和大西洋上均有較大的沉降量,大于50t/(km2·a),這與北非和阿拉伯半島沙漠源區(qū)的沙塵遠(yuǎn)距離輸送有關(guān),另外,研究表明在北太平洋上也有東亞的沙塵長距離輸送,但本文沉降在北太平洋上的沙塵小于50t/(km2·a),主要是由于模擬的東亞沙漠起沙偏小.圖3為1995~2004年沙塵氣溶膠年平均收支量的全球分布.總收支量是指總起沙量與總沉降量的差值.從圖3可以看出,凈支出(起沙量大于總沉降量)的區(qū)域?qū)?yīng)著沙塵起沙量大值區(qū)(圖1),與沙漠源區(qū)一致,這表明全球沙漠地區(qū)是沙塵氣溶膠的最主要的發(fā)源地.而凈收入(起沙量小于總沉降量)的區(qū)域主要分布在沙漠源區(qū)周圍,且大值區(qū)圍繞著沙漠源區(qū)并向下風(fēng)方向延伸,這說明沙漠地區(qū)揚(yáng)起的沙塵氣溶膠除沉降到本地以外,還可以通過沙塵氣溶膠的區(qū)域及洲際長距離輸送,沉降到其下游地區(qū)(陸地和海洋),從而形成凈收入大于10t/(km2·a)的位于0°N~60°N之間的帶狀分布,北非、歐亞大陸、西太平洋、北印度洋、北美和大西洋都在這個帶狀分布區(qū)內(nèi),這一研究成果與其他研究相符.2.2沙區(qū)干沉降的季節(jié)變化從5個區(qū)域起沙量和沙塵暴頻次的季節(jié)變化(圖4)可以看出5個區(qū)域沙塵起沙量都存在明顯的季節(jié)變化,除阿拉伯半島有4月和7月2個峰值外,其余4個區(qū)域起沙量的季節(jié)變化均為單峰型.其中東亞和北非在4月、阿拉伯半島在3月,南半球的澳大利亞在10月,最大值均出現(xiàn)在南半球冬季.模擬的5個區(qū)域起沙量變化趨勢與各自區(qū)域的沙塵暴頻次的變化趨勢基本一致,也證實(shí)模擬的沙塵氣溶膠季節(jié)變化是可信的.圖4顯示5大沙塵源區(qū)的干濕沉降量的季節(jié)變化,總體看來,除澳大利亞外,其他4個區(qū)域都以干沉降為主,尤以北非最為明顯,干旱的北非沙漠上干沉降在大氣沙塵氣溶膠清除中占有絕對的主導(dǎo)地位.干沉降量的季節(jié)變化趨勢與起沙量變化幾乎完全一致.受云降水的作用,濕沉降的季節(jié)變化與各區(qū)域降水特征及其季節(jié)變化緊密相關(guān),中亞濕沉降的峰值出現(xiàn)在3月.另外,地處南半球海洋環(huán)繞的澳大利亞濕沉降略大于干沉降,濕沉降的峰值出現(xiàn)在南半球夏季的12月,干沉降的峰值出現(xiàn)在南半球春季的10月.為進(jìn)一步地討論全球5個主要沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠起沙量和總沉降量的季節(jié)變化特征及其區(qū)域差異,各個變量月變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對于其10年平均值的比率(%)定義為其季節(jié)變率,其大小定量地表示了各個變量的季節(jié)性強(qiáng)弱.表2列出了5個主要沙漠地區(qū)起沙量和總沉降量月變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差及其季節(jié)變率.在全球5個主要沙漠地區(qū)中,東亞地區(qū)沙塵氣溶膠起沙量和總沉降量的季節(jié)變化率均為最大,分別高達(dá)103.6%和91.5%,而北非沙漠起沙量和總沉降量的季節(jié)變化率均最小,分別為44.4%和41.8%,其他3個區(qū)域的季節(jié)變化率大小基本相同,維持在大約50%~60%的范圍.2.3沙量的年際變化從圖5(a)可以看出,全球總沙塵起沙量10年來保持略微上升的趨勢,基本圍繞大約1500Mt的平均值上下波動,而全球陸地的沉降量則以約9.9Mt/a的速率減小.全球陸地的起沙量遠(yuǎn)大于其沉降量,且其趨勢相反,這暗示在這10年中有更多的沙塵氣溶膠沉降到海洋.圖5(b)和圖5(f)顯示北非和澳大利亞10年來的起沙量和沉降量的變化,它們的起沙量和沉降量都呈現(xiàn)出逐年遞減的趨勢,而圖5(c、d、e)代表的阿拉伯半島、中亞和東亞的起沙量和沉降量卻呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢.東亞在1997年起沙量和沉降量相當(dāng),而在1998和1999年沉降量明顯大于起沙量,這表明東亞除自身排放沙塵外,還接受了來自西風(fēng)帶上風(fēng)的中亞,阿拉伯地區(qū)甚至北非外源沙塵氣溶膠的沉降.同時,圖5還可揭示出10年內(nèi)各個區(qū)域不同年份對全球沙塵總量的貢獻(xiàn),如東亞和中亞起沙量的最大值均出現(xiàn)在2001年分別為82Mt和94Mt,對當(dāng)年全球沙塵起沙量的貢獻(xiàn)分別約為5.9%和6.7%.而北非起沙量的最大值出現(xiàn)在2002年為1100Mt,對全球陸面沙塵起沙量貢獻(xiàn)高達(dá)66.3%;阿拉伯地區(qū)起沙量的最大值出現(xiàn)在2003年為122Mt,約占當(dāng)年全球沙塵起沙總量的8.3%;澳大利亞起沙量的最大值出現(xiàn)在1996年為107Mt,對全球沙塵起沙量貢獻(xiàn)約為6.7%.表3統(tǒng)計(jì)了10年間全球及5個主要沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠起沙的平均年總量,年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差及其年際變化率(年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均年總量的比率).在1995~2004這10年間,全球總起沙量年際變化率為6.3%,以北非沙漠起沙量年際變化率最低(7.4%),而以東亞(28.3%)和澳大利亞(45.0%)起沙量年際變化最為明顯,這可能與東亞和澳大利亞冬季風(fēng)顯著的年際變化緊密相關(guān).而10年平均而言,北非沙漠(999Mt)對全球總沙塵起沙量(1500Mt)的貢獻(xiàn)高達(dá)66.6%并以在五個源區(qū)最大年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差(74Mt),這表明盡管北非以外4個區(qū)域的起沙量存在較大的年際變化直接控制各個區(qū)域大氣氣溶膠變化,但北非沙漠地區(qū)大程度決定全球起沙總量的年際變化.3區(qū)域砂沙特征