全球主要沙源區沙塵氣溶膠與太陽輻射的關系

王民俊,韓永翔,*,鄧祖琴,趙天良 (.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 0044；.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 73000)

全球主要沙源區沙塵氣溶膠與太陽輻射的關系

王民俊1,韓永翔1,2*,鄧祖琴2,趙天良1(1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 210044；2.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)

利用TOMS AI氣溶膠指數和天文輻射資料對全球主要沙漠區沙塵氣溶膠含量與太陽輻射的關系進行驗證.結果表明,無論是北半球的沙漠還是南半球的沙漠,其沙塵氣溶膠指數和太陽輻射都有非常高的相關性.事實和理論均表明太陽輻射是影響沙漠地區沙塵氣溶膠含量主要的因子之一.

TOMS AI；全球主要沙源區；沙塵氣溶膠；太陽輻射

習慣上把懸浮于大氣中粒徑范圍在10-3～102μm之間的固體和液體微粒稱為大氣氣溶膠粒子[1-2].沙塵氣溶膠主要來源于沙漠和干旱地區的風損蝕及隨風揚起過程[3],是干旱半干旱區對流層氣溶膠的重要組分之一[4-5],約占對流層氣溶膠總量的一半[6].沙塵氣溶膠除了可以散射和吸收太陽短波輻射以及地球長波輻射[7],產生直接輻射強迫[8],影響地氣系統的輻射平衡以外,還可作為云凝結核影響云的生命周期、云的輻射特性和降水效率[9].另外,沙塵氣溶膠攜帶的Fe等物質能促進浮游生物的生長,浮游生物通過固碳控制大氣中CO2,間接地影響氣候[10].沙塵氣溶膠以上的陽傘效應、冰核效應和鐵肥料效應對區域和全球氣候產生了重要影響.然而,要深入研究沙塵氣溶膠的氣候效應必須先知道大氣中沙塵氣溶膠的含量.因此,了解大氣中沙塵的含量及含量變化的原因尤為關鍵.從全球沙源區臭氧總量制圖光譜儀氣溶膠指數月平均值頻度分布圖(圖1)中可以看出,非洲、亞洲、澳大利亞、北美和南美的沙漠區均是沙塵氣溶膠的重要起源地.大氣中沙塵氣溶膠的含量與沙塵暴過程密切,這一事實已被幾乎所有的研究所證實[12-16].然而,Alpert等[17]分析了撒哈拉地區14年的TOMS指數與大氣層頂太陽輻射資料,發現大氣中沙塵總量與太陽輻射有非常高的相關性,認為太陽輻射是最重要的動力,并可用其作為反演沙塵氣溶膠的指標.Han等[18]基于大量沙塵氣溶膠空間垂直分布特征的觀測,提出了由太陽輻射觸發的熱對流與塵卷風聯合的起沙機制,該機制可解釋在晴朗無風的天氣背景下,氣溶膠指數與太陽輻射高相關的原因.該機制認為熱對流與塵卷風聯合起沙機制與沙塵暴起沙機制互為補充,共同影響沙漠地區上空的沙塵氣溶膠的含量,并推論太陽輻射是影響沙漠地區沙塵氣溶膠最主要的因子之一.鄧祖琴等[19]利用中國沙漠地區 1998～2005年的氣溶膠指數和太陽輻射資料,在中國北方沙漠對Han等[18]提出的起沙機制進行了驗證,初步證明了中國北方沙漠地區上空的沙塵氣溶膠含量是沙塵暴和太陽輻射共同作用的結果,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.顯然,太陽輻射與沙漠區沙塵總量的高相關能夠被理論所支持.然而,這一結論仍只是在非洲和亞洲的中國北方得到了驗證,全球其余的沙漠對這一結論是否適用尚有待驗證.因此本文利用全球27年的氣溶膠指數和天文輻射資料就太陽輻射與全球各大沙漠區大氣沙塵氣溶膠的關系進行探討,文中僅在更大范圍內驗證太陽輻射是否是影響沙漠地區沙塵氣溶膠的主要因子,拋開其他影響大氣沙塵氣溶膠含量的因素如沙塵暴、降水、植被等因素,同時也不考慮衛星探測器之間的差異.

圖1 全球沙源區TOMS氣溶膠指數月平均值＞0.7的頻度分布合成[11]Fig.1 Global distributions of the frequency with monthly mean TOMS AI ＞ 0.7 in the desert regions [11]

1 數據來源和研究區域

氣溶膠指數是用來估算全球區域上空的沙塵氣溶膠總含量的指數[17].Nimbus-7/TOMS用340nm和380nm通道的光譜輻射通量的比值定義了AI指數[20-21]:

式中:Imeans是給定波段TOMS測得的后向散射輻射量;Icalc是利用完全瑞利大氣輻射傳輸模式計算的TOMS輻射通量.EP/TOMS氣溶膠指數計算時使用的是331nm和360nm兩個波段,OMI氣溶膠指數使用的是354nm和388nm兩個波段,但原理是一致的.

氣溶膠指數資料來自美國宇航局(NASA)的Goddard航天中心.臭氧總量制圖光譜儀(TOMS)和臭氧監測儀(OMI)的近紫外波段能很好地探測不同下墊面的沙塵氣溶膠[22],且不受云的影響[23].TOMS從1978年11月1日觀測至2005年12月31日,中間由于衛星故障缺了3年的觀測資料.OMI從2004年10月1日起有資料,其觀測年限至2010年7月15日.為了保障資料的有效、穩定和連續,本研究選取了兩段經緯度網格點為1.25°×1°的TOMS日平均資料:1979年1月1日～1992年12月31日和1997年1月1日～2005年12月31日共22年,以及2006年1月1日～2009年12月31日共4年經緯度網格點為1°×1°的日平均資料.資料處理過程中僅看AI總體趨勢的變化并未進行比對處理.

圖2 研究區域Fig.2 Desert regions for this study

由于缺乏輻射觀測資料,本文運用大氣上界天文日總輻射量(簡稱為天文輻射)進行替代,天文輻射在理論上代表了研究區接收的最大的太陽輻射.采用以下公式[24]對1979～2009年共27年該研究區上空每日的天文輻射進行計算,進而得到每月的天文輻射.此輻射公式已經在研究中得到廣泛應用[25-26].

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; dn為年內天數.

研究區域為全球主要沙漠區(圖2),包含了非洲北部撒哈拉(A區),阿拉伯半島(B區),西南亞(C區)和澳大利亞(D區).在研究區域中, A區有469個AI觀測格點;B區有31個AI觀測格點; C區有88個AI觀測格點; D區有88個AI觀測格點.

2 結果與分析

2.1 全球主要沙漠區27年AI日均值與天文輻射的關系

非洲北部撒哈拉 A區位于世界上最大的沙漠—撒哈拉沙漠,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.A區的面積約占非洲總面積的32%.從圖3a可見:A區的天文輻射在年際間呈現出周期性變化.天文輻射從年初開始逐漸增大,6月達到最大值,然后逐漸減小.這一區域的AI值總體上也表現出了與天文輻射相同的周期性變化特征.AI值從年初開始逐漸增加,6月達到峰值,然后逐漸下降.天文輻射和 AI 的變化趨勢一致.因為衛星資料分為 3段,故本文的計算也分為3段并計算了27年的總相關.1979～1992年天文輻射和 AI的相關系數高達 0.82, 1997～2005年兩者的相關系數為0.82,2006～2009年兩者的相關系數為 0.78,均達到了 0.001的信度檢驗,呈現出顯著的正相關.阿拉伯半島 B區包括了代赫納沙漠、內夫得沙漠以及魯卜哈利沙漠,約占整個半島面積的 40%.從圖 3b可見,其天文輻射和AI 的變化同圖3a相似.1979～1992兩者的相關系數高達0.71,1997～2005兩者的相關系數高達0.67, 2006～2009年兩者的相關系數的相關系為0.64,均達到了 0.001的信度檢驗,呈現出顯著的正相關,但其相關系數明顯小于非洲北部撒哈拉 A區.西南亞C區主要有橫跨印度和巴基斯坦邊界的塔爾沙漠、伊朗沙漠和阿富汗沙漠.從圖3c可看出,C區的天文輻射和AI在年際間的變化與A、B區類似,呈現周期性變化且變化趨勢較為一致.1979～1992年天文輻射和AI 的相關系數高達0.85,1997～2005年兩者的相關系數為 0.77,2006～2009年兩者的相關系數為0.71,均達到了0.001的信度檢驗,呈現出顯著的正相關.

圖3 各區域27年AI日平均值和天文輻射隨時間的變化Fig.3 Time series of daily averages in TOMS- AI and extraterrestrial radiation over 27 years in North African deserts Arabian Peninsula West south Asia and Australia

上述的A、B、C區處于北半球,澳大利亞 D區處于南半球,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.從圖3d可看出:澳大利亞 D區的天文輻射也在年際間呈現周期性變化,但與 A、B和 C區峰值出現在 6月不同,D區的峰值出現在1月份.天文輻射從年初逐漸減小,6月份達到最小值,然后開始增大.盡管這一區域的AI值在1979～ 1985年內變化的趨勢不明顯,而且年際間的變化幅度存在較大的差異,但總體上仍表現出了周期性變化特征.AI值從年初的最大值逐漸減小,到6月達到最小值,然后逐漸增大.天文輻射和 AI 的變化趨勢一致.1979～1992年兩者的相關系數為0.27,1997～2005年兩者的相關系數為 0.68, 2006～2009年兩者的相關系數為 0.27,均達到了0.001的信度檢驗,仍然呈現出顯著的正相關.

非洲北部A區、阿拉伯半島B區、西南亞C區、澳大利亞D區和中國北方沙漠區的3段AI日平均值資料與天文輻射的相關系數如表 1所示.非洲北部A區27年AI日平均值和太陽輻射的相關系數為0.8,是5個研究區域中相關性最好的;其次是西南亞C區,相關系數為0.8.阿拉伯半島B區兩者的相關系數為0.68;澳大利亞D區兩者的相關系數最小,只有 0.44,但均達到了0.001的信度檢驗.這5個地區的天文輻射和AI的顯著正相關,表明太陽輻射是影響沙漠地區沙塵AI的主要因子之一.

表1 各區域27年AI日平均值和天文輻射的相關系數Table 1 Correlation coefficients of daily averaged AI and extraterrestrial radiation over 27 years in all regions

2.2 全球主要沙漠區27年AI月平均值與天文輻射的關系

由圖4可見,非洲北部撒哈拉A區、阿拉伯半島B區和西南亞C區的天文輻射和27年月平均值的變化一致,1～5月逐漸增加,6月達到峰值,7～11月逐漸減少,12月達到全年最小.以上 3個區域天文輻射與27年的AI月平均值的相關系數分別為0.98、0.94、0.99;澳大利亞D區天文輻射與27年的AI月平均值從年初的峰值逐漸減小,6月份達最小值,之后開始增大.兩者的變化趨勢一致,且相關系數也高達0.94.以上4個研究區域的 AI與天文輻射的相關系數均達到了α=0.001的信度檢驗.

雖然從圖4能明顯看出AI值年際間的變化幅度與太陽輻射有非常高的相關,但它仍不能夠完全解釋AI的變化,其他因素如沙塵暴、降水、植被等也會對AI值有較大的影響,但為了突出太陽輻射的作用,其余要素引起的變化暫不在本文中討論.

3 討論

從上述分析和前人的研究結果[17,19],可以看到:無論非洲撒哈拉、阿拉伯半島、西南亞、中國北方,還是澳大利亞沙漠區的天文輻射與沙塵氣溶膠指數在日變化、月變化上都有非常高的相關性.盡管有理論的支持,但仍不能排除沙漠區太陽輻射與沙塵總量是假相關的可能.因為非洲、阿拉伯半島和亞洲的沙漠同處在北半球 15°N～45°N左右,揚升到大氣中的沙塵氣溶膠會在幾天內擴散到全球,它們可能具有同樣的趨勢.非洲、阿拉伯半島和亞洲的天文輻射在 6月中旬左右達到全年最大,相應地這些沙漠區域的沙塵氣溶膠指數也在此時達到最大.如果是沙塵氣溶膠的擴散導致了它們具有同樣的趨勢,那么,地處南半球的澳大利亞沙漠此時沙塵氣溶膠指數應該最大.但事實表明,澳大利亞此時的沙塵氣溶膠指數非常小,天文輻射最小,并且兩者存在非常高的相關性.這一事實表明沙漠區太陽輻射與沙塵總量之間的相關不可能是假相關.

4 結語

北半球的撒哈拉、阿拉伯半島、西南亞、中國北方和南半球的澳大利亞,這些主要沙源區的沙塵氣溶膠指數與太陽輻射有非常高的相關性,表明太陽輻射是影響沙漠地區沙塵氣溶膠含量 主要的因子之一.

圖4 AI月平均值與天文輻射的變化Fig.4 Monthly variations of TOMS-AI and extraterrestrial radiation

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Relationship between dust aerosols and solar radiation in global dust source regions.

WANG Min-jun1, HAN Yong-xiang1,2*, DENG Zu-qin2, ZHAO Tian-liang1(1.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.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). China Environmental Science, 2012,32(4)：577～583

Based on the analysis of the TOMS-AI (Aerosol Index) and extraterrestrial radiation, the relationships between the dust aerosol loading and solar radiation in global dust source regions are examined. There are high correlations between solar radiation and the TOMS-AI in the dust source regions of both Northern and Southern Hemisphere. It is found that solar radiation is one of the most important factors influencing the dust aerosols in the desert regions.

TOMS AI；dust source；dust aerosol；extraterrestrial radiation

2011-07-14

國家自然科學基金資助項目(41075113,41175093)

* 責任作者, 教授, han-yx66@126.com

X513

A

1000-6923(2012)04-0577-07

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

王民俊(1987-),男,江蘇東臺人,南京信息工程大學大氣物理學院碩士研究生,主要從事氣溶膠與氣候變化方面的研究.發表論文1篇.