气象学报  2012, Vol. 70 Issue (6): 1235-1246   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.104
中国气象学会主办。
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文章信息

陈 霞, 魏文寿, 顾光芹, 安月改. 2012.
CHEN Xia, WEI Wenshou, GU Guangqing, AN Yuegai. 2012.
塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶对低层大气的加热效应
The heating effect of dust aerosol on air temperature in the surface layer in the hinterland of Taklimakan Desert
气象学报, 70(6): 1235-1246
Acta Meteorologica Sinica, 70(6): 1235-1246.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.104

文章历史

收稿日期:2010-07-06
改回日期:2011-08-22
塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶对低层大气的加热效应
陈 霞1,2, 魏文寿3 , 顾光芹1,2, 安月改1,2    
1. 河北省气象与生态环境重点实验室, 石家庄,050021;
2. 河北省气候中心, 石家庄,050021;
3. 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所, 乌鲁木齐,830002
摘要:利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2006年8月1日—2007年7月31日近地层80 m铁塔逐时温度、辐射和5 min PM10浓度、黑碳(BC)质量浓度、散射系数等数据,结合地面常规气象数据筛选出四季沙尘过程,剔除云的影响,以每次沙尘过程的晴空为大气背景值,分析沙尘气溶胶对低层大气的加热效应。结果表明,沙漠腹地沙尘过程对低层大气日平均温度有显著的增温效应,扬沙在冬、春季最剧烈,日平均温度分别高出晴空3.4和3.8℃,沙尘暴其次,浮尘最小。沙尘过程显著地增大了大气逆辐射量,沙尘暴日平均为晴空的1.24倍,扬沙为晴空的1.21倍。沙尘影响低层大气温度梯度分布,显著缩短了大气的逆温时间,减弱了逆温强度。沙尘过程对低层大气增温的原因,春季是大粒子浓度的显著增大,冬季是吸收性粒子的增多,而夏、秋季则为小粒子浓度的增大和散射系数的增大。低层大气温度梯度在扬沙天气随PM10的增加而减小,主要由低层10 m以下大气温度变化引起;浮尘天气主要与小粒子浓度关系密切,其影响高度最大,春、夏季可以达全层80 m,秋、冬季也可超过32 m;沙尘暴一致性较差,除秋季外,均由2 m以内温度变化所致。
关键词沙尘气溶胶     加热效应     PM10浓度     沙尘气溶胶散射系数     黑碳质量浓度     塔克拉玛干沙漠    
The heating effect of dust aerosol on air temperature in the surface layer in the hinterland of Taklimakan Desert
CHEN Xia1,2, WEI Wenshou3 , GU Guangqing1,2, AN Yuegai1,2    
1. Hebei Key Laboratory for Meteorology and Eco-environment, Shijiazhuang 050021, China;
2. Hebei Climate Center, Shijiazhuang 050021, China;
3. Institute of Desert Meteorology, CMA, Urumqi 830002, China
Abstract: The data was recorded including air temperature, radiation, PM10, concentration of black carbon (BC) and scattering coefficient of sand dust in the hinterland of Taklimakan Desert from 2006 Aug.1 to 2007 Jul. 31. Combination with the conventional meteorological data, weather types were divided into four categories, as blowing dust, dust storm, floating dust and clear sky. Cloudy days were removed and the temperature of clear sky was set as an atmospheric background value in each dust progress to analyse heating effect of dust on air in the surface layer. The results show that daily average temperature in the blowing dust was higher than the clear sky by 3.4℃ and 3.8℃ in winter and spring respectively. The dust also increased atmospheric inverse radiation which was as 1.24 times as the clear sky. The dust influenced the distribution of the temperature gradient of air in the surface layer, it shortened the time and weakened the intensity of temperature inversion. The large particles as PM10 increasing significantly in spring, absorptive particles rising strongly in winter, and small particles augmenting greatly in summer and autumn all lead to the heating effect though in a different way. Changes of temperature gradient in blowing dust were decreasing with the increasing PM10, which was caused mainly by the air temperature variation below 10 m height. In floating dust, it was significantly correlative with small particles, and its influencing heights were much higher than the other weather types, which exceeded 32 m.
Key words: Dust aerosol     Heating effect     PM10     Scattering coefficient of sand dust     Concentration of black carbon     Taklimakan Desert    
1 引 言

塔里木盆地特殊的地形特征,丰富的沙源物质为沙尘暴的频发提供了条件,使塔克拉玛干沙漠成为内陆干旱区气候变化极为敏感的区域,也是中国沙尘暴的主要起源地之一。该地区绝大部分地面为裸露的流动风沙土,地表沙物质机械组成以极细沙和细沙(0.05—0.1 mm)为主,风沙活动频繁,风力强劲,年起沙超过500次,风沙活动指数超过8000。年平均出现沙尘暴天气超过30 d,扬沙天气70 d,浮尘天气200 d,发生期长达7个月之久,对中国西北干旱区的气候变化和生态环境产生了重要影响。

有关沙尘暴的研究,自Hankin(1921)关注印度的“Andhi”型沙尘暴以来,Idso等(1972)先后对沙尘暴的气候特征、湿度场等多个方面进行了综合分析,Willetts等(1985)的风洞实验表明,沙粒的跃移碰撞是引起粒子起跃的基本机制,McNaughton(1987)认为特强沙尘暴过境时,气压猛升,温度骤降,与中尺度低压或飑线有关。Sinclair(1966)Stull(1988)先后给出了理想的沙尘暴结构图,认为水平方向强的气压梯度,垂直方向强的温度梯度,导致近地层辐合上升,使沙尘天气向沙尘暴、强沙尘暴发展。胡隐樵等(19961997)的研究结果表明,大尺度的天气形势(冷锋面或高空低压槽)、中尺度的干飑线以及局地热力不稳定3方面的相互作用构成了黑风暴发生的物理机制。王式功等(2000)指出,中国西北地区易产生沙尘暴的主要天气系统有冷锋活动、河西走廊地区的低空东风急流以及中尺度系统等。沙尘气溶胶因其对边界层结构具有极显著的辐射效应引起了更多的关注。Viskanta等(1980)模拟表明,少量的吸收物质对辐射传输能产生明显的影响,并改变了边界层结构;Cautenet等(1992)研究了气溶胶对沙漠下垫面边界层热力结构的影响;姚文清(2005)认为,北京地区发生沙尘暴天气时,细粒子PM2.5在中高层与湍流速度方差负相关明显,而粗粒子PM10则在低层与湍流速度方差负相关显著。Quijano等(2000)指出,沙尘气溶胶对地表的短波辐射强迫远大于大气顶,其对太阳辐射的衰减作用导致地表降温。Carlson等(1980)认为,沙尘暴出现时大气中短波加热率的增加主要是由沙尘气溶胶产生的。胡隐樵等(1997)认为,沙尘暴对太阳辐射影响非常迅速,0.5 h后太阳辐射降至100 W/m2以下,并较长时间维持在这一水平。塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴使到达地面的太阳总辐射日减少超过30%(陈霞等,2008)。成天寿等(2002)通过研究气溶胶的辐射强迫,认为地表反照率临界值为0.25—0.3,地表反照率<0.25对地-气系统具有冷却作用,地表反照率>0.3则具有加热作用,即加热所在的大气层,改变温度的垂直分布,对长波辐射尤其是大气长波辐射产生影响。张华等(2009)沙尘辐射效应模拟结果表明,地表长波辐射强迫为正,短波辐射强迫为负;沈志宝等(2000)同样认为,中国西北沙尘气溶胶在沙漠地区的净效应是加热大气。尹宏等(1989)认为,大气气溶胶对大气吸收太阳辐射的加热和增温有显著的影响;Karyampudi等(1988)研究表明,撒哈拉沙尘气溶胶的辐射加热在海洋上形成一个深厚的暖气团,从而有利于减弱赤道辐合带内的垂直运动。Alpert等(2001)对撒哈拉矿物沙尘的研究说明,沙尘气溶胶对长波辐射的吸收导致沙尘层及以下大气增温,而沙尘层以上大气冷却。徐国昌等(1979)Chen等(1995)基于观测和数值模拟,提出了沙尘辐射与锋生、干飑线的反馈机制。徐国昌等(1979)指出了辐射效应在黑风过程中的重要作用,沙尘暴在白天与夜晚对黑风分别具有正、负反馈机制。陈勇(2006)模拟结果表明,沙尘辐射引起的正反馈机制是沙尘加热爬升效应,即沙尘体中上部吸收太阳短波辐射增大,产生加热效应,使温度升高。

上述研究表明,沙尘气溶胶对短波辐射的冷却效应比较明了,而其反馈的强弱还缺乏量化研究。尤其是沙尘气溶胶对大气的综合效应有待进一步量化,为气候模式改进提供支撑。由于受到观测条件等方面的限制,中国关于沙尘对大气综合效应的观测和研究尚少,尤其缺乏针对流动沙漠下垫面在自然状态下的沙尘对大气综合效应的观测研究,关于不同天气系统引发的沙尘过程对大气综合作用还很少有完整的描述及模拟。因此,本文利用不同季节沙尘过程的铁塔观测和沙尘浓度数据对比分析沙尘气溶胶浓度变化对近地层大气的综合效应,对完善沙尘气溶胶的正、负反馈机制将有重要意义。2 资料与方法 2.1 资 料

塔中气象站(38°58′N,83°39′E,海拔1099.3 m)位于塔克拉玛干沙漠腹地,地面覆盖物少,各种天然过程受人类活动的影响相对较小。年平均沙尘暴日数为16.8 d,年平均沙尘暴持续51.0 h,沙尘暴发生时风速一般大于8.0 m/s,通常为10—13 m/s,起尘临界风速平均为8.0 m/s,夏季为6—7 m/s,夏季沙尘暴的发生频率大于春季。由于塔中气候干燥,降水稀少,地面沙源丰富,起沙风速小,风沙活动指数大,沙尘气溶胶含量高,浓度变化急剧,用来研究不同沙尘过程中其浓度变化对大气温度加热效率具有独特优势。

资料来源于塔中气象站常规气象资料,主要有02、08、14、20时(北京时)能见度、风速、云量的实时观测数据,以及80 m观测铁塔上距地面1.5 m的KIPP&ZONEN自动辐射仪00—23时(地方时,下同)逐时辐射和分层温度、风速资料。观测塔的探测仪器均采用国际公认的探测传感器,塔上温度、风速共有0.5、1、2、4、10、20、32、47、63和80 m 10个观测平台。其中,温度传感器产自芬兰维萨拉公司(型号HMP45D),精度±0.2 ℃;风速传感器产自芬兰维萨拉公司(型号WAA151),在0.5 m铁塔横臂上的风速探头感应部分(没有安装风向传感器)实际高度为0.75 m。大气总悬浮颗粒物的观测采用大流量采样器、精密分析天平、烘箱等设备采集、测量,得到大气中粒径100 μm以下的悬浮颗粒物质量浓度(mg/m3)。大气飘尘质量浓度PM10利用TEOM 1400a系列监测仪,以滤膜为基础实时测量气流中悬浮粒子质量,直接并实时测量环境空气中直径小于10 μm粒子积累浓度(μg/m3)。沙尘气溶胶散射系数观测采用M9003浑浊度仪,波长为525 nm,时间频率为5 min,单位Mm-1。气溶胶吸收系数利用AE31的黑碳吸收仪,8波段测量光学衰减系数、黑碳质量浓度(ng/m3)。利用上述资料,在科学区分沙尘天气过程(扬沙、沙尘暴、浮尘、晴空)的基础上,进行沙尘浓度与大气温度变化关系的研究。通过结合大气逆辐射、地表长波辐射及大气长波净辐射对大气温度结构的影响,对比在沙尘暴-晴空的每个过程内近地层大气垂直加热率的变化。 2.2 方 法

依据沙尘暴观测规范(中国气象局,1997),选择2006年8月1日—2007年7月31日的常规气象要素中的能见度、云量、风速数据,将天气类型划分为晴空、无云沙尘、沙尘暴3种类型。晴空的条件是总云量、低云量均为0,能见度大于20 km;无云沙尘条件是能见度小于10 km,总云量小于2成,低云量为0,风速大于起沙风速(6 m/s);沙尘暴条件是能见度小于1 km,瞬时极大风速大于10 m/s。对划分出的天气类型利用逐时沙尘浓度PM10和大气总悬浮浓度值,按照表 1进行进一步沙尘过程划分。最终选择出四季有代表性的沙尘过程(图 1),沙尘持续时间均为72 h,具体为过程1:8月5—7日和8月13日;过程2:9月1—3日和9月6日;过程3:2月28日—3月2日和3月6日;过程4:5月19—20日,5月23日和5月25日,分别代表夏季、秋季、冬季、春季的扬沙、沙尘暴、浮尘和晴空的典型天气类型过程。

表 1 基于颗粒物浓度的沙尘天气分级 Table 1 The classification of the s and -dust weather based on particle concentrations(mg/m3)
沙尘天气分级大气总悬浮(逐时值)PM10(逐时值)持续时间
浮尘[1.0,2.0)[0.6,1.00)持续2 h以上
扬沙[2.0,5.0)[1.00,2.00)持续2 h以上
沙尘暴[5.0,9.0)[2.00,4.00)持续1 h以上
强沙尘暴[9.0,∞)[4.00,+∞)持续1 h以上
图 1 典型沙尘过程的逐时平均PM10浓度变化 Fig. 1 Hourly average of the PM10 in the four typical dust progresses

图 1可知,4次过程均为悬浮颗粒出现剧增约20小时后,稳定在极大值较短的时间,然后沙尘粒子降落,沙尘质量浓度下降,出现一次沙漠地区的起沙和降落过程。选择4次沙尘过程为代表,以沙尘过程之后的晴空为当时天气的背景值,比较分析沙尘浓度的增加对大气的增温效率的影响。为更好地比较其与背景值的差距,将沙尘天气观测时刻的某要素值与背景值的差除以背景值后再乘100定义为该要素的距晴空百分率。典型沙尘类型中扬沙为8月5日、9月1日、2月28日、5月19日;沙尘暴为8月6日、9月2日、3月1日、5月20日;浮尘为8月7日、9月3日、3月2日、5月23日。 3 结果分析 3.1 沙尘气溶胶对低层气温的影响 3.1.1 沙尘浓度对低层气温日变化的影响

由4次沙尘过程近地层80 m低层大气与晴空背景值平均逐时温差日变化可知(图 2),沙尘天气对日平均气温均有显著的增温效应,扬沙最剧烈,沙尘暴次之,浮尘最小。扬沙天气日平均气温高出晴空的强度在冬、春季节最显著,分别高出3.4和3.8℃(图 2d、2a),与王宏等(2007)的春季沙尘层对大气的加热作用最为明显的结论一致;夏季最小,高出晴空1.3℃(图 2b)。沙尘的增温效应主要是显著 地提高日最低气温,春季提高最大(图 2a),沙尘暴日最低气温高出晴空10.0℃,冬季次之,高出9.5℃(图 2d);降低日最高气温,冬季浮尘日最显著,最高气温仅为晴空的38.6%。尽管每次沙尘过程均是伴随着大风降温的天气过程(McNaughton,1987),但是,在沙漠腹地由于沙尘气溶胶的大量增加,使得日平均气温升高明显,减小了大气的降温幅度。消除季节差异后,沙尘对大气的平均加热率,扬沙为2.9 ℃/d,沙尘暴为1.2 ℃/d。

图 2 近地层80 m低层大气沙尘天气与晴空平均温差日变化(a. 5月19、20、23日,b. 8月5、6、7日,c. 9月1、2、3日,d. 2月28日、3月1、2日) Fig. 2 Diurnal variation of the difference in the hourly temperature at the height of 80 m between s and y weather and clear sky during dust progresses(a. 19,20,23 May; b. 5,6,7 Aug; c. 1,2,3 Sep; and d. 28 Feb,1,2 Mar)

沙尘气溶胶对大气的增温效应主要在00—10时,扬沙、沙尘暴的低层平均气温均高于晴空,表现出春季距晴空百分率最大,沙尘暴持续11 h后平均距晴空百分率为62.4%,夏季较小,平均为12.6%。沙尘暴高出晴空的最大值均出现在日出前,春季为03时,高出12.2℃,夏季为06时,高出5.8℃,秋、冬季均为07时,分别高出8.6和9.5℃。而在太阳辐射较强的10—16时,低层平均气温均低于晴空。而且,在季节上亦有差异,冬季沙尘暴距晴空百分率平均为-57.2%,夏、秋较小,仅为-11.7%和-19.1%,且春季浮尘天气呈现出全天温度均低于晴空特征。主要是由于在太阳辐射较强的时段,沙尘气溶胶对短波辐射的削减作用大于对长波辐射的增大效应,最终导致气温低于晴空时。3.1.2 沙尘浓度对低层气温梯度的影响

晴空条件下,在太阳辐射逐渐增强的10时以后,地面吸热快,升温迅速,而大气吸热慢,进而在近地层出现随高度增加而温度降低的现象。通过计算80 m内大气温度梯度,得到低层大气温度梯度的日变化特征(图 3)。由图 3可知,沙尘显著地缩短了大气的逆温时间,四季一致表现出沙尘暴天气未出现逆温(图 3a—d),与陈勇(2006)模拟发现的沙尘暴时沙尘体中上部的向上垂直速度加强,气团将较大沙尘浓度的空气向上输送的结论吻合。扬沙逆温时间为晴空的3/4,浮尘为晴空的1/4。同时,沙尘也减弱了大气的逆温强度,冬季强度削减最明显(图 3d),浮尘仅为晴空同一时段的1/16。消除季节影响,平均扬沙逆温强度为晴空相同时段的1/4,浮尘为晴空的1/8。这是因为一方面由于沙尘暴总是伴随着大范围冷空气活动,使局域范围内湍流活动加强,打破了逆温层的结构,缩短了逆温时间,减弱了逆温强度。另一方面,悬浮在空气中的沙尘粒子对太阳直接辐射的削弱,使地表获得太阳辐射减少,而且增加了大气的能量吸收,进而减弱了二者的差距,因此,逆温强度被减弱。

图 3 近地层80 m低层大气温度梯度日变化(a. 5月19、20、23、25日,b. 8月5、6、7、13日,c. 9月1、2、3、13日,d. 2月28日、3月1、2、6日) Fig. 3 Diurnal variation in the temperature gradient of air at the height of 80 m in the surface layer during dust progresses(a. 19,20,23,25 May; b. 5,6,7,13 Aug; c. 1,2,3,13 Sep; and d. 28 Feb,1,2,6 Mar)
3.2 沙尘气溶胶对长波辐射的影响 3.2.1 沙尘气溶胶对大气逆辐射的影响

成天寿等(2002)认为,地表反照率临界值为0.25—0.3,高于临界值则沙尘气溶胶对地气系统具有加热作用,反之,具有冷却作用。对比分析4个过程中地表反照率的变化,春季06—19时,地表反照率均大于0.3,因此,春季沙尘暴白天持续加热地气系统;冬季沙尘暴仅在08—10时对地气系统具有明显的加热作用,夏、秋季节则加热作用较弱。为得到沙尘气溶胶对大气的加热效应,对沙尘过程中长波辐射的变化进行对比分析。

四季沙尘与晴空条件的大气逆辐射箱图(图 4,boxplot参照郑新军等,2009)表明,沙尘过程大气逆辐射量均高于晴空背景值。沙尘暴日平均大气逆辐射为1.39 MJ/m2(图 4d),是晴空的1.24倍;浮尘为1.24 MJ/m2(图 4c),是晴空的1.10倍;扬沙为1.36 MJ/m2(图 4b),是晴空的1.21倍。沙尘气溶胶对大气逆辐射量的增加主要表现为,显著地增大了大气逆辐射的日最小值,减小了大气逆辐射的日变化范围。沙尘暴日最小大气逆辐射值为晴空日最小值的1.33倍,扬沙为晴空日最小值的1.19倍;沙尘暴大气逆辐射日波动范围仅为晴空的38.4%,浮尘为晴空日波动的57.9%。不同沙尘强度对大气逆辐射的增加亦有差异,沙尘暴的日增加量是浮尘的2.30倍,是扬沙的1.12倍。

图 4 沙尘气溶胶对大气逆辐射的影响(a. 晴空,b. 扬沙,c. 浮尘,d. 沙尘暴;统计任一过程同一时刻四季中大气逆辐射值的最小值、25%、50%、75%和最大值而得到箱图分布) Fig. 4 Impacts of the dust aerosols on the atmospheric inverse radiation for the different weather types(a. clear,b. blowing s and ,c. loating dust,and d. dust storm; the statistics of the atmospheric inverse radiation minimum,25%,50%,75% and maximum values(variations)in the same time under the different weather types were done to obtain their boxplots)

沙尘过程影响大气逆辐射的日变化特征为,浮尘、沙尘暴的最大增加量均出现在日出之前的04时,最大距晴空百分率分别为18.6%、34.9%,最小增加量出现在13—16时。并且,沙尘过程中大气逆辐射的日变化较小,没有显著的正弦变化型式(图 4b、c、d)。3.2.2 沙尘气溶胶对长波净辐射的影响

长波净辐射日变化因沙尘天气不同而不同(图 5),逐时净辐射量的差异随辐射强度而增大,09—18时差异明显,在无或太阳辐射较弱的19—08时差异较小。四季沙尘过程中净辐射增加的最大值均出现在当地太阳辐射最强的时段(13—15时),沙尘暴天气的逐时净辐射量最大值比晴空同一时刻在春季增加了81.0%(图 5a),夏季增加了68.5%(图 5b),秋季增加了69.3%(图 5c),冬季增加了86.9%(图 5d)。日平均增加量的季节差异明显,春、冬季净辐射量增加(66.4%、73.3%)高于夏、秋季(53.2%、56.4%)。可能是由于不同季节沙尘粒子粒径差异明显,春、冬季粗粒子含量较大,而夏、秋季则以细粒子为主,其消光能力主要表现在小粒子的散射作用,因此,吸收能力相对较弱,对大气的加热效应则相对较弱。消除季节差异后,沙尘暴较晴空长波净辐射日平均增加了59.0%,浮尘增加30.6%,扬沙增加42.5%。不同沙尘浓度对长波净辐射量增加的差异表现为沙尘暴是扬沙的1.38倍,是浮尘的1.93倍。

图 5 沙尘气溶胶对长波净辐射的影响(a. 5月19、20、23、25日,b. 8月5、6、7、13日,c. 9月1、2、3、13日,d. 2月28日、3月1、2、6日) Fig. 5 Diurnal variation in the net long wave radiation by the air in the surface layer during the dust progresses(the dates are shown in the legend of the respective panel)

沙尘过程对长波净辐射的综合作用在于沙尘显著地减少了长波净辐射损失,缩小了长波净辐射日波动范围。日平均长波净辐射损失的减少,在冬季扬沙时最大,较晴空减少了77.6%(图 5d的2月28日),冬、春季沙尘暴次之,较晴空减少超过62.2%(图 5d的3月1日、图 5a的5月20日)。在沙尘暴天气时,长波净辐射日波动范围的减小最为明显,冬季波动仅为晴空的18.2%(图 5d的3月1日),夏季为晴空的42.2%,秋季为晴空的50.0%,春季仅为晴空的50.4%。因此,对长波净辐射的影响在季节上的差异以冬季最为明显,春季次之,夏季最小。 3.3 原因分析 3.3.1 沙尘过程相关分析

分析沙尘过程低层大气逐时平均、最高、最低气温变化与各要素的过程相关可知(表 2),大气温度与四季大气逆辐射量的显著正相关,表明在四季的沙尘天气过程中(平均、最高、最低)气温将显著升高,这与申绍华(1991)沙尘气溶胶的长波辐射效应在沙尘层以下显著加热大气的结论一致。升温原因则因季节而异,春季主要是PM10浓度的增加,尤其是吸收粒子的增加,显著地减小了大气能见度,增大了大气消光作用,对地面保温作用加强,地表长波辐射增加,净长波损失减少,从而对大气增温(图 6a)。夏季虽然PM10浓度大幅度增大,但吸收性粒子浓度显著减小,散射系数增加和单次反照率增大,地表长波辐射增加,因此,夏季小粒子浓度和单次反照率(扬沙、浮尘过程最大)的显著增大是气温升高的主要原因(图 6b图 7)。秋季表现为吸收性粒子浓度的显著增大和散射系数、质量散射比、单次反照率(整个沙尘过程均较大)的增大(表 2RNEP=0.55,Rablo=0.42,图 7),地表长波辐射显著增加,最终使得秋季低层大气温度的极值增大,即直径0.2—0.4 μm的小粒子浓度升高和吸收性粒子增加,使秋季粒子质量散射比增大,地表反射强度增 大,导致大气的吸收能量增加,沙尘日最低温度升高,进而使大气温度升高(图 6c)。冬季则由于吸收性粒子的大幅度增加,导致总消光增强,使大气吸收辐射量显著增加,从而导致大气升温(图 6d)。

表 2 沙尘过程中(72 h)逐时平均、最高、最低气温变化与各要素的相关系数 Table 2 The relationship between the hourly average,maximum,minimum air temperature and the influencing factors for the different dust progresses(each of them lasts 72 h)
IRDMIRUPIRNETVISPM10BC_520nmNEPmnepalbo
平均气温0.80a0.28b0.39a-0.68a0.54a0.32a
最高气温0.72a0.30b0.31a-0.64a0.43a0.33a
最低气温0.83a0.30b0.40a-0.66a0.61a0.30b
平均气温0.67a0.36a-0.14-0.180.35a-0.29b0.41a-0.100.33a
最高气温0.60a0.38a-0.19-0.160.39a-0.33a0.45a-0.130.38a
最低气温0.75a0.38a-0.13-0.200.32a-0.210.38a-0.060.25b
平均气温0.55a0.230.03-0.49a0.120.58a0.55a0.27b0.42a
最高气温0.42a0.26b-0.06-0.37a0.030.50a0.47a0.38a0.35a
最低气温0.68a0.25b0.07-0.62a0.210.62a0.60a0.140.47a
平均气温0.70a0.080.19-0.56a0.120.53a
最高气温0.69a0.170.17-0.48a0.060.53a
最低气温0.70a0.020.19-0.61a0.180.51a
注:上标a为在0.01水平上显著相关,上标b为在0.05水平上显著相关,IRDM为大气长波逆辐射(MJ/m2),IRUP为地面长波辐射(MJ/m2),IRNET为长波净辐射(MJ/m2),VIS为大气能见度(km),PM10为空气动力学直径<10 μm大气飘尘质量浓度(μg/m3),BC_520nm为520 nm的黑碳浓度(ng/m3),NEP为气溶胶散射系数(Mm-1),mnep为质量散射系数(m2/g),albo为气溶胶单次反照率。
图 6 典型沙尘过程中PM10、气溶胶散射系数(NEP)、黑碳浓度(BC)与大气吸收辐射(airab)的变化(a.春,b.夏,c.秋,d.冬) Fig. 6 Temporal changes in the PM10,NEP,BC and airab during dust progresses for(a)spring,(b)summer,(c)autumn,and (d)winter
图 7 夏、秋季典型沙尘过程中单次反照率变化 Fig. 7 Temporal changes in the single scattering albedo during the dust progresses in summer and autumn

因此,导致低层大气升温的机制因季节而异,夏季由小粒子浓度和单次反照率显著增加,通过增加地面长波辐射,加热大气;冬、春季PM10浓度的大幅升高,降低大气能见度,增加大气中吸收粒子的浓度,使大气长波辐射显著增加,最终体现是气温的升高;秋季则是吸收粒子浓度的升高和散射系数的增大,致使消光增加,但其对辐射的影响相对微弱。3.3.2 单要素相关分析

四季晴空下大气温度梯度变化均在0.01显著水平上与大气逆辐射、地面长波辐射负相关,与长波净辐射正相关。沙尘过程除与地面长波辐射显著负相关没有改变外,与净辐射的正相关,冬、春变化较大,因此,沙尘主要是改变大气逆辐射,在冬、春季表现更显著(表 3)。

表 3 气温梯度变化与各单要素的相关系数 Table 3 The relationship between the temperature gradient and the influencing factors for the different s and y types
日期IRDWIRUPIRNETVISPM10BCNEPalboT0.5T1T2T4T10T20T32T47T63T80
沙尘暴3月1日-0.12-0.81a-0.02-0.53a0.24-0.39-0.41b-0.35-0.32-0.28-0.23-0.18-0.14-0.12-0.09-0.07
5月20日0.20-0.87a0.83a0.53a0.38-0.23-0.19-0.07-0.020.060.130.190.240.270.300.31
8月6日-0.68a-0.77a0.66a0.62a-0.19-0.56a-0.020.42b-0.51b-0.44b-0.43b-0.39-0.36-0.32-0.29-0.27-0.23-0.23
9月2日-0.11-0.82a0.73a0.070.13-0.030.110.270.130.230.270.320.370.42b0.45b0.48b0.49b0.50b
浮尘3月2日-0.57a-0.73a0.21-0.54a0.270.06-0.74a-0.70a-0.68a-0.63a-0.58a-0.52a-0.47b-0.42b-0.39-0.36
5月23日-0.90a-0.79a0.68a-0.110.69a-0.02-0.84a-0.82a-0.80a-0.77a-0.74a-0.71a-0.69a-0.67a-0.64a-0.61a
8月7日-0.59a-0.68a0.64a0.77a-0.57a0.29-0.63a-0.44b-0.94a-0.93a-0.92a-0.91a-0.89a-0.86a-0.83a-0.79a-0.75a-0.73a
9月3日-0.11-0.81a0.79a-0.190.54a0.120.230.27-0.64a-0.59a-0.57a-0.52a-0.48b-0.44b-0.41b-0.39-0.37-0.36
扬沙2月28日-0.78a-0.75a0.170.45b-0.74a0.02-0.85a-0.80a-0.73a-0.65a-0.51b-0.38-0.27-0.120.060.29
5月19日-0.84a-0.81a0.280.48b-0.64a0.01-0.78a-0.67a-0.61a-0.53a-0.36-0.140.020.230.360.46b
8月5日-0.78a-0.80a0.52a-0.09-0.45b-0.21-0.56a-0.06-0.74a-0.67a-0.61a-0.54a-0.45b-0.34-0.26-0.19-0.12-0.06
9月1日-0.65a-0.72a0.46b0.72a-0.50b-0.64a-0.73a-0.44b-0.73a-0.69a-0.65a-0.58a-0.43b-0.33-0.24-0.18-0.12-0.09
注:T0.5为距地面0.5 m处的大气温度,T1,T2,T4 …以此类推,其他同表 2

四季扬沙天气均通过增大PM10浓度、减小大气能见度,显著地减小了大气温度梯度。不同之处在于,夏季PM10增加主要是大气吸收性粒子浓度的增大,而秋季扬沙则是小粒子和吸收性粒子浓度的共同作用。扬沙天气温度梯度的变化主要是低层10 m以内大气温度变化所致。浮尘在夏季通过小粒子浓度(相关系数-0.63)增大,使得PM10浓度增大,能见度下降,大气温度梯度减小;春、秋季通过PM10的增加,显著增大温度梯度。浮尘天气温度梯度变化的影响高度最大,春、夏季可以达到全层80 m,秋、冬季也可超过32 m。沙尘暴天气温度梯度变化的一致性较差,仅春、夏季大气能见度降低,引起了大气加热率显著减小(相关系数分别为0.53、0.62),不同的是春季为大粒子的增加使大气能见度降低,进而使得大气温度梯度减小;夏季则主要是吸收粒子的显著增加使单次反照率增大,能见度显著降低,大气温度梯度减小。冬季沙尘暴相反,表现出大气温度梯度与能见度呈显著负相关,可能是与冷空气的强度有关。温度梯度变化秋季主要为20 m以上层至80 m,冬、春、夏季则只在低层2 m 以下有显著影响。4 讨 论

(1)区域的特殊性和观测仪器的灵敏性。塔克拉玛干沙漠的起沙风速小,沙尘过程频繁,受人为影响小,水汽含量低,云的影响相对较小,沙尘观测仪和气象观测仪器先进、齐备,是研究沙尘气溶胶的理想区域。但是,沙漠腹地频繁的沙尘过程和较高的沙尘浓度经常对观测仪器造成损害,数据的连续性受到影响。主要表现出多种数据的同步性差,相匹配的数据经常出现中断。

(2)数据的代表性。本文选取的四季有代表性的沙尘过程,以各自过程的晴空要素(辐射、温度、温度梯度等)为背景值,目的是消除季节上由于不同天气系统、不同起沙机理、不同粒径组成带来的差异。因为在塔克拉玛干沙漠中心,即使是能见度在20 km以上的无云条件下,PM10浓度也在0.11—0.35 mg/m3(图 1),因此,采用不同背景值,在年内进行对比,才能够得到相对可信的结论。当然,受数据匹配的影响四季代表性过程仅选用一次,需要未来更多的连续观测资料进行证实和补充。5 结 论

(1)沙尘过程对大气低层日平均气温均有显著的增温效应,扬沙冬、春季最剧烈,日平均温度分别高出晴空3.4和3.8℃,夏季最小,高出晴空1.3℃;沙尘暴增温效应次之,浮尘最小。并且,沙尘还显著地缩短了近地层大气的逆温时间,减弱了大气的逆温强度。

(2)沙尘过程显著增大了大气逆辐射,沙尘暴日平均大气逆辐射量是晴空的1.24倍,扬沙是晴空的1.21倍;减少了长波净辐射损失,沙尘暴较晴空长波净辐射日平均增加了59.0%,浮尘增加了30.6%,扬沙增加了42.5%。对长波净辐射量的增加,沙尘暴是扬沙的1.38倍,是浮尘的1.93倍。

(3)沙尘过程对低层大气增温效应,春季是由PM10浓度的增大,尤其是吸收性粒子浓度的增大;夏季是小粒子浓度和单次反照率的显著增大;秋季是吸收粒子浓度的显著增大和散射系数、质量散射比、单次反照率的增大;冬季是吸收性粒子浓度的大幅度增大,致使大气吸收辐射量显著增大引起的。低层大气温度梯度在扬沙天气随PM10浓度的增大,大气能见度减小而减小,主要是低层10 m以下大气温度变化引起;浮尘天气,主要与小粒子浓度变化关系密切,且浮尘大气温度梯度变化的影响高度最高,春、夏季可以达全层80 m,秋、冬季也可超过32 m。沙尘暴的一致性较差,大气温度梯度变化秋季主要为20 m以上至80 m,冬、春、夏季则只在低层2 m以下有显著影响。