沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，它可以导致大气污染指数增高，大气光学厚度显著增加(沈建国等，2007)，并且通过对大气的加热或冷却作用，对大气环境产生显著影响，同时对气候变化也具有重要意义(王宏等，2007).沙尘气溶胶的长距离输送影响着陆地、大气和海洋的生物地球化学循环(Bergametti et al., 1998; Martin et al., 1988)，甚至影响着全球碳循环(Ridgwell，2002)，并且对区域辐射平衡有很重要的影响(Kinne et al., 2001; Sokolik et al., 1996; Sokolik et al., 2001).在北半球，沙尘气溶胶主要来自于亚热带的干旱半干旱地区的沙尘排放到大气中，北非的撒哈拉是全球最大的沙尘气溶胶源区(Prospero et al., 2002；Moreno et al., 2006).亚洲沙漠的沙尘气溶胶也被认为是大气气溶胶的重要来源和组成部分.从大尺度范围远程传输的角度来看，影响全球大气环流的沙尘源地主要就集中在北非撒哈拉和中亚地区，其余大部分主要影响区域的气候，不具有显著的全球性影响(韩永翔等，2005).由此可见，沙尘的远距离输送是研究沙尘气溶胶对全球大气环境及气候变化影响的重要环节.

国内外对沙尘气溶胶的远距离传输的研究已经取得了很大的进展，早在20世纪80年代初期，Duce等(1980)就认为来源于亚洲的春季粉尘主要被500 hPa的西风急流所携带沉积在北太平洋；Viana等(2002)、Alastuey等(2005)和Alonso-Pérez等(2011)指出，非洲撒哈拉沙漠的沙尘气溶胶可传输到大西洋；Arimoto等(1997)和Prospero等(2002)进一步证明，非洲的沙尘气溶胶可以远距离传输并影响遥远的加勒比海和美国，向北释放影响到地中海地区甚至是欧洲各地.有关亚洲沙尘暴远程输送的模拟研究也取得了突破性进展，研究人员不但成功模拟出了中国境内沙尘暴事件爆发、传输和沉降等过程(周秀骥等，2002; Holzer et al., 2003;Liu et al., 2003; Gong et al., 2003a; 2003b)，而且东亚沙尘穿越太平洋的传输也得到了观测的支持，春季中国向西北太平洋输送沙尘的主要路径位于 40°N左右，在传输路径上有较大的粉尘通量(Zhao et al., 2003).在北太平洋，粉尘沉降与陆地不同，主要为湿粉尘沉降(Gong et al., 2003a; 2003b; Zhao et al., 2003; Zhang et al., 2003).观测研究发现，非洲的沙尘气溶胶向东北方向传输穿越欧亚大陆，但这个路径传输的沙尘(包括阿拉伯及中亚的沙尘)气溶胶通常与东亚的沙尘气溶胶结合在一起被作为亚洲的污染物从亚洲流出并可能跨太平洋传输(McKendry et al., 2007;Chin et al., 2007).无论是非洲沙漠源区还是阿拉伯及中亚的沙尘远距离输送都直接地对东亚地区大气环境产生影响，而相对于北半球沙尘气溶胶的中纬度跨太平洋传输和低纬度跨大西洋传输，跨亚欧大陆的沙尘气溶胶传输仍有待研究和认识，尤其是沙尘跨亚欧大陆传输对东亚地区大气气溶胶的贡献.基于这一研究目标，本文通过全球气候模式CAM3.1的气溶胶模拟实验来分析评估非洲、阿拉伯及中亚沙漠的沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输对东亚地区大气环境的影响.

Community Atmosphere Model 3.1(CAM3.1)是NCAR/UCAR联合开发的先进的大气环流模式，是 Community Climate System Model3.0(CCSM3.0)的大气部分.CAM3.1 有3种可选的动力核心：欧拉谱核心、有限体积核心和半拉格朗日核心.谱模式主要包括 T85、T63、T42和T31 等谱分辨率，本文采用的是T42.模式垂直方向上采用σ-P混合坐标，近地面采用σ坐标，中间采用σ-P过渡层坐标，上层为纯P坐标，分 26 层，模式层顶高度约为3.5 hPa.

气溶胶模式CAM考虑了黑碳、有机碳、硫酸盐、海盐和沙尘等5类主要大气气溶胶(Gong et al., 2002;2003)，各种气溶胶粒子分布谱按其粒子直径从0.01 μm到40.96 μm从小到大分为12个尺度档.CAM考虑了气溶胶排放、传输、化学转化和干湿沉降等主要大气气溶胶过程，并与微物理的云模块相结合来处理气溶胶与云降水的相互作用.其大气气溶胶过程的气溶胶质量守恒方程表示如下：

亚洲季风被认为是北半球和全球大气环流的主要组成之一(Ding，1994)，沙尘暴及沙尘气溶胶与亚洲季风关系密切(Zhao et al., 2005；Lau et al., 2006)，为了说明普遍情况所以选择弱和强南亚季风年2002年和2003年进行连续2年的模拟分析.本文利用模式做了一组敏感性对比试验：一是保留模式的下垫面全球沙漠分布，进行2002—2003年两年沙尘气溶胶的模拟试验，记作A1；二是将东亚(图 1中矩形框区域主要我国和蒙古国)的沙漠区用草地代替，即关闭东亚地区的沙尘气溶胶排放源，进行2002—2003年沙尘气溶胶的模拟试验，记作A2；将东亚的沙漠区排除之后就可以用来研究沙尘跨亚欧大陆传输对东亚地区的大气沙尘气溶胶的贡献.在后文中将用A1和A2代表两组试验及分析2002—2003年两年的平均模拟结果.首先利用A1模拟的沙尘排放量估算了全球主要沙漠地区的沙尘气溶胶的年总排放量并与多种模式的文献结果进行对比，以此来评估说明模拟结果及本文分析数据的合理性，从而比较分析东亚地区存在沙漠(即试验A1)和东亚地区不存在沙漠(即试验A2)模拟的大气沙尘气溶胶浓度差异，以评估东亚地区以外的北半球其它沙漠地区(非洲、阿拉伯及中亚沙漠)排放的沙尘气溶胶通过跨亚欧大陆传输对东亚地区大气沙尘气溶胶的影响.

图 1为模拟的全球沙尘气溶胶年平均排放量的分布图，全球主要的沙尘排放源区位于非洲北部、阿拉伯半岛、中亚、东亚、北美和澳大利亚的沙漠地区.非洲北部沙尘排放量最大，高值区的量超过5 kg · m^-2 · a^-1，其次是阿拉伯半岛，北美最小.这些区域的沙尘排放量的高值区都位于沙漠地区.本文利用CAM3.1模拟的各区域年排放总量及其所占全球排放量的比例与国外其他模式模拟结果的对比见表 1.可以看出，本文使用CAM3.1对全球及区域气溶胶的2002—2003年两年模拟结果是基本合理的，可以用于进一步的分析研究.但应该指出对于北非的模拟略为偏高(71%)和对中亚沙漠地区模拟结果偏低(4.5%)，可能是因为本文两年模拟时间和不同年份及沙漠地区的划分所致.

图 1(Fig. 1)

图 1 全球沙尘气溶胶年平均排放量分布 Fig. 1 Global distribution of annual dust aerosol emissions

表1(Table 1)

表1 不同模式模拟的全球沙尘年排放量比较 Table 1 Comparison of global dust aerosol emissions simulated with different models

表1 不同模式模拟的全球沙尘年排放量比较 Table 1 Comparison of global dust aerosol emissions simulated with different models 沙尘年排放量/Mt 文献来源 北非 阿拉伯半岛 中亚 东亚 澳大利亚 全球 注：括号中百分数表示各地沙尘排放量占全球沙尘排放量的百分比. 1095(71%) 202(7.4%) 69(4.5%) 79(5.1%) 57(3.7%) 1538 本文 693(65%) 101(9.5%) 96(9.0%)   52(4.9%) 1060 Werner et al., 2002 980(66%) 415(28%)     37(2.5%) 1490 Zender et al., 2004 1430(69%) 496(24%)     61(2.9%) 2073 Ginoux et al., 2001 1114(67%) 119(7.2%)   54(3.2%) 132(8.0%) 1654 Luo et al., 2003 517(51%) 43(4.2%) 163(16%) 50(4.9%) 148(15%) 1019 Miller et al., 2004 1087(58%) 221(11.8%) 140(7.5%) 214(11.4%) 106(5.7%) 1887 Tanaka et al., 2006

表 2是CAM3.1模拟的北半球主要沙尘源区沙尘气溶胶排放量的季节变化.由表可知，北非的沙尘排放量远大于其他3个地区，对于4个区域而言，沙尘气溶胶排放量的最大值均出现在春季，这与许多研究结果(Grini et al., 2005;Zender et al., 2003;Liao et al., 1997)相一致，这是由于春节是沙尘暴高发季节；但最小值出现的季节各有不同，其中，北非、阿拉伯半岛和中亚的最小值出现在秋季分别为164、 59和8 Mt，而东亚的最小值出现在冬季，为4 Mt.

表2(Table 2)

表2 北半球主要沙漠地区沙尘排放量的季节变化 Table 2 Seasonal variations of dust aerosol emissions over the major deserts in the Northern Hemisphere

表2 北半球主要沙漠地区沙尘排放量的季节变化 Table 2 Seasonal variations of dust aerosol emissions over the major deserts in the Northern Hemisphere 季节 沙尘排放量/Mt 北非 阿拉伯半岛 中亚 东亚 拉伯半岛和中亚的最小值出现在秋季分别为164、29和8 Mt，而东亚的最小值出现在冬季，为4 Mt. 春季 386 88 27 41 夏季 357 48 19 16 秋季 164 29 8 18 冬季 183 37 15 4

图 2是试验A1和试验A2模拟的北半球沙尘气溶胶浓度在对流层中的年平均分布.从图中可以明显看出，当东亚沙漠区不存在时，对于整个北半球大气沙尘气溶胶分布产生的影响不是很大，北半球大气沙尘气溶胶分布型基本不变，主要的沙尘高值区还是分布在北非、阿拉伯半岛和中亚地区.说明影响北半球大气及气候变化的沙尘气溶胶源地主要就集中在北非撒哈拉和中亚地区，东亚沙漠区主要影响区域大气气溶胶.

图 2(Fig. 2)

图 2 试验A1和A2模拟的对流层年平均沙尘气溶胶浓度的北半球变化 Fig. 2 Annual average distribution of tropospheric dust aerosol concentrations in the Northern Hemisphere simulated in the test A1(top) and A2(bottom)

图 3给出了试验A1与A2模拟的东亚地区沙尘气溶胶地表浓度年平均差值，即东亚沙漠区对区域沙尘气溶胶的影响.从图 3可以看出，东亚沙漠区的沙尘源对于东亚地区及西北太平洋的地表浓度的分布有显著影响，东亚沙尘地表浓度以新疆塔克拉玛干沙漠和内蒙中部沙漠地区为高值区中心，向东影响朝鲜半岛、日本及临近的西北太平洋海域，向南影响我国中东地区的大气环境，这些影响随传输距离的增加而逐步减弱(熊洁等，2013; Zhao et al., 2005).换言之，东亚沙漠区不存在时，不考虑东亚沙漠对区域沙尘气溶胶的影响，东亚地区地面沙尘气溶胶浓度明显下降；我国空气质量的变化与北方沙漠地理分布及其沙尘气溶胶的排放强弱相关联(张小曳，2001).

图 3(Fig. 3)

图 3 试验A1与A2模拟的东亚地区沙尘气溶胶地表浓度年平均差值 Fig. 3 Difference of dust aerosol surface concentrations simulated in the test A1 and A2 in the Earth Asian region

为了定量化分析东亚以外的沙尘源区对东亚地区大气沙尘气溶胶的贡献，我们将东亚地区沙漠用草地代替以后的模拟试验A2所得的大气沙尘气溶胶浓度与保留模式下垫面的全球所有沙漠(包括东亚地区沙漠)分布的模拟试验A1的大气沙尘气溶胶浓度的比率定义为外源贡献率，来表示外部沙尘源区对东亚地区大气沙尘气溶胶的贡献.图 4为东亚地区沙尘气溶胶地表浓度外源贡献率的季节特征，可以看出，外部沙尘源区对东亚沙尘气溶胶的贡献存在着明显的季节变化.全年整体而言，以塔克拉玛干沙漠为中心的中国西北沙漠地区和以巴丹吉林沙漠为中心的中国华北沙漠地区，外源对这些沙漠地区沙尘气溶胶地表浓度的贡献最低，其贡献率的季节变化以秋季降低至约为5%，夏季约为10%，春季约为20%，而冬季时高达约30%.这主要是由于东亚及其以外主要沙漠地区沙尘排放量的季节变化(表 2)和北半球西风急流强度及位置的季节循环相互作用所致.最值得注意的是，模拟表明青藏高原地区是受东亚地区以外沙尘气溶胶排放源影响最大的地区.沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输导致青藏高原在春季和冬季60%~80%左右的大气沙尘气溶胶来自外部沙漠地区，在夏季和秋季则约有20%~60%来自外部沙漠地区.从我国中东部至西北太平洋的东亚地区，20%沙尘气溶胶外源贡献率的范围由春季到秋季逐渐扩大，秋季东亚大部地区地面大气受到东亚以外沙尘源的影响最弱；冬季除我国北方沙漠地区外东亚大部地区处于大于40%的地面沙尘气溶胶贡献率的范围内，冬季东亚大气受到区域以外沙尘源的影响最强.就气候平均来说，北半球西风急流的季节变化，以冬季强且位置偏南，夏季弱且位置偏北为主要特征.冬季位于北纬27°附近的西风急流强度最强且位置最南(范可等，2005)，最利于北非和阿拉伯半岛沙漠地区的沙尘气溶胶的跨亚欧大陆长距离传输；另一方面，冬季东亚沙漠地区沙尘排放量最低(表 2).东亚地区沙尘气溶胶外源贡献既受北半球西风急流控制的沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输的影响，也受到东亚沙漠地区的沙尘排放量季节变化的作用.

图 4(Fig. 4)

图 4 东亚地区沙尘气溶胶地表浓度外源贡献率的季节变化 Fig. 4 Seasonal averages of the external aerosol contribution rate to the surface concentrations in the East Asian region

图 5为东亚地区沙尘气溶胶大气柱浓度外源贡献率的季节变化.比较图 4和图 5可见，外源对大气沙尘气溶胶柱浓度的贡献率和对地表大气沙尘气溶胶浓度的贡献率具有基本一致的季节特征.东亚地区春冬两季沙尘气溶胶受到外部源的影响偏大，夏秋两季受到的影响明显小，秋季大气柱浓度受到东亚以外沙尘源的影响最弱，冬季大气柱浓度受到沙尘外源的影响最强.但大气气溶胶柱浓度比地表浓度受到外部沙尘源的影响一般偏大10%~40%(图 4和图 5)，这是因为受不同大气条件控制被抬升到对流层自由层的沙尘气溶胶传输比在近地面大气中的沙尘气溶胶传输的更有效.气溶胶洲际远距离传输的实现，首先是气溶胶在排放源区从大气边界层上升到自由对流层；其次自由对流层大气环流有效地驱动气溶胶的远距离传输；最后，大气气溶胶远距离传输到达接受区后，其中一部分会从自由对流层下沉到大气边界层，从而改变气溶胶浓度，影响近地面大气和空气质量(Colette et al., 2008；HTAP，2010).沙尘气溶胶的地表浓度会直接改变空气质量，而大气气溶胶柱浓度则会通过影响整个地气系统辐射平衡(Wang et al., 2013)，并且自由对流层气溶胶可充当云凝结核及冰核参与云降水过程最终影响到气候的变化(Yin et al., 2007).通过以上分析可知，东亚以外的沙尘源的气溶胶对于东亚地区沙尘气溶胶柱浓度的影响要比地表浓度影响更大，这表明外源排放的大气沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输对东亚地区气候变化的影响比其对东亚空气质量的影响更为显著.

图 5(Fig. 5)

图 5 东亚地区沙尘气溶胶柱浓度外源贡献率的季节变化 Fig. 5 Seasonal averages of the external aerosol contribution rate to the dust loadings in the East Asian region

为了进一步细化外部沙尘源区气溶胶跨亚欧大陆传输对东亚地区的区域影响，本文将东亚地区分为5个区域，即中国西北地区(37°~45°N，78°~100°E)、青藏高原地区(26°~37°N，78°~100°E)、中国华北地区(37°~45°N，100°~120°E)、中国南方地区(20°~30°N，100°~120°E)和日韩及西北太平洋地区(25°~40°N，120°~145°E)，进行沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输及其东亚地区对流层大气影响的垂直结构分析.其中，在我国西北和华北地区分别分布着我国两个主要沙漠地区塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠.图 6给出了东亚5个地区试验A2模拟的对流层沙尘气溶胶浓度的年平均垂直分布(外部沙尘源区气溶胶跨亚欧大陆传输在东亚不同地区的垂直结构，即曲线A2)，以及试验A1与A2模拟的沙尘气溶胶浓度差值的年平均垂直变化(东亚的沙尘源区排放的沙尘气溶胶在东亚各地区区域传输的垂直结构，即曲线A1-A2).东亚沙漠地面排放的沙尘气溶胶传输首先影响其紧邻的中国西北及华北地区的近地面大气，其主要影响随高度迅速递减(图 6a和6c的曲线A1-A2)，随其向南向东传输距离的增加，其在东亚其它地区的最大影响高度不断增高，但主要在2 km以下的对流层底部的大气边界层(图 6b、6d和6e的曲线A1-A2).东亚以外的沙漠地区的沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输对东亚地区的影响主要集中在2~6 km的自由对流层(图 6的曲线A2)，这与北半球中纬度大气环流结构、跨亚欧大陆传输路径上的干湿沉降及不同地区沙尘气溶胶垂直扩散有关(Zender et al., 2003).

图 6(Fig. 6)

图 6 东亚5个地区中试验A2模拟的沙尘气溶胶浓度和试验A1与A2模拟的沙尘气溶胶浓度差值的年平均垂直变化 Fig. 6 Annual averages of vertical profiles of dust aerosol concentrations simulated in the test A2 and the differences simulated in the test A1 and A2 over the 5 East Asian regions

表 3列出了外部沙尘源区对东亚各地区不同对流层高度大气沙尘气溶胶的贡献.从表 3可以看出，对于东亚5个区域年平均外源贡献率而言，在包含了东亚主要沙漠的我国西北和华北地区，外源对这两个地区的贡献最小，对近地面大气贡献率分别为25%和24%，说明在东亚沙漠紧邻地面大气沙尘气溶胶主要来源于本地沙漠，受外部沙尘源的影响最小.沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输对青藏高原地区近地面大气气溶胶的贡献最大(62%).中国南方和日韩及相邻的西太平洋地区所受影响是相当的(43%~45%).随对流层高度的增加外源对东亚各地沙尘气溶胶的贡献逐渐变大，在自由对流层低层，外源贡献率提高到37%~69%.在对流层中层大气沙尘气溶胶传输更有效.青藏高原和中国南方地区上空对流层中层大气沙尘气溶胶的外源贡献率都超过80%，这也与影响这两个地区的东亚沙漠的大气气溶胶向南的经向传输相对于其向东朝其它3个东亚地区纬向传输偏弱有关.

表3(Table 3)

表3 东亚各个地区不同高度层沙尘气溶胶的年均外源贡献率 Table 3 Annual averages of the external contribution rate to dust aerosol concentrations in the East Asian regions at different levels

表3 东亚各个地区不同高度层沙尘气溶胶的年均外源贡献率 Table 3 Annual averages of the external contribution rate to dust aerosol concentrations in the East Asian regions at different levels 高度层 年均外源贡献率 中国西北地区 青藏高原地区 中国华北地区 中国南方地区 日韩及西太平洋 近地面 25% 62% 24% 43% 45% 自由对流层低层 50% 69% 37% 57% 48% 自由对流层中层 70% 81% 62% 83% 69%

应该指出，本文对沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输对东亚地区的影响是基于两年的气候模拟及其敏感性实验的分析.如同目前沙尘气溶胶模式及模拟一样，由于大气环流、大气物理过程、起沙参数化方案等模式局限，使本文的分析结论也有不确定性存在.详细的模式下垫面沙漠分布也将更新沙尘源及其气溶胶模拟.方小敏等(2004)证明青藏高原本身就是一个重要的沙尘源区，因其巨大的高度使其上发生的沙尘暴过程较亚洲任何地区更容易扬升到西风急流区，成为远程传输的主要沙尘源区之一.气候变化对于气溶胶远距离传输和排放源区与接受区关系的影响程度仍不确定.进一步的大气沙尘气溶胶的模拟研究需要利用现有更新的区域观测数据来完善模式的起沙方案，包括人为沙尘源排放及大气气溶胶沉降、传输等物理化学过程，以更好地模拟研究大气沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输.

本文基于全球大气环流模式CAM3.1对2002—2003年全球沙尘气溶胶模拟的评估，通过去除东亚沙漠的敏感性模拟试验来分析沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输对东亚地区大气沙尘气溶胶的贡献，主要结论如下.

1)北半球的沙漠地区是沙尘气溶胶的主要源区，其沙尘排放量均存在明显的季节变化.尽管主要沙漠地区沙尘排放量春季均达到最大值，但其最小值的出现各有不同，北非、阿拉伯和中亚地区都是秋季达到最小值，东亚地区则是冬季最小.东亚沙漠区的沙尘气溶胶主要影响东亚及西北太平洋区域大气气溶胶.

2)受到大气沙尘气溶胶跨亚欧大陆传输的影响，青藏高原的沙尘外源贡献率最大，中国干旱半干旱地区的外源贡献率最小，中国南方地区和日韩及其邻近的西北太平洋地区的外源贡献率基本相当.东亚地区秋(冬)季大气受到东亚以外沙尘源的影响最弱(强).东亚沙漠地区近地表大气沙尘气溶胶的外源贡献率是秋季最小(约5%)，冬季最大(约30%).青藏高原冬季60%~80%的近地面大气沙尘气溶胶来自东亚以外的沙漠区，而在秋季则只有约20%~60%.

3)北非、阿拉伯半岛和中亚地区外部沙尘源对东亚地区对流层沙尘气溶胶柱浓度的贡献和对地面大气的贡献的季节变化基本一致，但其贡献率一般偏大10%~40%，这表明外源排放的大气沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输对东亚地区气候变化的影响比其对东亚地区空气质量的影响更为显著.

4)东亚沙漠地区的沙尘气溶胶在东亚区域传输主要影响近地面2 km以下的大气边界层及对流层底部.东亚以外的沙漠地区的沙尘气溶胶的跨亚欧大陆传输对东亚地区的影响主要集中在2~6 km的自由对流层.在对流层随高度的增加东亚各地区的外源贡献率均增加.青藏高原区域年平均沙尘外源贡献率为62%~81%，为东亚地区平均最大.