西北干旱区柴窝堡湖干涸湖底粉尘潜在扩散特征

葛拥晓，吉力力·阿不都外力，马 龙，刘东伟（.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 800；2.中国科学院大学，北京 00049；.内蒙古大学环境与资源学院，内蒙古 呼和浩特 0002）

西北干旱区柴窝堡湖干涸湖底粉尘潜在扩散特征

葛拥晓1，2，吉力力·阿不都外力1*，马 龙1，刘东伟3（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049；3.内蒙古大学环境与资源学院，内蒙古 呼和浩特 010021）

运用HYSPLIT模型，结合美国环境预报中心（NCEP）和大气研究中心（NCAR）2000～2013年的再分析气象资料，对柴窝堡盆地粉尘潜在扩散的时间和空间特征进行了研究.结果表明：柴窝堡湖干涸湖底粉尘潜在扩散范围具有明显的季节分异.春季粉尘潜在扩散范围和密度最大，覆盖我国大部分地区，最远可达朝鲜半岛部分地区，其次是秋季，夏季粉尘潜在扩散以1000m为界表明出明显的高度差异，冬季粉尘潜在扩散范围和密度均是最小的.随高度增加，不同季节气流可能携带粉尘密度均呈降低趋势.受地形影响，粉尘潜在扩散有两个主要通道，100m以下主要向西南方向扩散，而100m以上主要向东南方向扩散.柴窝堡盆地干涸湖底大量的粉尘在气流携带下可以长时间远距离输送，在近源区沉降，严重影响乌鲁木齐及其周边地区，并可能加速天山山区的雪冰消融.

干涸湖底；粉尘扩散；柴窝堡湖；干旱区

干旱区湖泊独特的水文学性质，决定了其对气候变化和人文过程的高度敏感性［1-2］.作为区域水循环的重要组成部分，干旱区湖泊不断收纳通过地表水和地下水进入湖泊的盐分和养分，成为特有的“收容站”.由于气候变化和人文过程的增强，加速尾闾湖泊萎缩、咸化甚至干涸.随着湖泊的快速大面积萎缩，盐分含量较高的疏松沉积物裸露于空气，在强烈的蒸发作用下，大量的盐分随着水分蒸发不断的向地表运动，进而增加了表层沉积物盐分含量［3］.沉积物在大风的吹蚀下，极易形成扬沙浮尘天气，严重危及湖泊及其相邻区域的生态与环境［4-7］.

中国西北干旱、半干旱地区干涸湖底分布广泛且是重要的沙尘源区［8］，塔里木盆地东部罗布泊湖区［9-10］、阿拉善高原居延泽湖区［11-12］、民勤盆地古猪野泽湖区［13］、准噶尔盆地西南部玛纳斯湖区［14］以及毛乌素沙地和浑善达克沙地等均分布着大量干涸湖底，总面积约10×104km2［15］.干涸湖底风蚀形成的沙（盐）尘中含有大量的密度很高粒径极细的硫酸盐、氯化物和重金属元素［16］.作为气溶胶长期悬浮于大气中，影响土壤盐渍化，加速冰雪消融；随气流大范围远距离输送，对动植物、环境造成严重威胁［17］.准噶尔盆地西南部的艾比湖［18］、吐鲁番盆地的艾丁湖［19］等湖泊的萎缩或者干涸已经造成了严重的风沙盐尘灾害.

20世纪70年代以来，柴窝堡湖泊水位总体呈下降趋势；2008年湖泊水位比1971年下降了约2.2m，湖泊面积缩小到约27km2［20］；2011年湖中部分湖底已出露水面，湖岸线缩小了20～200m，湿地减少了约333.3km2［21］，风沙天气增多［22］，加剧了湖泊周边地区土壤碱化、沙化、植被退化等问题.

已有成果多对柴窝堡湖的水质、气候、环境变化及治理对策等进行了分析［20，23-24］，关于干涸湖底粉尘扩散方面的研究较少.在粉尘活动加剧的背景下，亟需明确柴窝堡湖干涸湖底粉尘潜在影响范围和扩散特征.本文使用HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式，结合美国国家大气研究中心（NCAR）和美国环境预报中心（NCEP）推出的2000～2013年再分析气象资料进行气团前向轨迹分析，旨在明确柴窝堡湖盆地粉尘潜在扩散的时间和空间特征，探讨其可能的影响范围，增加对干旱区干涸湖底粉尘释放及其影响的认识，为当前湖泊环境保护采取合理的措施提供参考.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

图1 柴窝堡盆地地理位置Fig.1 Geographical location of Chaiwopu Lake basin

柴窝堡湖（87°48′～88°10′E，43°24′～43°36′N）位于乌鲁木齐市东南约45km的博格达峰脚下（图1），面积约为27km2，海拔1091.6m，平均水深2m，矿化度为6.8g/L.南北两侧均为强烈上升的褶皱断块山地，北侧博格达山最高处达5445m，为流域最高点，南侧伊连哈比尔尕山，最高处海拔4483m［25］.柴窝堡盆地地处北半球西风带的欧亚大陆腹地，风力资源丰富，湖区盛行西风，年均风速6.0m/s，年均气温5.0℃，年降水量64mm，年蒸发量2716mm，属于典型的温带大陆性干旱气候［26］.由于流域降水减少，同时人为提取地下水量增加，湖泊水位出现快速下降，湖泊不断萎缩.裸露的干涸湖床含有大量的细颗粒物质，在大风的吹蚀下，形成频繁的沙尘天气.

1.2 数据来源与处理

HYSPLIT模型可以进行气团轨迹扩散和沉积模拟，是由美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室研发的一种的专业模型，该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式［27-28］，在大气污染物扩散和潜在源区分析方面应用广泛［29-31］.为与已有成果［32］对比，本研究使用HYSPLIT4.8模式，结合NCEP和NCAR推出的（1948年1月1日至今）全球再分析气象资料数据集，以柴窝堡湖为中心，计算了2000年1月1日到2013年12月31日每天08：00（北京时间）开始未来8d的气团前向轨迹.

基于McGowan等［33］的研究方法，按照5个高度（0～100m agl.，100～500m agl.，500～1000m agl.，1000～2000m agl.，2000～5000m agl.（agl.地面以上））分析粉尘扩散路径，使用核密度方法计算每个高度区间气团轨迹密度，搜索半径设置为5m2.

CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）卫星于2006年4月发射升空，携带的双偏振激光雷达传感器，可以在任何地形、光亮表面、薄云下和晴空条件下，观测到气溶胶的垂直分布情况，可用来监测沙尘在传输过程中的垂直分布情况，提供了丰富的气溶胶垂直分布的资料［34］.本文利用CALIPSO监测的沙尘垂直分布情况对扩散高度进行验证.

2 结果与分析

2.1 春季粉尘潜在扩散路径

春季是西北干旱区沙尘暴多发期，是粉尘释放强度最大的季节.由图2可以看出，各个高度气团轨迹的扩散范围均较大.高浓度（＞300/5m2）的气团轨迹密度主要在500m以下，覆盖柴窝堡盆地及其周边，乌鲁木齐处在最大密度范围内（图2b和图2c）.500m以下气团扩散方向分为两支，一支随气流向西南影响南疆地区，另一支随气流向东南方向扩散，到达我国华北大部分地区.500～5000m高度内的气团轨迹的密度集中在1～150/5m2之间，密度较低，扩散方向主要为东南方向，随着高度增加，密度逐渐降低（图2b～图2e）；2000～5000m高度在活跃的高空气流的作用下，扩散范围逐渐增大，最远可达朝鲜半岛部分地区（图2f）.

2.2 夏季粉尘潜在扩散路径

夏季地面以上0～5000m内粉尘潜在扩散范围可以影响我国和蒙古绝大部分地区（图3a）.与春季扩散范围相比，夏季1000m以下气团扩散范围明显变小（图3b～图3d），大范围扩散主要集中在1000m以上（图3e和图3f）.0～100m高度处高浓度气团轨迹主要集中在柴窝堡盆地周边地区，而乌鲁木齐位于密度大于2000/5m2的区域.各个高度内气团扩散方向相同，沿西南和东南方扩散，向西南方向影响南疆地区，东南至我国华南和华北地区.但随高度增加，各个高度气团轨迹的密度减小程度较春季小，500～5000m高度处浓度处在1～500/5m2之间，范围较春季大，高浓度区域范围增加.1000～5000m高度内扩散范围明显增加，影响我国大部分地区.其中，2000～5000m高度处向东扩散最远至130°E，至朝鲜半岛；向北覆盖蒙古国并扩散至55°N左右，向南扩散到云南、广西地区，到达25°N左右.这是夏季对流层高度增加，高空气流活跃导致的.

2.3 秋季粉尘潜在扩散路径

秋季是气流相对较活跃的季节.秋季0～5000m气团扩散范围较春、夏季小，但扩散方向相同（图4a），主要为西南和东南方向两个分支：0～100m高度内主要扩散方向为西南方向，100～5000m高度内扩散方向主要为东南方向.西北干旱区秋季剧烈降温，直接影响对流层高度和气流活动，致使气团扩散范围明显减小.高浓度（＞2000/5m2）气团轨迹密度主要分布在地面500m以下（图4b，图4c），主要集中在柴窝堡盆地周边地区，乌鲁木齐、昌吉等地区仍然处于高密度区域.随高度增加，密度急剧降低，但随高空气流远距离扩散，2000～5000m高度处密度在1～50/5m2之间的范围很小，其中大范围处于1～25/5m2之间（图4d，图4f），范围覆盖我国西北地区和蒙古（图4f）.

图2 春季柴窝堡湖前向轨迹密度空间分布Fig.2 Spatial characteristics of spring air parcel trajectories

2.4 冬季粉尘潜在扩散路径

由图5可以看出，与其他季节相比，其扩散范围是最小的，气团轨迹密度是最低的.0～5000m内平均的气团轨迹密度扩散范围较大，可至我国大部分地区，蒙古、俄罗斯和中亚部分地区（图5a）.高浓度仍然集中在0～100m高度内覆盖柴窝堡盆地周边，扩散方向分为西南和东南两支，主要扩散方向为西南方向（图5b和图5c）.冬季气团扩散主要在0～100m的近地表层，表现为首先由柴窝堡湖向东南扩散，然后转向西南方向.气流由于高气压控制扩散范围小且很难扩散到500m以上，导致500m以上气团轨迹密度很小，主要在1～150/5m2之间.1000～5000m高度处浓度最低，气团轨迹密度在1～25/5m2之间（图5d～图5f），随气流覆盖我国西北干旱区，最远可到达东北地区.

图3 夏季柴窝堡湖前向轨迹密度空间分布Fig.3 Spatial characteristics of summer air parcel trajectories

3 讨论

3.1 地形和天气系统对粉尘潜在扩散的影响

柴窝堡湖干涸湖底粉尘主要的潜在的扩散通道分为两支，一支向西南方向，扩散至南疆地区和中亚部分地区；另一支通道为西南方向，扩散范围可至我国大部分地区，最远覆盖蒙古并至朝鲜半岛和俄罗斯部分地区.这两个方向为柴窝堡湖干涸湖底粉尘主要的潜在扩散通道（图6）.柴窝堡盆地气团前向轨迹扩散主要受地形和天气系统的影响.地面北风和西北风气流由新疆西北边界进入我国西北地区，在巨大的天山山脉的阻挡下，低空气流并不能翻越天山到达新疆南部地区，而是先向东南到达新疆东部达坂城地区，绕过山谷垭口地区，之后变为东风和东北风［35］，气流携带柴窝堡湖干涸湖底的粉尘，再向西或西南方向而进入南疆；部气流因压力梯度向上抬升，随高空气流向西南方向运动.春季100m高度以下，携带粉尘的气团在北疆西风和西北风的影响下向东南方向输送，运动过程中，气流受昆仑山脉和青藏高原的阻挡作用，转向西南方向海拔较低的地区输送；100m以上携沙气流扩散受地形影响减少，在西风抬升作用下，不断升高至4～5km处（图7a和图7b中红色圆圈标记区为研究区，黄色代表沙尘），在高空气流携带下，向东南方向远距离扩散，并被输送数千km.夏季扩散方向与春季相同，但1000m以下在南亚高压影响下，扩散范围明显缩小，但扩散高度仍然较高，最高处至3～5km（图7c），1000m以上粉尘潜在扩散范围较春季大.秋季粉尘活动与春季相比减少，粉尘潜在扩散高度有所降低，主要表现为2000～5000m高度处浓度降低，25～50/5m2扩散范围较小，主要原因是气温降低，对流层活动减弱，抑制了粉尘随气流的活动.冬季粉尘潜在扩散在各个高度都表现为西南和东南两个扩散方向，但受西伯利亚高压和蒙古高压系统的控制，冷锋占主导地位，气流对流减弱，粉尘扩散高度是最低的，1000～5000m高度处浓度降低，仅为1～25/5m2.大部分集中在0～100m高度内，主要对近源区产生影响.

图4 秋季柴窝堡湖前向轨迹密度的空间分布Fig.4 Spatial characteristics of autumn air parcel trajectories

图5 冬季柴窝堡湖前向轨迹密度的空间分布Fig.5 The spatial characteristics of winter air parcel trajectories

3.2 粉尘潜在扩散的危害

柴窝堡盆地地处达坂城地区西部，湖区盛行西风，沙尘天气频发.在适宜的气象条件下，气流可以把PM10等细颗粒物质携带至数千公里之外.McGowan等［36］在新西兰冰川上采集到来自澳大利亚的粉尘物质，平均粒径大约为36μm，粉尘传输距离约为3500km；在一般风暴条件下，10μm以下的颗粒在大气中可搬运几千km［37］.本研究显示，在8d之内，柴窝堡湖盆地干涸湖底的含盐细颗粒粉尘在气流携带下有可能影响我国大部分地区，甚至朝鲜半岛地区.

柴窝堡盆地粉尘在气流的作用下，被抬升至数千米高，并被输送到数千公里外的东部沿海地区.粉尘的长时间远距离输送会影响下风向地区空气质量、气溶胶、生物地球化学循环以及区域生态系统［33，38］，并引发疾病.高密度气团轨迹有潜力携带大量柴窝堡盆地的含盐粉尘，重点影响柴窝堡湖盆地及其周边地区，特别是乌鲁木齐等地.在冬季存在逆温层的情况下，会加剧乌鲁木齐的空气污染.由于干涸湖底沉积物中盐分含量较高，虽然与沙漠等主要的粉尘释放源相比，干涸湖底面积很小，但其粉尘危害性较大.含盐的氯化物经常用来作为融雪剂，柴窝堡湖含盐粉尘随气流在近源山区沉降，与气候变化作用叠加，会加速天山山区的雪冰消融.

图6 柴窝堡湖干涸湖底粉尘潜在扩散通道Fig.6 Main transport corridors of dust from Chaiwopu Lake

图7 CALIPSO粉尘气溶胶类型分类Fig.7 Aerosol subtype classification derived from CALIPSO

综上可知，再分析气象资料在沙尘潜在扩散范围研究等方面存在巨大潜力.根据再分析数据确定的柴窝堡湖干涸湖底粉尘潜在扩散范围影响面积大.但粉尘究竟能不能达到这些区域以及沉降量是多少，大范围的实地监测验证困难较大，所以需要结合遥感、同位素等手段对粉尘扩散范围进行验证和进一步研究.

4 结论

4.1 不同高度粉尘潜在扩散范围季节分异明显.春季和秋季是粉尘潜在扩散活跃的季节，各个高度粉尘潜在的扩散范围和密度均较大，最远可达朝鲜半岛部分地区.夏季1000m以下粉尘潜在扩散范围较小，大范围扩散主要集中在1000m以上.在四个季节中，冬季粉尘潜在扩散范围最小.随高度增加，粉尘潜在扩散的密度均呈降低趋势，春季密度梯度最小，粉尘扩散潜力最大；冬季密度梯度最大，粉尘影响主要在近地表层.

4.2 不同高度粉尘潜在扩散表现出明显的方向性.粉尘潜在扩散主要有西南和东南方向两个扩散通道：在100m以下气流携高浓度粉尘的主要扩散方向为西南方向，会影响南疆大部分地区；100m以上高度粉尘随气流主要扩散方向为东南方向，随气流而下，可能影响我国大部分区域.

4.3 适宜的气象条件下，柴窝堡湖干涸湖底大量的粉尘在气流携带下可以长时间远距离输送，潜在影响范围非常大.主要影响区域为近源区，重点影响乌鲁木齐及其周边地区.除造成空气污染，增加大气浮尘和大气气溶胶之外，含盐粉尘在天山山区沉降，与气候变化效应叠加会显著的加速雪冰消融.

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致谢：感谢美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室（NOAA_ARL）提供HYSPLIT模型，感谢美国环境预报中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）提供数据.

A preliminary study on the transport pathways of dust originating from playa of Chaiwopu Lake，arid northwest China.

GE Yong-xiao1，2，ABUDUWAILI Jilili1*，MA Long1，LIU Dong-wei3（1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.College of Environment and Resources of Inner Mongolia University，Huhehot 010021，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1620～1629

In order to understand the potential dust transport pathways and the spatiotemporally characteristics of dust at different heights，seasonal climatologies of air parcel trajectories from playa of Chaiwopu Lake was created using the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model（HYSPLIT）coupled with reanalysis meteorological data（2000～2013）from the National Centers for Environmental Prediction（NCEP）and the National Center for Atmospheric Research（NCAR）.The results showed that spring has the largest potential diffusion range at each height，at which dust from Chaiwopu basin can potentially affect most parts of China，and some areas as far away as the Korean peninsula.Dust diffusion in summer has obvious height differentiation around 1000 meter；however that of winter is minimum.Dust diffusion range turned out changing seasonally at different height.Air parcel trajectories densities reduced with the increase of height in four seasons.The potential transport corridors of dust was southeast toward above 100m，while potential transport corridors turned to southwest below 100meter.Under favorable atmospheric conditions，dust originating from Chaiwopu Lake can affect regions many thousands of kilometers in a relatively short period of time.After settlement in the near source region，the dust mainly influences Urumqi and its surrounding areas，importantly accelerates the melting of snow and ice of Tianshan Mountains.

playa；dust diffusion；Chaiwopu Lake；arid land

S151.9

A

1000-6923（2015）06-1620-10

葛拥晓（1987-），山东泰安人，中国科学院新疆生态与地理研究所博士研究生，主要从事湖泊环境演变和地球化学方面的研究.已发表论文10篇.

2014-10-16

国家自然科学基金项目（41471098，41471173，41201539）；中国博士后基金（2013M530439）

* 责任作者，研究员，jilil@ms.xjb.ac.cn