撒哈拉地区沙尘气溶胶南北空间型 分布特征及其成因

邸文婧, 牛笑应, 陈子琦, 刘 俊, 王 鑫*

(1. 兰州大学 大气科学学院 半干旱气候变化教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000; 2. 兰州中心气象台, 甘肃 兰州 730020)

0 引 言

气溶胶是指直径在0.001～100 μm 之间的固体或液体微粒悬浮于空气中形成的多相体系[1]。大气中包含多种气溶胶类型, 其中沙尘气溶胶是大气气溶胶最重要的组分之一, 它可以通过直接辐射效应[2-4]和间接辐射效应[5-6], 以及半直接辐射效应[7]影响地球辐射平衡, 进而改变大气环流[8-9], 影响区域及全球气候变化。据估计, 全球每年向大气中排放的沙尘气溶胶达10～20 亿吨, 几乎占对流层中气溶胶总量的一半[10]。沙尘气溶胶是以海-陆-气耦合为核心的全球气候系统变化中的重要环节, 它不仅对区域辐射收支产生影响, 其向海洋的输送与沉降对海洋生态系统也有显著影响[11]。全球主要的沙尘源区都集中在北半球, 而沙尘气溶胶含量的高值区主要位于非洲北部、印度半岛、阿拉伯半岛以及中国塔克拉玛干和戈壁沙漠地区[12-14]。非洲是全球最主要的沙尘源区[15], 每年释放到大气中的沙尘约为670 Mt[16], 并且全球约58%的沙尘排放来自非洲撒哈拉沙漠[17]。沙尘气溶胶根据其来源可以分为自然沙尘和人为沙尘[18], 自然沙尘主要来自于沙漠、戈壁和荒漠化土地等干旱或半干旱地区, 受下垫面和天气状况影响较大[19], 而人为沙尘主要来自于农业、过度放牧、城市生活、道路交通和工业建设等人类活动。沙尘气溶胶一般为粒径较大的非球形粒子[20], 然而在人为沙尘源地, 由于农业、畜牧业等活动会导致沙尘气溶胶含水量增加, 沙尘粒子因吸湿增长更趋向于球形, 同时工业活动等也将产生大量硫酸盐和硝酸盐, 这些粒径较小的球形粒子与沙尘气溶胶混合, 将导致该地区沙尘气溶胶更趋于球形。北非作为全球最主要的沙尘气溶胶源地, 通常被当作自然沙尘源, 但Huanget al.[2]指出非洲地区人为沙尘气溶胶含量约占总气溶胶含量的56.8%, 萨赫勒地区人为沙尘与自然沙尘的贡献相当。

目前国内外研究学者已经对撒哈拉地区沙尘气溶胶的排放、传输及其影响等做了大量研究。撒哈拉地区排放的沙尘在大气环流的影响下, 可以越过大西洋传输到美国地区, 还可以到达亚洲西部以及蒙古高原地区[21]。受传输路径影响, 沙尘气溶胶不仅是大西洋洋面上大气气溶胶的重要组成部分, 影响大西洋的海洋生态系统, 还为亚马逊热带雨林带去养分[22-23]。值得注意的是, 沙尘气溶胶在大西洋上的传输有明显的年际变化, 其中冬季的年际变化更加强烈, 而这与北大西洋涛动指数(NAO)的逐年变化有关[24]。同时, 由于非洲沙尘源地地表风速的减小, 大西洋中部沙尘气溶胶光学厚度在 1982- 2008 年期间以每10 年约10%的速度减少, 而该减少与土地利用或植被覆盖的变化并没有直接关系[25]。此外, 非洲地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)的空间分布没有明显的年际变化[12,26-27], 而沙尘气溶胶的时空分布及变化除了与排放源强度、稳定性等密切相关[12], 还与全球和区域大气环流的变化和调整有关[27-28], 比如, 撒哈拉中西部沙尘多发区域主要与非洲东风波以及温带扰动有关[29]。北非地区在拉尼娜年沙尘排放量较多, 厄尔尼诺年则较少[27]。因此, 可以利用大气气溶胶的时空变化特征反映区域大气环流和气候变化[28]。除此之外, 温度及太阳辐射也是影响沙尘气溶胶空间分布的重要因子。Alpertet al.[30]的研究表明, 北非地区大气中沙尘气溶胶总量与太阳辐射高度相关, 并认为太阳辐射是反演沙尘气溶胶指数的重要动力因子。Hanet al.[31]指出中国北部地区在没有沙尘事件发生的情况下, 由温度变化引起的局地强干热对流可将沙尘带至高空1～6 km, 使气溶胶指数升高。

不同粒径大小的气溶胶往往具有不同的理化特性和光学特性, 非洲作为全球最大的沙尘气溶胶排放源, 研究分析撒哈拉地区不同时期主要的气溶胶类型以及沙尘气溶胶的空间分布至关重要。因此, 本次研究拟利用MODIS、CALIPSO 等卫星遥感资料, 并结合MERRA-2 再分析资料, 分析2007-2017 年撒哈拉地区沙尘气溶胶的空间分布特征及其光学特性, 并揭示造成这种空间分布型的原因, 为撒哈拉地区气候模式的改进以及气溶胶化学成分的研究提供重要参考价值。

1 数据和方法

1.1 CALIPSO 数据产品介绍

CALIPSO (cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations, 云-气溶胶激光雷达和红外开拓者卫星观测)卫星是A-Train 系列卫星成员之一, 它是2006 年美国宇航局和法国国家航天中心联合发射的观测卫星[32]。CALIPSO 搭载了3 个主要探测器: 正交极化云-气溶胶激光雷达(CALIOP)、宽视角相机(WFC)和红外成像辐射计(IIR)。其中CALIOP 激光雷达主要用于探测全球云和气溶胶垂直分布信息, 它拥有波长为532 nm 和1064 nm 的两个通道, 提供532 nm 和1064 nm 衰减散射, 532 nm 极化后向散射的高分辨率廓线, 气溶胶层的分布情况, 以及气溶胶层数据的光学厚度、体退偏比、衰减色比和衰减后向散射系数等信息[33]。CALIPSO 卫星数据产品根据地球观测系统(earth observation system, EOS)的定义分为不同的级别: Level 0～4。本次研究主要使用CALIOP 提供的2007-2017 年Level 2 的5 km 分辨率气溶胶层产品, 该产品提供了气溶胶体退偏比、粒子退偏比、总色比和粒子色比等信息, 可用于区分球形和非球形粒子, 其中退偏比是指532 nm 波段的垂直方向后向散射系数与水平方向后向散射系数的比值, 可用于区分冰云和水云、描述气溶胶粒子的球形程度, 其中, 自然沙尘主要来源于干旱、半干旱地区的沙漠地区, 其主要由非球形度高的粗粒子组成, 退偏比值较大, 相比之下人为气溶胶则更趋向于球形, 退偏比值较小。为了保证数据质量, 我们将退偏比的有效值控制在0～1 范围内。

1.2 MODIS 数据产品介绍

中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)是NASA 搭载在Terra 和Aqua 卫星上的主要传感器, Terra 和Aqua 卫星分别于1999 年和2002 年升空, 是太阳同步极轨卫星。MODIS 提供了在400～14400 nm 的36 个通道的全球观测, 每1 到2 天覆盖全球1 次, 扫描宽度达2330 km (横向) ×10 km (纵向), 最高可见光分辨率达到250 m[34-36], 可用于反演气溶胶和地表特征。其中, AOD 是描述大气气溶胶光学特性的重要参数, 它不仅可以用于估算大气中气溶胶的含量, 还可以通过确定气溶胶的尺度评估大气污染程度及尺度[37-38]。由于MODIS 陆地反演算法不提供亮地表地区的数据, Hsuet al.[39]基于蓝光通道地表反射率相对较暗, 提出了 AOD 深蓝反演算法, 得到了亮地表区的AOD, 与MODIS 暗地表算法相结合, 从而获得全球AOD 分布。本次研究主要使用了Aqua 卫星提供的2007-2017 年 MODIS Level 3 月平均格点资料(MYD08-M3), 空间分辨率为1°×1°。

1.3 MERRA-2 数据产品介绍

MERRA-2 (the modern-era retrospective analysis for research and applications version 2)再分析资料是美国国家航空航天局全球建模和同化室(GMAO)提供的现代卫星时代最新大气实时再分析资料, 包括基本气象要素和气溶胶产品[40-41]。MERRA-2 产生于戈达德地球观测系统(GEOS)大气模式和数据同化系统(DAS)的5.12.4 版本, 除此之外, MERRA-2 第1 次将气溶胶对气候系统其他物理过程的影响同化于全球数据同化系统中[42]。该资料在气溶胶信息的同化过程中包含了全球气溶胶观测网(aerosol robotic network, AERONET)的观测资料、MODIS、多角度成像光谱仪(multi-angle imaging spectro radiometer, MISR)和甚高分辨率辐射计(advanced very high resolution radiometer, AVHRR)卫星遥感资料[43-45], 水平分辨率为0.5°×0.625°, 垂直分辨率共72 层, 从地表向上延伸至0.01 hPa。本次研究使用了MERRA-2数据产品中2007-2017 年撒哈拉地区各类型气溶胶和总气溶胶光学厚度的月数据。

1.4 环境气象场资料

NCEP/NCAR 再分析数据是全球大气再分析资料, 它由美国气象环境预报中心(national centers for environment prediction, NCEP)和美国国家大气研究中心(national centers for atmospheric research, NCAR)联合制作[46]。该系统所用的数值模式是NCEP 业务预报中尺度全球谱模式(GSM), 采用三维变分同化技术, 水平分辨率为 T62 高斯格点(全球共有 192× 94 格点), 垂直分辨率为 28 层等δ面, 底层为995 hPa, 顶层约为 3 hPa。它不仅包含的要素多, 范围广, 而且延伸的时段长, 是1 个综合数据集。本次研究使用了NCEP/NCAR 提供的2007-2017 年850 hPa 的月平均海平面气压场、风场、温度场和高度场数据。

本次研究使用的降水数据来自全球降水气候中心(global precipitation climatology centre, GPCC), GPCC 提供了0.5°×0.5°、1.0°×1.0°和2.5°×2.5° 3 种水平分辨率数据, 我们选取空间分辨率为1°×1°的全球陆地月平均降水数据, 时间长度为2007-2017年。GPCC 的全球陆地降水格点数据基于全球约65000 个台站至少 10 年的观测资料得到, 使用Sphere Map 插值方法并经过了严格的质量控制。

2 结果与讨论

2.1 撒哈拉地区沙尘气溶胶的空间分布及其光学特性

北非地区位于东北信风背风侧, 多为热带和副热带大陆性气候, 温度日变化较大。撒哈拉北部地区相对湿度较小, 而在撒哈拉以南的几内亚湾沿岸地区, 由于受夏季风环流影响, 雨水较为丰沛, 相对湿度较高。图1 给出了本次研究的两个重点研究区域——撒哈拉北部(15～30°N)和撒哈拉南部(0～15°N) 地区, 其中填充图为撒哈拉地区2007-2015 年归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)的空间分布, 所用资料来自 GIMMS(global inventory modeling and mapping studies)工作组, 空间分辨率为8 km×8 km。

大气气溶胶的类型和含量与区域气候和大气环境污染息息相关。图2 给出了利用MODIS 数据得到的2007-2017 年撒哈拉地区1-12 月月平均AOD 的空间分布。从图2 可以看出, 撒哈拉南部(0～15°N)地区1-3 月AOD 明显高于其他月份, 最大值在0.8以上。此外, 该高值区在1-8 月逐渐向北移动, 高值区中心最北可达22°N 附近, 并于9 月开始向南回撤, 且AOD 值较低。夏季(6-8 月)AOD 高值区明显位于靠近大西洋的非洲北部地区, 高值区以北为相对湿度较小的撒哈拉沙漠干旱区[47], 而以南为强降雨带指示的赤道辐合带[28]。除降水和相对湿度外, 撒哈拉沙漠地区(15°N 附近)还受热带、副热带天气系统影响, 导致沙尘天气频发, AOD 值偏高。冬季(12 月至2 月)AOD 高值区明显位于15°N 以南的几内亚湾沿岸, 撒哈拉北部地区AOD 值明显降低。因此, 撒哈拉地区气溶胶的空间分布具有明显的季节性差异和地理差异, 本次研究旨在探讨造成该AOD 南北空间型分布差异的成因。

图3 给出了撒哈拉地区2007-2017 年期间, 利用MODIS 卫星资料以及MERRA-2 再分析资料得到的AOD 在不同季节的空间分布。可以看出两种资料得到的撒哈拉地区AOD 的空间型基本一致。春季AOD 的高值区位于撒哈拉南部地区(0～15°N); 夏季AOD 高值区较春季发生北移, 基本位于15°N 以北, 且最大值均在0.7 以上; 秋季AOD 值均比其他季节低, 最大值仅为0.5 左右, 且高值区较夏季向南移动; 冬季AOD 的高值区主要集中在撒哈拉地区以南的几内亚湾沿岸, 且AOD 最大值在0.7 以上, 这与以往研究[12,28,48-49]给出的沙尘气溶胶的空间分布基本一致。

图1 研究区域示意图(红色矩形框)以及2007-2015 年撒哈拉地区NDVI 指数的空间分布(填充色) Fig.1 Study areas (red boxes) and spatial distribution of NDVI in Sahara regions from 2007 to 2015 (color)

图2 MODIS 提供的2007-2017 年撒哈拉地区月均AOD 的空间分布 Fig.2 Spatial distribution of monthly AOD from MODIS in Sahara regions from 2007 to 2017

图3 MERRA-2 和MODIS 提供的2007-2017 年撒哈拉地区各季节AOD 的空间分布 Fig.3 Spatial distribution of seasonal AOD form MERRA-2 and MODIS in Sahara regions from 2007 to 2017

根据化学组分, MERRA-2 提供的气溶胶分类为沙尘(dust, DU)、黑碳(black carbon, BC)、有机碳(organic carbon, OC)、硫酸盐(sulfate, SU)和海盐(sea salt, SS)。为探究撒哈拉地区不同季节主要的气溶胶类型, 图4 给出了2007-2017 年撒哈拉地区不同季节各组分气溶胶光学厚度的空间分布。其中硫酸盐AOD 和海盐AOD 空间分布上的季节性差异较小, 虽然夏季硫酸盐AOD 稍高于其他季节, 但整体量值较低(小于0.05), 基本可忽略不计。黑碳和有机碳AOD 的分布具有一定的季节差异, 均表现为夏季AOD 值最高, 主要分布在南非北部地区, 其次是冬季, 高值区较夏季偏北, 位于北非和南非交界处, 这主要由生物质燃烧以及降水的季节性变化造成[50]。对比沙尘AOD 在不同季节的分布可知, 撒哈拉地区沙尘AOD 的最大值在夏季, 最大值达0.6 以上, 秋季最小, 冬季沙尘AOD 最大值约为0.5。此外, 沙尘气溶胶与总气溶胶的空间分布基本一致, 且沙尘AOD高值区的移动与撒哈拉沙漠干旱区和赤道辐合带的纬向移动同步[28,48]。

为了进一步了解撒哈拉地区的主导气溶胶类型, 我们基于MERRA-2 再分析资料对比了2007-2017年不同季节南北两个区域各类型气溶胶AOD 对总AOD 的贡献率(图5)。可以看出, 撒哈拉北部地区的主导气溶胶类型为沙尘气溶胶, 其贡献率的季节性变化不大, 均在80%以上, 其中春季、夏季、秋季和冬季分别为88%、82%、80%和80%; 硫酸盐气溶胶在夏季和秋季的贡献率略高于其他季节, 均为11%; 碳气溶胶和海盐气溶胶的贡献较小, 且没有明显的季节变化。而北非南部的几内亚湾沿岸人口密集, 人类活动、石油产业和矿产等社会经济活动和能源消耗可以产生较为严重的大气污染[51], 因此, 在撒哈拉南部地区, 各类型气溶胶的贡献具有明显的季节性差异, 其中沙尘气溶胶仍为该地区的主导气溶胶类型, 但其贡献远低于北部地区, 且春季最高(75%), 冬季次之(58%), 夏季最小(46%)。值得注意的是, 撒哈拉南部地区有机碳的贡献率明显高于北部, 且夏季和冬季最大(27%), 秋季次之(24%), 春季最小(12%); 硫酸盐气溶胶各季节贡献率分别为: 6%(春季)、16%(夏季)、15%(秋季)和7%(冬季); 而黑碳和海盐气溶胶对撒哈拉南部总AOD 的贡献较小, 但均略高于北部。

图4 MERRA-2 提供的2007-2017 年撒哈拉地区各季节不同类型气溶胶光学厚度空间分布 Fig.4 Spatial distribution of seasonal AOD from MERRA-2 for different types of aerosols in Sahara regions from 2007 to 2017

图5 基于MERRA-2 的2007-2017 年撒哈拉地区不同季节各类型气溶胶在总气溶胶中的贡献率 Fig.5 Contribution of each kind of aerosol to total AOD from MERRA-2 in different seasons in Sahara regions from 2007 to 2017

不同类型的气溶胶往往具有不同的理化特性和光学特性, 自然沙尘气溶胶主要来自于沙漠地区, 一般是非球形度较高的粗粒子。而人为气溶胶粒子的球形度较高, 粒径较小。撒哈拉北部地区有全球最大的自然沙尘排放源地, 沙尘气溶胶在总气溶胶中的占比达80%以上, 因此该地区的气溶胶可以很好地表征自然沙尘的粒子特征, 相比之下撒哈拉南部地区存在大量人为气溶胶, 尤其是夏季。为了对比分析撒哈拉地区自然沙尘以及人为污染气溶胶之间的差异, 本次研究基于CALIPSO 卫星观测数据分别给出了不同季节撒哈拉地区层积分体积退偏比的空间分布(图6)和频谱分布(图7)。结果表明, 不同地区气溶胶体积退偏比的分布也具有明显的季节性差异, 尤其是冬季和夏季。总体而言, 体积退偏比在夏季最大, 春季次之, 冬季最小。在夏季, 体积退偏比的高值区位于撒哈拉北部, 最高值达0.2 以上, 且主要集中在0.05～0.15 范围内, 另外体积退偏比的高值中心与沙尘AOD 及总AOD 的高值中心一致。然而, 夏季撒哈拉南部地区的退偏比较小, 且主要集中在0.01～0.05 范围内。因此, 夏季撒哈拉北部的气溶胶非球形程度明显高于南部, 这主要是由于夏季撒哈拉北部主要以自然沙尘气溶胶为主, 而撒哈拉南部地区沙尘气溶胶含量较小, 且人为气溶胶占比较大。在冬季, 撒哈拉地区的体积退偏比较小, 且南北差异不大, 高值区较夏季更偏南, 而撒哈拉南部地区气溶胶体积退偏比的值则明显高于夏季, 且主要集中在0.025～0.1 范围内, 表明冬季撒哈拉南部地区气溶胶粒子的非球形程度高于夏季, 这主要是因为冬季撒哈拉南部地区的沙尘气溶胶含量明显高于夏季。

2.2 影响沙尘气溶胶空间分布的气候因子

沙尘作为北非地区的主要气溶胶类型, 其覆盖面积广, 生命周期长, 能对区域辐射平衡产生重要影响。沙尘气溶胶空间分布的季节性变化与大尺度环流有密切关系。由于撒哈拉地区位于北回归线两侧, 北部地区常年受北大西洋高压控制, 以南地区则处于副热带高压带与热带低压带之间的信风带, 因此撒哈拉地区的传输型沙尘受副高和盛行风的影响, 其中夏季主要影响其西部和北部地区, 冬季则主要影响其西南地区[48]。为深入探究大气环流形势的季节性变化对撒哈拉地区沙尘气溶胶的影响, 我们给出了850 hPa 高度上的风场、海平面气压场和高度的平均场(图8)。对比冬、夏两季, 可以看出撒哈拉地区的气压带与风带有明显的变化。夏季, 北大西洋高压中心海平面气压高达1026 hPa 以上, 且位于撒哈拉沙漠以西的亚速尔群岛附近, 而撒哈拉以东地区则被低压控制, 低压中心海平面气压小于1002 hPa, 撒哈拉北部位于高低压中间, 处于脊前槽后位置, 近地面盛行东北风, 夏季东北风最南可至15°N 附近。东北风盛行期间降水少, 气候干燥[52], 易形成起沙天气, 因此撒哈拉北部地区夏季沙尘 AOD 值较高。同时, 撒哈拉南部地区气压梯度从南部沿海向北, 且夏季热带海洋气团中心气压高达1026 hPa以上, 控制范围大, 呈楔形向北伸入, 受该气团影响, 撒哈拉南部地区风速较小, 且有偏西风, 风由大西洋海上吹向陆地, 西南风携大量暖湿气流登陆, 盛行期间该地区进入雨季[48], 因此夏季撒哈拉南部地区沙尘AOD 值较低。冬季, 非洲大陆上的海平面气压最高值可达1024 hPa, 撒哈拉北部地区被高压系统控制, 气压梯度从北非向南逐渐降低, 而撒哈拉南部地区盛行偏东风, 来自撒哈拉和西亚地区的风由内陆吹向沿海, 较为干燥, 夜晚温度较低, 容易形成逆温, 不利于污染物扩散, 并携带了大量沙尘气溶胶, 导致冬季撒哈拉南部地区沙尘AOD 值较高, 且存在大量人为气溶胶。

图6 CALIPSO 提供的2007-2017 年撒哈拉地区不同季节层积分体积退偏比的空间分布 Fig.6 Spatial distribution of seasonal integrated volume depolarization ratio from CALIPSO in Sahara regions from 2007 to 2017

图7 CALIPSO 提供的2007-2017 年撒哈拉地区层 积分体积退偏比的频谱分布 Fig.7 Spectral distribution of integrated volume depolarization ratio from CALIPSO in Sahara regions from 2007 to 2017

图9 给出了500 hPa 高度上的风场和高度场, 以及降水的平均场。可以看出, 在500 hPa 高度上, 夏季撒哈拉地区被副热带高压控制, 并呈两槽一脊的环流形势, 说明该地区为晴好天气, 高温少雨, 有利于沙尘气溶胶的排放与传输; 而冬季高空则表现为平直的纬向西风环流, 没有闭合的高压中心, 风速较大, 当沙尘气溶胶进入高空后, 可以快速传输到其他地区。除此之外, 撒哈拉南部地区的降水也有明显的季节变化, 且表现为夏季最高, 冬季最低, 这与源自几内亚湾的热带海洋气团有关。降水不仅可以通过影响土壤湿度、相对湿度等因子, 还能通过改变沙尘气溶胶的主要沉降方式来影响大气中的沙尘气溶胶含量。撒哈拉南部地区常年为低压区, 夏季盛行西南季风, 导致撒哈拉南部地区进入雨季, 由于降水对气溶胶的清除作用使南部地区沙尘AOD 降低。冬季随着北非大陆气压持续升高, 西南季风的影响减弱, 影响范围仅限于南非地区, 南部地区的降水量达到全年最低, 不利于污染物的扩散, 进一步加强了撒哈拉南部地区沙尘AOD 空间分布的季节差异。

图8 NCEP 提供的2007-2017 年撒哈拉地区不同季节850 hPa 风矢量场(箭头, 单位为m/s)、 海平面气压场(填充色, 单位为 hPa)和高度(等值线, 单位为m)的均值场 Fig.8 Mean field of wind (arrows, m/s), sea level pressure (color, Pa) and height (contours, m) from NCEP at 850 hPa from 2007 to 2017

图9 2007-2017 年NCEP 提供的撒哈拉地区不同季节500 hPa 风矢量场(箭头, 单位为m/s)、 高度(等值线, 单位为m)的均值场和GPCC 提供的降水量场(填充色, 单位为mm) Fig.9 Mean field of wind (arrows, m/s) and height (contours, m) from NCEP and precipitation from GPCC (color, mm) at 500 hPa from 2007 to 2017

除大气环流、降水和地表条件, 温度也是影响撒哈拉地区沙尘天气的重要因子之一。温度一方面通过影响局地大气环流、地表植被状态等影响沙尘气溶胶含量, 另一方面作为引起沙尘事件的热力因子影响沙尘气溶胶含量。图10 给出了撒哈拉地区2007-2017 年850 hPa 近地面温度的分布。温度的高值区随太阳直射在南北回归线之间的移动而变化, 夏季温度的高值区位于撒哈拉北部地区, 最高值可达30°以上, 温度梯度由北向南, 冬季温度的高值区则位于撒哈拉南部地区, 温度不超过23°, 且由南向北逐渐减少。撒哈拉地区大气中的沙尘气溶胶含量与天文辐射呈显著正相关[53], 因此夏季撒哈拉北部地区产生局地热对流, 更多的沙尘气溶胶进入大气中, 而冬季撒哈拉南部地区沙尘含量更高。撒哈拉地区温度的变化进一步增加了冬、夏两季沙尘AOD空间分布的季节性差异。

图10 NCEP 提供的2007-2017 年撒哈拉地区不同季节850 hPa 温度均值场 Fig.10 Seasonal mean temperature field from NCEP at 850 hPa from 2007 to 2017

3 结 论

(1) 撒哈拉地区气溶胶的空间分布具有明显的季节性差异, 夏季AOD 北高南低, 冬季南高北低。夏季沙尘AOD 高值区位于撒哈拉北部地区, 最大值达0.6 以上, 而冬季沙尘AOD 高值区则位于撒哈拉南部地区, 最大值约为0.5。

(2) 影响撒哈拉地区气溶胶空间分布的主要气溶胶类型是沙尘。然而, 撒哈拉南部地区沙尘气溶胶对总AOD 的贡献具有明显的季节性差异, 该地区夏季人为气溶胶占比大, 气溶胶粒子趋于球形; 而该地区冬季的退偏比明显高于夏季, 说明气溶胶粒子的非球形程度更高。

(3) 撒哈拉地区沙尘气溶胶南北空间型分布与大气环流及温度密切相关。夏季, 撒哈拉北部地区位于高低压中心之间脊前槽后的位置, 撒哈拉南部地区近地面盛行偏西风, 该地区进入雨季, 增强了沙尘气溶胶的湿沉降, 导致夏季撒哈拉地区沙尘AOD 值北高南低。冬季, 撒哈拉北部地区被高压控制, 高空为平直的西风气流, 撒哈拉南部地区近地面盛行偏东风, 来自撒哈拉和西亚地区的风携带了大量沙尘气溶胶, 且温度较低, 容易形成逆温, 不利于污染物扩散, 导致冬季撒哈拉南部地区沙尘AOD 较高。此外, 温度的季节性差异也进一步促进了沙尘气溶胶南北空间型分布。