巴丹吉林沙漠腹地沙尘事件对近地表气温和太阳总辐射的影响

2022-05-28吴盈盈刘旭阳王振亭

沙漠与绿洲气象 2022年2期

吴盈盈，刘旭阳，王振亭

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院沙漠与沙漠化实验室，甘肃兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）

气溶胶是悬浮在空气中的固体、液体微粒组成的多相体系的颗粒物质[1-2]。沙尘是气溶胶的主要成分之一，也称矿物沙尘，通过浮尘、扬沙和沙尘暴等沙尘天气被释放和滞留在大气中。沙尘既可以通过反射、吸收和散射太阳辐射直接影响地—气系统的辐射平衡和能量收支过程，也可以作为水汽的凝结核影响云和降水的形成，间接地对区域和全球的气候变化产生影响。同时，沙尘对气候系统的变化高度敏感[3]。矿物沙尘的释放、传输和沉积等过程都极易受到气候变化的影响。在近百年来全球气候变暖的背景条件下，沙尘—气候效应研究越来越重要。

沙尘辐射效应研究主要从两方面展开：一方面通过理论分析和数值模拟计算沙尘气溶胶的辐射反馈效应。王宏等[4]计算了海洋和沙漠上空沙尘气溶胶的辐射加热（冷却）率，发现位于高空的沙尘层具有加热大气的作用。宿兴涛等[5]对东亚沙尘气溶胶的辐射强迫效应和其对温度的影响进行了模拟。陈勇[6]分析了沙尘短波辐射效应对不同天气系统的影响，提出沙尘加热爬升效应。周旭等[7]则通过模拟沙尘暴过程来分析沙尘气溶胶对不同辐射的作用，表明沙尘气溶胶可减少短波辐射，增加长波辐射。另一方面，利用短期的野外观测数据直接研究沙尘气候效应。辛金元等[8]发现腾格里沙漠边缘的沙尘气溶胶对太阳直接辐射具有衰减作用。金莉莉等[9]和陈霞等[10]利用塔中站的观测数据，研究了沙尘气溶胶对不同类型辐射和气温的影响。胡泽勇等[11]和田磊等[12]通过沙尘暴观测实验分析沙尘气溶胶对太阳辐射的作用。

上述研究表明，沙尘的辐射强迫效应或正或负，对气温的影响随着高度的增加而变化。同时，沙尘—气候反馈会受沙尘颗粒粗细、分布高度、组成成分等因素的影响，从而使矿物沙尘的辐射强迫效应更加复杂[13]。目前，沙尘辐射强迫效应在气候变化中的地位和作用有待确定[14]。作为沙尘源区的内陆沙漠，自然环境十分恶劣，鲜有针对其腹地长期、系统的沙尘—气候效应研究[15]。本文利用巴丹吉林沙漠腹地小型气象站点的实测资料，研究沙尘对近地表气温和太阳总辐射的影响，以期为进一步探究沙尘—气候互馈机制提供基础数据支持。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

巴丹吉林沙漠位于阿拉善高原西部，弱水以东，拐子湖之南，北大山之北，雅布赖山以西。东西长约442 km，南北宽为354 km，总面积约5.2×104km2，是我国的第二大流动性沙漠[16]。地势呈东南高，西北低的特征。海拔高度在1 200～1 600 m，有“沙漠珠峰”之称。该沙漠受内蒙古高气压控制，属于极端干旱的温带大陆性气候。夏季炎热，最高温度可达42℃；冬季寒冷干燥，最低温度可至-25℃以下。降水稀少，多集中在5—9月，季节变率较大[17]。

数据来源于巴丹吉林沙漠腹地的小型自动气象站点（102.07°E，40.05°N），该地海拔1 239 m，年降水量约80.3 mm[18]，周围分布着许多高大的沙丘。表1是小型自动气象站（HOBO-U30）相关传感器的主要技术指标。观测时间为2015年12月22日—2020年5月27日。其中，2017年2—7月和2019年4—7月数据缺失。

表1 传感器类型、架设高度及技术指标

1.2 研究方法

1.2.1 沙尘事件的定义

沙尘事件是指由强风导致的沙尘颗粒起动、传输和沉降过程。随着近地层风速不断增大，沙质地表的沙尘会被吹扬到空气中，随风运动。风是沙尘事件发生的主要动力，故依据风速判定沙尘事件的发生和结束。当10 min平均风速等于或大于临界起沙风速时，沙尘事件开始；当风速减小到临界起沙风速以下时，沙尘事件缓慢终止。考虑到间歇性是风沙运动的固有特征，本文将持续半小时以上的风沙过程作为一次事件。若一日之内有多个离散点的风速大于或等于临界起沙风速，则首先计算其两两之间的时间间隔，当间隔≥1 h，划分为两次沙尘事件。参考前人[19-21]对巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区的研究，综合考虑观测位置、地表粗糙程度、沙物质粒径分布等因素，本文临界起沙风速取6.5 m/s。

1.2.2 气温和辐射变化

为了分析沙尘对近地表太阳总辐射的影响，估算沙尘对总辐射的作用强度，首先需要扣除太阳辐射本身变化规律的影响并尽可能减小误差。在晴朗无云的天气条件下，辐射变化主要受太阳高度角控制[22]。因此，选择天空中没有云或云量很少的晴天作为研究沙尘对近地表太阳总辐射和气温影响的参照物。标准晴天的判断依据是总辐射日变化曲线光滑且呈标准倒“U”形[10，23]。具体做法为，对于一次沙尘事件，选取当月2～7个标准晴天同一时刻的总辐射数据，以平均值作为参考值，在此基础上计算沙尘事件发生时总辐射的变化率。因为近地表在夜间接收不到太阳辐射，仅分析发生在白天的沙尘事件。气温参考值按相同方法计算。

辐射和气温的变化率定义为：

式中，R和T分别为沙尘事件的平均辐射和气温，R0和T0为相应的参考值。

2 结果与讨论

2.1 沙尘事件的统计特征

统计结果表明，观测期间内共发生118次沙尘事件。由沙尘事件的统计特征（图1）可知，平均风速多分布在6.0～6.5 m/s，其次是5.5～6.0 m/s和6.5～7.0 m/s，仅有2次沙尘事件的平均风速达到8.5～9.0 m/s（图1a）。与沙尘暴发生时的瞬时风速（≥25 m/s）相比，沙尘事件的平均风速明显偏低。单次沙尘事件的持续时间较短，大多在1～2 h，仅有极少数沙尘事件的持续时间达到10～11 h（图1b）。春季（3—5月）和夏季（6—8月）是沙尘事件频繁发生的时段，尤其是在春季的5月，累计发生的沙尘事件高达28次（图1c）。相比之下，秋冬季节较少发生沙尘事件。

图1 沙尘事件的平均风速（a）、持续时间（b）和发生月份（c）

2.2 沙尘对太阳总辐射的影响

图2为2016年一次典型沙尘事件发生时连续3 d的辐射日变化曲线。沙尘事件前一天（24日）的辐射日变化曲线光滑，是天气状态良好的晴天。在沙尘事件发生的当天（25日），各个时刻的总辐射值均有不同程度的降低，尤其是总辐射的日峰值明显比前后两天低。后一天（26日）的辐射日变化曲线虽与24日的变化趋势相同，但上下波动显著。由此可初步推断，沙尘事件会影响地表附近的太阳总辐射。

图2 沙尘事件发生时的近地表太阳辐射日变化

图3给出了所有沙尘事件的辐射变化率。绝大部分沙尘事件都会对总辐射起到衰减作用。沙尘是吸收性很强的非球型粒子，其形状不规则，空间取向不同[24]。当太阳短波辐射入射到沙尘粒子上，一部分会被其吸收，另一部分则会被散射，分为前向散射和后向散射。随着空气中沙尘颗粒浓度增高、数量增多，上述过程就会多次重复，削弱了到达近地表的太阳总辐射。

图3 沙尘事件的辐射变化率

针对个别辐射升高的沙尘事件，单独统计了其发生的时间段、平均风速、持续时间以及辐射变化的幅度（表2）。辐射升高的原因在于：（1）单次沙尘事件的持续时间短，平均风速低，扬起的沙尘较少，对太阳辐射的作用并不强烈；（2）与参考值的选取有关，太阳辐射随高度角的增加而升高，总辐射存在月变化，在选取参考值时没有从根本上消除总辐射月变化规律的影响。

表2 辐射升高的沙尘事件

对于绝大多数辐射衰减的沙尘事件，单独进行了统计分析（图4a）。考虑到沙尘对风的滞后效应，即当风速下降到临界起沙风速以下，地表附近空气中的沙尘浓度不会立即降低，存在响应时间，因而计算了从沙尘事件发生时刻至当日日落时刻的辐射衰减率（图4b）。不同沙尘事件对太阳总辐射的作用强度存在较大差异。在沙尘事件发生期间，辐射衰减率多分布在10%～20%，其次是0%～10%和70%～80%，平均衰减约为35.47%；将计算时间延长至当日日落后，辐射衰减率的变化区间和各区间的占比都有所改变，辐射衰减率多在0%～10%，其次是10%～20%和30%～40%，平均衰减约为33.30%。

图4 沙尘事件发生期间（a）和沙尘事件发生至当日日落时刻（b）辐射衰减率的统计

上述结果在定量上与其它沙漠地区的观测有所差异。在腾格里沙漠东南端，沙尘气溶胶造成太阳直接辐射平均衰减约38%[8]。在河西走廊中部的张掖，春季大气浑浊度每增加0.1，太阳总辐射平均减少约10.45 W/m2[12]。在塔克拉玛干沙漠腹地，与典型晴天相比，春季的浮尘、扬沙和沙尘暴天气导致太阳总辐射日总量分别减少了29.7%、29.2%和36.2%；夏季时各沙尘天气下总辐射日总量则分别降低了27.3%、17.3%和52.1%[9]。总体而言，沙尘会使总辐射和直接辐射削弱很多。

2.3 沙尘对近地表气温的影响

沙尘事件发生前后连续3 d的气温日变化见图5。近地表气温的日变化规律明显，气温最高值出现在午后，最低值出现在日出前。这与太阳辐射的变化规律基本一致。即使是在春季夜晚，沙漠腹地的气温依旧较高（20℃左右），可能与沙漠地表能量收支和陆面物理属性[13]有关。在4月25日沙尘事件发生时，气温变化趋势与前后两天相似，但整体温度较低，白天最高温度＜20℃。由此可知，沙尘事件会对地表附近的气温产生明显影响。

图5 沙尘事件发生时的气温日变化

在全部沙尘事件中，气温降低90次，升高28次（图6）。显然，大部分沙尘事件会降低近地表的气温。因为气温变化与太阳辐射联系紧密，沙尘事件会使到达地表附近的总辐射减少，从而影响到地面发射的长波辐射和大气内能积累，造成气温降低。

图6 沙尘事件的气温变化率

针对沙尘事件中出现的气温升高现象，其主要原因在于：（1）巴丹吉林沙漠沙粒的平均粒径较粗[25]，单次沙尘事件过程中扬起的沙粒稍少，对气温的影响并不强烈，导致在沙尘天气下近地表气温存在升高的现象。这与杨帆等[20]对巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气的研究以及胡文峰等[21]对沙尘暴过程中气温变化规律的分析相一致。（2）与气温的变化特征有关。尤其是在沙漠腹地，气温的日较差和月较差均很大[26]，会对气温的参考值产生影响。

与单独探讨辐射衰减的沙尘事件类似，图7为气温衰减率的统计结果。在不同沙尘事件中，气温降低的幅度存在较大差异。但整体分布表明，无论是沙尘事件发生期间（图7a）还是沙尘事件发生至当日日落（图7b），气温降低的区间都主要集中在0%～10%，其次是10%～20%和20%～30%。与前人研究[11]相比，地处极端干旱区的甘肃敦煌，沙尘暴过境前气温较高，过境后的10 min内，气温下降3.22℃。在半干旱区吉林通榆的沙尘天气过程中，地面气温受沙尘影响较弱[27]。