戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输路径和传输机制：以2020年4月一次沙尘事件为例

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00128

摘要/Abstract

摘要：

戈壁沙漠是沙尘天气频发区域，也是东亚沙尘暴的关键源地。青藏高原毗邻东亚和南亚两大沙源区，是全球气候变化的敏感地区。然而戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输路径以及传输机制尚不清晰。基于区域空气质量模式WRF-Chem、FNL再分析资料并结合HYSPLIT后向轨迹模型，以2020年4月戈壁沙漠一次强沙尘事件为例，探讨了戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输路径以及传输机制。结果表明：在此次沙尘事件期间，青藏高原东坡和北坡是戈壁沙漠沙尘传输至青藏高原的重要通道。受环流形势和高大地形的影响，青藏高原北坡沙尘传输效率大于东坡，而东坡沙尘垂直运动较北坡旺盛。500 hPa乌拉尔山以东的气旋系统和蒙古气旋共同控制中高纬度带，影响沙尘输送过程。随着中高纬气旋系统的东移，500 hPa新疆脊被破坏，青藏高原上空短波槽开始建立。短波槽前低层辐合的环流场有利于700 hPa闭合低压的维持，促使青藏高原北坡的偏北大风产生，有利于北坡沙尘向青藏高原输送。200 hPa高空急流动量下传引起河西走廊近地东风盛行，有利于戈壁沙漠沙尘从东坡向青藏高原输送。此环流形势构成了戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输的有利风场。该研究成果进一步完善了戈壁沙漠沙尘的传输路径，为研究沙尘影响青藏高原及其周边地区的天气气候变化提供了科学支撑。

关键词: 沙尘气溶胶, 远距离输送, 戈壁沙漠, 青藏高原, WRF-Chem, HYSPLIT

Abstract:

The Gobi Desert is a region known for its frequent sandstorms， and is one of the key sources of sandstorms in East Asia. The Tibet Plateau is adjacent to the two major sand source regions of East Asia and South Asia， and is one of the most sensitive regions to climate change in the world. However， the transmission path and mechanism of the Gobi Desert dust to the Tibet Plateau are still unclear. Based on the regional air quality mode WRF-Chem， FNL reanalysis data and the HYSPLIT backward trajectory model， a strong dust event in April of 2020 was used to explore the dust transmission path and transmission mechanism from the Gobi Desert to the Tibet Plateau. The results showed that during this dust event， the east and north slopes of the Tibet Plateau were important channels for dust transmission from the Gobi Desert to the Tibet Plateau. Affected by the circulation situation and the high terrain， the dust transmission efficiency on the north slope of the Tibet Plateau is greater than that on the east slope， while the vertical movement of dust on the east slope is stronger than that on the north slope. The 500 hPa cyclone system east of the Ural Mountains and the Mongolian cyclone jointly control the middle and high latitudes and affect the dust transport process. With the eastward movement of the mid-high latitude cyclone systems， the 500 hPa Xinjiang ridge was destroyed， and the short-wave trough over the Tibet Plateau began to be established. The low layer convergent circulation in front of the short-wave trough is conducive to the maintenance of the 700 hPa closed low pressure， which promotes the northerly wind on the northern slope of the Tibet Plateau， and is conducive to the transport of dust from the northern slope to the plateau. The downward transmission of the 200 hPa upper-level jet stream caused the near-ground easterly wind to prevail in the Hexi Corridor， which was conducive to the transport of the Gobi Desert dust to the plateau. This circulation situation constitutes a favorable wind field for dust transmission from the Gobi Desert from the eastern slope to the Tibet Plateau. The research results further improve the transmission path of the Gobi Desert dust， and provide scientific support for the study of the weather and climate change of the dust influence on the Qinghai-Tibet Plateau and its surrounding areas.

Key words: dust aerosol, long-term transport, Gobi Desert, Tibetan Plateau, WRF-Chem, HYSPLIT

中图分类号:

P421

陈俊言, 贯雅雯, 张越, 陈渔, 毕鸿儒, 娄高僮, 郭馨阳, 王洋, 陈思宇. 戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输路径和传输机制：以2020年4月一次沙尘事件为例[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 158-171.

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图/表 14

表1 参数化方案设置

Table 1 Parametric scheme settings

大气过程	具体过程	参考文献来源
物理过程	陆面过程	Chen等^[37]
	边界层	Hong等^[38]
	积云对流	Grell等^[39]
	云微物理	Thompson等^[40]
	长/短波辐射	Iacono等^[41]
	起沙过程	Ginoux等^[35]
化学过程	气溶胶化学	Ginoux等^[35]

图1 WRF-Chem模拟戈壁沙漠2020年4月14—19日的平均起沙通量注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改。方框表示此次沙尘事件中，沙尘传输至青藏高原的主要区域（35°—40°N，92°—102°E）

Fig.1 Average sand emission flux simulated by WRF-Chem in the Gobi Desert during April 14-19， 2020. The box indicates the main area where dust was transported to the Tibetan Plateau （35°-40°N， 92°-102°E） during this dust event. These include the main dust coverage area on the north slope （35°-40°N，92°-96°E） and the main dust coverage area on the east slope （35°-40°N， 99°-102°E）

图2 2020年4月14—19日WRF-chem模拟 550 nm 处AOD（A），Aqua卫星（图C）和Terra卫星（图D）监测的 550 nm 处MODIS AOD对比，以及中国北方（30°—50°N，80°—120°E）站点观测日平均PM10浓度与WRF-chem模拟PM10浓度对比（B）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.2 Comparison of WRF-chem AOD （A）， MODIS_Aqua AOD （C）， and MODIS_Terra AOD （D） during April 14-19， 2020，and comparison between the daily average PM10 concentration and PM10 concentration simulated by WRF-chem at most stations in northern China （30°-50°N， 80°-120°E， B）

图3 2020年4月14—19日站点观测和模式模拟的PM10浓度时间序列

Fig.3 PM10 concentration time series for sites and model results during April 14-19， 2020

图4 2020年4月14—19日近地面沙尘浓度和风场的空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.4 Spatial distribution of near-surface dust concentration and wind field during April 14-19， 2020

图5 2020年4月14—19日700 hPa沙尘浓度和风场的空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.5 Spatial distribution of dust concentration and wind field at 700 hPa during April 14-19， 2020

图6 2020年4月14—19日500 hPa沙尘浓度和风场的空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.6 Spatial distribution of dust concentration and wind field at 500 hPa during April 14-19， 2020

图7 2020年4月16日（A）、17日（B）青藏高原北坡及15日（C）、16日（D）、17日（E）青藏高原东坡戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输的经向剖面

Fig.7 The meridional section of Gobi Desert dust transport to the Tibet Plateau over the north slope of the Tibetan Plateau on April 16th （A）， 17th （B）， and over the east slope of the Tibetan Plateau on April 15th （C）， 16th （D）， 17th （E）

图8 2020年4月17日00:00（UTC）青藏高原东坡（36°N、100°E，A）和青藏高原北坡（37°N、95°E，B）96 h HYSPLIT沙尘后向轨迹，及4月14日蒙古国达兰扎德嘎德（43.57°N、104.43°E）120 h HYSPLIT沙尘前向轨迹注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.8 The 96 h dust HYSPLIT backward trajectories at 00:00 on April 17， 2020 （UTC） of the east （36°N， 100°E， A） and north （37°N， 95°E， B） slopes of the Tibetan Plateau affected by dust this time， and the 120 h dust HYSPLIT forward trajectories of Daranzadegade station （43.57°N， 104.43°E） on April 14th， 2020

图9 4月16日12:00（A）、18:00（B）和17日00:00（C）、06:00（D）经向风速场（蓝色表示北风，红色表示南风，单位m·s-1，水平分辨率0.25°×0.25°。蓝色等值线表示垂直速度≥0.02 m·s-1的上升区域，等值线间隔为0.02 m·s-1，斜杠为下沉区域，紫色表示垂直速度-0.04~-0.02 m·s-1，黄色表示垂直速度-0.08~-0.04 m·s-1）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.9 Meridional wind speed field at 12:00 （A） and 18:00 （B） on April 16th， and at 00:00 （C） and 06:00（D） on April 17th （blue indicates north wind， red indicates south wind， unit m·s-1， horizontal resolution 0.25°×0.25°. The blue contour line indicates the rising area with a vertical velocity greater than or equal to 0.02 m·s-1， the contour interval is 0.02 m·s-1， the slash is the sinking area， the purple indicates the vertical velocity from -0.04 m·s-1 to -0.02 m·s-1， and the yellow indicates vertical speed from -0.08 m·s-1 to -0.04 m·s-1

图10 4月16日00:00（A）、06:00（B）、12:00（C）、18:00（D），15日（E）与17日（F）700 hPa位势高度（紫色线条，单位dagpm）与纬向风速（蓝色表示西风，红色表示东风，单位m·s-1，水平分辨率0.25°×0.25°）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.10 The 700 hPa geopotential height （purple line， unit dagpm） and zonal wind speed （blue indicates west wind， red indicates east wind， unit m·s-1， horizontal resolution 0.25°× 0.25°） at 00:00 （A）， 06:00 （B）， 12:00 （C）， 18:00 （D） on April 16th， 15th （E） and 17th （F）

图11 4月15日00:00（A）、12:00（B）和16日00:00（C）、06:00（D）、12:00（E）、18:00 （F）500 hPa位势高度（蓝色等值线，单位dagpm）与温度平流（红色区域为暖平流，蓝色区域冷平流，单位℃/3h）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.11 The 500 hPa geopotential height （blue contour， unit is dagpm） and temperature advection （the red area is warm advection， and the blue area is cold advection， unit ℃/3h） at 00:00 （A）， 12:00 on April 15th （B） and 00:00 （C）， 06:00 （D）， 12:00 （E）， 18:00 （F） on April 16th

图12 4月15日00:00（A）、06:00（B）和16日00:00（C）、18:00（D） 200 hPa急流（填色区风速大于30 m·s-1）和位势高度（虚线等值线，单位dagpm）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.12 The 200 hPa jet stream （wind speed in the colored area is greater than 30 m·s-1） and geopotential height （blue dotted contour line， unit dagpm） at 00:00 （A）， 06:00 （B） on April 15th， 06:00 （C）， 18:00 （D） on April 16th

图13 河西走廊-祁连山脉（38°—41°N）上空在4月15日（A）与16日（B）的经向平均位温（黑色线条）、散度（红色表示辐合区，单位为s-1）与流场（矢量箭头）的垂直剖面，在15日（E）与16日（F）的风速（红色区为东风，单位为m·s-1）与合成风矢的经向剖面。戈壁沙漠西部（41°—44°N）上空在4月15日（C）与16日（D）的经向平均位温、散度与流场的垂直剖面，在15日（G）与16日（H）的风速与合成风矢的经向剖面。黄色线框为此次沙尘传输至青藏高原东北部的主要范围

Fig.13 The vertical profiles of the average potential temperature （black lines）， divergence （red indicates the convergence area， unit is s-1）， the flow field （vector arrow） on April 15th （A） and 16th （B）， and the wind speed （the red area is easterly， unit is m·s-1） and the synthetic wind vector on April 15th （E） and 16th （F） over the Hexi Corridor-Qilian Mountains （38°-41°N）； The vertical profiles of the average potential temperature （black lines）， divergence （red indicates the convergence area， unit is s-1）， the flow field （vector arrow） on April 15th （C） and 16th （D）， and the wind speed （the red area is easterly， unit is m·s-1） and the synthetic wind vector on April 15th （G） and 16th （H） over the western Gobi Desert of Mongolia （41°-44°N）

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