弱风背景下阵风起沙对大气沙尘气溶胶总量的贡献

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00178

摘要/Abstract

摘要：

沙尘气溶胶排放量是研究气候和环境变化的核心参量。利用2021年腾格里沙漠1 min风速数据，基于通用的起沙方案，计算了强风背景下沙尘暴和弱风背景下阵风的起沙量。结果显示：（1）阵风具有明显的湍流结构和随机性，年内大于临界起沙风速的频率约占总数的6%，10 min和1 h的平均风速难以捕捉弱风背景下的阵风起沙。（2）强风背景下沙尘暴起沙量是弱风背景下阵风起沙量的5~100倍，但阵风起沙量的累积效应不容忽视。（3）非沙尘期，阵风起沙机制起支配作用，而沙尘期，沙尘暴起支配作用；沙尘暴和阵风对年度起沙总量的贡献分别为45%和55%，表明阵风起沙机制在沙尘排放中占据重要地位。弱风背景下阵风导致的巨量沙尘气溶胶对气候和环境变化的影响亟须进行重新评估。

关键词: 阵风起沙, 沙尘气溶胶, 沙尘通量, 沙尘暴, 贡献率

Abstract:

Total dust aerosol emission is one of the most critical factors in the study of climate and environmental change. The dust emission mechanism of power-dominated dust storms can only explain the amount of dust aerosols during dust storms， but not the presence of large amounts of dust aerosols during non-dust storms， implying that there may be other dust emission mechanisms in addition to the dust storm emission mechanism. Using the 1-min high-resolution wind speed observation data of Tengger Desert in 2021， we calculate the dust emissions from gusts in a weak wind background and from dust storms in a strong wind background based on the generalized Gillette dust emission scheme. The results show that：（1） Gusts have obvious turbulence structure and randomness， and the frequency of wind speeds greater than the critical dust-raising speed accounts for about 8% of the total annual wind speeds， and the wind speed of 10-min and 1-h average is difficult to capture gusts dust emission in the context of weak winds. （2） Dust emission from dust storm is 5-100 times that of gusts， but the cumulative effect of gust should not be ignored， which is one of the main sources of dust aerosols in the atmospheric background. （3） The gust emissions are absolutely dominant in the non-dusty months， while the dust storm emissions are dominant in dusty months. In terms of the contribution to the total annual dust emissions， the contribution of dust storms is 45% while that of gusts is 55%， which suggests that the cumulative effect of dust emissions from gusts plays an important role in further refining the existing dust emission mechanism， and that the impacts of its huge amount of dust aerosols on the climate and environmental changes are in need of urgent reassessment.

Key words: gusty dust emission, dust aerosol, dust flux, dust storm, contribution rate

中图分类号:

P425.6

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图/表 6

图1 弱风背景下夏季10 d内白天1 min风速随时间的变化（A）及其滤波（B）

Fig.1 Variation of daytime 1 min wind speed （A） and its filtering （B） during 10-day in summer with weak wind background

图2 弱风背景下1 min风速与10 min（A）和1 h（B）的阵风系数随时间的变化

Fig.2 Variation of gust coefficient with time for 1 min wind speed versus 10 min （A） and 1 h （B） with weak wind background

图3 1 min、10 min和1 h风速的风频谱年分布

Fig.3 Annual wind spectrum for 1 min， 10 min and 1 h

图4 观测点大于5 m·s-1各风速出现频次的月际变化

Fig.4 Monthly frequency of each wind speed greater than 5 m·s-1 at observation site

图5 2021年逐小时沙尘暴（A）和阵风（B）起沙通量

Fig.5 Hourly dust emissions from dust storms （A） and gusts （B） during 2021

图6 观测点阵风和沙尘暴起沙量的月贡献分布

Fig.6 Distribution of monthly dust emission contribution of gusts and dust storms at the observation site

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