0 引言
沙尘气溶胶广泛分布在青藏高原上空［9-10］，来源可分为局地起沙与外源输送。青藏高原的流动沙丘和荒漠化土地是高原局地起沙的来源，这些局地沙源使得高原的沙尘暴在冬春季节发生的频率很高，以羌塘高原为中心向东南逐渐减少，高原的高海拔地形有利于沙尘扬升并随西风急流进行远程传输［11］。青藏高原局地起沙对于高原上沙尘气溶胶的贡献随高度递减，局地沙源对于地表沙尘气溶胶、对流层底层、对流层高层的贡献分别为69%、40%、5%［12］，所以高原上空高层的沙尘主要来自外源输送。高原周边沙尘源区对于高原沙尘的贡献与沙源区沙尘的传输路径密切相关［13］，传输到高原的路径可分为经向传输和纬向传输［14］：经向传输的沙尘源区主要位于东亚和南亚，东亚的塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠沙尘可通过柴达木盆地输送到高原［15］，南亚塔尔沙漠的沙尘在高空急流触发的次级环流作用下垂直抬升，并在阿富汗低压槽和孟加拉湾南支槽前西南气流引导下传输到青藏高原［16］；中亚、中东、北非等远距离沙漠源区则主要通过纬向传输路径传输到青藏高原，中东和中亚沙尘源区对于高原上空对流层中高层（300 hPa）沙尘的贡献可达36%，北非沙尘源区在冬季对于高原上空对流层中高层的贡献高达58%［17］。
然而，沙漠沙尘对于高原沙尘的贡献与选取的高原区域大小、具体年份、数值试验参数化方案、研究方法等都有密切关联，这些因素使得高原沙尘的来源仍然有较大的不确定性。前人在研究青藏高原沙尘来源时，较少分析沙尘源区的沙尘分布和热动力条件，沙尘的起沙、传输与边界层的热动力条件密切相关［18］。全球大气边界层高度、感热通量月平均资料表明，青藏高原和西北干旱半干旱区的大气边界层高度变化主要受地表加热的影响，青藏高原地区的感热通量减少时，相应地区的大气边界层高度也会降低［19］，可见，感热是表征边界层热动力条件和稳定度的重要物理参量。目前综合考虑高原周边沙漠源区的沙尘分布与边界层热动力条件的研究较少，这两个因素对沙漠沙尘向高原的传输具有重要影响。所以，综合考虑东亚、南亚、中亚各沙漠源区的沙尘季节分布特征与感热分布特征，系统探讨高原沙尘的外源贡献，具有重要意义。
针对以上问题，本研究利用WRF-Chem模式模拟青藏高原以及周边区域，重点关注青藏高原以及周边沙尘气溶胶的时空分布特征，以及周边沙漠对高原沙尘气溶胶的外源输送贡献。通过将高原周围的沙漠分为5个区域（分别为塔克拉玛干沙漠、塔尔沙漠、戈壁沙漠、古尔班通古特沙漠以及中亚沙漠），定量分析5个区域的沙尘时空分布和5个区域感热的水平分布特征及其季节变化特征，另外对高原周边的5个沙漠做关闭沙源的敏感性数值试验，揭示这5个沙漠对于青藏高原沙尘柱浓度的贡献。本研究的发现为青藏高原沙尘来源分析的深入发展提供依据，为青藏高原周边沙漠向高原传输现象的更加准确刻画提供支撑。
1 数值模式与观测资料
1.1 数值模式
WRF-Chem 模式（Weather Research and Forecasting model with Chemistry）是美国国家海洋和大气管理局、美国太平洋西北国家实验室以及美国国家大气研究中心等联合研发的中尺度天气预报模式，在WRF 模式基础上完全在线耦合了化学模块，包含陆面过程、微物理方案、气相化学机制、积云参数化方案、长短波辐射方案、沙尘起沙机制、气溶胶机制等各种物理化学参数化方案，气象模块和化学模块使用相同的坐标系，次网格传输也使用相同的参数化方案，从而实现了气象过程和化学过程之间的双向反馈［20］。
式中：G为起沙通量；C为起沙经验常数；S为风蚀度，表示每个格点内可风蚀的面积比例，数值范围在0~1；sp为土壤中不同粒径所占的百分比含量；u10m是距离地面10 m高度处的风速值；ut 为临界风速，其大小与土壤湿度有关。
表1 WRF-Chem主要物理化学参数化方案的设置
Table 1
| 物理化学过程 | 设置 |
|---|---|
| 微物理方案 | Morrison two-moment scheme |
| 长波辐射方案 | RRTMG |
| 短波辐射方案 | RRTMG |
| 陆面方案 | Noah land-surface model |
| 积云参数化方案 | Grell 3D |
| 沙尘排放方案 | GOCART |
| 气溶胶方案 | MOSAIC-4Bin |
表2 WRF-Chem模拟试验设置
Table 2
| 试验设置 | 试验描述 |
|---|---|
| 标准试验 | 打开模拟区域内所有沙尘源 |
| 敏感性实验1 | 关闭塔克拉玛干沙漠沙源 |
| 敏感性实验2 | 关闭塔尔沙漠沙源 |
| 敏感性实验3 | 关闭戈壁沙漠沙源 |
| 敏感性实验4 | 关闭古尔班通古特沙漠沙源 |
| 敏感性实验5 | 关闭中亚沙漠沙源 |
图1
图1
模拟区域内的风蚀度分布
Fig.1
Spatial distributions of wind erosion in the simulated area
1.2 观测资料
青藏高原的观测站点主要在高原东部，所以我们选取高原东部来对比模式模拟的感热通量与站点观测的感热通量。根据相似理论，地表感热通量采用输送法进行计算［26］：
2 结果与分析
2.1 青藏高原以及周边地区的沙尘时空分布特征
WRF-Chem在各个沙漠的气溶胶光学厚度模拟结果略高于MISR卫星观测结果，但可以很好地模拟出整体的分布特征，春夏季的气溶胶光学厚度较大，秋冬季较小（图2）。在春季，青藏高原的东南部出现了气溶胶光学厚度大于1的污染高值区，这个特征在观测与模拟结果中均体现得较为明显，这可能是塔尔沙漠沙尘导致的。已有研究表明，塔尔沙漠的沙尘在经向次级环流作用下强烈垂直抬升，阿富汗低压槽和孟加拉湾南支槽前的南向气流将引导抬升的沙尘传输到青藏高原［16］。在夏季，塔克拉玛干沙漠、塔尔沙漠、中亚沙漠的气溶胶光学厚度均为4个季节中最显著的，塔克拉玛干沙漠的气溶胶光学厚度大于0.8，塔尔沙漠的气溶胶光学厚度大于0.9，且气溶胶集中在沙尘源区；中亚沙漠的气溶胶光学厚度约0.4，中亚地区的沙尘是青藏高原对流层中上层重要的沙尘来源，中纬度纬向风增强，导致中亚地区对流层中层沙尘向中国西北地区的输送增加，中国西北地区增强的偏北风进一步引导沙尘向南传输至青藏高原，这是21世纪00年代青藏高原上空对流层高层的沙尘质量浓度比20世纪90年代增加了34%的重要原因［30］。总体来说，WRF-Chem模式能够较好地模拟气象要素与气溶胶的时空分布特征，为后续的进一步研究奠定了坚实的基础。
图2
图2
2018年MISR 550 nm AOD（第一行）与WRF-Chem模拟550 nm AOD（第二行）的各个季节平均对比
Fig.2
Seasonal average comparison of MISR 550 nm AOD （first row） and WRF-Chem simulation 550 nm AOD （second row） in 2018
沙尘柱浓度是描述气溶胶总体分布特征较为常用的特征物理量。总体而言，沙尘柱浓度的季节分布主要以塔克拉玛干沙漠和塔尔沙漠为大值中心，各沙漠源区的沙尘柱浓度都在春季和夏季较大且覆盖范围也较广，秋冬季则较小（图3）。塔克拉玛干沙漠夏季的沙尘充满整个塔里木盆地，沙尘中心柱浓度超过1.4 g·m-2，春季沙尘主要局限于沙漠东部，沙漠西部的沙尘柱浓度低于0.8 g·m-2。塔尔沙漠在春季和夏季呈现出不同的分布特征，春季呈条带状分布在高原南侧，夏季则集中在高原西南部，呈块状。
图3
图3
2018年青藏高原以及周边地区沙尘柱浓度（单位：g·m-2）季节平均水平分布
Fig.3
Seasonal average distribution of dust column loading （unit： g·m-2） over the Tibetan Plateau and surrounding areas in 2018
塔克拉玛干沙漠夏季的沙尘柱浓度却比春季高出0.34 g·m-2，这可能与春夏季不同的气象条件有关。塔尔沙漠的沙尘柱浓度春夏季相当，都在0.6 g·m-2左右。戈壁沙漠春夏季节的沙尘柱浓度都在0.3 g·m-2左右。古尔班通古特沙漠与其他沙漠相比较为特别的是，冬季的沙尘柱浓度达到了0.25 g·m-2，大于其他季节（图4）。需要说明的是，本文关注青藏高原沙尘的外源输送，青藏高原风蚀度为0，高原是没有起沙的，所以尽管青藏高原区域和文中所选取的塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠等区域存在重叠部分，但是塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠等区域平均沙尘含量不包含高原本地起沙，故不用考虑高原本地沙源带来的误差。
图4
图4
2018年青藏高原周边沙漠季节平均的沙尘柱浓度
Fig.4
Seasonal average of dust column loading in the desert surrounding the Tibetan Plateau in 2018
2.2 各个沙漠的边界层热力条件及其对沙尘分布的影响
感热是有关近地表风速与地表温度的热动力学复合物理量。起沙与近地表风速直接相关，沙尘在边界层内的传输与近地表的热力情况、湍流直接相关，地表温度与近地表大气温度的差异是造成地表湍流的直接原因，地表的湍流强弱则直接影响地表沙尘的初始抬升，所以感热大小与分布可以合理地表征沙尘的起沙与局地传输气象条件。如图5所示，高原东部感热模拟与观测的相关系数高达0.83，并且通过99%置信水平的显著性检验。5月的感热均是全年最大的，观测值与模拟值分别为64.56 W·m-2和73.58 W·m-2，4月模式的模拟效果是最好的，最接近观测值。在4—10月，模拟值都略高于观测值，在11月至次年3月，模拟值略低于观测值。误差会对模拟结果带来一定影响，整个模拟过程的误差会导致4—10月风速和温度偏高，沙尘起沙和传输能力模拟偏高，沙尘的起沙通量和沙尘柱浓度在4—10月偏大，所以在与MISR对比中，夏季、秋季沙漠源区的气溶胶光学厚度偏大。但整体来看，模式可以较合理地模拟出感热的逐月变化，这为分析高原以及高原周边沙漠地区的感热条件奠定了基础。
图5
图5
青藏高原东部区域2018年的月平均感热模拟结果与位于青藏高原东部的观测站点（32个站点，观测时间为1960—2016年）多年月平均感热的对比
Fig.5
Comparison of the monthly mean sensible heat simulation results over the eastern Tibetan Plateau in 2018 with the multi-year monthly mean sensible heat from 32 observation stations located in the eastern Tibetan Plateau during 1960-2016
各个沙漠源区的感热呈现明显的季节变化，且都呈现出春季增加、夏季最大、秋冬季逐渐减小的季节性特征（图6）。塔尔沙漠、古尔班通古特沙漠、戈壁沙漠、中亚沙漠在夏季的区域平均感热都在90 W·m-2左右。塔克拉玛干沙漠在春夏秋季的感热均为5个沙漠中最低的。印度半岛的感热在春夏季呈现不同的分布特征，塔尔沙漠的夏季感热大于春季，且印度半岛的感热呈现明显的纬向梯度，120、50、20 W·m-2，这可能是导致塔尔沙漠沙尘在夏季集中在源区上空的原因之一。春季的印度半岛感热呈现较为明显的经向梯度，从高纬到低纬呈现70、90、110 W·m-2的递增，这可能是春季塔尔沙漠容易向东传输、沙尘呈带状分布的原因。东亚的3个沙漠（塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠、古尔班通古特沙漠）的感热均表现为夏季>春季>秋季>冬季的季节分布特点。在高原地区，高原中部的感热在一年中相对于高原西部与东部都是较高的，整体上来说，高原感热在夏季是最强烈的，这与前人提出的青藏高原在夏季是热源的观点［31］是一致的。
图6
图6
2018年青藏高原以及周边地区感热（单位：W·m-2）的季节平均水平分布
Fig.6
Seasonal average distribution of sensible heat （unit： W·m-2） over the Tibetan Plateau and surrounding areas in 2018
5个沙漠在各个季节的沙尘柱浓度与季节平均感热呈现出较为一致的变化趋势。总体上来说，夏季感热较强，沙尘柱浓度也较大，但沙尘柱浓度不仅受区域感热平均值的影响，感热的空间分布型、天气系统以及植被覆盖对于沙尘的分布也有重要影响（图7）。虽然塔尔沙漠的春夏季区域感热通量平均值相近，但感热的分布情况不同，春季的感热分布型更有利于沙尘的传输，所以沙尘柱浓度要略高于夏季。秋季感热高于冬季，冬季的沙尘柱浓度却普遍高于秋季，这可能是因为，秋季天气系统较稳定，受热力作用影响小，所以在4个季节中的沙尘柱浓度最小，冬季由于受大风等动力条件的影响，沙尘柱浓度要高于秋季。近年来，新疆北部的古尔班通古特沙漠逐渐被生物结皮覆盖，生物保有量增加，每年春季起沙很少，这可能是古尔班通古特沙漠春季感热比冬季大，但春季沙尘柱浓度却低于冬季的原因。
图7
图7
2018年青藏高原周边沙漠的季节平均沙尘柱浓度（单位：g·m-2）与感热（单位：W·m-2）
Fig.7
Seasonal average dust column loading （unit： g·m-2） and sensible heat （unit： W·m-2） over the desert surrounding the Tibetan Plateau in 2018
2.3 青藏高原周边沙漠对于青藏高原沙尘的外源传输贡献
由于青藏高原中高层的沙尘主要来源于外部沙漠的输送，所以在本文中讨论的青藏高原的沙尘均来自外源输送。春季青藏高原上沙尘的浓度最大，可达107.32 mg·m-2，夏季次之（75.31 mg·m-2），秋冬季节高原上的沙尘浓度较小，均小于40 mg·m-2（图8）。风云卫星遥感资料分析也表明青藏高原的沙尘气溶胶光学厚度在春、夏、秋、冬季的多年平均分别为 0. 176、0. 064、0. 032、0. 060，呈现出春季>夏季>冬季>秋季的季节分布特征［31］。我们对于高原周边的沙漠（塔尔沙漠、古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠以及中亚的沙漠）分别关闭沙尘源区的风蚀度，使其不起沙，标准实验与这5组敏感性实验的差值可以定量化计算高原周边沙漠对于青藏高原沙尘气溶胶柱浓度的贡献。塔克拉玛干沙漠对于青藏高原沙尘柱浓度的贡献在5个沙漠中是最大的，在4个季节中均可超过40%（图9）。古尔班通古特沙漠对于青藏高原沙尘柱浓度的贡献在5个沙漠中是最小的，在4个季节中均低于6%。塔尔沙漠在春夏季对高原上沙尘的贡献较为显著（25%左右）。中亚沙漠也是青藏高原沙尘的重要来源［29］，尤其在春季和冬季，贡献可达9%。东亚沙源（古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠）与南亚沙源（塔尔沙漠）释放的沙尘占青藏高原沙尘气溶胶总量的80%以上，前人的研究结论也表明东亚地区沙尘源地（约 62%）与中东、中亚地区沙尘源地 （约 30%）分别是青藏高原北部和南部沙尘气溶胶的主要来源［32］。
图8
图8
青藏高原各季节平均的沙尘柱浓度（单位：mg·m-2）
Fig.8
Seasonal average dust column loading over the Tibetan Plateau （unit： mg·m-2）
图9
图9
青藏高原周边沙漠对青藏高原各季节平均沙尘柱浓度的贡献
Fig.9
The contribution of deserts around the Tibetan Plateau to the seasonal average dust column loading over the Tibetan Plateau
3 结论
各沙漠源区的沙尘柱浓度都在春季和夏季较大且覆盖范围也较广，秋冬季则较小。塔克拉玛干沙漠夏季的沙尘充满整个塔里木盆地，春季沙尘主要局限于沙漠东部。塔尔沙漠的沙尘在春季呈条带状分布在高原南侧，夏季集中在高原西南部，呈块状。
各沙漠源区的感热都呈现出春季增加、夏季最大、秋冬季逐渐减小的季节性特征。地表感热是地表风速与地气温差的函数，这两个气象要素与沙尘的局地传输密切相关，所以，沙尘柱浓度也呈现出与感热类似的季节变化。
塔克拉玛干沙漠对于青藏高原沙尘柱浓度的贡献在5个沙漠中是最大的，在4个季节中均超过40%。古尔班通古特沙漠对于青藏高原沙尘柱浓度的贡献在5个沙漠中是最小的，在4个季节中均低于6%。塔尔沙漠在春夏季对高原上沙尘的贡献较为显著（25%左右）。中亚沙漠在春季和冬季也是青藏高原沙尘的重要来源，贡献可达9%。东亚沙源（古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠）与南亚沙源（塔尔沙漠）释放的沙尘占青藏高原沙尘气溶胶总量的80%以上。
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