img

官方微信

高级检索

中国沙漠, 2024, 44(3): 158-171 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00128

戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输路径和传输机制:以20204月一次沙尘事件为例

陈俊言,, 贯雅雯, 张越, 陈渔, 毕鸿儒, 娄高僮, 郭馨阳, 王洋, 陈思宇,

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

Transport of dust from Gobi Desert to the Tibetan Plateau and its dynamic mechanism: a case study of a dust event in April of 2020

Chen Junyan,, Guan Yawen, Zhang Yue, Chen Yu, Bi Hongru, Lou Gaotong, Guo Xinyang, Wang Yang, Chen Siyu,

College of Atmospheric Sciences / Ministry of Education Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 陈思宇(E-mail: chensiyu@lzu.edu.cn

收稿日期: 2023-06-11   修回日期: 2023-12-29  

基金资助: 国家自然科学基金委员会与中国气象局联合基金项目.  U2242209
国家自然科学基金项目.  42175106
中国博士后科学基金项目.  2020M681156
广州实验室自筹项目.  SRPG22-007

Received: 2023-06-11   Revised: 2023-12-29  

作者简介 About authors

陈俊言(2000—),男,福建龙岩人,硕士研究生,主要从事沙尘气溶胶数值模拟研究E-mail:220220902711@lzu.edu.cn , E-mail:220220902711@lzu.edu.cn

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.

Keywords: dust aerosol ; long-term transport ; Gobi Desert ; Tibetan Plateau ; WRF-Chem ; HYSPLIT

PDF (19317KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

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20204月一次沙尘事件为例. 中国沙漠[J], 2024, 44(3): 158-171 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00128

Chen Junyan, Guan Yawen, Zhang Yue, Chen Yu, Bi Hongru, Lou Gaotong, Guo Xinyang, Wang Yang, Chen Siyu. Transport of dust from Gobi Desert to the Tibetan Plateau and its dynamic mechanism: a case study of a dust event in April of 2020. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(3): 158-171 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00128

0 引言

20世纪60年代以来,半干旱地区旱地面积不断扩张,全球旱地变暖速率比湿润地区高20%~40%,表明旱地面临更大的荒漠化和其他变暖风险1-2。干旱半干旱地区的沙尘气溶胶主要由风蚀产生3-5,调节地-气系统辐射收支和水循环6-7。沙尘气溶胶还通过远距离运输为海洋和森林提供矿物质补充,从而进一步影响生态系统和碳循环8。此外,沙尘颗粒可以富集细菌、有机物和重金属,对环境和人类健康造成影响9

东亚地区作为世界上主要的沙尘源区对全球的沙尘含量作出了巨大贡献10。据估算,每年大约600 Tg的东亚沙尘被释放到大气中,其中约30%被重新沉降到沙漠地区,20%被传输到中国内陆地区,剩余50%被远距离向东传输到韩国、日本、太平洋地区,并跨越太平洋地区到美国、加拿大甚至格陵兰岛11-12。这种长时间、远距离的沙尘气溶胶输送会对全球气候产生重大的影响13-14

长期以来,塔克拉玛干沙漠被认为是东亚沙尘的主要来源,戈壁沙漠的沙尘对东亚沙尘浓度的贡献被低估15。由于全球变暖、人口激增以及过度开垦和过度放牧等多种因素的影响,蒙古高原生态系统受到严重破坏,土壤风蚀加剧。蒙古国大部分位于干旱和半湿润气候地区,易受荒漠化影响16。自20世纪90年代初,蒙古国超过77%的土地受荒漠化影响,其中23%高度荒漠化。蒙古国戈壁沙漠地区成为沙尘天气高发区域,也是东亚沙尘暴的重要源地17。近年来,大量地面观测、卫星遥感和数值模拟显示,蒙古高原沙尘暴次数和频率显著增加18。与每年4 500万t的塔克拉玛干沙漠相比,戈壁沙漠沙尘每年传输量超过5 300万t,是东亚最主要的沙尘贡献区域,也是中国内陆地区特别是京津冀地区沙尘型空气污染的主要原因。超过70%的中国沙尘暴源自戈壁沙漠1719

在最近10年中,来自蒙古国的沙尘造成中国总沙尘天气的50%~70%。蒙古国的沙尘主要通过3种输送路径影响中国及其东部海域:①从内蒙古东部经过浑善达克沙地和科尔沁沙地进入中国,影响渤海、黄海、朝鲜海峡、日本海地区,移动距离短,频率高;②从内蒙古西部进入中国,经黄土高原向东输送,影响渤海、黄海、东海、朝鲜海峡、日本海地区,移动距离长,影响广泛;③在强西北气流的作用下,蒙古国沙尘降落在黄海、东海和西太平洋海域,虽然频率较低,但对太平洋海域的海洋生产力有重要影响。在大气环流的作用下,蒙古国的沙尘气溶胶还可能通过洲际和洋流传输,影响太平洋岛国、美国、加拿大、法国阿尔卑斯山和北极地区20

青藏高原被誉为“第三极”和“亚洲水塔”,是全球气候变化的敏感地区21-23,毗邻东亚和南亚两大沙尘气溶胶排放源地,地理位置和气候特征独特,沙尘气溶胶可能导致高原大气升温和冰川加速消融,影响东亚地区的水分循环。青藏高原沙尘主要由外界传入和局地释放两部分组成24-25。青藏高原生态环境脆弱,特别是近年来受人类活动的影响,草场退化,荒漠化程度加剧,高原已成为新的不可忽视的沙尘源区26-27。同时,高原北临塔克拉玛干沙漠、蒙古国的戈壁沙漠,西有中亚沙漠、西南有印度和阿拉伯半岛沙漠,在一定的环流形势下沙尘气溶胶可能传输到高原上空28

外源输送在青藏高原沙尘含量中发挥着重要作用。受制于高原独特地理位置和气候条件,污染物的跨境输送是多圈层变化的关键因素。研究发现,边界层高度越高,气象活动越强烈,导致对流层低层更多污染物上升并传输至高原南坡29。塔克拉玛干沙漠至青藏高原北部的经向输送也是外源输送的重要途径。夏季西风急流减弱北移,增加沙尘在沙漠上空的积聚。地表辐合增强,使沙尘通过气旋和地形强迫输送至高原北坡。沙尘辐射强迫加热高原,形成正反馈机制,对高原沙源产生持续影响30

中东和中亚地区约占青藏高原沙尘贡献的36%。在21世纪初(2000—2009年),青藏高原上空对流层高层的沙尘气溶胶含量相较20世纪90年代有所增加,可能与中东地区沙尘释放的持续增加相关。中东地区降水减少导致地表干燥,加上中东地区气旋频次增加(增加了25.8%),使更多沙尘通过上升气流传输到中亚地区的对流层中高层。同时,中纬度西风急流的增强导致更多的中亚沙尘被输送到中国西北,然后由中国西北地区的偏北风将沙尘向南输送到青藏高原上空31

戈壁沙漠沙尘是否可以传输到青藏高原?其传输路径及传输机制是什么?针对以上亟待解决的问题,本研究利用耦合动态沙源的WRF-Chem模式结合FNL再分析资料,基于2020年4月戈壁沙漠一次典型的沙尘事件,系统探讨了春季戈壁沙漠沙尘向青藏高原东北部的传输路径及传输机制,为进一步探讨外源沙尘影响青藏高原及其周边地区的天气气候变化提供理论基础。

1 研究方法与数据来源

沙源函数(S)表示区域内沙源的分布,由地形起伏特征(H)和地表裸露度(B)共同决定,反映起沙强度。相对于静态沙源,S更能准确反映沙源的时空变化。研究中使用高空间分辨率的海拔数据计算地形起伏,利用MODIS的NDVI数据计算地表裸露度,结合这两种数据构建全球动态沙源函数。通过MODIS卫星观测的全球雪盖和土壤地表分类数据,对动态沙源函数进行约束,提高其精度。

1.1 动态沙源函数的构建

1.1.1 地表裸露度

在数值模式起沙方案(GOCART方案)中,沙尘源区是基于AVHRR卫星的平均地表覆盖数据32。这种方法构造的沙尘源区与卫星所观测的沙尘源区一致,但它是一个静态函数,既不反映土地覆盖变化,也不考虑土壤裸露的季节变化。因此,为了更好地反映沙尘源区的季节性变化,我们利用2001—2020年的NDVI数据构建了全球地表裸露度33-34。对应方程为:

B=N<0.15/Ntotal

式中:NtotalN<0.15分别为0.5°×0.5°网格单元的NDVI网格点总数和NDVI值小于阈值的网格点数。当地面裸露时,NDVI很低,而当地面植被覆盖增多时,NDVI升高。低于阈值的地表被认为是裸露的。

1.1.2 地形起伏特征函数

沙源函数由地表裸露度和地形起伏特征决定。地形起伏特征表示选取标准网格内的相对地形高度。普遍来说,相对地形高度越低则认为沙尘越容易累积。该方法考虑地表侵蚀产生的沙尘沉积物在山谷和洼地中的积累35

H=[(Zmax-Z i )/(Zmax-Zmin)]5

式中:H是每个网格单元的地形起伏特征;Zi 是网格单元i处的地形标高;ZmaxZmin分别代表周围区域中的最高点和最低点。为增加地形对比度,相对地形高度取5次幂。

1.2 WRF-Chem模式

区域空气质量模式WRF-Chem模型(Weather Research and Forecasting model coupled to Chemistry)考虑了各种物理和化学过程,并在特定的时间和空间分辨率下实现气象模型和化学传输过程之间的完整耦合和在线反馈36。本研究采用WRF-Chem模型3.9.1版本,采用Lambert投影和单向嵌套网格。水平格网数为290(东西方向)×240(南北方向),格网分辨率为20 km,覆盖了整个中国东部地区和戈壁沙漠等主要沙尘源地区。选取了2020年4月戈壁沙漠一次典型的沙尘事件进行分析(2020年4月14至19日)。模式中所使用的参数化方案如表1所列。

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]

新窗口打开| 下载CSV


1.3 数值试验设置

为了揭示春季戈壁沙漠沙尘向青藏高原的传输机制,数值试验设置仅由戈壁沙漠起沙,关闭东亚其余沙源区起沙,起沙通量大于20 μg·m-3·s-1,高值区位于戈壁沙漠东南部约30 μg·m-3·s-1图1)。在分析戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输时,重点分析青藏高原北坡(35°—40°N,92°—96°E)与东坡(35°—40°N,99°—102°E)。

图1

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)


1.4 主要数据

2001—2020年归一化植被指数(NDVI)空间分辨率为0.05°×0.05°,时间分辨率为1个月,基于此分析计算全球尺度的动态裸露度。数据来源https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod13.php

土地覆被数据来自MODIS年产品MCD12C1,空间分辨率为0.05°×0.05°。选取开放灌木丛、稀树草原、贫瘠或植被稀疏、草原、农田以及马赛克农田(占地面积不到60%的地区)作为潜在的沙源。数据来源于https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/

积雪数据来自2001—2020年的MODIS产品,空间分辨率为0.05°×0.05°,时间分辨率为1个月,用以限制动态沙源。数据来源于https://nsidc.org/data/mod10a2/versions/61

MODIS AOD数据来自550 nm处的气溶胶光学厚度(AOD)产品,该产品结合了“暗黑”算法(DT)和“深蓝”算法(DB),具有1 km的空间分辨率。数据来源于https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/

1.5 HYSPLIT 模型

HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory)是一种用于模拟大气颗粒物和气溶胶传输的数值模型,为拉格朗日型气溶胶/气体传输模型,能够追踪气溶胶粒子和气体在大气中的传输、沉降和扩散过程。利用后推气流轨迹聚类分析法分析根据空间相似性,对到达研究点的空气质量轨迹进行了分类,确定了主导的气流方向和潜在的污染源。

2 结果与分析

2.1 模式验证

通过观测结果和模拟结果对比可知,WRF-chem整体上较好地再现了此次影响中国北方的沙尘事件。具体来说,在AOD高值区塔克拉玛干沙漠和四川盆地,均具有较好的模拟结果,在戈壁沙漠以及华北平原等中国北方地区,较好地反映出沙尘的空间分布,AOD数值上相近(图2)。对比中国北方(30°—50°N,80°—120°E)大部分站点PM10浓度与WRF-chem 模拟PM10浓度可知,模式结果存在一定的低估。总体来说,WRF-chem模式在空间分布上较好地再现了此次沙尘过程,但是在数值上存在一定的低估。

图2

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)


此外,选取青藏高原北坡和东坡的气象站点,分析观测站点在此次沙尘事件中PM10浓度时间序列(图3),间接反映沙尘浓度的时间序列变化。整体上,在4月16日和4月17日,5个气象站观测到的PM10浓度相对于14日有所上升,站点日平均PM10浓度整体达到峰值,超过125 μg·m-3,其中德令哈市(37.38°N,97.37°E)17日日均PM10浓度超过225 μg·m-3。18日各站点的PM10浓度有所下降,而19日短暂回升。同样的,WRF-chem模拟的PM10较好地再现了此次沙尘事件中,青藏高原北坡和东坡PM10浓度时间序列的整体趋势,反映出了沙尘到达青藏高原的时间和整体峰值时间,再现了此次沙尘过程,尽管在数值上高估了PM10的浓度。

图3

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


2.2 戈壁沙漠沙尘向青藏高原的传输特征

WRF-Chem模拟试验直观地揭示了2020年4月戈壁沙漠沙尘在环流驱动下的分布和传输特征,此次戈壁沙漠沙尘事件中沙尘经向传输十分显著。近地面,4月14日沙尘高值区(浓度大于350 μg·m-3)主要分布于戈壁沙漠及以北地区,15日南下传输至青藏高原东北部外缘。16日青藏高原东北部河西走廊盛行东风,部分沙尘被传输至青藏高原北坡,并伴随中国中部大范围北风,导致沙尘自青藏高原东北传入高原,最大浓度位于东坡(约180 μg·m-3)。17日沙尘径向输送进一步加强,大量沙尘气溶胶进一步传输至青藏高原东北部(图4)。700 hPa,戈壁沙漠沙尘在15日随北风聚集在青藏高原东北外缘,沙尘浓度大于100 μg·m-3,16日来自戈壁沙漠西南部的沙尘在东北气流作用下传输至青藏高原北坡。18日沙尘在青藏高原东北坡绕流南下输送。19日蒙古气旋东移南下,高空锋区位于中国中部,槽区附近偏北气流引导南下的沙尘在青藏高原东北聚集,浓度大于100 μg·m-3图5)。500 hPa,4月16日青藏高原北部河西走廊区域出现弱短波槽,青藏高原东北部位于槽前,有利于戈壁沙漠沙尘传输至高原。17日短波槽发展东移至青藏高原东北部,在槽后偏北气流引导下,传输至青藏高原的沙尘浓度达到传输过程的最大值,约40 μg·m-3。19日青藏高原北部存在的气旋性流场促进沙尘传输至青藏高原西北部,浓度大于15 μg·m-3图6)。

图4

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

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

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进一步给出了戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输的经向剖面,比较了青藏高原北坡与东坡沙尘的经向传输特征。东坡输送的沙尘浓度与输送面积均小于北坡,而东坡沙尘传输高度要远大于北坡,甚至可达10 km(图7)。16—17日青藏高原北坡近地北风使此处沙尘传输效率大于东坡。而东坡受其较大地形变率影响,沙尘垂直运动较北坡旺盛。这种传输差异主要由风向控制范围差异引起。

图7

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)


16日青藏高原北坡近地面风场具有南北方向的对流运动,有利于在北坡形成辐合上升的环流场,促进沙尘抬升至高空。17日高空北风显著加强,青藏高原大部处于北风控制下,有利于高空沙尘向青藏高原腹地传输。15日青藏高原东坡高空北风强盛,近地面受祁连山脉阻挡(40°N以南地形图显著凸起区),背风坡风速低,且上升运动不明显,在高大地形阻挡下沙尘随风绕流并聚集于青藏高原北坡。16日青藏高原上空风向转变为南风,在祁连山脉以南风场辐合,有利于沙尘向上抬升。17日随着上升运动的增强,大量沙尘在祁连山以北被抬升至10 km高空。但由于高空南风的控制,沙尘难以向南传输至青藏高原,减小了向青藏高原输送的沙尘浓度(图8)。

图8

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


青藏高原东坡和北坡的沙尘来源存在偏东和偏北的两条路径。此次沙尘事件中,约有5条传输路径影响青藏高原东坡,其中来自戈壁沙漠沙尘的输送约占42%,以偏东的方向输送至青藏高原东坡(图8A)。此次沙尘事件中,约有5条传输路径影响青藏高原北坡,其中来自戈壁沙漠和蒙古国西南部的沙尘输送约为61%,以偏北的方向输送至青藏高原北坡(图8B)。对戈壁沙漠中蒙古国达兰扎德嘎德(43.57°N、104.43°E)2020年4月14日00:00(UTC)进行120 h沙尘前向轨迹分析,发现传输至青藏高原的沙尘,约为3%左右(图C)。进一步通过WRF-chem模式进行计算,发现此次戈壁沙漠沙尘输送至青藏高原北坡和东坡区域(35°—40°N、92°—102°E)的沙尘柱浓度贡献约1.79%,沙尘干沉降贡献约2.15%。综上,与利用WRF-Chem和FNL再分析资料得出的戈壁沙漠沙尘以偏东和偏北的方向影响青藏高原东部和北部的传输路径相一致。至青藏高原北坡和东坡区域(35°—40°N,92°—102°E)的沙尘浓度与主体沙尘天气沙尘浓度对比,约在3%左右,沙尘沉降速率约39.17 μg·m-2·s-1

2.3 影响传输路径的天气机制

根据垂直剖面与水平分布可知,风向和风速及其所引起的局地环流形式的改变,影响着沙尘向青藏高原输送。因此,选取16—17日FNL再分析资料绘制经向风速分布,以探究经向风速分布同沙尘传输的联系。16日华北地区处于强北风控制,冷空气促进大量沙尘传输至长江流域。17日北风风速大值区东移,青藏高原东部南风增强,暖空气北上,将青藏高原东坡沙尘向北坡方向输送,阻碍东坡沙尘向青藏高原传输。北坡16日12:00起柴达木盆地附近存在一北风风速大值中心,最大风速16 m·s-1,有利于青藏高原北坡沙尘经向传输。青藏高原北坡与东坡在16日12:00与06:00局地垂直速度分别大于0.02 m·s-1与0.04 m·s-1,促进沙尘传输(图9)。

图9

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


对16—17日FNL再分析资料的纬向风速分布的分析显示,16日青藏高原上空700 hPa闭合低压对沙尘传输路径有显著影响(图10),主要表现在以下两方面:首先,闭合低压的形成促使东风盛行。自15日起,东风大值区在河西走廊-祁连山脉一带控制,东风持续加强,位于塔克拉玛干沙漠的308 dagpm等高线竖槽持续向南推进,覆盖南疆盆地和青藏高原北部大部分地区。16日00:00,槽发展为闭合低压,气旋性进一步增强,东风也增强。

图10

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)


其次,蒙古气旋东移引起的切变线与700 hPa闭合低压引起的切变线在同一纬度带引起上下游效应,加强了青藏高原北坡上空的西风,促进了沙尘向青藏高原北坡的传输。16日天气形势演变显示,在蒙古气旋东移且强度减弱的过程中,黄河-渤海一线以北以东风为主导,以南以西风为主导,形成明显的风向切变。同时,青藏高原上空切断低压引起的祁连山脉北侧与南侧也存在显著的风向切变,与华北地区切变线方向相似,在同一纬度带产生上下游效应,进一步加强了青藏高原北坡上空的西风,推动沙尘向青藏高原北坡传输。

青藏高原上空切断低压影响沙尘的传输路径,而该闭合低压出现原因须追溯至500 hPa天气形势。利用FNL再分析资料分析500 hPa位势高度场和温度场的配置,解释16日青藏高原上空闭合低压的形成。中高纬度呈现两槽两脊分布,两槽分别位于乌拉尔山以东和贝加尔湖以南,均为气旋系统。两脊位于巴尔喀什湖和贝加尔湖之间,以及中国东北的弱脊。中低纬度主要的控制系统包括河西走廊-祁连山脉弱脊、新疆北部弱脊、青藏高原上空短波槽和东南沿海的深厚大槽(图11)。

图11

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


中高纬度的两个气旋系统对沙尘传输产生了显著影响。乌拉尔山以东的气旋系统高度场滞后于温度场,形成冷平流槽前和暖平流槽后,随东移逐渐减弱。相反,蒙古气旋的温度场滞后于高度场,槽后存在冷平流,槽前有暖平流,在东移过程中逐渐发展成熟。这两个系统的东移破坏了新疆以北的脊,推动了青藏高原上空短波槽的发展。15日青藏高原上空短波槽出现,与高原存在的阶梯槽同位向叠加,塔克拉玛干与河西走廊-祁连山脉上空的气旋性涡度增大。在中高纬的双气旋系统的配合下,温度场在中国范围经向梯度极大,强盛北风作为高空引导气流阻止中国西部地区暖气团北进。16日,乌拉尔山以东的气旋系统东移过程中,新疆脊减弱,塔克拉玛干东侧出现弱短波槽并东移(后发展移动为青藏高原上空短波槽),700 hPa低压形势开始建立。河西走廊-祁连山脉位于青藏高原短波槽槽前,槽前上升运动加强,低空气压降低,促进700 hPa闭合低压产生。随后,青藏高原上空短波槽东移,其槽线自高纬度向低纬度呈现东北-西南方向倾斜。东南沿海的深厚大槽与东移南下的蒙古气旋槽区逐渐并合,为蒙古气旋槽前和槽后源源不断地提供暖平流和冷平流,有利于蒙古气旋东移南下时其强度的维持,通过对整体形势场经向梯度的影响,为700 hPa闭合低压的维持提供有利条件。

气旋系统同急流沿经向延伸关系密切,低压中心常沿急流轴两侧分布,移动和发展受高空急流影响(图12)。急流带东移南下的过程中,风速中心的不同移动速度促使乌拉尔山以东系统和蒙古气旋向东移和东移南下。15日00:00,新疆北部的急流轴存在两个分别位于巴尔喀什湖东侧和南侧的中心风速可达50 m·s-1的急流中心。内蒙古西北部存在一个弱的急流中心。06:00,东侧急流核向东南移动,并与内蒙古的弱急流中心合并,移至蒙古国与中国交界处西侧,其中心强度发展,使得15日06:00蒙古气旋加强。南侧急流中心东移减弱,分裂出破碎的风速大值区,随高空南向引导气流的移动,使得原位于乌拉尔山东侧的低压系统向东移动。16日00:00,急流轴随西风带快速移动,从中国西北部迁至中部。蒙古气旋中心随之逐渐移至中国华北地区,位于急流轴出口左侧,有利于蒙古气旋的加强。18:00,河西走廊-祁连山脉一带出现新的急流中心,蒙古气旋逐渐与青藏高原绕流北支槽合并,强度达到最大。

图12

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


除了影响气旋系统的移动外,急流下沉支导致的动量下传可促使近低空风速增大,加强近地东风。低空闭合低压有利于近地东风产生,且高空短波槽与低空闭合低压的高低空结构下,高空急流西风动量也成为加强沙尘向传输的因素。

15日东风风速大值区主要位于95°E以西(图13E和F)。在90°E附近出现上升运动,95°E为下沉运动,高空西风,近地为东风的次级环流。其中下沉支来自脊前槽后的下沉运动(图13A)。相较于15日,16日在105°E,300 hPa附近及其上空存在强辐合区域,近地面为强辐散区(图13G和H),急流中心存在于100°E以东,位于甘肃中部与内蒙古西端交界,该区域位于急流下沉分支,下沉气流显著,动量下传程度大(图13C和D)。根据河西走廊-祁连山脉区域与中-蒙交界动量下传方向的对比可知,前者在100°E附近下沉气流风向切变较大,风向在近地变为东风,进一步加强由700 hPa闭合低压所导致的近地东风(图13A和B)。95°E自近地至500 hPa存在深厚辐合区,高空为辐散区,区域内上升运动强烈,对应16日天气形势中青藏高原上空短波槽的槽前区(图13B)。而近地面低压位于整体槽区槽后,青藏高原上空短波槽东移,使局地高空槽位于近地低压区以东。100°E以东地面被低空辐散区域覆盖,其中心与高空辐合区中心随高度呈现前倾结构,使下沉运动具有向西趋势,从而发生高空强风动量向近地低空传输。

图13

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)


3 结论

青藏高原是全球气候变化的关键地区,了解戈壁沙漠沙尘输送至青藏高原的过程和机制,对于了解青藏高原及其周边地区的气候变化,以及环境和生态平衡具有重要意义。

在此次事件中,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。沙尘在近地面由戈壁沙漠向南传输至青藏高原东北部,最大浓度约180 μg·m-3。700 hPa大量沙尘自戈壁沙漠西南部随东北气流传输至青藏高原北坡与东坡,受青藏高原高大地形阻挡,沙尘在此处发生聚集。500 hPa高空存在的短波槽促进沙尘向青藏高原东北部传输,最大浓度约40 μg·m-3。经向传输过程中,东坡沙尘垂直运动旺盛,沙尘抬升高度接近10 km,北坡近地偏北气流更为强盛,传输至青藏高原的沙尘量显著大于东坡,浓度为15~20 μg·m-3

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,天气形势沿经向梯度较大,引导大量冷空气南下进入中国,是戈壁沙漠沙尘大范围经向传输至青藏高原东北部的环流形势背景。200 hPa高空急流轴东移南下,急流中心的移动合并和产生促使蒙古气旋东移和发展。气旋东移过程通过冷暖平流和上下游效应促进新疆脊的破坏与青藏高原上空短波槽的建立,在河西走廊西北部低层辐合高层辐散,在青藏高原上空700 hPa产生闭合性低压,增强青藏高原北坡偏北风。短波槽与700 hPa闭合低压存在高低空前倾配置,促使200 hPa高空急流动量下传,进一步增大河西走廊700 hPa东风带风速,有利于戈壁沙漠沙尘向高原输送。据此,河西走廊700 hPa的东风带与青藏高原北坡的偏北大风,构成沙尘向青藏高原东坡和北坡传输,并进一步向青藏高原腹地传输的有利流场。

本研究对戈壁沙漠沙尘传输至青藏高原的路径和机制进行了初步的探讨,补充完善了外源沙尘传输至青藏高原的输送路径和输送原理。在全球变暖和人类活动的影响下,干旱半干旱地区荒漠化不断加剧,极端沙尘事件频发,对青藏高原脆弱的生态环境造成威胁,也影响着高原地区的气候变化。未来,还需进一步开展相关研究,例如:云-沙尘气溶胶-降水相互作用,沙尘气溶胶的辐射效应,沙尘气溶胶引起的积雪变化等等,完善外源沙尘对青藏高原及其周边地区气候变化的影响。

参考文献

Huang JYu HGuan Xet al.

Accelerated dryland expansion under climate change

[J].Nature Climate Change,201662):166-171.

[本文引用: 1]

Huang JYu HDai Aet al.

Drylands face potential threat under 2 C global warming target

[J].Nature Climate Change,201776):417-422.

[本文引用: 1]

Gillette D.

Soil derived dust as a source of silica:aerosol properties,emissions,deposition,and transport

[J].Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology,199773):303-311.

[本文引用: 1]

Houser C ANickling W G.

The emission and vertical flux of particulate matter <10 μm from a disturbed clay‐crusted surface

[J].Sedimentology,2001482):255-267.

Middleton N J.

Desert dust hazards:a global review

[J].Aeolian Research,20172453-63.

[本文引用: 1]

Miller O LSolomon D KFernandez D Pet al.

Evaluating the use of strontium isotopes in tree rings to record the isotopic signal of dust deposited on the Wasatch Mountains

[J].Applied Geochemistry,20145053-65.

[本文引用: 1]

Schepanski K.

Transport of mineral dust and its impact on climate

[J].Geosciences,201885):151.

[本文引用: 1]

Schulz MProspero J MBaker A Ret al.

Atmospheric transport and deposition of mineral dust to the ocean:implications for research needs

[J].Environmental Science & Technology,20124619):10390-10404.

[本文引用: 1]

Kurt-Karakus P B.

Determination of heavy metals in indoor dust from Istanbul,Turkey:estimation of the health risk

[J].Environment International,20125047-55.

[本文引用: 1]

Zhang X YGong S LZhao T Let al.

Sources of Asian dust and role of climate change versus desertification in Asian dust emission

[J].Geophysical Research Letters,20033024):018206.

[本文引用: 1]

Zhang X YArimoto RAn Z S.

Dust emission from Chinese desert sources linked to variations in atmospheric circulation

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,1997102D23):28041-28047.

[本文引用: 1]

Huang JMinnis PChen Bet al.

Long‐range transport and vertical structure of Asian dust from CALIPSO and surface measurements during PACDEX

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2008113D23):010620.

[本文引用: 1]

Huang JMinnis PLin Bet al.

Possible influences of Asian dust aerosols on cloud properties and radiative forcing observed from MODIS and CERES

[J].Geophysical Research Letters,2006336):024724.

[本文引用: 1]

Qian YFlanner MLeung L Ret al.

Sensitivity studies on the impacts of Tibetan Plateau snowpack pollution on the Asian hydrological cycle and monsoon climate

[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2011111929-1948.

[本文引用: 1]

Chen SHuang JKang Let al.

Emission,transport and radiative effects of mineral dust from Taklimakan and Gobi Deserts:comparison of measurements and model results

[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2017173):1-43.

[本文引用: 1]

Vova OKappas MRenchin Tet al.

Land degradation assessment in Gobi-Altai province

[J].Building Resilience of Mongolian Rangelands,201521):54.

[本文引用: 1]

李晓岚张宏升.

2010年春季北京地区强沙尘暴过程的微气象学特征

[J].气候与环境研究,2012174):400-408.

[本文引用: 2]

Dagvadorj D.

Mongolia second national communication under the United Nations framework convention on climate change

[R].Ulaanbaatar,Mongolia:Ministry of Nature,Environment and Tourism2010.

[本文引用: 1]

张凯高会旺张仁健.

我国沙尘的来源、移动路径及对东部海域的影响

[J].地球科学进展,2005206):627-636.

[本文引用: 1]

Kai ZHuiwang G.

The characteristics of Asian-dust storms during 2000-2002:from the source to the sea

[J].Atmospheric Environment,20074139):9136-9145.

[本文引用: 1]

罗勇.

青藏高原冬春季雪盖对东亚夏季大气环流影响的研究

[J].高原气象,1995144):505-512.

[本文引用: 1]

Shichang KWake C PDahe Qet al.

Monsoon and dust signals recorded in Dasuopu glacier,Tibetan Plateau

[J].Journal of Glaciology,200046153):222-226.

Kang SXu YYou Qet al.

Review of climate and cryospheric change in the Tibetan Plateau

[J].Environmental Research Letters,201051):015101.

[本文引用: 1]

Chen S YZhao CQian Yet al.

Regional modeling of dust mass balance and radiative forcing over East Asia using WRFChem

[J].Aeolian Research,20141515-30.

[本文引用: 1]

Chen SHuang JQian Yet al.

An overview of mineral dust modeling over East Asia

[J].Journal of Meteorological Research,2017314):633-653.

[本文引用: 1]

韩永翔奚晓霞宋连春.

青藏高原沙尘及其可能的气候意义

[J].中国沙漠,2004245):588-592.

[本文引用: 1]

马耀明胡泽勇田立德.

青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究进展

[J].地球科学进展,2014292):207-215.

[本文引用: 1]

Huang JGe JWeng F.

Detection of Asia dust storms using multisensor satellite measurements

[J].Remote Sensing of Environment,20071102):186-191.

[本文引用: 1]

Chen YChen SZhao Det al.

The role of boundary layer height in India on transboundary pollutions to the Tibetan Plateau

[J].Science of The Total Environment,2022837155816.

[本文引用: 1]

Chen SHuang JZhao Cet al.

Modeling the transport and radiative forcing of Taklimakan dust over the Tibetan Plateau:a case study in the summer of 2006

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,20131182):797-812.

[本文引用: 1]

Feng XMao RGong D Yet al.

Increased dust aerosols in the high troposphere over the Tibetan Plateau from 1990s to 2000s

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,202012513):032807.

[本文引用: 1]

DeFries R STownshend J R G.

NDVI-derived land cover classifications at a global scale

[J].International Journal of Remote Sensing,19941517):3567-3586.

[本文引用: 1]

Kim DChin MBian Het al.

The effect of the dynamic surface bareness on dust source function,emission,and distribution

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,20131182):871-886.

[本文引用: 1]

Kim DChin MRemer L Aet al.

Role of surface wind and vegetation cover in multi-decadal variations of dust emission in the Sahara and Sahel

[J].Atmospheric Environment,2017148282-296.

[本文引用: 1]

Ginoux PChin MTegen Iet al.

Sources and distributions of dust aerosols simulated with the GOCART model

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2001106D17):20255-20273.

[本文引用: 3]

Grell G APeckham S ESchmitz Ret al.

Fully coupled “online” chemistry within the WRF model

[J].Atmospheric Environment,20053937):6957-6975.

[本文引用: 1]

Chen FDudhia J.

Coupling an advanced land surface-hydrology model with the Penn State-NCAR MM5 modeling system.Part I:model implementation and sensitivity

[J].Monthly Weather Review,20011294):569-585.

[本文引用: 1]

Hong S YNoh YDudhia J.

A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes

[J].Monthly Weather Review,20061349):2318-2341.

[本文引用: 1]

Grell G ADévényi D.

A generalized approach to parameterizing convection combining ensemble and data assimilation techniques

[J].Geophysical Research Letters,20022914):38-1-38-4.

[本文引用: 1]

Thompson GRasmussen R MManning K.

Explicit forecasts of winter precipitation using an improved bulk microphysics scheme.Part I:description and sensitivity analysis

[J].Monthly Weather Review,20041322):519-542.

[本文引用: 1]

Iacono M JDelamere J SMlawer E Jet al.

Radiative forcing by long‐lived greenhouse gases:calculations with the AER radiative transfer models

[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2008113D13):009944.

[本文引用: 1]

/