沙尘气溶胶约占气溶胶总量的一半^［1］，它通过直接、间接效应和铁肥料效应对全球气候和环境产生重大影响^［2-3］。以动力起沙为主的沙尘暴是沙尘气溶胶最主要的排放机制，全球每年向大气排放的沙尘气溶胶为1 514~4 313 Tg^［4-7］，但它只能解释沙尘暴时段的起沙量，无法解释非沙尘暴时段内大量沙尘气溶胶存在的事实^［8-9］，也不能解释沙尘暴模式模拟全球年起沙量远低于观测总量的事实^［10］，暗示除了沙尘天气起沙外还可能存在另外的起沙机制^［11］。

考虑沙尘湍流脉动输送所需的时间以及稳态的起沙通量，曾庆存等^［12-13］将阵风起沙定义为1~10 min内的风扰动扬起的沙尘。在强风背景下阵风起沙量不可忽视。如学者利用ERA-40提供的阵风参数场，发现阵风在解释全球沙尘起沙高值区的年度周期方面具有绝对的优势^［1］；考虑阵风后，沙尘暴模型明显改善了沙特阿拉伯-印度-中国北部的沙尘分布数据质量，使沙尘暴起沙量增加了约20%^［14］。这些研究初步揭示阵风起沙可能对沙尘气溶胶中有重要作用，但这些研究关注的是冷锋、雷暴等天气动量下传引发的强阵风及其起沙量。在野外观测中发现在弱风背景下，有一些时间尺度非常小、风速较大的阵风也可起沙，出现极其频繁，其累积的年沙尘总量粗略估计是巨大的，但因缺乏高时间分辨率的风速观测资料，目前这方面的研究是空白。

根据曾庆存等^［12］阐述的阵风起沙机制，无论是强风还是弱风背景下的阵风起沙，其本质仍是动力起沙，地表阵风只有大于临界摩擦速度时，才能使地表沙粒跃移或飞起至空中。因此，强风情形下的沙尘气溶胶排放方案如Shao等^［15］、Bagnold^［16］、Owen^［17］方案以及Gillette方案^［18］仍可应用于弱风背景下阵风起沙通量的计算。由于不同方案之间计算的起沙通量存在明显的差异^［19-21］，为了在同一起沙方案下对比阵风和沙尘暴起沙量的贡献，综合考虑Gillette方案计算的简便性，本文拟采用Gillette方案，利用观测点1 min的1 a风速资料，分析了弱风背景下1 min阵风相对于10 min和1 h的变化特征，分别计算了阵风和沙尘暴的垂直起沙量，进而估算了弱风背景下阵风起沙量在月和年时间尺度内的相对贡献。该研究对阵风起沙是否是一个重要的大气沙尘排放机制给出定性的回答，有助于进一步完善现有的起沙机制。

观测点位于腾格里沙漠西南边缘的东沙窝 （37.55°N，102.56°E），年降雨量小于100 mm，而蒸发量高达2 400 mm，下垫面以沙漠为主。观测仪器为美国NK公司的Kestrel 5500风速气象仪，时间分辨率最高可达2 s，风速测量范围为0.6~40m·s^-1，精度在±3%以内。本文时间分辨率设为1 min，观测时间为2021年1月1日到12月31日。沙尘天气数据来源于2021年沙尘天气年鉴和Micaps （Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System）数据集。

利用Gillette方案^［18］计算垂直起沙通量的公式为：

式中：F为垂直起沙通量，为单位时间内地表向大气中排放的尘粒质量（g·m^-2·s^-1）；C₂为经验常数，近似取值为1.4×10^-15；u_* 为摩擦速度；u_*t 为临界摩擦速度。

摩擦速度u_* 可由常规观测风速计算获得：

式中：u_z 为高度z处的观测风速，本文z=10 m；z₀为空气学动力学粗糙度，根据沙漠和戈壁的野外观测^［22］，取z₀=4.54×10^-3。计算的u_* 随10 m风速的变化而变化。

根据丁国栋等^［23］的研究，10 m高度处的临界起沙风速为5 m·s^-1，代入式（2），可得到10 m高度的临界摩擦速度u_*t 为0.26 m·s^-1。当u_* >u_*t 时，即可起沙。

阵风总起沙通量的计算：当某一时段ΔT（min）内，存在n个超过u_*t 的u_*，可利用式（1）获得不同u_* 下的单次起沙通量F_i，则该时段内总阵风起沙通量即为：

定义观测点1 h内1 min风速均大于临界起沙风速时为系统性强风时段，常伴随沙尘天气；相反，1 h平均风速小于临界起沙风速，定义为弱风条件下的阵风时段，它排除了强风引发的阵风影响。

因一年内1 min风速过于密集，图1仅显示了弱风背景下夏季10 d内白天1 min风速随时间的变化。从图1可知，风速在［0，10］（单位：m·s^-1）剧烈波动，阵风具有明显的湍流结构和随机性，大部分时间的风速低于临界起沙风速5 m·s^-1，但每天均有大于5 m·s^-1的风速出现，也即出现了阵风起沙。对该序列分别进行了10 min、1 h和10 h的滤波，发现随着时间分辨率的降低，大于5 m·s^-1的风速出现次数越来越少。在10 min分辨率下，大于5 m·s^-1风速出现的次数虽远低于1 min分辨率下出现的次数，但几乎每天仍有大于5 m·s^-1的时段出现，但当时间分辨率下降到1 h，则仅有3 d出现大于临界起沙风速的时段；当时间分辨率下降到10 h，其趋势虽然变得更有规律，失去了随机性，但几乎没有出现大于5 m·s^-1的时段。

为了量化1 min风速在10 min和1 h平均风速下的风速扰动损失，采用了阵风系数GF（Gust Factor）的概念，定义为瞬时风与持续风力的比值，然后分别计算了1 min风速与10 min和1 h平均风速的GF，它代表了1 min瞬时风速相较10 min和1 h平均风速的放大系数。从图2可以看出，1 min/10 min的GF变化非常剧烈，围绕着平均值1.5在1~10波动，除了早晨和傍晚GF有时波动到10之外，白天大部分时间在1~3波动。同理，1 min/1 h的GF变化围绕着平均值3.1在1~12波动，早晚的波动比较剧烈，而白天大部分时间在2~4波动。它意味着用10 min和1 h的平均风速则会分别低估1.5倍和3.1倍以上的1 min瞬时风速，尤其是早晚的低估更加严重。

10 d的分析仍带有偶然性，为了研究1 a内阵风的变化，我们采用1 min的年风频谱进行研究，它表示了一年内每一风速段出现的概率。

在剔除了沙尘暴、扬沙、冷锋等系统性大风时段，以0.5 m·s^-1为风速段间隔，在弱风条件下，比较了1 a内1 min、10 min和1 h的风频谱。从图3可以看出，1 min、10 min和1 h风频谱的谱型基本相同，均呈单峰分布，谱峰值风速均为2 m·s^-1，峰值频率1 min<10 min<1 h，小于5 m·s^-1的小风占总频率的94%，也即大于5 m·s^-1临界起沙风速的频率在6%左右。风频谱谱宽随时间分辨率的降低而变小，如1 min的谱宽为11，10 min为10，1 h为8.5，频谱右侧长尾部分大风出现的频率则为1 min>10 min>1 h。10 min和1 h分辨率的风速由于对风速平均造成风速扰动变化的损失，大风出现的频率大大降低。

在月际时间尺度上，大于临界起沙风速频次的月际变化大体呈现出双峰分布，从12月起，出现频次越来越大，在5月和6月达到最大，7月降低后再次缓慢上升，11月出现第二个峰值，而4月和10月并没有遵从这一规律（图4）。

综上所述，大于5 m·s^-1临界起沙风速的频率约为6%，小于5 m·s^-1的小风的频率为94%，10 min和1 h的平均风速平滑掉了1 min大风的扰动，导致它低估了1 min瞬时风速。因此，利用10 min和1 h的平均风速很难捕捉到弱风背景下的阵性起沙，它可解释目前弱风背景下阵风起沙研究近乎空白的原因，因为常规和模式的气象资料只提供1 h风速，而只有时间分辨率更高的1 min风速资料，才能捕捉弱风背景下的阵风起沙。

沙尘暴和阵风的临界起沙风速均设为5 m·s^-1，利用站点观测1 min风速结合Gillette起沙通量公式，分别计算了2021年1 min沙尘暴和阵风的垂直起沙通量。由于1 min的垂直起沙通量过于密集且随机性较大，不利于分析，故而利用公式（3）计算了2021年1 h沙尘暴和阵风的垂直起沙通量（图5）。沙尘暴属于偶发性事件，沙尘暴起沙量全年分布较稀疏且不连续，主要发生在4—6月的个别天，但一旦发生，起沙量较大且波动范围很大，且随沙尘暴过程的强弱而变化，离散系数达到了1.3，在0.1×10^-6~5×10^-6 kg·m^-2·s^-1波动，这一结果与不同起沙方法计算的沙尘暴过程起沙量量级基本相同^［4-6］。相对沙尘暴起沙量的偶发性，阵风起沙量在全年大部分时段内的任一时刻均可发生，起沙量在0.001×10^-6~1×10^-6 kg·m^-2·s^-1变化，大部分时间的起沙量很小，小部分时间出现脉冲式的高起沙量，离散系数达到了2.12，超过了沙尘暴起沙量的离散系数，表明其波动性较沙尘暴更加剧烈。值得注意的是，在沙尘暴暴发期间，阵风起沙量不参与计算，这是因为这一区间已经定义为系统性大风阶段，非弱风背景。

不管怎么样，沙尘暴的起沙量要远大于阵风起沙量，是阵风起沙的5~100倍，故而阵风起沙量只能构成背景大气沙尘气溶胶，欲想评估阵风对大气沙尘气溶胶的贡献，只能对更长时间尺度内的累积起沙量进行评估。

假定沙尘气溶胶总起沙量仅包括沙尘暴和阵风起沙量，则阵风起沙量贡献=阵风起沙量/沙尘气溶胶总量。

在月时间尺度内，图6显示了阵风和沙尘暴月起沙量的贡献分布，在非沙尘天气的1—3月和7—12月，沙尘暴月起沙量的贡献率为0，阵风月起沙量贡献率则为100%；在沙尘天气期间，其中4月沙尘天气频发，4月沙尘暴起沙量的贡献率约90%，而阵风不到10%；5—6月沙尘暴起沙量的贡献率在46%~48%，两种起沙机制相近。显然，在月时间尺度内，弱风背景下的阵风起沙机制非常重要。

在年时间尺度内，计算了民勤单位格点区域2021年沙尘暴起沙总量为490 t，阵风起沙总量为600 t，则沙尘暴对年起沙总量的贡献率为45%，而阵风的贡献率为55%，这表明了弱风背景下的阵风起沙在区域沙尘气溶胶年排放中也占据重要地位。

本文利用2021年腾格里沙漠1 min风速资料，在分析了弱风背景下1 min阵风相对10 min和1 h的变化特征的基础上，基于Gillette的起沙方案，计算了强风背景下沙尘暴和弱风背景下的阵风起沙量，重新探讨了阵风起沙尘量和沙尘暴起沙量对月和年总起沙量的贡献情况。

弱风背景下的阵风具有明显的湍流结构和随机性，年内大于5 m·s^-1临界起沙风速的频率约占总数的6%，月际变化大体呈现出双峰分布，从12月起，出现频次越来越大，在5月和6月达到最大，然后缓慢下降，次峰值出现在11月。10 min和1 h的平均风速会低估1.5~3.1倍的1 min瞬时风速，很难捕捉到弱风背景下的阵性起沙。

阵风起沙可在任一时刻出现，起沙量0.001×10^-6~1×10^-6 kg·m^-2·s^-1，大部分时间的起沙量很小，偶尔出现脉冲式的高起沙量，波动非常剧烈，阵风起沙量只能构成背景大气沙尘气溶胶。沙尘暴属于偶发性事件，分布稀疏且不连续，主要发生在4—6月，但其一旦发生，起沙量0.1×10^-6~5×10^-6 kg·m^-2·s^-1，是阵风起沙的5~100倍。

假定沙尘气溶胶总起沙量仅包括沙尘暴和阵风起沙量，从月度贡献来看，在非沙尘期间，阵风是绝对性的起沙机制；在沙尘期间，沙尘暴起沙机制起支配作用。从年度贡献来看，沙尘暴起沙总量为490 t，阵风起沙总量为600 t，则沙尘暴对年起沙总量的贡献率为45%，而阵风的贡献率为55%，这表明弱风背景下的阵风起沙的累积效应在沙尘气溶胶排放中占据重要地位。

值得注意的是，本研究采用临界摩擦速度获取的垂直起沙通量是基于沙尘暴、扬沙等沙尘天气的强风过程的起沙参数化方案，其临界摩擦速度常要求沙尘浓度超过200 μg·m^-3［24］。对于弱风背景下的阵风起沙，单次能够形成阵风起沙量的浓度远小于200 μg·m^-3，现有的临界摩擦速度的计算方法和指标明显不适用于弱风背景下的阵风起沙量计算，阈值可能偏大，导致模拟的阵风起沙量偏小。同时，临界摩擦速度受粒子粒径、土壤水分含量、植被覆盖度以及土壤硬度等多重因素影响^［19-21］，而本文采用的临界摩擦速度是一个定值，计算的阵风和沙尘暴起沙量有一定的误差。此外，本研究仅选取腾格里沙漠中一个观测点，证实了阵风起沙机制的重要性，但阵风起沙量在区域的贡献仍然未知，特别是人为气溶胶出现时，情况将变得更加复杂，这些均有待未来进一步研究及完善补充。