青藏高原沙尘气溶胶时空变化及其来源地分析_李本涛.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023李本涛，张镭，张云舒，等，2023.青藏高原沙尘气溶胶时空变化及其来源地分析 J.高原气象，42（3）：564-574.LI Bentao，ZHANG Lei，ZHANG Yunshu，et al，2023.Temporal and Spatial Changes of Dust Aerosol over Qinghai-Xizang（Tibet）Plateau and Analysis on Its Source Regions J.Plateau Meteorology，42（3）：564-574.DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00100.青藏高原沙尘气溶胶时空变化及其来源地分析李本涛1，张镭1，2，张云舒1，张浩田1，卢格非1（1.半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学西部生态安全省部共建协同创新中心，甘肃 兰州 730000）摘要：沙尘气溶胶作为地球大气气溶胶的重要组成部分，对全球气候、生态环境和人体健康都有重要影响。厘清青藏高原地区的沙尘气溶胶时空分布变化，对研究青藏高原沙尘气溶胶气候环境效应有重要意义。利用风云卫星遥感资料、再分析资料等多源数据，统计分析了1999-2020年青藏高原上空沙尘气溶胶的时空分布特征。高原沙尘活动强度在季风期明显高于非季风期，沙尘气溶胶光学厚度（Dust Optical Depth，DOD）在春、夏、秋、冬季的多年平均分别为0.176、0.064、0.032、0.060，气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）为0.223、0.118、0.069、0.117。柴达木盆地是青藏高原地区沙尘活动最活跃的区域，在高原西部和南部监测到零星沙尘活动。2018-2020年，青藏高原上空发生沙尘事件的天数分别为：192天、218天和212天。东亚地区沙尘源地（约62%）与中东、中亚地区沙尘源地（约30%）分别是高原北部和南部沙尘气溶胶的主要来源，源自北非地区的沙尘主要影响高原南部的高海拔地区。青藏高原地区沙尘活动在2000-2012年强度较高，2012-2020年后呈现波动变化。青藏高原地区的沙尘活动影响范围和强度受到塔克拉玛干沙漠地区的降水、风场变化影响，相关系数分别为-0.56和-0.32。关键词：沙尘气溶胶；卫星遥感；青藏高原；沙尘源地文章编号：1000-0534（2023）03-0564-11 中图分类号：P414.4 文献标识码：DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.001001 引言 沙尘气溶胶是地球大气气溶胶的重要组成部分，对气候、环境和人体健康都有重要影响。全球每年约有2000Tg沙尘粒子从干旱半干旱区输送到大气中（Monks et al，2009）。沙尘气溶胶不仅可以通过散射、吸收改变进入大气中的太阳辐射，直接影响地-气系统的辐射能量平衡（Charlson et al，1992；Zhou et al，1994；Ramanathan et al，2001），还可与酸性气体反应或吸附可溶性成分成为云凝结核、冰核，参与云微物理过程，进一步影响区域和 全 球 气 候（Trochkine et al，2003；Li，2004；Laskin et al，2005；Formenti et al，2011；Zhao et al，2019；黄建平等，2021；徐小红等，2021）。沙尘天气过程可以将沙尘气溶胶输送至人口密集区域，污染环境、危害公共健康（Griffin，2007）。在远距离输送过程中，沙尘携带的微量元素和营养物质在海洋（Moore et al，2004）和陆地（Reynolds et al，2001）沉降，进而作用于陆地和海洋生态系统。大气沙尘气溶胶的时空变化具有复杂性，受沙尘源地、气象条件和人类活动等多种因素影响。沙尘气溶胶的实际观测资料时空连续性受到站点选址的影响，其观测覆盖范围和代表性有限，对数值模式评估沙尘气溶胶环境和气候效应造成较大不确定性（夏祥鳌和王明星，2004；Li et al，2021；Zhao et al，2021）。因而，要合理评估气溶胶的环收稿日期：20220802；定稿日期：20221116资助项目：第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0602）作者简介：李本涛（1996-），男，江苏常州人，硕士研究生，主要从事大气气溶胶与卫星遥感研究.E-mail：通信作者：张镭（1960-），男，山西临汾人，教授，主要从事大气物理与大气环境、大气气溶胶及其气候效应研究研究E-mail：A李本涛等：青藏高原沙尘气溶胶时空变化及其来源地分析3 期境和气候效应，需要获得沙尘气溶胶长时间序列、高分辨率的观测资料。沙尘气溶胶源地分布集中在全球沙漠、戈壁地区，通过地面激光雷达和飞机观测可以获取沙尘垂直分布廓线（Dickerson et al，2007；马学谦等，2021），但资料难以满足全球和区域尺度精细化研究的需要。20世纪 70年代以来，基于地球卫星遥感平台的全球和区域气溶胶探测技术迅速发展。（1）被动式遥感卫星，例如中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）、多角度成像光谱仪（Multi-angle Imaging SpectroRadiometer，MISR）和 臭 氧 总量 探 测 仪（Total Ozone Mapping Spectrometer，TOMS），能够获取沙尘气溶胶分布和输送的遥感影像，但是无法提供沙尘气溶胶垂直方向的信息。由于沙尘气溶胶的垂直分布直接影响了大气的垂直加热，进而影响和改变了大气热力结构；此外通过不同云微物理过程中的间接效应，在气溶胶-云相互作用中扮演重要角色，沙尘垂直分布的研究变得十分有必要。（2）较晚出现的主动式遥感极轨卫星，可以提供气溶胶垂直高度信息，但是时空分辨率不足。2006年4月28日美国发射并至今在轨运行的极轨卫星 CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation），其搭载的激 光 雷 达 CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization），能够提供全球范围内多年连续的气溶胶垂直廓线信息（Winker et al，2006）。陈怡璇等（2021）利用 CALIOP 和 OMI资料对比分析了矿物沙尘与盐尘气溶胶的光学特性，结果表明：咸海地区盐尘的不规则程度小于塔里木盆地源区沙尘，其粒径远小于沙尘。徐成鹏等（2014）利用2006年6月至2012年5月的CALIOP资料分析了我国典型地区沙尘气溶胶的垂直分布和季节变化，在38N-44N之间存在明显的沙尘输送带，受季节性风场变化和源区对流活动的影响。Xu et al（2020）通过估算青藏高原地区春季沙尘质量通量表明，经由柴达木盆地的沙尘对青藏高原地区春季沙尘质量通量的贡献占主导地位。田甜和马建中（2021）利用模式模拟分析研究 2010-2012年青藏高原上空气溶胶光学厚度及其直接辐射强迫的时空分布规律，结果表明：沙尘气溶胶在高原北部边缘大气顶产生正辐射强迫，气溶胶直接辐射强迫高值区出现在沙尘含量高的地区。Yang et al（2021）研究了2007-2019年青藏高原及其邻近区域上空对流层内的气溶胶分布特征，青藏高原内部区域的多年平均气溶胶光学厚度为0.098，青藏高原地区气溶胶光学厚度在春季和夏季较高。（3）静止卫星以高时空分辨率的优势，为气溶胶直接和间接气候效应评估提供了良好的资料，在沙尘监测和沙尘天气预报中有着广泛的应用。胡秀清等（2003，2007）、罗敬宁等（2017）、吴硕秋和马晓燕（2020）、蒋盈沙等（2021）、姜红等（2021）、段伯隆等（2021）分别利用风云系列静止气象卫星开展沙尘监测和研究工作。由于青藏高原处于西风带和亚洲季风带叠加影响区域，气溶胶来源和影响复杂，前人研究在沙尘过程和单站观测方面开展了大量工作，缺乏对于青藏高原沙尘活动长期监测和定量分析。Zhao et al（2021）指出由于模式分辨率不足，未能解析青藏高原本地沙尘释放过程，影响了地表沙尘浓度模拟效果。以往研究工作针对AOD、AE等变量的时空分布表征沙尘活动的时空变化，缺乏对沙尘活动强度及范围的定量评估；近年来对青藏高原内部沙尘释放、传输和沉降的观测实验在局地揭示了沙尘来源和影响机制，如狮泉河（Zhang et al，2021）、雅鲁藏布江河谷地区（马鹏飞等，2021），但迄今沙尘气溶胶对青藏高原的影响未被充分揭示，制约了相关研究的深入开展。本文利用 1999-2020年的新一代气象静止卫星风云四号 A（FY-4A）的沙尘检测（DustTest Product，DSD）产品、再分析资料MERRA-2气溶胶诊断产品和ModIs Dust AeroSol（MIDAS）数据集等多源数据资料，研究青藏高原沙尘气溶胶时空分布和相应气象条件变化的影响。利用 FY-4A提供的东亚地区沙尘活动的高时空分辨率数据产品，结合MERRA-2资料衍生的沙尘面积指数数据，深入分析 1999-2020年青藏高原地区沙尘活动范围和强度的变化，青藏高原地区沙尘活动与周边重要沙尘源地的气象条件变化之间的联系，包括塔克拉玛干沙漠降水和500 hPa风场等气象条件变化对青藏高原沙尘活动范围和强度的影响。2 研究区域与观测数据 2.1研究区域青藏高原世界海拔最高的高原，总面积约250104 km2，平均海拔超过4000 m。研究区域中青藏高原范围是60E-105E，20N-45N，海拔高程3000 m 的区域；塔克拉玛干沙漠范围是 76.3E-91.8E，36.4N-41.8N；塔克拉玛干沙漠-青藏高原北部范围是76.3E-91.8E，31.4N-41.8N。565高原气象42 卷2.2数据来源和方法介绍2.2.1气象静止卫星风云四号A（FY-4A）FY-4A每5 min获得一次遥感数据，对沙尘活动的监测几乎达到准实时，从捕捉光谱信息，到生成监测图像，仅需要20 min。FY-4A气象卫星的沙尘检测产品以沙尘分数表示，利用多通道扫描成像辐射计（Advanced Geosynchronous Radiation Imager，AGRI）波段特点，设计12组沙尘判识指标，沙尘分数由通过的检测指标个数及其阈值的PDF函数决定，沙尘分数越高，越接近标准沙尘光谱统计值，也即沙尘可能性越大（罗敬宁等，2017），推荐的沙尘分数16以上为沙尘像元，1416为可能沙尘像元，14 以下为非沙尘像元（胡秀清等，2007）。FY-4A的高分辨率遥感数据产品可为研究东亚区域沙尘天气过程提供重要资料。红外差值沙尘指数（Infrared Difference Dust Index，IDDI）是一种常见的沙尘识别方法，其基本原理是沙尘气溶胶会衰减地表发射的红外信号，进而星载探测器监测到地-气系统亮温降低，因此IDDI可作为沙尘强度的半定量参数（吴硕秋和马晓燕，2020）。本文将研究区域内FY-4A的逐小时沙尘检测（DSD）产 品 中 沙 尘 分 数（Dust Score Product，DST）14的像元，判定为沙尘像元，并在将所有沙尘像元的红外差值沙尘指数（Infrared Difference Dust Index，IDDI）进行对比分析，半定量地表征研究区域内沙尘活动的强度及其变化趋势。这一方法的适用性和可靠性已经在沙尘灾害预警业务和相关研究中得到印证（胡秀清等，2007；罗敬宁等，2017；吴硕秋和马晓燕，2020）。IDDI数值达到 10和 15，可以分别确定为“沙尘”和“严重沙尘”（李云，2018）。2