青藏高原高空的沙尘气溶胶

马小燕，毛睿，冯星雅

摘 要：沙尘气溶胶是青藏高原高空大气气溶胶的重要组成部分。青藏高原高空的沙尘气溶胶对青藏高原及其周边地区的气候变化有重要影响。本文介绍了青藏高原高空沙尘气溶胶的主要源地及其贡献率，沙尘气溶胶随高度的时空变化特征，以及近20年高空沙尘气溶胶含量的长期变化。青藏高原高空沙尘气溶胶的主要源地包括非洲北部、中东地区、中亚、塔克拉玛干沙漠以及青藏高原。青藏高原本地沙源对青藏高原近地面沙尘气溶胶含量的贡献最高，贡献率约为69%，随着高度升高，本地沙源的贡献率逐渐降低。外来沙源中，塔克拉玛干沙漠的贡献率最大，但是在对流层高层（300 hPa高度），中东和非洲北部沙源地的贡献较为突出。1990—2010年青藏高原高空沙尘气溶胶含量持续增长，这种变化与中东地区沙尘天气增多有关，沙尘天气增多与当地降水减少和低压活动增多有关，增多的沙尘天气导致较多的沙尘随高空西风环流向青藏高原传输，引起青藏高原高空沙尘气溶胶含量增多。

关键词：大气氧含量;青藏高原;海拔;人口健康;高原反应;气温

中图分类号：K903        文献标识码：A        文章编号：1005-5207（2022）01-0013-05

沙尘颗粒由于其动力学直径通常小于100μm，而且悬浮于大气中，因此被称为沙尘气溶胶。沙尘气溶胶是青藏高原大气气溶胶的重要组成部分[1]（图1）。大气中的沙尘气溶胶能够引起青藏高原及其周边地区的气候变化[2]。沙尘气溶胶能够阻挡到达地面的太阳短波辐射，沉降到地表积雪表面，改变地表积雪反照率，引起青藏高原地表气温发生改变。青藏高原南坡上空的沙尘气溶胶通过吸收太阳短波辐射，加热上层大气，改变陆地和海洋上空的热力梯度，导致南亚夏季风影响范围偏北、爆发期提前[3]。此外，沙尘气溶胶是青藏高原气候变化的指示剂。青藏高原上钻取的冰芯或者湖芯中记录了沙尘气溶胶的粒径、浓度及沉积通量的变化[4-6]，通过分析这些指标的时空变化特征，可得知影响沙尘气溶胶传输和沉降过程的大气环流变化，进而得出历史时期甚至地质时期青藏高原的气候变化过程。因此，研究青藏高原高空沙尘气溶胶的来源及其变化特征，对研究青藏高原及其周边地区的气候变化过程具有重要意义。

一、青藏高原高空沙尘气溶胶的来源

青藏高原高空沙尘气溶胶的来源主要包括青藏高原本地沙源和塔克拉玛干沙漠、北非、中东、中亚和西南亚等地的干旱、半干旱地区。青藏高原上广泛分布着荒漠化土地和流动性沙丘，其中雅鲁藏布江流域风沙活动面积约2 000km2，长江和黄河源区存在移动沙丘、沙漠化草甸和草地土壤，这些区域为青藏高原上空的大气沙尘提供了充足的来源[7]。青藏高原海拔较高，日间受太阳辐射照射造成湍流活动强，有利于沙塵进入对流层并进行远距离传输，因此青藏高原本身成为高原高空沙尘气溶胶的主要来源。数值模拟结果显示，青藏高原近地面沙源对青藏高原上空沙尘气溶胶含量的年均贡献率约为69%，随青藏高原高度上升其贡献率逐渐降低，从近地面的69%下降到0.975 Sigma高度（距离地面200～300米）上的40%和0.85 Sigma高度（距离地面约1 500～2 000米）上的5%，贡献率较高的月份在近地面主要是11月至次年4月，在0.85 Sigma高度上主要是2～3月[8]。

外部沙源中，塔里木盆地距离青藏高原较近，因此青藏高原高空的沙尘气溶胶含量主要受塔克拉玛干沙漠的影响[9]。由于塔里木盆地南边高地形阻挡，沙尘可以从塔克拉玛干沙漠上升到对流层中高层，然后随着天气系统移动扩展到青藏高原北部上空。除了塔克拉玛干沙漠，青藏高原高空沙尘气溶胶的远程来源还包括北非、中东、中亚和西南亚等地。对流层低层的低压系统和高压系统配置是非洲北部地区产生沙尘天气的主要原因，尤其是低压系统导致大量沙尘上升到对流层中层，然后伴随着高空西风环流向青藏高原上空传输。沙尘从非洲北部传输到青藏高原上空约需要3～4天，主要从利比亚和埃及起沙，沙尘从沙源地上升到对流层中高层，然后经过叙利亚、里海和我国西北地区到达青藏高原北部地区（表1）。中东地区的沙尘主要影响青藏高原的西部和南部，发生在地中海东部的低压系统和阿拉伯半岛西南部的高压系统形成强大的西南—东北向辐合气流，引起中东地区发生沙尘天气。随着低压系统向东移动且进一步加深，沙尘移动到阿拉伯半岛、伊朗南部、阿富汗和巴基斯坦。随后由于青藏高原阻挡，低压系统引导沙尘沿着两个方向向青藏高原传输，北支主要从阿富汗向青藏高原西部传输，南支则沿着喜马拉雅山南侧传输到印度北部地区[10]。

远源沙源在不同季节及不同高度上对青藏高原高空沙尘气溶胶含量的贡献率存在差异（图2、图3）。计算机模拟了远源沙源（塔里木盆地、非洲北部和中东地区）对青藏高原高空沙尘气溶胶含量的贡献，结果表明远源沙源对青藏高原上空沙尘气溶胶含量的贡献率均在春季最高，其中塔里木盆地的贡献最为突出，其对高原上空单位面积上的大气柱里沙尘质量的贡献率达到60%～77%，非洲北部和中东地区的贡献率低于30%。非洲北部和中东地区沙源主要影响300hPa高度上青藏高原高空的沙尘气溶胶浓度，二者总贡献率在四个季节达到70%以上，其中春季和冬季总贡献率达到80%以上。在500hPa高度上，塔里木盆地在夏、秋季节对青藏高原沙尘气溶胶含量的贡献较高，分别为55%和44%，冬、春季节塔里木盆地、非洲北部和中东地区三个沙源的贡献率相当[11]。

二、近20年沙尘气溶胶含量的长期变化及其原因

1.沙尘气溶胶含量的长期变化

青藏高原高空沙尘气溶胶含量存在明显的逐月变化。沙尘气溶胶含量从1月开始逐渐增加，在4～5月份达到峰值，然后逐渐减少。多年平均的逐月气溶胶光学厚度（反映沙尘气溶胶含量的指标）表明，1月份气溶胶光学厚度约为0.01，4～5月份气溶胶光学厚度达到0.06以上，从6月份开始气溶胶光学厚度开始逐渐减少，在10月份达到0.01左右。此外，青藏高原高空沙尘气溶胶含量具有明显的年代际间变化特征。近20年春季青藏高原上空沙尘气溶胶含量在持续增加（图4）。3～5月沙尘气溶胶含量在1990—1999年明显低于2000—2009年，3～5月平均的气溶胶光学厚度在1990—1999年和2000—2009年依次为0.45、0.54，春季青藏高原高空沙尘气溶胶含量在2000—2009年高于1990—1999年，与冰芯资料和全球气候模式模拟得到的结果一致[12]。

2.沙尘气溶胶含量长期变化的原因

近20年春季青藏高原高空沙尘气溶胶含量增多与中东地区近地面沙尘天气增多有关。近20年中东地区沙尘释放量增加，伊朗以及阿拉伯半岛沙尘天气增加[12]（图5）。

1990—1999年阿拉伯半岛北部和伊朗北部的春季平均沙尘天气日数为4天，在2000—2009年增加到6天。中东地区沙尘释放量和沙尘天气日数增加与近20年中东地区降水持续减少有关。降水减少造成土壤湿度降低，有利于地表沙尘释放。与此同时，中东地区发生气旋的频次增多。与20世纪90年代相比，2000—2009年中东地区气旋频次增加了26%。气旋频次增多导致更多的沙尘被气旋伴随的上升气流传输到对流层中层，然后随着西风环流输送到青藏高原上空。

三、小结

青藏高原高空的沙尘气溶胶主要来源于非洲北部、中东地区、中亚、塔里木盆地以及青藏高原本地。青藏高原本地沙源对高原近地面沙尘气溶胶含量的年均贡献率约为69%，随高度上升其贡献率逐渐降低，从近地面的69%下降到0.975 Sigma高度上的40%和0.85 Sigma高度上的5%。远源沙源对青藏高原上空沙尘气溶胶含量的贡献率均在春季最高，其中塔里木盆地对青藏高原上空沙尘气溶胶含量的贡献率最为突出，其对高原单位面积上的大气柱里沙尘含量的贡献率达到60%～77%。非洲北部和中东地区沙源主要影响300hPa高度上青藏高原高空的沙尘气溶胶含量，二者总贡献率在四个季节达到70%以上，其中春季和冬季总贡献率达到80%以上。在500hPa高度上，塔里木盆地在夏、秋季节对青藏高原高空沙尘气溶胶含量的贡献率较高，分别为55%和44%，冬、春季塔里木盆地、非洲北部和中东地区三个沙源的贡献率相当。

观测资料表明，近20年春季青藏高原高空沙塵气溶胶含量存在增加趋势。3～5月平均的气溶胶光学厚度在1990—1999年和2000—2009年依次为0.45和0.54。造成这一现象的可能原因是中东地区沙尘释放增加，以及中纬度西风环流增强。与1990—1999年相比，2000—2009年中东地区降水减少导致地表干旱，有利于沙尘释放，加之气旋频次增加使大量沙尘随气流上升到对流层中上部，伴随着增强的西风环流，将更多的沙尘气溶胶传输到青藏高原上空。

在全球气候变暖的背景下，下垫面和大气环流的变化对青藏高原高空沙尘气溶胶的分布和传输具有重要的影响，这需要进一步研究。此外，青藏高原沙尘气溶胶对青藏高原及其周边气候变化的影响，目前缺乏观测资料的验证，这需要进一步从观测角度进行研究。

致谢：北京师范大学地理科学学部王静爱教授对本文提供了帮助。

通讯作者：毛睿

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