沙尘气溶胶的辐射效应及其对塔里木沙漠周边典型城市降水的影响

《Environmental Pollution》：Radiative effects of dust aerosols and their impacts on precipitation in typical cities surrounding the Taklimakan Desert

塔克拉玛干沙漠周边四城不同污染强度下气溶胶直接辐射效应（ADRE）及其对降水影响研究。通过地面观测、卫星数据与再分析数据融合分析，发现ADRE在晨间（09-11时）、午间（12-14时）、午后（15-17时）均随污染加剧而增强，但辐射效率呈指数下降。地表反照率（SA）与太阳天顶角（SZA）增大显著削弱ADRE。污染升级导致近地层气温下降4.26-11.39℃，大气稳定度（LTS）上升，而水汽通量（WVF）、云滴有效半径（re）、总水汽含量（TPW）下降，共同抑制降水。研究揭示了粉尘污染强度与辐射效应、地表参数及云微物理过程的非线性关系。

　　

周光辉|张静|邓小青|郎一文|王一帆

北京师范大学地理科学学院，中国北京100875

摘要

源自塔里木沙漠（TD）的尘埃气溶胶显著影响了空气质量及区域气候。本研究整合了地面观测数据、卫星反演结果和再分析数据，定量评估了气溶胶的直接辐射效应（ADRE）及其在TD周边四个代表性城市（喀什、和田、阿克苏和巴音郭楞）不同尘污染水平下的降水量影响。结果表明，在三个时间段（北京时间09:00–11:00、12:00–14:00和15:00–17:00），随着尘污染强度的增加，直接辐射、散射辐射、总辐射和散射辐射分数的ADRE值增大，而辐射效率则降低。在某些尘污染水平下，当表面反照率（SA）和/或太阳天顶角（SZA）增加时，ADRE的强度减弱。在全天空条件下，辐射能量平衡的变化影响了大气热结构。从无尘到轻度尘污染，喀什、阿克苏和巴音郭楞的近地面温度（1000 hPa）分别下降了4.26°C、6.15°C和11.39°C；从轻度到重度尘污染，温度进一步下降了6.73°C、5.75°C和5.42°C，而和田的温度下降了1.96°C。随着尘污染加剧，对流层低层稳定性（LTS）增加，而水汽通量（WVF）、液态水路径（LWP）、云滴有效半径（r_e）和总可降水量（TPW）减少，从而抑制了降水。本研究为理解不同污染强度下尘埃气溶胶对区域辐射能量平衡和降水的影响提供了额外证据。

引言

气溶胶由悬浮在大气中的固体或液体颗粒组成，是气候系统的关键组成部分（J. Li等人，2022）。尘埃气溶胶主要来源于全球的干旱和半干旱地区（Wang等人，2017），具有独特的光学特性。它们的直接辐射效应通过散射和吸收短波辐射以及吸收和发射长波辐射来改变地球的辐射预算（Adebiyi等人，2023）。尘埃气溶胶与大气之间的这种相互作用在调节地球辐射平衡中起着关键作用，进而影响区域和全球气候系统（Huang等人，2014；Rupakheti等人，2021；Zittis等人，2022）。因此，准确量化尘埃气溶胶的气候影响对于改进未来气候预测至关重要。

根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告（AR6），由于气溶胶复杂的空间分布、多样的光学特性以及某些地区长期观测数据的缺乏，其辐射效应的量化仍存在显著不确定性（政府间气候变化专门委员会，2023）。这些因素使得气溶胶成为气候变化预测中最不确定的组成部分之一。2010年3月戈壁沙漠发生沙尘暴期间，地表的气溶胶直接短波和长波辐射效应分别达到了-90 W·m^-2和+40 W·m^-2（Han等人，2012）。2004年至2007年间，中国西北部沙漠和半沙漠地区由尘埃气溶胶引起的年平均地表ADRE估计在-39.1至-48.1 W·m^-2之间（Xin等人，2016）。中亚也观察到了ADRE的显著变化。在塔吉克斯坦杜尚别，2010年至2018年间强沙尘事件期间的平均地表ADRE为-85 W·m^-2，在极端沙尘事件期间增加到-117 W·m^-2（Rupakheti等人，2021）。2018年夏季阿拉伯半岛观测到的效应更为强烈，强沙尘爆发期间地表ADRE在-400至-300 W·m^-2之间（Francis等人，2021）。这些研究表明，区域尘埃气溶胶的ADRE具有高度变异性和不确定性。

表面反照率（SA）显著影响气溶胶与地表之间的辐射传输，从而影响ADRE的幅度（Yoon等人，2016）。SA在调节ADRE中起着关键作用，因为SA与ADRE之间存在反比关系，即较高的SA会降低气溶胶的地表辐射影响（Derimian等人，2016；Gadhavi & Jayaraman，2004；Logothetis等人，2021；Zhou等人，2005）。此外，太阳天顶角（SZA）是影响ADRE的关键因素，因为它决定了太阳辐射穿过的路径长度。较大的SZA会增加路径长度，导致太阳辐射被气溶胶更多地衰减。因此，ADRE表现出与SZA变化密切相关的强烈日变化（Haywood & Boucher，2000）。然而，很少有研究关注不同尘污染强度下ADRE与SA和SZA之间的关系。

尘埃气溶胶可以通过改变辐射特性来影响区域天气系统和调节降水（Chen等人，2023；Pan等人，2024；Wang等人，2022）。在珠江三角洲，气溶胶减少了到达地表的太阳辐射，从而增强了对流层低层稳定性（LTS）并延迟了降水的开始（Sun & Zhao，2021）。局部环境条件也可能影响气溶胶对降水的影响。四川盆地的一项研究发现，气溶胶增强了白天的大气稳定性，抑制了对流，并导致多余水分的积累，这些水分可以输送到周围山区，在那里地形强迫引发了强烈的夜间对流和降水（Fan等人，2015）。气溶胶可以作为云凝结核（CCN）和冰核（IN），改变云的特性并影响降水。例如，在青藏高原，尘埃气溶胶作为CCN降低了云滴的有效半径（r_e），抑制了云粒子合并成雨滴的过程，从而抑制了降水（Han等人，2009）。这与Twomey效应（Twomey，1977）一致。然而，这种效应受到区域水汽条件的影响。当水汽充足时，气溶胶的增加可以提高碰撞-聚合过程的效率，促进云滴的生长，最终增强降水。在中国东南部，较高的气溶胶浓度显著改变了云的微物理特性，抑制了轻度和中度降水，但增强了重度降水（Wu等人，2015；Yang等人，2018）。因此，尘埃气溶胶对降水的影响仍然高度不确定，需要进一步研究。

塔里木沙漠位于中国西北部的塔里木盆地，是世界上第二大流动沙尘沙漠，是中国西北部尘埃气溶胶的主要来源地（Sun & Liu，2006）。在塔里木沙漠地区，尘埃颗粒受到盆地地形和低层对流层盛行东风的显著限制，限制了它们向东的长距离传输，导致该地区悬浮尘埃占主导地位（Sun等人，2001）。因此，塔里木沙漠的尘埃可以影响周边城市的气候。尽管先前的研究强调了塔里木沙漠尘埃对区域气候的显著影响（Chang等人，2021；Chen等人，2013；Chen等人，2018；Huang等人，2010；Meng等人，2020；Xing等人，2024；Zhou等人，2023），但大多数研究都是基于案例的。此外，关于不同尘污染水平对日尺度气候影响的研究仍然有限。因此，有必要进行定量评估。

为了更好地评估不同尘污染强度下的气候效应，我们利用2014年5月至2023年12月的每小时地面PM₁₀观测数据，对TD周边四个典型城市（喀什、和田、阿克苏和巴音郭楞）的尘污染水平进行了分类，具体数据和方法见第2节。通过整合卫星和再分析数据集，我们量化了三个时间段（北京时间09:00–11:00、12:00–14:00和15:00–17:00）三种尘污染强度下的地表ADRE和辐射效率。我们进一步研究了SA和SZA对ADRE的影响。最后，分析了全天空条件下辐射效应和云微物理过程对区域降水的影响。结果和讨论见第3节，第4节为结论。整体工作流程的可视化流程图见图S1。

研究城市

由于研究城市靠近沙漠，这些绿洲城市经常经历沙尘污染事件。在这些事件中，尘埃气溶胶的增加负荷通过其独特的光学特性显著改变了区域辐射平衡，包括散射和吸收短波辐射以及吸收和发射长波辐射（Adebiyi等人，2023），从而影响区域气候（Zittis等人，2022）。研究城市：

尘污染条件下的AOD、COD和辐射变化

本研究使用了MODIS AOD产品，其过境时间约为每天当地时间上午10:30和下午1:30。为了更好地与AOD数据的时间覆盖范围对齐，将白天时段（北京时间09:00–17:00）分为三个阶段：早晨、中午和下午，以便更准确地描述尘埃气溶胶直接辐射效应的日变化。

结论

随着尘污染加剧，总辐射、直接辐射、散射辐射和散射辐射分数的ADRE值增加，而SA和SZA的增加倾向于减弱ADRE。尽管ADRE值增加，但当AOD ≤ 2时，辐射效率随AOD的增加而呈指数级下降，表明ADRE对尘埃气溶胶的敏感性随着尘污染强度的增加而减弱。尘埃气溶胶的直接影响改变了地表辐射预算，这

作者贡献声明

周光辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，正式分析，数据管理。张静：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念构思。邓小青：方法学，正式分析。郎一文：调查，正式分析。王一帆：数据管理

未引用参考文献

Li等人，2022。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张静报告称获得了中国国家自然科学基金会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据将按需提供。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张静报告称获得了中国国家自然科学基金会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（42375112）的支持。我们感谢所有数据提供者，并感谢编辑和审稿人的建设性评论和建议。