《Atmospheric Research》：Three-dimensional dust distribution and transport over the northern hemisphere dust belt: Insights from lidar observations
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垂直结构特征与传输机制研究：基于CALIOP多源数据协同分析
谭瑞琪|王天和|韩颖|李京涛|唐静怡|王思辰|阿里·马姆蒂明|杨帆|周成龙|巴赫里丁·E·尼肖诺夫|曼苏尔·O·阿莫诺夫|萨布尔·F·阿卜杜拉耶夫
中国兰州大学大气科学学院，教育部半干旱气候变化重点实验室，兰州730000
摘要
北半球沙尘带（NHDB）是沙尘排放和传输的关键区域，对全球气候和环境系统有着重要影响。然而，对其沙尘分布和传输结构的全面三维理解仍然有限。本研究通过综合分析CALIOP观测数据（2007–2016年）、MERRA-2再分析结果和DustCOMM沙尘属性数据，定量描述了NHDB上沙尘质量浓度（DMC）、水平沙尘传输通量率（DFR）和沙尘质量通量散度（DFD）的垂直分布特征。我们发现了三个关键现象：（1）中亚沙漠的沙尘抬升高度最高，其沙尘层顶部全年保持在4.5公里以上，而低DMC层则持续存在于10公里以上；北非和阿拉伯北部沙漠的沙尘抬升高度介于两者之间。值得注意的是，大多数沙尘源的DMC并不随高度呈指数衰减，这挑战了传统模型参数化的准确性。（2）沙尘传输表现出复杂的垂直解耦现象：南亚地区的季风驱动气流导致沙尘传输方向随高度变化，形成明显的分层结构；而中亚沙漠则保持稳定的东南方向传输至青藏高原。（3）对流层上部沙尘带（UTDB）的抬升区域具有季节性变化——春季主要来自阿拉伯半岛、中亚内陆和蒙古高原，秋季和冬季则主要集中在青藏高原，相应的沉积区也从华北平原迁移至中国南部。这些结果为改进气候模型中沙尘垂直传输的模拟提供了重要的观测依据。
引言
北半球沙尘带（NHDB）从北非的撒哈拉沙漠向东延伸，穿过阿拉伯半岛，直至中亚的塔克拉玛干和戈壁沙漠（Hofer等人，2017年）。这些干旱地区释放的大量沙尘可传输数千公里（Froyd等人，2022年；Kok等人，2023年；Uno等人，2009年），对全球气候和环境系统产生深远影响。例如，北非沙尘携带的微量元素可滋养亚马逊雨林（Yu等人，2015年），并经常被传输到大西洋沿岸的加勒比海和美洲地区（Prospero和Mayol-Bracero，2013年）。同时，撒哈拉沙尘全年向东传输，其影响可与当地沙尘源相当（Liu等人，2022年）。中亚沙尘则向东传输至北太平洋和北美（Kong等人，2022年；Uno等人，2008年），也可通过中国东部、日本和西伯利亚的路径到达北极（Huang等人，2015年）。春季，亚洲沙尘通过帕米尔高原传输至青藏高原（Han等人，2022a；Han等人，2022b；Tang等人，2024年；Wang等人，2021b；Zhang等人，2025b），并在青藏高原、埃塞俄比亚高原和落基山脉的地形作用下进一步上升至对流层上部甚至平流层（Zhu等人，2024年）。因此，NHDB上的沙尘传输具有广泛的空间覆盖范围和复杂的垂直结构，研究其传输特性至关重要。
沙尘气溶胶的气候和环境影响很大程度上取决于其垂直分布。当沙尘集中在低海拔（约1.5公里以下）时，会通过增强地表能量吸收导致升温效应，同时降低全天相对湿度（Su等人，2022年）。当密集的沙尘层积聚在行星边界层内时，会减弱大气升温效应，并在沙尘层顶部形成强烈的逆温层（Tsunematsu等人，2006年）。传输至青藏高原的沙尘会加速冰川融化（Li等人，2023年），在4公里以上高度的融雪效应有时甚至超过黑碳（Sarangi等人，2020年）。当沙尘被抬升至对流层上部和平流层时，会直接干扰地球的辐射平衡（Hansen等人，2005年），产生显著的辐射强迫（Solomon等人，2011年），并通过作为云凝结核（CCN）和冰核粒子（INPs）影响低层云的微物理过程（Lohmann和Feichter，2005年）。因此，准确描述沙尘传输的垂直结构对于理解其辐射和环境效应至关重要。
物理过程的参数化进展以及计算能力的提升显著提高了数值模型在沙尘相关研究中的性能（Li等人，2022年；Parajuli等人，2019年；Shao等人，2025年；Zhang等人，2025a）。目前模型被广泛用于模拟关键沙尘过程，包括排放（Foroutan等人，2017年；Kok等人，2014a；Kok等人，2014b）、传输（Hara等人，2009年；Neff和Bertler，2015年；Schulz等人，2012年）和沉积（Pérez等人，2011年；Ridley等人，2012年）。然而，在准确模拟沙尘传输方面仍存在重大挑战。模型与观测数据在沙尘光学深度（DOD）、颗粒大小分布和沉积通量方面存在显著差异（Adebiyi等人，2023年；Adebiyi等人，2020年）。此外，模型结果在表示沙尘的垂直分布和长距离传输时也常常存在误差（Zhu等人，2024年）。这些不足可能源于垂直速度场、沙尘排放和沉积参数化的不确定性，以及气象和地表条件的影响（Huneeus等人，2011年；Uno等人，2009年）。因此，迫切需要观测数据来评估和改进模型模拟。
激光雷达观测提供了高分辨率的气溶胶垂直剖面（Hofer等人，2017年；Wang等人，2021a；Winker等人，2013年），为弥补模型在模拟沙尘垂直结构方面的不足提供了有力手段。利用激光雷达数据在沙尘研究方面取得了显著进展。许多研究利用沙尘消光系数进行分析（Han等人，2022a；Han等人，2022b），还有一些研究开发了算法来获取沙尘质量浓度（DMC）（Mamouri和Ansmann，2014年；Mamouri和Ansmann，2017年；Wang等人，2021a）、沙尘传输通量率（DFR）和沙尘质量通量散度（DFD）（Han等人，2022b；Yang等人，2022年）。这些进展使得能够定量评估水平沙尘传输及其对对流层上部的贡献，为后续研究提供了有价值的方法。然而，大多数现有的基于激光雷达的研究依赖于短期测量或仅关注特定区域，缺乏对NHDB主要沙尘源的全面长期分析。
在本研究中，我们使用了2007至2016年的Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder卫星观测（CALIPSO）数据，结合现代-era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2（MERRA-2）和Dust Constraints from joint Observational-Modeling-Experimental analysis（DustCOMM）再分析数据集，定量估算了NHDB内主要沙尘源的DMC、DFR和DFD。我们进一步系统地研究了与对流层上部沙尘带（UTDB）相关的抬升和沉积区域。
部分摘录
CALIPSO激光雷达数据
Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization（CALIOP）是CALIPSO卫星上的主要仪器，由美国国家航空航天局（NASA）和法国国家空间研究中心（CNES）联合发射，于2006年投入使用。作为一种偏振敏感的激光雷达，CALIOP通过其Aerosol Profile（APRO）产品提供全球气溶胶消光的垂直剖面（Winker等人，2013年）。本研究利用了该产品的总气溶胶后向散射数据。NHDB沿线典型沙漠的沙尘垂直分布剖面
图1a展示了MERRA-2数据提供的2007–2016年的年均沙尘排放量，显示了一条从撒哈拉沙漠延伸至塔克拉玛干和戈壁沙漠的连续沙尘带。北非、阿拉伯半岛和中亚地区的排放量最高，超过0.8克/平方米·天，其中北非是排放强度和范围最大的来源。基于这一模式，选取了八个关键沙漠源进行沙尘分布和传输结构的系统分析。不确定性分析
本研究基于相关研究中开发的算法（Han等人，2022b；Yang等人，2022年），构建了NHDB的DOD、DMC、DFR和DFD的季节平均值数据集。该数据集量化了沙尘分布和传输的垂直结构，以及UTDB内的上升和下降过程。然而，输入数据集本身存在固有的不确定性，这些不确定性会传递到计算过程中。第一个不确定性来源
结论
NHDB内的沙尘传输覆盖了广阔的地理区域，不同高度的沙尘气溶胶会产生不同的环境和气候效应。本研究利用CALIPSO（2007–2016年）的观测数据，结合MERRA-2和DustCOMM再分析数据集，定量估算了NHDB沿线典型沙尘源的DMC、DFR和DFD。基于这些结果，我们系统地分析了沙尘分布和传输的垂直结构。
作者贡献声明
谭瑞琪：撰写——初稿、可视化、方法论、研究。王天和：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。韩颖：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。李京涛：撰写——审稿与编辑、验证。唐静怡：撰写——审稿与编辑。王思辰：可视化。阿里·马姆蒂明：撰写——审稿与编辑。杨帆：撰写——审稿与编辑。周成龙：撰写——审稿与编辑。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
