2018, Vol. 38
大气气溶胶是固态或液态微粒分散到空气中与空气形成的悬浮体系。大气气溶胶可以通过直接辐射强迫效应和间接辐射强迫效应(改变云的辐射特性和寿命等)影响辐射平衡，也可以通过改变大气化学过程等机制影响气候变化[1]。大气气溶胶的辐射效应可以改变区域大气环流[2]，并导致赤道辐合带变动及全球大气环流改变[3]，从而对气候产生深刻影响。大气气溶胶的气候效应是目前气候预测和研究中的最大不确定因素之一[1]，因而引起广泛关注。
研究和评价大气气溶胶的气候效应及其环境影响的前提之一是准确描述和刻画大气气溶胶的物理化学特征及其时空变化。大气气溶胶的地基采样和观测可以获得第一手的气溶胶物理化学特征资料，但站点运行耗费人力物力财力，而且观测资料的空间覆盖率及代表性较差。而卫星观测可以获得比较全面的全球大气气溶胶时空分布资料，因而具有重要意义。美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)于1999年和2002年发射的Terra和Aqua两颗卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)获得了大量大气气溶胶和大气环境的监测产品，在相关研究领域得到广泛应用[4-6]。气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)是表征大气气溶胶消光特性的重要参数，它可用于估算大气中气溶胶的含量，评估大气污染程度及其时空变化，是研究气溶胶气候效应的重要基础数据[7-8]。非洲是全球重要的沙尘源区，全球约58%的沙尘排放来自非洲撒哈拉沙漠[9]。这些沙尘物质不仅对区域辐射收支有显著影响[10-12]，也是亚马逊热带雨林生态系统的重要营养来源[13]。沙尘气溶胶向海洋的输送与沉降可以对海洋生态系统产生影响，是以海-陆-气耦合为核心的全球气候系统变化中的重要环节[14]，已成为国际上层海洋-低层大气研究(Surface Ocean-Lower Atmosphere Study, SOLAS)的重要领域[15]。沙尘越海区的传输对海洋生态系统、海洋初级生产力和气候的影响已引起广泛关注[16-17]；已有研究分析了沙尘向大西洋传输的季节、年际变化特征，并探讨了北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)、厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)等对沙尘传输的影响[18-19]，但结合详细源区分析的研究较为缺乏。
20世纪60年代以来，非洲国家相继获得政治独立并开启了工业化进程[20]。2006年中国政府制订非洲政策文件[21]，中非传统友好关系全面发展。在致力发展对非友好合作关系和深化经贸合作的新形势下，中国政府对非洲政策提出了新理念、新主张与新举措，以期进一步加强和深化中非各领域的交流与合作[22]。非洲工业化和农业现代化水平仍较为落后，工业发展粗放、工艺水平低下；在助推非洲工业化、农业现代化并深化资源能源合作的进程中，大气污染与环境问题是需要认真应对和长远谋略的。
对于非洲大气污染和大气气溶胶效应，以往的研究主要关注了南部非洲稀树草原火灾释放的PM2.5 (粒径小于2.5 μm的大气颗粒物)导致的季节性大气污染[23]，燃烧效率与PM2.5污染排放对当地生态系统的影响[24]，燃煤对大气的污染[25]以及沙尘气溶胶对加那利群岛空气质量的影响[26]等。Prospero and Lamb[27]关注非洲干旱区与加勒比地区沙尘气溶胶，指出未来气候变化可能导致非洲和其他干旱地区沙尘排放量大幅度变化，进而对区域气候产生影响。Bryant et al.[28]发现风速变化是影响沙尘气溶胶排放量的主要因素，并对非洲南部气候产生影响。Ridley et al.[29]对全球沙尘排放量季节变化和空间分布的研究表明非洲是主要的沙尘源区。Meng et al.[30]认为北非撒哈拉沙漠沙尘向大西洋传输的中心轴近年来有北移的趋势。
作为常年存在的沙尘气溶胶排放源区，非洲撒哈拉沙漠的沙尘排放及其向紧邻的大西洋海区的传输与区域大气环流紧密相关。因此，非洲地区沙尘气溶胶时空分布及其越大西洋海区传输有何特征，其季节和长期变化趋势和特征能否反映区域气候变化，这些都是相关研究领域非常重要的课题。基于此背景，本文利用MODIS气溶胶光学厚度产品研究非洲地区大气气溶胶时空分布特征和季节变化规律，分析自然和人为污染物排放、气象条件等因素的影响，同时研究非洲沙尘气溶胶向大西洋海区传输的变化特征，以期对上述问题获得比较完整可靠的分析结果和研究结论，为非洲及邻近地区气溶胶气候效应及环境影响的研究提供基础资料。
1 数据说明MODIS是搭载在Terra和Aqua太阳同步极轨卫星平台上的中分辨率成像光学探测器，该传感器具有36个通道(0.41~14.4 μm)，为反演大气气溶胶和地表特征提供了丰富信息[4]。Terra和Aqua两颗卫星分别在地方时上午和下午过境，所获数据在时间更新频率上相配合，加上晚间过境数据，可得到每天最少2次白天、2次黑夜的数据更新，因此对实时地球观测、森林草原火灾等灾害的应急监测和较高频率地球系统变化研究具有重要价值[4]，并已得到广泛应用[5]。NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center)地球观测系统(GEOS)的资料同化系统(DAS)提供了气象资料同化产品，MERRA-2(Modern Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2)是其重要的产品之一[31-33]。MERRA-2同化了空基观测的大气气溶胶结果以及气溶胶与气候系统的相互作用(https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2/
由于MODIS观测和MERRA-2再分析资料算法、数据采样率对得到的AOD会有影响，另外两种方法得到的数据产品空间分辨率不一致，为保证MODIS AOD和MERRA-2 AOD的可比较性和文章分析结果和结论的可靠性，首先对本文研究区两种方法得到的AOD进行了对比。对比结果表明对于非洲中北部和紧邻的大西洋海区，两种方法得到的AOD相关系数R=0.97；而对于非洲中北部，R=0.93；两种方法得到的AOD的偏差对上述两个区域分别为18%和13%。在考虑上述偏差的基础上，MODIS与MERRA-2得到的AOD可以进行比较并计算各气溶胶组分对气溶胶总光学厚度的贡献率。
本文使用了2000—2016年MODIS大气3级标准数据产品MOD08的AOD数据(1°×1°)，MERRA-2提供的降水量数据和沙尘(dust)、黑碳(BC)、有机碳(OC)、海盐(sea salt)气溶胶550 nm光学厚度数据(0.625°×0.5°)，以及美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)850 hPa风场和1 000 hPa相对湿度再分析资料(1°×1°)。
2 气溶胶光学厚度时空分布特征 2.1 AOD及各气溶胶组分总体分布特征非洲大陆及其邻近地区可划分为三个分区，其中AOD＞0.3的高值区(图 1a)分布于撒哈拉沙漠及其紧邻的大西洋海区(Ⅰ区)和刚果盆地地区(Ⅱ区)，另外亚马逊河入海口处也存在一个AOD高值区(Ⅲ区)。各分区主要气溶胶组分不同；Ⅰ区(60°W~20°E，0~30°N)为沙尘气溶胶区，可以沿17°W进一步分为两个区，撒哈拉沙漠地区Ⅰ1区(17°W~20°E，0~30°N)和紧邻的大西洋海区Ⅰ2区(17°W~60°W，0~30°N)；Ⅱ区(0~30°E，20°S~5°N)为黑碳及有机碳气溶胶区，即刚果盆地地区；Ⅲ区(45°W~61°W，10°S~5°N)为海盐气溶胶区，即亚马逊河入海口地区。
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图 1 2000—2016年平均AOD(a)、Dust AOD(b)、Sea salt AOD(c)、BC AOD(d)及OC AOD(e) Fig.1 Mean AOD (a), Dust AOD (b), Sea salt AOD (c), BC AOD (d), and OC AOD (e) from 2000 to 2016 |
沙尘气溶胶光学厚度(Dust AOD)＞0.1的区域主要分布在非洲中部和北部撒哈拉沙漠地区及邻近的大西洋海区(图 1b)；黑碳气溶胶光学厚度(BC AOD)＞0.01和有机碳气溶胶光学厚度(OC AOD)＞0.05的区域主要位于非洲中南部刚果盆地及邻近的大西洋海区(图 1d、e)；海盐气溶胶光学厚度(Sea salt AOD)＞0.05的区域主要为亚马逊河入海口及附近海域(图 1c)。
除自然排放外，在非洲大陆几内亚湾及刚果河流域沿岸人口最为密集，社会经济活动及能源消耗高度集中；几内亚湾沿海地区是非洲石油勘探的新热点，当地的原油化工加工提炼可造成比较严重的大气污染[34]；非洲中西部经济落后，石油、矿业为其支柱产业，低端产业结构及低效产能也可加剧大气污染。而非洲东南部印度洋沿岸地区以农业、旅游业等为主，较少的能源消耗和污染物排放可能导致AOD相对较低。
2.2 各分区、各气溶胶组分时空分布 2.2.1 沙尘气溶胶沙尘气溶胶对大气环境有显著影响，其所经过地区大气气溶胶光学厚度显著增加[35]，在合适的风场配合下还可造成沙尘的跨境输送。此外，沙尘气溶胶可以散射太阳辐射，导致地面和底层大气获得的太阳辐射减少，沙尘气溶胶通过改变辐射收支状况进而影响区域气候[36]。
撒哈拉沙漠地区(Ⅰ1区，以下简称陆区)及其邻近的大西洋海区(Ⅰ2区，以下简称海区)以沙尘气溶胶为大气气溶胶主要组分(图 1a、b)；沙尘气溶胶光学厚度高值区紧邻赤道辐合带以北分布。全年中1—7月为AOD高值月份，其中陆区和海区分别在3月和6月出现AOD最高值。取3月和6月进行比较，由图 2a、b可见，3月AOD及Dust AOD高值更集中于陆区，且海区与陆区AOD和Dust AOD高值区中轴线处于同一纬度(8°N)；由图 2c可知，AOD及Dust AOD高值区中轴线以北在陆区为相对湿度(RH)＜30%的撒哈拉沙漠干旱区，而中轴线以南为月降水量> 200 mm的强降雨带指示的赤道辐合带(图 2d)；由图 2e、f可见，6月AOD及Dust AOD高值区比3月更偏北，且陆区AOD高值区较为分散，而在海区除AOD及Dust AOD高值区比3月更为偏北外，海区AOD及Dust AOD高值区中轴线(13°N)比陆区中轴线(16°N)位置更偏南，可能与亚速尔高压加强南进和海上北风加强有关；AOD及Dust AOD高值区分布仍然与RH＜30%的撒哈拉沙漠干旱区一致，且位于强降雨带指示的赤道辐合带以北(图 2g、h)。从3月到6月，AOD和Dust AOD高值区及其中轴线均向北移动，与撒哈拉沙漠干旱区和赤道辐合带的纬向移动同步。
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图 2 2000—2016年Ⅰ区AOD(a、e)、Dust AOD(b、f)、850 hPa风场(单位：m·s-1)与1 000 hPa相对湿度(c、g；单位：%)及月平均降水量(d、h；单位：mm)(a、b、c、d. 3月，e、f、g、h. 6月) Fig.2 AOD (a, e), Dust AOD (b, f), wind field at 850 hPa(units: m·s-1) and relative humidity at 1 000 hPa (c, g; units: %), and monthly mean precipitation (d, h; units: mm) over Ⅰ area in March (a, b, c, d) or June (e, f, g, h) from 2000 to 2016 |
纬向-时间分布图展示了同样的特征，陆区(Ⅰ1区)和海区(Ⅰ2区) AOD、Dust AOD和月平均降水量高值从1—7月同步向北移动(图 3)。随着陆区以强降雨带表示的赤道辐合带从1月的0°北移到8月的9°N(图 3c)，陆区气溶胶光学厚度(AOD)及沙尘气溶胶光学厚度(Dust AOD)的高值区从1月的4°N北移至6月的16°N(图 3a、b)；而海区伴随着强降雨带表示的赤道辐合带从3月的0°北移到8月的9°N(图 3g)，AOD及Dust AOD高值区从3月的7°N北移至7月的16°N(图 3e、f)，海区AOD在6—7月达到最高(>0.5)。而8—12月伴随着赤道辐合带的南撤(图 3c、g)，陆区AOD及Dust AOD高值区从8月的18°N南移至12月的7°N左右(图 3a、b)，另外伴随着高值区的纬向移动AOD也发生降低(11月AOD高值为0.4)；而海区AOD及Dust AOD的高值区也从8月的17°N南撤至12月的9°N(图 3e、f)，同时AOD也迅速降低(11月AOD高值为0.25)。沙尘气溶胶为上述区域大气气溶胶的主要组分，Dust AOD-AOD散点图(图 3d、h)表明沙尘气溶胶光学厚度(Dust AOD)对气溶胶总光学厚度(AOD)的贡献率在陆区和海区分别可达94%和69%。
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图 3 2000—2016年AOD(a、e)、Dust AOD(b、f)、月平均降水量(c、g；单位：mm)纬向-时间分布及主要气溶胶化学组分Dust AOD-AOD散点图(d、h；线性回归通过0.05显著性水平检验)(a、b、c、d. Ⅰ 1区，e、f、g、h. Ⅰ2区) Fig.3 Latitude-time cross files of AOD (a, e), Dust AOD (b, f), and monthly mean precipitation (c, g; units: mm) · AOD scatter plot of the major aerosol component Dust AOD (d, h; the linear regression passes the significance test at 0.05 level) over Ⅰ1 area (a, b, c, d) or over Ⅰ2 area (e, f, g, h) from 2000 to 2016 |
由经向风的纬度-时间分布(图 4)可以看出经向风输送对AOD及Dust AOD高值区移动的影响。AOD及Dust AOD高值区的北移过程伴随着高值区南侧南风风速的增强；而AOD及Dust AOD高值区南撤过程伴随着高值区南侧南风风速的减弱。此外，7—8月海区(Ⅰ2区)的南风高值区位于0~3°N(图 4b)，而陆区(Ⅰ1区)的南风高值区位于7~8°N(图 4a)，这也与海区AOD及Dust AOD高值区中轴线较陆区更偏南的现象一致。
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图 4 2000—2016年陆区(a；Ⅰ1区)与海区(b；Ⅰ2区)850 hPa月平均经向风(单位：m·s-1)纬度-时间分布 Fig.4 Latitude-time cross profiles of monthly mean meridional wind (units: m·s-1) at 850 hPa over the Sahara(a; Ⅰ1 area) and the Atlantic Ocean (b; Ⅰ2area) from 2000 to 2016 |
全球而言，热带雨林和热带稀树草原火灾是大气中碳气溶胶的重要来源；由于这些火灾集中在热带的干季(6—9月)，较少的降雨导致大气中生物质燃烧污染物存留时间较长，碳气溶胶污染加剧[34]。另外，与热带雨林和草原生态系统生长周期紧密相关的生物源排放也是有机碳气溶胶的重要来源。由图 5a可知，刚果盆地(Ⅱ区)AOD在6—9月较高(＞0.5)，8月达其最高值(0.75)；与AOD变化一致，BC和OC光学厚度高值也发生在6—9月并在8月达最高值(BC AOD为0.06，OC AOD为0.31)；而AOD、BC AOD与OC AOD呈现高值的6—9月对应该区降水量达最低的干季(其中7月降水量达最低，85 mm)。此外1月AOD、BC AOD和OC AOD也呈现一个较低的峰值(AOD为0.44，BC AOD为0.04，OC AOD为0.19)，并与1月较小的降水量(147 mm)对应。OC AOD-AOD散点图(图 5b)表明有机碳气溶胶对大气总气溶胶有重要贡献，OC AOD对AOD的贡献率可达41%。刚果盆地生物质燃烧源排放主要集中在干季后半段(8—9月)，此外生物源OC排放全年连续并在雨季最强时段(4月和11月)达到峰值。生物源OC排放高值与生物质燃烧源排放高值时段前后相继，造成整个干季BC、OC光学厚度的高值[37]。
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图 5 2000—2016年刚果盆地(Ⅱ区)月平均AOD、BC AOD、OC AOD和降水量图(a)及主要气溶胶化学组分OC AOD-AOD散点图(b；线性回归通过0.05显著性水平检验) Fig.5 Monthly mean AOD, BC AOD, OC AOD and precipitation (a) and AOD scatter plot of the major aerosol component OC AOD (b; the linear regression passes the significance test at 0.05 level) over Congo Basin (Ⅱ area) from 2000 to 2016 |
综上可知，非洲中南部刚果盆地地区大气气溶胶以生物质燃烧源排放与生物源OC排放为主要来源。干季(6—9月)时生物质燃烧源排放增强，AOD显著增大。刚果盆地位于该区域北部，是全球第二大热带雨林，该区域南部是热带稀树草原，两种植被覆盖类型均可产生较强的生物源排放。作为重要的排放源，植被排放贡献了全球大气中所有非甲烷源碳氢化合物(NMHCs)的90%[38]。因而稳定的生物源有机碳气溶胶排放也是刚果盆地地区大气气溶2016年刚果盆地胶的重要来源。
将干季开始前的5月与AOD达最高值的8月进行比较，干季开始前Ⅱ区(图 6中红框所示)刚果盆地大部特别是北半部相对湿度较高(＞60%，图 6d)，对应中等强度的BC、OC排放(图 6b、c)且该区AOD小于0.5(图 6a)。而在干季末期(8月)该区AOD、BC AOD和OC AOD均达最高值，并伴随较强的BC、OC气溶胶向西输送进入大西洋海区(图 6e、f、g)；此时为该区森林与草原火灾高发期，除北部热带雨林还保持较高相对湿度(＞80%，图 6h)外，AOD、BC AOD和OC AOD高值中心RH已显著降低(＜50%)。
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图 6 2000—2016年刚果盆地(Ⅱ区)AOD(a、e)、BC AOD(b、f)、OC AOD(c、g)及850 hPa风场(单位：m·s-1)与1 000 hPa相对湿度(d、h; 单位：%)(a、b、c、d. 5月，e、f、g、h. 8月) Fig.6 AOD (a, e), BC AOD (b, f), OC AOD (c, g), and wind field at 850 hPa (units: m·s-1) and relative humidity at 1 000 hPa(d, h; units:%) over Congo Basin in May (a, b, c, d) or August (e, f, g, h) from 2000 to 2016 |
在海区和沿海地区，海盐是大气中重要的自然源气溶胶[39]。大气气溶胶的辐射效应是气溶胶影响气候的主要途径[40]；海盐气溶胶直接辐射强迫在能量收支平衡上起重要作用，并可导致相对洁净的海洋-大气边界层能见度降低[41]。
亚马逊河入海口地区AOD与Sea salt AOD变化特征类似(图 7a)，AOD与Sea salt AOD均在6月达到最低值(0.12与0.02)，而在11月达到最高值(0.39与0.09)；Sea salt AOD对AOD的贡献率为15%(图 7b)。
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图 7 2000—2016年Ⅲ区月平均AOD与Sea salt AOD(a)及Sea salt AOD-AOD散点图(b；线性回归已通过0.05显著性水平检验) Fig.7 Monthly mean AOD and Sea salt AOD (a) and AOD scatter plot of Sea salt AOD (b, the linear regression passes the significance test at 0.05 level) over Ⅲ area from 2000 to 2016 |
将AOD和Sea salt AOD上升前的7月与二者均呈现最高值的11月进行比较，亚马逊河入海口地区(Ⅲ区，图 8中白框所示)的Sea salt AOD从7月的0.05增加至11月的0.14，且高值区分布范围由亚马逊河入海口处的沿岸陆地扩大至入海口西南部的内陆地区(图 8b、e)，AOD也从7月的0.15升到11月高值区中心的0.7以上(图 8a、d)。非洲南部邻近的大西洋海域向亚马逊河入海口全年平均风速＞5 m·s-1，有利于海盐从附近海域输送到亚马逊河入海口处，是Ⅲ区大气气溶胶的重要来源(图 8c、f)；尤其到9—11月时风速＞9 m·s-1，且风向由东南风逐渐转变为东风(图 8f)，更有利于海盐气溶胶在Ⅲ区聚集，形成亚马逊河入海口处及其西南部陆地地区的AOD和Sea salt AOD高值区。
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图 8 2000—2016年Ⅲ区AOD(a、d)、Sea salt AOD(b、e)、850 hPa风场(单位：m·s-1)与1000 hPa相对湿度(c、f；单位：%)(a、b、c. 7月，d、e、f. 11月) Fig.8 AOD (a, d), Sea salt AOD (b, e), and wind field at 850 hPa(units: m·s-1) and relative humidity at 1 000 hPa (c, f; units: %) over Ⅲ area in July (a, b, c) or November (d, e, f) from 2000 to 2016 |
撒哈拉沙漠源区的沙尘气溶胶向邻近的大西洋海区的输送有重要的气候环境意义，非洲沙尘气溶胶越大西洋海区传输的变化特征是重要的研究课题。为研究沙尘传输路径的空间分布变化，此处计算AOD质心进行分析；因为沙尘气溶胶是撒哈拉沙漠和邻近的大西洋海区最重要的气溶胶组分，因而AOD质心的分析可以代表沙尘气溶胶的空间分布及其越大西洋传输路径。AOD质心纬度位置分析计算气溶胶分布区以AOD为权重的各格点经纬度坐标的加权平均值作为AOD质心的经纬度坐标；利用AOD质心纬度的变化反映沙尘气溶胶跨洋传输路径的变化趋势。
AOD质心分布最偏北的三个月份在Ⅰ1区(陆区)为8月、9月和10月(图 9a)，而在Ⅰ2区(海区)为7月、8月和9月(图 9d)；AOD质心最偏南的三个月份在陆区为12月、1月和2月(图 9a)，在海区为1月、2月和3月(图 9d)。取上述月份分析陆区和海区北部、南部传输月份AOD质心分布纬度的时间变化序列，可以看出陆区(Ⅰ1区)沙尘气溶胶分布最偏北(图 9b)和最偏南(图 9c)的月份AOD质心分布纬度的变化趋势均不明显；仅从陆区(Ⅰ1区)来看，非洲撒哈拉沙漠沙尘气溶胶的源区和空间分布范围并未发生显著的变动和纬向移动。对于海区(Ⅰ2区)而言，沙尘气溶胶向大西洋海区传输偏北的月份(北部传输路径，图 9e)和传输偏南的月份(南部传输路径，图 9f)AOD质心分布纬度分别有0.4°和0.15°的向南变动；表明沙尘气溶胶向大西洋海区的传输路径确实存在向南移动的变化趋势。陆地上沙尘气溶胶光学厚度空间分布的分析发现撒哈拉沙漠沙尘源区并未发生明显的变动和纬向移动，为什么海区(Ⅰ2区)沙尘气溶胶向大西洋的传输路径却发生了向南移动(图 9e、f)？对海区沙尘气溶胶向大西洋北部传输对应的7月、8月和9月的分析发现传输路径以北北风分量从2000年至2016年有增强的趋势(图 10a)，这与沙尘传输路径向南移动的现象一致。非洲撒哈拉沙漠沙尘向大西洋海区传输路径以北为亚速尔高压分布区域；进一步分析发现，2000—2016年7月、8月和9月亚速尔高压区850 hPa位势涡度(Ertels potential vorticity, MERRA-2)呈现显著降低趋势(图 10b)，而500 hPa位势高度(geopotential height, MERRA-2)呈现增加趋势(图 10c)，反映了研究时间段亚速尔高压的显著增强，这可能导致了海区(Ⅰ2区)沙尘传输路径以北北风增强和沙尘传输路径向南移动；亚速尔高压变化和高压区北风变化的气候因素与赤道辐合带和沙尘传输路径的变化密切相关。上述结果表明大气气溶胶时空分布特征受全球和区域大气环流变化和调整的影响，可以反映气候变化等原因造成的大气环流变化。
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图 9 2000—2016年多年月平均AOD质心分布纬度(a、d)、北部传输(b、e)和南部传输(c、f)的三个月的月平均AOD质心分布纬度变化时间序列(a、b、c.陆区Ⅰ1区，d、e、f.海区Ⅰ2区；仅图 9e中线性回归通过0.05显著性水平检验) Fig.9 Times series of the centroid latitudes of the multiyear monthly mean AOD (a, d) and the monthly mean AOD for the three months associated with northward transport (b, e) and southward transport (c, f) of the dust aerosol over the Sahara (a, b, c. Ⅰ1area) or the Atlantic Ocean (d, e, f. Ⅰ2area) from 2000 to 2016 (only the linear regression in e. passes the significance test at 0.05 level) |
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图 10 2000—2016年非洲沙尘气溶胶越大西洋海区北部传输月份(7—9月)传输路径以北北风风速月平均时间序列(a)和亚速尔高压区(10~30°N，60~20°W)850 hPa位势涡度(b)与500 hPa位势高度(c)月平均时间序列(线性回归通过0.05显著性水平检验) Fig.10 Monthly mean wind speed (a) of the north wind to the north of the dust aerosol transport pathways and Ertel's potential vorticity at 850 hPa (b) and geopotential height at 500 hPa (c) over the Azores High region (10~30°N, 60~20°W) in the months associated with northward transport of the dust aerosol from Africa to the Atlantic Ocean (July, August, and September) from 2000 to 2016 (the linear regression passes the significance test at 0.05 level) |
本文结论与Meng et al.[30]提出的北非撒哈拉沙漠沙尘向大西洋传输中心轴近年来呈现北移的结论有所不符。1)根据本文和Meng et al.[30]的分析可见沙尘向大西洋海区传输路径的分布纬度有显著的年际变化，因而本文选择的2000—2016年的分析结果与Meng et al.[30]2001—2015年的研究结论可能会有不同。2)Meng et al.[30]选取的沙尘北部传输路径是4—10月，南部传输路径选取的是11月—次年3月；由图 9d可知Meng et al.[30]选取的上述两个时段沙尘传输路径分布纬度的变化范围很大，且两个时间段沙尘传输路径的月平均分布纬度有重叠，这可能导致Meng et al.[30]计算的北部和南部传输路径偏差和不确定性较大。而本文海区沙尘传输路径选取的是传输最偏北的7—9月分析北部传输路径变化趋势，传输最偏南的1—3月分析南部传输路径变化趋势(图 9d)；选取的沙尘传输路径最偏北和最偏南的三个月传输路径的纬度分布更为集中(图 9d)，因而计算结果更有利于精确描述沙尘气溶胶越大西洋传输路径的变化趋势。另外，有关沙尘气溶胶越大西洋传输路径纬向变化的结果与根据位势涡度和位势高度分析得到的沙尘传输路径以北亚速尔高压增强的结果一致，因而也支持本文的研究结论。有关上述问题还有必要进一步深入分析研究。
4 结论1) 非洲中北部撒哈拉沙漠地区及邻近的大西洋海区主要为源于沙漠的沙尘气溶胶造成的光学厚度高值区，陆地和海洋上空的AOD高值区和沙尘气溶胶光学厚度高值区在1—7月与赤道辐合带同步向北移动，并在8—12月向南回撤；海洋上空AOD高值区比陆地更偏南，主要是由于沙尘气溶胶传输区域海洋上的北风更强。
2) 非洲中南部刚果盆地及邻近的大西洋海区为黑碳及有机碳气溶胶光学厚度高值区；大气气溶胶以生物质燃烧为主要来源，主要集中在干季后半段；而生物源排放全年连续，排放峰值在雨季降水最多的4月以后发生，并与其后干季生物质燃烧源排放共同造成整个干季的AOD高值。
3) 亚马逊河口入海处及附近海域为海盐气溶胶光学厚度高值区；大西洋海域向该区全年平均风速＞5 m·s-1，有利于海盐气溶胶传输到该区成为大气气溶胶的重要来源。尤其是9—11月风速显著增大，且风向由东南风转为东风，更有利于海盐气溶胶进入亚马逊河口及其附近的沿海地区聚集，形成AOD和Sea salt AOD高值区。
4) 对2000—2016年撒哈拉沙漠沙尘向大西洋跨洋传输的偏北月份(陆区8—10月、海区7—9月)AOD高值区所处纬度进行分析，发现沙尘气溶胶向海区的传输路径存在向南移动的变化趋势。陆地上沙尘气溶胶光学厚度的分析发现撒哈拉沙漠沙尘源区并未发生明显变动和纬向移动；而海区沙尘气溶胶向大西洋海区传输路径的向南移动伴随着传输路径以北2000—2016年亚速尔高压增强(对应亚速尔高压区位势涡度显著降低和位势高度增加)和北风分量的增强，上述气候因素与赤道辐合带和沙尘传输路径的变化密切相关。表明大气气溶胶时空分布特征受全球和区域大气环流变化和调整的影响，可以反映气候变化等原因造成的大气环流变化。
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