雨季来临前阿拉伯海上空气溶胶浓度增强：自然还是人为？外文翻译资料

 2022-11-26 20:18:12

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雨季来临前阿拉伯海上空气溶胶浓度增强：自然还是人为？

S.K. Satheesh and J. Srinivasan

Centre for Atmospheric and Oceanic Sciences， Indian Institute of Science， Bangalore， India

Received 18 June 2002; revised 31 July 2002; accepted 5 August 2002; published 21 September 2002.
近期在印度子大陆毗邻的海域上开展的实验证实了1月到3月之间出现了人为气溶胶霾。实验表明，气溶胶的主要来自于南亚和东南亚地区。经过我们长时间、多站点的观察和载船观察，结果表明：气溶胶从印度子大陆的西北区域迁移过来，尤其是阿拉伯和撒哈拉区域（主要是自然中的尘埃），这些气溶胶与当地由海洋表面风产生的海盐气溶胶一起形成了当地4月和5月间气溶胶更重要的来源。而由阿拉伯／撒哈拉4-5月迁移过来的气溶胶（主要是自然的）产生的辐射效应也是不容小觑的，并且通常超过1-3月期间人为气溶胶所产生的辐射效应（1.5倍）。遍布在阿拉伯海上的尘埃可以影响这片区域的温度状况和辐射平衡。

索引词：0305大气组成和结构：气溶胶和颗粒物（0345，4801）；1610 全球变化：大气（0315，0325）；1704 地球物理学史：大气科学；1803 水文：人为影响。

1.简介

预报气候变化的最大的不确定性来源之一就是气溶胶辐射效应相关知识的不确定性 [Hansen etal.，1998;Kaufman et al.， 1998]。尽管气溶胶在气候中扮演着重要的角色，但是因为缺乏综合全面的数据库支持，它们的特征在气候模式中很难被精确描述。为了提高气溶胶观测的精度，已经开展实施了许多实验，包括气溶胶特性性实验(ACE-1和ACE-2)、烟雾、云层、气溶胶、辐射-巴西(SCAR-B)、对流层气溶胶辐射观察实验(TARFOX)和最近完成的印度洋实验(INDOEX) [Ramanathan et al.，2001]。在印度中层大气研究计划(IMAP)实施期间，在印度境内的多个观测点启动了监测气溶胶特征的项目，该方案自80年代后期开始实施，随着印度空间研究组织的地球-生物圈计划(ISRO-GBP)的启动进一步扩大范围。观测得到长期数据并用于研究海洋气溶胶的特征是本计划的主要目标之一。为实现这一目标，一个观测站点于1995年1月在拉克沙德维普群岛近海的米尼科伊岛(8.5°N，73°E)上建立。于1995年1月至1998年3月期间，在米尼科伊岛上进行了大量的观测实验[Moorthy et al.，1999;Moorthy Satheesh，2000]。

印度洋实验(INDOEX)是在印度洋进行的一项野外试验，用来评估亚洲陆地上大气气溶胶对辐射平衡的影响。作为实验的一部分，卡斯杜岛气候观测站(KCO)(4.95°N，73°E)于1998年2月在马尔代夫共和国的卡斯杜岛成立。在印度季风系统中，由于风向的逆转，米尼科伊岛和卡斯杜岛观测站都受到了两种对立的气团(大陆和海洋气团)的影响，这为同时研究自然和人为气溶胶提供了绝佳的机会。

在印度洋实验中，还开展了对北印度洋热带地区的人为气溶胶的观测实验。实验中基于地面、船载、和卫星的观测结果，证实了人为气溶胶对于区域气候产生了一定的影响。实验表明，这类气溶胶的主要来自于南亚和东南亚[Lelieveld et al.，2001; Ramanathan et al.，2001]。但是这些实验主要集中在1月到3月之间，期间的气团主要来自于印度子大陆。因此本文中，我们主要研究气溶胶特性的季节性变化，来评估不同气团在印度子大陆附近海域对气溶胶特性的影响。研究表明，除了印度子大陆，毗邻区域的气团对本区域的气溶胶浓度变化也很重要的影响。

2.雨季前气溶胶浓度增加

在马尔代夫气候观测站，气溶胶光学厚度的测量作为气溶胶自动观测网的一部分，它是地面气溶胶监测网，可以从NASA地球观测系统(EOS)中获得观测数据[Holben et al.，1998]。另外，观测站还使用了一种 Microtops牌手持太阳光度计(美国太阳能光度计)。在米尼科伊岛所用的仪器是一种多波段太阳辐射计(MWR)，详情可见如下文档[Shaw et al.，1973;Moorthy et al.，1997， 1999]。从1995年到1998年在米尼科伊岛进行的长期测量，以及1998年至2000年在马尔代夫气候观测站的长期测量结果均已经过验证。1998年气溶胶光学厚度随时间的变化如图1a所示，有两个代表性波长，一个可见(500nm)，一个近红外(1020nm) (卡斯杜岛气候站观测数据)。我们发现，4 - 5月份的光学厚度比1 - 3月份大。1995年至1998年从1月到3月和4月、5月的气溶胶光学厚度的光谱变化，如图1b所示 (米尼科伊岛观测数据)。虽然在可见波长上没有显著差异，但相比于1-3月的平均值，在4、5月期间近红外波长的有显著的增加。从1995年到2000年，1月至3月和4月、5月的平均气溶胶光学厚度(500nm)如图2所示，可以看出，4、5月的平均值与1 - 3月份的平均值相当，甚至有时甚至超过1 - 3月份的值(如1997年)。其主要原因是人为气溶胶(主要是亚微米)影响可见光的波长和自然气溶胶(主要是超微微米)对近红外波长的影响(自然气溶胶可以影响亚微米范围)，图1b证明了大颗粒的气溶胶(如海盐或尘埃)的存在。在4-5月期间，风速很低，而且预计没有大量的海盐。

图1. (a) 卡斯杜岛观测站两个波长下气溶胶光学厚度的变化(b)1995-1998米尼科伊岛1-3月平均气溶胶光学厚度和4、5月份平均气溶胶光学厚度

图2. 1995年至2000年1-3月和4、5月气溶胶可见光学厚度平均值。1995-1998年运用了米尼科伊岛数据，1998年-2000年运用了卡斯杜岛气候观测站数据。

图3a显示了1998年5月的月海洋表面平均风场分布，这表明主要是西北风。从1995年到2000年的六年间，也发现了类似的特征。这清楚地表明，在5月，影响阿拉伯海的风起源于阿拉伯和撒哈拉地区。Moorthy和Satheesh[2000]报导的风场的完整分析也支持上述结论。由于在5月份影响阿拉伯海的风可以有向北和向南的成分，我们研究了向南的成分对气溶胶光学厚度的影响(图3b)(数据在1999年5月)。可以看出，每当大部分风都来自于北方(来自阿拉伯和撒哈拉地区)时，气溶胶光学厚度就会很高。这表明，在印度大陆西北部地区，气溶胶含量相当高。后向气流轨迹分析(采用混合单粒子拉格朗日积分轨迹(HYSPLIT4)模型，1997年;网址: http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.，美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室，银泉MD)(以日为单位)，1998年5月在(20°N，65°E)北部，中部(15°N，65°E)和南部阿拉伯海(10°N，65°E)获取的数据。我们分析发现，大约85%的天数(1998年5月)阿拉伯北部的气团来自于阿拉伯或撒哈拉沙漠中。同样地，对于中、南阿拉伯海，大约70%和65%的天数(1998年5月)，气团来自阿拉伯或撒哈拉沙漠。可是阿拉伯海的其他地方怎么样?

图3.(a)1998年5月风场(b)气溶胶光学厚度与风向关系

最近Tekemura等[2002]使用了气溶胶迁移模型和大气环流模型来模拟气溶胶的全球分布。他们的研究结果表明，在3月至4月之间，阿拉伯海北部的气溶胶光学厚度要比12月-2月大得多。这与我们的研究结果是一致的。此外， 1996年阿拉伯海北部(15°N)的载船实验表明(载于ORV Sagar Kanya) [Moorthy et al.， 1997;Satheesh Moorthy，1997]平均气溶胶光学厚度在1、2月期间是0.2而在4月是0.4。在1月- 3月期间，风来自印度子大陆，在4月至5月期间，风主要来自于西北方。接下来我们检验了在位于印度的西部海岸的特里凡得琅(8.5°N，77°E)收集的15年气溶胶光学厚度数据。4月- 5月的光学深度(0.40)比1 - 3月(0.32)[Moorthy et al.，1999]更大。Moorthy和Satheesh[2001]也从米尼科伊岛(8°N，73°E)长期的气溶胶光学厚度和气象参数测量中得出，只要风来自西北，气溶胶光学厚度就会很大。

3. 运输气溶胶的化学组成。

在卡斯杜岛气候观测站收集了大小不同的气溶胶样品，随后在佛罗里达迈阿密大学进行化学分析，获得化学成分组成[Ram- anathan et al.，2001]。卡斯杜岛气候观测站观察的气溶胶颗粒的主要化学物质是硫酸盐、铵、硝酸盐、海盐、煤烟、粉尘和有机物[Satheesh和Ramanathan， 2000;Lelieveld et al .，2001;Ramanathanet al .，2001;Satheesh et al .，1999)。

图4. (a)不同成分的气溶胶光学厚度的月变化(b)不同月份自然气溶胶的比例

利用Mie积分方程对单个气溶胶的光谱消光系数进行了估计。详情如下可见[Hess et al.，1998;Satheesh et al .，1999; SatheeshRamanathan，2000; Ramanathanet al .，2001)。气溶胶光学厚度的每个化学成分组成的月变化如图4a所示。在Satheesh等[1999]研究之后，单个成分的气溶胶光学厚度被分成两类，自然的和人为的气溶胶光学厚度。图4b显示了自然气溶胶对光学厚度的贡献。很明显(图4a)矿物粉尘和灰尘主要对5月份的光学厚度的增强有影响。5月来自阿拉伯/撒哈拉地区的风将这些地区的气溶胶输送过来是主要原因。

4.辐射效应

在最近的一项研究中，Satheesh和Ramanathan[2000]得出了气溶胶辐射效应的效率(单位光学厚度的气溶胶作用)：表面大气的辐射效率范围为-70至-75 W／m 2，顶部的大气(TOA)的范围为-22到-25 W/ m 2。卡斯杜岛气候观测站在1998年2月和3月期间观察到的平均气溶胶光学厚度为0.16，随着辐射效应效率的增加，实际的气溶胶对该区域的辐射效应逐渐增大，譬如大气表面辐射效率为-15W／m2，而大气顶部-4W／m2。采用蒙特卡洛辐射传输模型(Satheesh and Ramanathan， 2000)，结合气溶胶化学成分(如图4a)，对不同月份的辐射效应进行了评估。在1998年5月，大气顶部大约-3.5W／m2，地球表面-8.8 W／m2，大约是1998年2、3月气溶胶平均辐射效应的80%和55%。在1998年5月，大气顶部的混合气溶胶辐射效应为-6W／m2，大约是2 - 3月的1.5倍。这表明5月份的气溶胶对辐射通量的影响比1 - 3月要高。Eck等[2001]报道，在4月- 5月期间，气溶胶单次散射反射率为0.90，表明吸收气溶胶量与1 - 3月相似。

这些讨论结果提供了强有力的证据证明阿拉伯海的气溶胶是通过西北风迁移过来的。

5.争议与讨论

我们的结果引起了以下问题：在多大程度上本地产生的海盐能抵消因吸收气溶胶而产生的热效应？此外，海盐具有间接影响[Ramanathan et al.，2001]，矿物粉尘中的铁含量会促进浮游植物成长，从而催化二甲硫化物(DMS)排放，进而影响云层的覆盖[Hansen et al.，1998]。由于表面冷却效应，海盐和沙尘都对海面温度有影响，同时由于海盐气溶胶的吸湿性，风对大气中云凝结核的数量有影响。Tekemura等[2002]表明，3月到5月2日期间，在阿拉伯海北部上空的气溶胶能使大气变得更加稳定。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)[1995]关注的是人为气溶胶的存在对气候的影响。然而，自然气溶胶在某些月份会对气候也会产生重大影响，要准确估计人为气溶胶的影响，就必须对自然气溶胶有良好的认识。因此，迫切需要研究和证明热带地区自然和人为气溶胶的季节性变化。

6.结论

综上所述，当西北风盛行时，从撒哈拉沙漠穿越阿拉伯海的气溶胶大量地迁移，其中的主要部分是自然气溶胶。在6个月(5月至9月和12月)中，超过50%的气溶胶光学厚度是由自然气溶胶形成的。在5月期间的气溶胶迁移过程带来的影响比在1月至3月期间由东北风带来的气溶胶影响要大。显然，这些由西北风运输的气溶胶对区域气候系统有重要影响，需要进一步了解。

致谢。我们感谢印度空间委员会主席K. Kasturirangan教授，感谢他提供了在ISRO-岩石生物圈计划下的大量数据。卡斯杜岛气候观测站的气溶胶光学厚度由B.N. Holben博士提供，NASA/GSFC和气溶胶化学数据由迈阿密大学RSMAS博士D. Savoie博士，苏洛查纳·加格尔教授、苏巴亚亚教授、ISRO总部、克利须那博士、SPL、Dr. Maring amp; D. Savoie、RSMAS提供，此外迈阿密大学还提出了宝贵的建议。

参考文献

Eck, T. F., et al., Column-integrated aerosol optical properties over th

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