沙尘传输路径和沉降量对南黄海叶绿素a浓度的影响❋

张莉燕， 王文彩,2❋❋， 罗诚汉， 盛立芳,2

(1. 中国海洋大学海洋与大气学院， 山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室， 山东 青岛 266100)

东亚干旱和半干旱地区是亚洲沙尘气溶胶的主要源区, 其中蒙古和中国西部的塔克拉玛干沙漠及北部的巴丹吉林沙漠分别占亚洲沙尘排放总量的29%、21%和22%[1]。在春季亚洲强沙尘暴产生的沙尘气溶胶可在西风气流的作用下到达中国沿海、朝鲜半岛、日本甚至跨过太平洋抵达至美国[2-5]。沙尘气溶胶在长距离运输中不仅可以通过改变辐射收支平衡及充当云凝结核等影响气候，其携带的化学组分也会通过营养盐沉降的形式对海洋生态系统产生极其重要的影响[6-9]。

黄海是一个半封闭海域，处于亚洲沙尘源区的下风带上，是中国近海中受沙尘影响概率最大的海区[10]，年平均沉积量为5.2×1012g·m-2[11]。现已有一些学者通过不同的研究方法探讨了沙尘气溶胶对黄海叶绿素a浓度变化的影响。Tan等进行多年统计分析发现，大多数沙尘事件能引起黄海叶绿素a浓度的变化[12]，并指出青藏地区、新疆东南部和蒙古戈壁的沙尘与叶绿素a浓度变化相关程度较高[13]，而且当有沙尘事件发生时，黄海出现藻华的时间比无沙尘事件发生年早2周左右，沙尘年的叶绿素a浓度峰值也高于非沙尘年[14]。还有学者通过个例分析来探讨沙尘对黄海叶绿素a浓度的影响。Shi等[15]结合模式模拟和卫星观测结果发现，沙尘沉降事件发生后的3～4 d，黄海的浮游植物大量繁殖并发生了藻华。海洋的营养状况决定着海洋生物活动的营养限制类型，黄海南部海域属于中等营养盐中等叶绿素水平[16]，来自沙尘的N，Fe和P供应是引发黄海藻华的关键因素[17-18]。Liu等[19]最近在南黄海开展了船基围隔培养对比实验，发现分别添加N、P、Fe三种元素和添加大量的沙尘颗粒都可以有效促进浮游植物的生长。

不同沙尘源区的化学和矿物组成的不同会引起沙尘铁溶解性的差异[20]，且在长距离传输过程中，沙尘有时会与途径地人为污染物和海盐气溶胶混合发生非均相化学过程，使沙尘的硝酸盐增加，P和Fe的溶解度显著增强，进而向海洋供应更多的生物可利用营养盐[21-26]。

虽然针对沙尘与叶绿素a浓度变化相关性的研究已有很多，但是关于不同沙尘源区、传输路径和沙尘沉降量对叶绿素a浓度变化的影响的系统性研究较少，本文旨在利用卫星观测数据和模式模拟结果，通过分析2018年3月20日～4月13日期间的四次沙尘沉降过程来初步探讨南黄海叶绿素对不同传输路径和浓度的沙尘的响应差异。

1 数据与方法

黄海东西两侧分布有30多条河流，河口地区会受到陆地河流污染排放的影响，这可能会使其受沙尘影响的分析变得复杂[27]。为了减少河流排放的影响，本文根据Tan等[16]的研究结果，选择了远离直接污染的南黄海中心(SYC，122.5°E～125°E，33.5°N～36°N)海域作为本文的研究区域(见图1)，该海域平均深度约69 m，处于中等营养水平[13]。

图1 南黄海中部(SYC，33.5°N～36°N,122.5°E～125°E)海域的地理位置

通过Himawari-8卫星观测资料发现，在2018年3月8日～4月13日这段时间内，有四次沙尘暴通过不同的传输路径影响了SYC海域。本文使用了Himawari-8卫星资料、HYSPLIT和WRF-Chem模式研究了这四次沙尘暴的传输路径，并结合HYCOM同化的海流数据研究了沙尘沉降量对SYC海域叶绿素a浓度的影响。

1.1 数据

Himawari-8卫星是日本气象厅在2014年10月发射的一颗地球静止气象卫星，相比于极轨卫星，它具有高时空分辨率的优势，其观测范围为60°S～60°N，80°E～160°W，空间分辨率为0.5～2 km，时间分辨率高达10 min[28]，故可实现对SYC海域的长时间定点观测。本文，选用了Himawari-8卫星level2的气溶胶光学厚度(AOT)、叶绿素a浓度(Chl-a)和光合有效辐射(PAR)这三种数据和NOAA提供的空间分辨率为0.5°×0.5°的海表温度(https://www.esrl.noaa.gov/psd/)来研究引起南黄海叶绿素a浓度变化的原因。此外，应用全球海洋预报系统(GOFS3.0)提供的水平方向的海水流速来分析海流对气溶胶沉降海域的影响。

1.2 模式

为了研究不同传输路径的沙尘气溶胶对黄海海域叶绿素a浓度的影响，本文使用混合单粒子拉格朗日综合轨迹(HYSPLIT)模型对到达黄海上空的几次沙尘暴进行后向轨迹分析。输入的气象数据是空间分辨率为2.5°×2.5°的美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的全球再分析资料。

为了评估沙尘沉降量的大小对黄海海域叶绿素a浓度的影响，利用WRF-Chem(3.9.1版本)模拟了2018年3月8日～4月13日东亚沙尘的传输和沉降过程，模拟区域为75°E～170°E，25°N～50°N，网格距为25 km，模式将大气层垂直分为了30层，模顶气压为50 hPa，气象驱动场的初始和侧边界条件采用的是NCEP/FNL(Global Final Analysis)再分析资料数据，该数据时间分辨率为6 h，空间水平分辨率为1°×1°。模式的微物理过程采用了Morrison方案，长波辐射和短波辐射选用RRTM方案，行星边界层方案选择YSU方案，积云参数化方案选用Grell方案。沙尘的起沙、传输和沉降过程采用的是GOCART方案[27]。沙尘的沉降考虑了湍流扩散和重力沉降，气溶胶粒子表面的迁移速度vd由公式(1)计算：

(1)

其中:v是表面热量和水汽的交换速度;w是湿度;ut是沙尘起沙的临界风速;u10m是10 m高度处的水平风速。

对大颗粒气溶胶来说，重力沉降起主导作用。利用斯托克斯定律计算半径为r的粒子的沉降速度vstk：

(2)

其中:ρp是粒子密度;g是重力加速度;μ是空气绝对粘度(1.5×105kg/m/s);CCunn是Cunningham修正，它考虑了空气压力和温度对粘度的依赖性[30]。

1.3 藻华定义

为了更好地探讨沙尘气溶胶沉降对叶绿素a浓度的影响，对SYC海域每日的沙尘沉降量、海表温度、光合有效辐射和叶绿素a浓度等要素做了时间平均和空间平均，将SYC上空沙尘通量从极小值逐渐增长至极大值而后又降低到极小值的变化过程定义为发生在SYC海域的一次沙尘沉降事件。根据Jo等[17]的定义，当SYC海域的叶绿素a浓度高于冬季(2015年12月至2019年2月)平均值的两倍(2.15 mg·m-3)时视为发生藻华。

2 结果与讨论

2.1 沙尘事件

图2是500 hPa风场和Himawari-8卫星观测的气溶胶光学厚度。由图可以看到，在2018年3月20日～4月13日，塔克拉玛干沙漠东部和蒙古戈壁等沙尘源区经常出现气溶胶光学厚度高值，并在高空气流的引导下影响了下游的华北平原和SYC等地。WRF-Chem模拟的SYC海域上空沙尘通量的日变化与Himawari-8卫星监测的光学厚度日变化趋势较为一致(见图3)，由于Himawari-8卫星会受到云的影响而出现缺测，下文将用模式模拟的沙尘通量和沉降量来研究沙尘事件。

图3 2018年3月14日～4月18日WRF-Chem模拟的沙尘通量和Himawari-8卫星观测的气溶胶光学厚度

图2 2018年3月20日～4月13日500 hPa风场和气溶胶光学厚度

2.2 沙尘源区和传输路径

第一次沙尘事件发生在3月20～27日。图4是WRF-Chem模拟的该时段的沙尘通量空间分布图。由图可知，3月20日塔克拉玛干沙漠和蒙古地区出现了两个沙尘通量高值区，其最大值分别为97和72 mg·kg-1，3月21日沙尘团逐渐向东南方向移动并沉降，23日沙尘中心从黄土高原移至华北平原，于24日进入南黄海，使得该过程中SYC海域的沙尘通量达到最大，其值约为14 mg·kg-1，之后随着沙尘气团的进一步东传和沉降，SYC海域的沙尘通量逐渐减少至4 mg·kg-1。为了进一步确定此次过程中SYC海域沙尘的来源和传输路径，分析WRF-Chem模拟的SYC海域沙尘通量最高时刻(3月24日05时)的沙尘垂直分布，发现此沙尘主要分布在2 km以下，故选取该时刻0.5，1和2 km高度处的气流进行后向轨迹分析(见图5(a))，发现此次SYC的沙尘主要来源于蒙古戈壁和乌兰布和沙漠，途经黄土高原和华北平原，与图4中右侧沙尘高值区的移动方向一致。

图4 WRF-Chem模拟的第一次沙尘事件(3月20～27日)的沙尘通量空间分布图

((a)为第一次沙尘事件，(b)和(c)为第二次沙尘事件，(d)为第三次沙尘事件，(e)为第四次沙尘事件。 (a) The first dust event； (b) and (c) the second dust event； (d) The third dust event； (e) The fourth dust event. ★为SYC海域中的三个点，绿线、蓝线、红线代表不同高度的气流轨迹。上部为水平运动，下部为垂直运动。★ are three points in SYC sea area, green line, blue line and red line represent air flow tracks of different heights. The upper part is horizontal movement and the lower part is vertical movement.)

第二次沙尘事件发生在3月27日～4月3日(见图6)。和第一次沙尘过程一样，3月27日塔克拉玛干沙漠和蒙古都有明显的起沙过程，与第一次事件不同的是，此次过程中的部分沙尘传输至了东北地区，3月28日，沙尘扩散范围变小，且东传至黄海，使得SYC海域的沙尘通量达到极大值，其值为13.91 mg/kg，29～30日，到达黄海的沙尘几乎与沙尘源区切断了联系，即沙尘源区不再向黄海输送沙尘，南黄海的沙尘通量慢慢减小，但两个沙尘源区在持续起沙，影响范围也在不断扩大，且向东北方向移动，31日少量沙尘被输送到了SYC海域，沙尘通量增加至14.51 mg·m-3，之后研究区域的沙尘通量又不断减少至6 mg·kg-1以下。对此次沙尘事件中沙尘通量达到了极大值的28日14时和31日17时的SYC海域的沙尘进行了后向轨迹追踪(见图5(b))，发现3月28日SYC海域低层的沙尘可追溯到25日18时的华北平原，而高层的气流可以追踪到蒙古和内蒙古的戈壁沙漠，也可以在图4中看到3月25日上述两地确实有大量的沙尘气溶胶，25日蒙古戈壁的沙尘于26日传输到黄土高原，27日到达华北平原，28日进入南黄海。从图5(c)可以看出，3月31日SYC海域的沙尘与28日的是同一个沙尘团，这三天时间中，此团沙尘一直盘旋在黄海上空，3 km处的气流从内蒙古的浑善达克沙漠和京津冀地区带来了一些沙尘，使得该天的沙尘通量有所增加。

图6 WRF-Chem模拟的第二次沙尘事件(3月27～4月3日)的沙尘通量空间分布图

第三次沙尘事件发生在4月3～7日。此次沙尘影响范围较广，全国大部分地区均出现了沙尘。如图7所示，4月3日塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠开始起沙，4月4日沙尘范围扩大并向东北和东南方向移动，4月5日沙尘传输至黄海，4月6日SYC海域的沙尘通量达到最大值，其值为19.93 mg·kg-1。为了确认到达SYC海域的沙尘的传输路径，本文对WRF-Chem模拟的该过程中沙尘通量最大时刻(4月6日00时)的沙尘团进行后向轨迹分析，该时刻在1 km以下和3.5～5.5 km处均出现了沙尘层，选取0.5，4和5 km三个高度处的气团做后向轨迹追踪(见图5(d))。低层沙尘团源于蒙古，向东南方向移动，经过乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、山西和河北等地进入南黄海，高层沙尘团源于4月3日扩散到青藏高原上的沙尘，向东移动，经过黄土高原南部和华北平原南部到达黄海。

图7 WRF-Chem模拟的第三次沙尘事件(4月3～7日)的沙尘通量空间分布图

第四次沙尘事件发生在4月7～13日(见图8)。4月7日塔克拉玛干沙漠开始起沙，随后逐渐扩散东传，4月9日沙尘与第三次事件中残留在云贵高原和江南丘陵的沙尘团汇合东传，4月10日SYC海域的沙尘通量达到最大值17.21 mg·kg-1，随后沙尘先后向东北和东南方向移动。该过程中沙尘通量最大时刻(4月10日16时)SYC海域的沙尘主要集中在3.5 km以下的大气中(见图5(e))。选取1，2和3 km高度处的沙尘团进行48 h的后向轨迹分析，发现此次过程中的不同高度处的沙尘来源和传输路径均有不同。高层的沙尘源于哈顺戈壁和中央戈壁，穿越内蒙古中部地区、黄土高原和华北平原到达研究海域，而低层的沙尘则源于两广丘陵，途经江南丘陵和长江中下游平原到达SYC海域。

图8 WRF-Chem模拟的东亚地区第四次沙尘事件(4月7～13日)的沙尘通量空间分布图

2.3 海流对沙尘沉降位置的影响

SYC海域距离陆地较远，受径流水影响较小。为了明确海流对沙尘气溶胶沉降海域的影响，本文利用全球海洋预报系统(GOFS3.0)提供的海水流速，分析了沙尘沉降期间海流的特征。结果表明，研究期间该海域表面海流经向速度最大值为-0.18 m·s-1(见图9)，平均速度为-0.01 m·s-1；纬向速度最大值为-0.25 m·s-1，平均速度为-0.02 m·s-1。海流的最大移动距离为22.99 km·d-1，而SYC海域面积约为75 625 km2，被海流裹挟的大气沉降物的移动范围远小于研究海域面积，有利于沉降的沙尘滞留在该海域持续为浮游植物提供营养物质。

图9 2018年3月8日～4月16日，SYC海域表面经向流速(a)和纬向流速(b)的日变化

2.4 沙尘气溶胶对叶绿素a浓度的影响

海洋中叶绿素a浓度的变化受到海温，光合有效辐射和营养物质等的影响。图10显示了2018年3月8日～4月16日，SYC海域叶绿素a浓度、沙尘沉降量、海温和光合有效辐射的日变化。在研究期内，叶绿素a浓度在3月30日、4月6日、4月8日和4月15日出现较为明显的峰值，其值分别为11.60、6.08、2.30和4.38 mg·m-3，达到了藻华水平。海温变化范围在7.42～11.19 ℃，为浮游植物的生长提供了一个适宜的温度，光合有效辐射波动较大，在个别天数高于500 μm·m-2·s-1，可能会抑制当日浮游植物的生长。

(橙线为沙尘沉降量，紫线为光合有效辐射，绿线为海表温度，黑色实线为叶绿素a浓度，黑色虚线为藻华阈值。Orange line is the sand dust sedimentation, purple line is the photosynthetically active radiation; Green line is the sea surface temperature; Black solid line is the chlorophyll a concentration; Black dotted line is the algal bloom threshold.)

本文将沙尘通量从极小值增加至极大值而后又降到极小值的天数视为一次沙尘事件在SYC海域的持续时间。如图10所示，沙尘沉降量和叶绿素a浓度均出现了明显的波动。由于叶绿素a浓度对沙尘事件的响应往往存在着数天至数十天的延迟[18]，所以将沙尘干沉降最大值和叶绿素a浓度最大值出现的时间差视为该事件中叶绿素对沙尘的响应时间，结合图3和10来研究沙尘事件对SYC海域叶绿素a浓度的影响。第一次沙尘事件持续时间为8天(2018年3月20～27日)，在此期间沉降至SYC海域的沙尘总量为15.79 mg·m-2。3月25日出现该事件中的最大沉降5.74 mg·m-2。叶绿素a浓度在3月30日出现峰值11.6 mg·m-2，响应时间为5 d。第二次沙尘事件历时8天(3月27日～4月3日)，SYC海域沙尘沉降量为10.56 mg·m-2。3月29日出现该事件中的最大沉降2.21 mg·m-2，叶绿素a浓度在4月6日出现峰值6.08 mg·m-2，响应时间为8天。第三次沙尘事件历时5天(4月3～7日)，SYC海域的沙尘总沉降量为14.05 mg·m-2，最大沉降量出现在4月6日，其值高达8.05 mg·m-2，叶绿素a浓度在4月8日出现峰值2.30 mg·m-2，响应时间为2天。第四次沙尘事件持续7天(4月7～13日)，SYC海域的沙尘总沉降量为8.16 mg·m-2，最大沉降量出现在4月8日，其值为2.79 mg·m-2，叶绿素a浓度在4月15日出现峰值4.38 mg·m-2，响应时间为7天。观察四次事件中沙尘沉降量、沙尘沉降极值和叶绿素a浓度的极值和响应时间，发现沙尘干沉降极值越大，叶绿素a浓度变化的响应时间越短。在第一、二、四次沙尘事件中，SYC海域的沙尘沉降总量越多，叶绿素a浓度变化越大。第三次沙尘事件中沙尘沉降量仅次于第一次沙尘过程，然而叶绿素a浓度变化幅度却是四次事件中最小的，这可能是因为这次事件沙尘携带的营养盐较少的缘故。

以往研究表明，沙尘中N、P、Fe等元素的输入对浮游植物的生物量和生长速度具有重要的影响[19,31]。沙尘在从源区传到SYC海域，途径下游工业污染较强的城市区时会与其他气溶胶混合发生老化，增加沙尘气溶胶中硝酸盐的含量和P、Fe的溶解度，从而使通过不同传输路径沉降至SYC海域的沙尘生物可利用营养物质产生差异[24,26,32]。研究期间发生的四次沙尘事件均源于蒙古戈壁，传输路径略有不同，有的在西风气流的引导下穿过黄土高原和华北平原进入黄海，有的则是从蒙古途经津京冀进入黄海，部分经过了长江中下游平原。但对比四次沙尘事件，发现传输路径对叶绿素a浓度变化无显著影响，这可能是由于四个过程的沙尘沉降量差异太大，从而使得通过不同传输路径到达SYC海域的沙尘携带的营养物质的差异未能显现出来。

3 结语

2018年3月20日～4月13日期间，中国境内发生了四次沙尘事件。本文利用WRF-Chem和HYSPLIT模式模拟了这四次沙尘事件的传输过程和在SYC的沙尘沉降量。第一次沙尘事件中，沙尘途经河套地区、河南和江苏北部到达SYC海域；在第二次沙尘事件中，低层沙尘源于在事件一中3月25日到达江淮地区的沙尘团，该沙尘团先向东南移动至江苏北部，再向东北方向移入SYC海域；在第三次沙尘事件中，沙尘途经蒙古、蒙古中部的库布齐沙漠、山西北部、天津、渤海等地后进入SYC海域；在第四次沙尘事件中，沙尘经过两广丘陵、江南丘陵、长江中下游平原、江苏北部，最后进入SYC海域。

SYC海域叶绿素a浓度的响应主要受沉降量的控制，与低层沙尘传输路径相关性较小。整体而言，SYC海域的单日沙尘沉降量越大，叶绿素变化的响应时间越短；整个事件期间的沙尘沉降量越多，叶绿素a浓度越高。

本文上述结论是基于个例研究得出，在之后的工作中，我们将选取更多的个例，，结合出海巡航采样结果进行更加系统的分析，深入探讨沙尘气溶胶对黄海海域叶绿素a浓度以及有机碳含量等的影响。

致谢：本文所用Himawari-8卫星观测数据由日本气象厅提供，美国国家海洋和大气局提供的WRF-Chem模式被用于模拟沙尘事件，HYSPLIT在线模式被用来绘制后向轨迹，作者对此表示诚挚谢意。