張莉燕， 王文彩,2??， 羅誠漢， 盛立芳,2

(1. 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室， 山東 青島 266100)

東亞干旱和半干旱地區(qū)是亞洲沙塵氣溶膠的主要源區(qū), 其中蒙古和中國西部的塔克拉瑪干沙漠及北部的巴丹吉林沙漠分別占亞洲沙塵排放總量的29%、21%和22%[1]。在春季亞洲強沙塵暴產(chǎn)生的沙塵氣溶膠可在西風(fēng)氣流的作用下到達中國沿海、朝鮮半島、日本甚至跨過太平洋抵達至美國[2-5]。沙塵氣溶膠在長距離運輸中不僅可以通過改變輻射收支平衡及充當(dāng)云凝結(jié)核等影響氣候，其攜帶的化學(xué)組分也會通過營養(yǎng)鹽沉降的形式對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極其重要的影響[6-9]。

黃海是一個半封閉海域，處于亞洲沙塵源區(qū)的下風(fēng)帶上，是中國近海中受沙塵影響概率最大的海區(qū)[10]，年平均沉積量為5.2×1012g·m-2[11]?，F(xiàn)已有一些學(xué)者通過不同的研究方法探討了沙塵氣溶膠對黃海葉綠素a濃度變化的影響。Tan等進行多年統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)沙塵事件能引起黃海葉綠素a濃度的變化[12]，并指出青藏地區(qū)、新疆東南部和蒙古戈壁的沙塵與葉綠素a濃度變化相關(guān)程度較高[13]，而且當(dāng)有沙塵事件發(fā)生時，黃海出現(xiàn)藻華的時間比無沙塵事件發(fā)生年早2周左右，沙塵年的葉綠素a濃度峰值也高于非沙塵年[14]。還有學(xué)者通過個例分析來探討沙塵對黃海葉綠素a濃度的影響。Shi等[15]結(jié)合模式模擬和衛(wèi)星觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沙塵沉降事件發(fā)生后的3～4 d，黃海的浮游植物大量繁殖并發(fā)生了藻華。海洋的營養(yǎng)狀況決定著海洋生物活動的營養(yǎng)限制類型，黃海南部海域?qū)儆谥械葼I養(yǎng)鹽中等葉綠素水平[16]，來自沙塵的N，F(xiàn)e和P供應(yīng)是引發(fā)黃海藻華的關(guān)鍵因素[17-18]。Liu等[19]最近在南黃海開展了船基圍隔培養(yǎng)對比實驗，發(fā)現(xiàn)分別添加N、P、Fe三種元素和添加大量的沙塵顆粒都可以有效促進浮游植物的生長。

不同沙塵源區(qū)的化學(xué)和礦物組成的不同會引起沙塵鐵溶解性的差異[20]，且在長距離傳輸過程中，沙塵有時會與途徑地人為污染物和海鹽氣溶膠混合發(fā)生非均相化學(xué)過程，使沙塵的硝酸鹽增加，P和Fe的溶解度顯著增強，進而向海洋供應(yīng)更多的生物可利用營養(yǎng)鹽[21-26]。

雖然針對沙塵與葉綠素a濃度變化相關(guān)性的研究已有很多，但是關(guān)于不同沙塵源區(qū)、傳輸路徑和沙塵沉降量對葉綠素a濃度變化的影響的系統(tǒng)性研究較少，本文旨在利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和模式模擬結(jié)果，通過分析2018年3月20日～4月13日期間的四次沙塵沉降過程來初步探討南黃海葉綠素對不同傳輸路徑和濃度的沙塵的響應(yīng)差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

黃海東西兩側(cè)分布有30多條河流，河口地區(qū)會受到陸地河流污染排放的影響，這可能會使其受沙塵影響的分析變得復(fù)雜[27]。為了減少河流排放的影響，本文根據(jù)Tan等[16]的研究結(jié)果，選擇了遠離直接污染的南黃海中心(SYC，122.5°E～125°E，33.5°N～36°N)海域作為本文的研究區(qū)域(見圖1)，該海域平均深度約69 m，處于中等營養(yǎng)水平[13]。

圖1 南黃海中部(SYC，33.5°N～36°N,122.5°E～125°E)海域的地理位置

通過Himawari-8衛(wèi)星觀測資料發(fā)現(xiàn)，在2018年3月8日～4月13日這段時間內(nèi)，有四次沙塵暴通過不同的傳輸路徑影響了SYC海域。本文使用了Himawari-8衛(wèi)星資料、HYSPLIT和WRF-Chem模式研究了這四次沙塵暴的傳輸路徑，并結(jié)合HYCOM同化的海流數(shù)據(jù)研究了沙塵沉降量對SYC海域葉綠素a濃度的影響。

1.1 數(shù)據(jù)

Himawari-8衛(wèi)星是日本氣象廳在2014年10月發(fā)射的一顆地球靜止氣象衛(wèi)星，相比于極軌衛(wèi)星，它具有高時空分辨率的優(yōu)勢，其觀測范圍為60°S～60°N，80°E～160°W，空間分辨率為0.5～2 km，時間分辨率高達10 min[28]，故可實現(xiàn)對SYC海域的長時間定點觀測。本文，選用了Himawari-8衛(wèi)星level2的氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)、葉綠素a濃度(Chl-a)和光合有效輻射(PAR)這三種數(shù)據(jù)和NOAA提供的空間分辨率為0.5°×0.5°的海表溫度(https://www.esrl.noaa.gov/psd/)來研究引起南黃海葉綠素a濃度變化的原因。此外，應(yīng)用全球海洋預(yù)報系統(tǒng)(GOFS3.0)提供的水平方向的海水流速來分析海流對氣溶膠沉降海域的影響。

1.2 模式

為了研究不同傳輸路徑的沙塵氣溶膠對黃海海域葉綠素a濃度的影響，本文使用混合單粒子拉格朗日綜合軌跡(HYSPLIT)模型對到達黃海上空的幾次沙塵暴進行后向軌跡分析。輸入的氣象數(shù)據(jù)是空間分辨率為2.5°×2.5°的美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)的全球再分析資料。

為了評估沙塵沉降量的大小對黃海海域葉綠素a濃度的影響，利用WRF-Chem(3.9.1版本)模擬了2018年3月8日～4月13日東亞沙塵的傳輸和沉降過程，模擬區(qū)域為75°E～170°E，25°N～50°N，網(wǎng)格距為25 km，模式將大氣層垂直分為了30層，模頂氣壓為50 hPa，氣象驅(qū)動場的初始和側(cè)邊界條件采用的是NCEP/FNL(Global Final Analysis)再分析資料數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)時間分辨率為6 h，空間水平分辨率為1°×1°。模式的微物理過程采用了Morrison方案，長波輻射和短波輻射選用RRTM方案，行星邊界層方案選擇YSU方案，積云參數(shù)化方案選用Grell方案。沙塵的起沙、傳輸和沉降過程采用的是GOCART方案[27]。沙塵的沉降考慮了湍流擴散和重力沉降，氣溶膠粒子表面的遷移速度vd由公式(1)計算：

(1)

其中:v是表面熱量和水汽的交換速度;w是濕度;ut是沙塵起沙的臨界風(fēng)速;u10m是10 m高度處的水平風(fēng)速。

對大顆粒氣溶膠來說，重力沉降起主導(dǎo)作用。利用斯托克斯定律計算半徑為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是空氣絕對粘度(1.5×105kg/m/s);CCunn是Cunningham修正，它考慮了空氣壓力和溫度對粘度的依賴性[30]。

1.3 藻華定義

為了更好地探討沙塵氣溶膠沉降對葉綠素a濃度的影響，對SYC海域每日的沙塵沉降量、海表溫度、光合有效輻射和葉綠素a濃度等要素做了時間平均和空間平均，將SYC上空沙塵通量從極小值逐漸增長至極大值而后又降低到極小值的變化過程定義為發(fā)生在SYC海域的一次沙塵沉降事件。根據(jù)Jo等[17]的定義，當(dāng)SYC海域的葉綠素a濃度高于冬季(2015年12月至2019年2月)平均值的兩倍(2.15 mg·m-3)時視為發(fā)生藻華。

2 結(jié)果與討論

2.1 沙塵事件

圖2是500 hPa風(fēng)場和Himawari-8衛(wèi)星觀測的氣溶膠光學(xué)厚度。由圖可以看到，在2018年3月20日～4月13日，塔克拉瑪干沙漠東部和蒙古戈壁等沙塵源區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度高值，并在高空氣流的引導(dǎo)下影響了下游的華北平原和SYC等地。WRF-Chem模擬的SYC海域上空沙塵通量的日變化與Himawari-8衛(wèi)星監(jiān)測的光學(xué)厚度日變化趨勢較為一致(見圖3)，由于Himawari-8衛(wèi)星會受到云的影響而出現(xiàn)缺測，下文將用模式模擬的沙塵通量和沉降量來研究沙塵事件。

圖3 2018年3月14日～4月18日WRF-Chem模擬的沙塵通量和Himawari-8衛(wèi)星觀測的氣溶膠光學(xué)厚度

圖2 2018年3月20日～4月13日500 hPa風(fēng)場和氣溶膠光學(xué)厚度

2.2 沙塵源區(qū)和傳輸路徑

第一次沙塵事件發(fā)生在3月20～27日。圖4是WRF-Chem模擬的該時段的沙塵通量空間分布圖。由圖可知，3月20日塔克拉瑪干沙漠和蒙古地區(qū)出現(xiàn)了兩個沙塵通量高值區(qū)，其最大值分別為97和72 mg·kg-1，3月21日沙塵團逐漸向東南方向移動并沉降，23日沙塵中心從黃土高原移至華北平原，于24日進入南黃海，使得該過程中SYC海域的沙塵通量達到最大，其值約為14 mg·kg-1，之后隨著沙塵氣團的進一步東傳和沉降，SYC海域的沙塵通量逐漸減少至4 mg·kg-1。為了進一步確定此次過程中SYC海域沙塵的來源和傳輸路徑，分析WRF-Chem模擬的SYC海域沙塵通量最高時刻(3月24日05時)的沙塵垂直分布，發(fā)現(xiàn)此沙塵主要分布在2 km以下，故選取該時刻0.5，1和2 km高度處的氣流進行后向軌跡分析(見圖5(a))，發(fā)現(xiàn)此次SYC的沙塵主要來源于蒙古戈壁和烏蘭布和沙漠，途經(jīng)黃土高原和華北平原，與圖4中右側(cè)沙塵高值區(qū)的移動方向一致。

圖4 WRF-Chem模擬的第一次沙塵事件(3月20～27日)的沙塵通量空間分布圖

((a)為第一次沙塵事件，(b)和(c)為第二次沙塵事件，(d)為第三次沙塵事件，(e)為第四次沙塵事件。 (a) The first dust event； (b) and (c) the second dust event； (d) The third dust event； (e) The fourth dust event. ★為SYC海域中的三個點，綠線、藍線、紅線代表不同高度的氣流軌跡。上部為水平運動，下部為垂直運動。★ 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.)

第二次沙塵事件發(fā)生在3月27日～4月3日(見圖6)。和第一次沙塵過程一樣，3月27日塔克拉瑪干沙漠和蒙古都有明顯的起沙過程，與第一次事件不同的是，此次過程中的部分沙塵傳輸至了東北地區(qū)，3月28日，沙塵擴散范圍變小，且東傳至黃海，使得SYC海域的沙塵通量達到極大值，其值為13.91 mg/kg，29～30日，到達黃海的沙塵幾乎與沙塵源區(qū)切斷了聯(lián)系，即沙塵源區(qū)不再向黃海輸送沙塵，南黃海的沙塵通量慢慢減小，但兩個沙塵源區(qū)在持續(xù)起沙，影響范圍也在不斷擴大，且向東北方向移動，31日少量沙塵被輸送到了SYC海域，沙塵通量增加至14.51 mg·m-3，之后研究區(qū)域的沙塵通量又不斷減少至6 mg·kg-1以下。對此次沙塵事件中沙塵通量達到了極大值的28日14時和31日17時的SYC海域的沙塵進行了后向軌跡追蹤(見圖5(b))，發(fā)現(xiàn)3月28日SYC海域低層的沙塵可追溯到25日18時的華北平原，而高層的氣流可以追蹤到蒙古和內(nèi)蒙古的戈壁沙漠，也可以在圖4中看到3月25日上述兩地確實有大量的沙塵氣溶膠，25日蒙古戈壁的沙塵于26日傳輸?shù)近S土高原，27日到達華北平原，28日進入南黃海。從圖5(c)可以看出，3月31日SYC海域的沙塵與28日的是同一個沙塵團，這三天時間中，此團沙塵一直盤旋在黃海上空，3 km處的氣流從內(nèi)蒙古的渾善達克沙漠和京津冀地區(qū)帶來了一些沙塵，使得該天的沙塵通量有所增加。

圖6 WRF-Chem模擬的第二次沙塵事件(3月27～4月3日)的沙塵通量空間分布圖

第三次沙塵事件發(fā)生在4月3～7日。此次沙塵影響范圍較廣，全國大部分地區(qū)均出現(xiàn)了沙塵。如圖7所示，4月3日塔克拉瑪干沙漠和巴丹吉林沙漠開始起沙，4月4日沙塵范圍擴大并向東北和東南方向移動，4月5日沙塵傳輸至黃海，4月6日SYC海域的沙塵通量達到最大值，其值為19.93 mg·kg-1。為了確認(rèn)到達SYC海域的沙塵的傳輸路徑，本文對WRF-Chem模擬的該過程中沙塵通量最大時刻(4月6日00時)的沙塵團進行后向軌跡分析，該時刻在1 km以下和3.5～5.5 km處均出現(xiàn)了沙塵層，選取0.5，4和5 km三個高度處的氣團做后向軌跡追蹤(見圖5(d))。低層沙塵團源于蒙古，向東南方向移動，經(jīng)過烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、山西和河北等地進入南黃海，高層沙塵團源于4月3日擴散到青藏高原上的沙塵，向東移動，經(jīng)過黃土高原南部和華北平原南部到達黃海。

圖7 WRF-Chem模擬的第三次沙塵事件(4月3～7日)的沙塵通量空間分布圖

第四次沙塵事件發(fā)生在4月7～13日(見圖8)。4月7日塔克拉瑪干沙漠開始起沙，隨后逐漸擴散東傳，4月9日沙塵與第三次事件中殘留在云貴高原和江南丘陵的沙塵團匯合東傳，4月10日SYC海域的沙塵通量達到最大值17.21 mg·kg-1，隨后沙塵先后向東北和東南方向移動。該過程中沙塵通量最大時刻(4月10日16時)SYC海域的沙塵主要集中在3.5 km以下的大氣中(見圖5(e))。選取1，2和3 km高度處的沙塵團進行48 h的后向軌跡分析，發(fā)現(xiàn)此次過程中的不同高度處的沙塵來源和傳輸路徑均有不同。高層的沙塵源于哈順戈壁和中央戈壁，穿越內(nèi)蒙古中部地區(qū)、黃土高原和華北平原到達研究海域，而低層的沙塵則源于兩廣丘陵，途經(jīng)江南丘陵和長江中下游平原到達SYC海域。

圖8 WRF-Chem模擬的東亞地區(qū)第四次沙塵事件(4月7～13日)的沙塵通量空間分布圖

2.3 海流對沙塵沉降位置的影響

SYC海域距離陸地較遠，受徑流水影響較小。為了明確海流對沙塵氣溶膠沉降海域的影響，本文利用全球海洋預(yù)報系統(tǒng)(GOFS3.0)提供的海水流速，分析了沙塵沉降期間海流的特征。結(jié)果表明，研究期間該海域表面海流經(jīng)向速度最大值為-0.18 m·s-1(見圖9)，平均速度為-0.01 m·s-1；緯向速度最大值為-0.25 m·s-1，平均速度為-0.02 m·s-1。海流的最大移動距離為22.99 km·d-1，而SYC海域面積約為75 625 km2，被海流裹挾的大氣沉降物的移動范圍遠小于研究海域面積，有利于沉降的沙塵滯留在該海域持續(xù)為浮游植物提供營養(yǎng)物質(zhì)。

圖9 2018年3月8日～4月16日，SYC海域表面經(jīng)向流速(a)和緯向流速(b)的日變化

2.4 沙塵氣溶膠對葉綠素a濃度的影響

海洋中葉綠素a濃度的變化受到海溫，光合有效輻射和營養(yǎng)物質(zhì)等的影響。圖10顯示了2018年3月8日～4月16日，SYC海域葉綠素a濃度、沙塵沉降量、海溫和光合有效輻射的日變化。在研究期內(nèi)，葉綠素a濃度在3月30日、4月6日、4月8日和4月15日出現(xiàn)較為明顯的峰值，其值分別為11.60、6.08、2.30和4.38 mg·m-3，達到了藻華水平。海溫變化范圍在7.42～11.19 ℃，為浮游植物的生長提供了一個適宜的溫度，光合有效輻射波動較大，在個別天數(shù)高于500 μm·m-2·s-1，可能會抑制當(dāng)日浮游植物的生長。

(橙線為沙塵沉降量，紫線為光合有效輻射，綠線為海表溫度，黑色實線為葉綠素a濃度，黑色虛線為藻華閾值。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.)

本文將沙塵通量從極小值增加至極大值而后又降到極小值的天數(shù)視為一次沙塵事件在SYC海域的持續(xù)時間。如圖10所示，沙塵沉降量和葉綠素a濃度均出現(xiàn)了明顯的波動。由于葉綠素a濃度對沙塵事件的響應(yīng)往往存在著數(shù)天至數(shù)十天的延遲[18]，所以將沙塵干沉降最大值和葉綠素a濃度最大值出現(xiàn)的時間差視為該事件中葉綠素對沙塵的響應(yīng)時間，結(jié)合圖3和10來研究沙塵事件對SYC海域葉綠素a濃度的影響。第一次沙塵事件持續(xù)時間為8天(2018年3月20～27日)，在此期間沉降至SYC海域的沙塵總量為15.79 mg·m-2。3月25日出現(xiàn)該事件中的最大沉降5.74 mg·m-2。葉綠素a濃度在3月30日出現(xiàn)峰值11.6 mg·m-2，響應(yīng)時間為5 d。第二次沙塵事件歷時8天(3月27日～4月3日)，SYC海域沙塵沉降量為10.56 mg·m-2。3月29日出現(xiàn)該事件中的最大沉降2.21 mg·m-2，葉綠素a濃度在4月6日出現(xiàn)峰值6.08 mg·m-2，響應(yīng)時間為8天。第三次沙塵事件歷時5天(4月3～7日)，SYC海域的沙塵總沉降量為14.05 mg·m-2，最大沉降量出現(xiàn)在4月6日，其值高達8.05 mg·m-2，葉綠素a濃度在4月8日出現(xiàn)峰值2.30 mg·m-2，響應(yīng)時間為2天。第四次沙塵事件持續(xù)7天(4月7～13日)，SYC海域的沙塵總沉降量為8.16 mg·m-2，最大沉降量出現(xiàn)在4月8日，其值為2.79 mg·m-2，葉綠素a濃度在4月15日出現(xiàn)峰值4.38 mg·m-2，響應(yīng)時間為7天。觀察四次事件中沙塵沉降量、沙塵沉降極值和葉綠素a濃度的極值和響應(yīng)時間，發(fā)現(xiàn)沙塵干沉降極值越大，葉綠素a濃度變化的響應(yīng)時間越短。在第一、二、四次沙塵事件中，SYC海域的沙塵沉降總量越多，葉綠素a濃度變化越大。第三次沙塵事件中沙塵沉降量僅次于第一次沙塵過程，然而葉綠素a濃度變化幅度卻是四次事件中最小的，這可能是因為這次事件沙塵攜帶的營養(yǎng)鹽較少的緣故。

以往研究表明，沙塵中N、P、Fe等元素的輸入對浮游植物的生物量和生長速度具有重要的影響[19,31]。沙塵在從源區(qū)傳到SYC海域，途徑下游工業(yè)污染較強的城市區(qū)時會與其他氣溶膠混合發(fā)生老化，增加沙塵氣溶膠中硝酸鹽的含量和P、Fe的溶解度，從而使通過不同傳輸路徑沉降至SYC海域的沙塵生物可利用營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生差異[24,26,32]。研究期間發(fā)生的四次沙塵事件均源于蒙古戈壁，傳輸路徑略有不同，有的在西風(fēng)氣流的引導(dǎo)下穿過黃土高原和華北平原進入黃海，有的則是從蒙古途經(jīng)津京冀進入黃海，部分經(jīng)過了長江中下游平原。但對比四次沙塵事件，發(fā)現(xiàn)傳輸路徑對葉綠素a濃度變化無顯著影響，這可能是由于四個過程的沙塵沉降量差異太大，從而使得通過不同傳輸路徑到達SYC海域的沙塵攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)的差異未能顯現(xiàn)出來。

3 結(jié)語

2018年3月20日～4月13日期間，中國境內(nèi)發(fā)生了四次沙塵事件。本文利用WRF-Chem和HYSPLIT模式模擬了這四次沙塵事件的傳輸過程和在SYC的沙塵沉降量。第一次沙塵事件中，沙塵途經(jīng)河套地區(qū)、河南和江蘇北部到達SYC海域；在第二次沙塵事件中，低層沙塵源于在事件一中3月25日到達江淮地區(qū)的沙塵團，該沙塵團先向東南移動至江蘇北部，再向東北方向移入SYC海域；在第三次沙塵事件中，沙塵途經(jīng)蒙古、蒙古中部的庫布齊沙漠、山西北部、天津、渤海等地后進入SYC海域；在第四次沙塵事件中，沙塵經(jīng)過兩廣丘陵、江南丘陵、長江中下游平原、江蘇北部，最后進入SYC海域。

SYC海域葉綠素a濃度的響應(yīng)主要受沉降量的控制，與低層沙塵傳輸路徑相關(guān)性較小。整體而言，SYC海域的單日沙塵沉降量越大，葉綠素變化的響應(yīng)時間越短；整個事件期間的沙塵沉降量越多，葉綠素a濃度越高。

本文上述結(jié)論是基于個例研究得出，在之后的工作中，我們將選取更多的個例，，結(jié)合出海巡航采樣結(jié)果進行更加系統(tǒng)的分析，深入探討沙塵氣溶膠對黃海海域葉綠素a濃度以及有機碳含量等的影響。

致謝：本文所用Himawari-8衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)由日本氣象廳提供，美國國家海洋和大氣局提供的WRF-Chem模式被用于模擬沙塵事件，HYSPLIT在線模式被用來繪制后向軌跡，作者對此表示誠摯謝意。