黄土高原黄土的成因:沙尘气溶胶源汇模拟与黄土堆积

黄土高原黄土的成因：沙尘气溶胶源汇模拟与黄土堆积

刘唯佳;韩永翔;赵天良

【摘 要】黄土高原是重要的降尘区还是沙尘源区这一科学问题至今未有确切定论.

本文利用北半球气溶胶区域气候模式 NARCM,根据1995~2004年10a的模拟数

据,分析了中国区域沙尘起沙量、沉降量以及沙尘的盈亏空间分布及风场,得到如下

结论：1)沙漠及沙漠化地区是起沙量最大的区域、沉降量高值区集中在沙漠、沙漠

化地区及其下风方向.黄土高原起沙量很小,而沉降量远大于起沙量.2)沙尘源区是沙

漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘汇区,降尘量由西北向东南递减.3)黄土高原因

太行山和秦岭阻挡,处在最大的沙尘汇区.黄土高原的黄土是冰期和间冰期交替、经

过漫长年代沙尘沉降的结果,模拟分析结论为黄土的风成学说提供了有力的证

据.%There is a scientific debate argument whether Loess Plateau is an

important region of dust aerosol sinks or sources. Bad on the 10-year

(1995~2004) aerosol simulations of the northern aerosol regional climate

model NARCM, the spatial distribution of dust aerosol emissions,

depositions and budgets as well as wind field were analyzed. The

simulation analysis showed 1) the highest dust emissions appeared in the

dert and dertification areas, while the highest dust depositions were

concentrated over the dert and dertification areas as well as their

immediately downwind dust depositions largely exceeded the

dust aerosol emission in Loess Plateau with the low dust emissions. 2)

Dert and dertification area were the main dust sources, the rest of

areas were dust sinks. Dust depositions declined from the northwest to the

Southeast.3) Due to the barrier of the Taihang and Qinling Mountains, the

Loess Plateau was the largest dust sink region with the highest depositions.

The loess over Loess Plateau was accumulated by dust depositions over

the long term evolution of glacial and interglacial periods. The dust aerosol

simulation provided a solid evidence for the theory of eolian loess.

【期刊名称】《中国环境科学》

【年(卷),期】2014(000)012

【总页数】6页(P3041-3046)

【关键词】黄土;沙尘气溶胶模拟;沙尘盈亏;风成说

【作 者】刘唯佳;韩永翔;赵天良

【作者单位】南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，气

象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044;南京信息工程大学，中

国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，气象灾害预报预警与评估协同创新中心，

江苏 南京 210044;南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验

室，气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044

【正文语种】中 文

【中图分类】X513

气候变化目前已成为科学研究的热点问题,而黄土作为第四纪冰期的一种产物,可以

从中提取古气候变化信息,这使得黄土成为与深海沉积、极地冰芯同等重要的古环

境三大支柱记录之一[1],并建立了黄土-冬季风体系,其黄土堆积的粒度指标被认为

揭示了搬运粉尘风动力变化及沉积环境变化,也即可反映东亚冬季风的演化与沙尘

暴的发育历史[2].中国的黄土高原是世界上黄土分布最广、厚度最大的地区,关于它

的成因问题引起了地学界的广泛关注,并且出现了20余种学术观点的激烈争论[3],

主要有风成说、水成说、洪积说、冲积说、土壤说、残积说、宇宙说、多成因说等

8种假说[4].在众多假说中,风成说是黄土形成的主要成因这一观点被大多数科学家

所接受,认为荒漠地区是黄土物质的源地,在沙尘暴的作用下,沙尘经释放、搬运后,通

过沉降作用形成降尘长年累月经土壤的再生作用就形成了厚厚的黄土.另外,有学者

认为黄土高原不但是一个重要的降尘区,而且其自身也是北半球沙尘的一个重要源

区[5].然而风成说的主要依据主要来自黄土的地理分布及分带特征、黄土厚度的规

律分布以及黄土的物质成分和结构等[3,6],本质上仍是点对点的研究,在空间上缺乏

整体性和连贯性,同时也无法回答黄土高原是重要的降尘区还是重要沙尘源区这一

科学问题.

本文利用北半球气溶胶区域气候模式NARCM,根据1995～2004年10a沙尘气溶

胶模拟结果及风场的变化与黄土主要分布区进行了比对,建立沙尘沉降盈亏与黄土

之间的关系,结合他人的研究及观测结果[7-13],进而为黄土的风成说提供证据,也试

图对黄土高原到底是沙尘的源区还是汇区这一科学问题进行探讨,旨在为黄土反演

的气候变化研究提供理论依据.

采用北半球气溶胶区域气候模式 NARCM (The Northern Aerosol Regional

Climate Model),该模式是加拿大区域气候模式 RCM(The Canadian Regional

Climate Model)与耦合气溶胶模块CAM(Coupled Aerosol Mudule)的结合体

[14], RCM包括来自于加拿大全球气候模式中的物理包[15]、加拿大的地表计划

CLASS(Canadian Land Surface Scheme)[16],以及用于研究动力学和被动示踪剂

的半拉格朗日和半隐式运输计划[17].在CAM 中,一种尺度分离的多元气溶胶的质

量守恒方程表示如下[14]:

式(1)右端各项分别为:沙尘的传输项、源项、干洁大气项、干沉降项以及湿沉降项

(云内项和云下清除项).传输过程包括已经解决的动力难题,还包括对流和子湍流扩

散等.

NARCM囊括了大气气溶胶的所有流程:产生、传输、发展、结合、干湿沉降,以及

解决云滴与气溶胶之间的相互作用的一个明确的微物理云模块.模式中包括了粉尘

排放量、浓度及沉降量在内的所有大气气溶胶的变量.该模式域覆盖了北半球诸多

地区,包含东亚、北太平洋以及北美洲西部在内[14,18],时间积分步长是 20min,所

有气溶胶的粒径分布是用从0.01µm到40.96µm的12个径级来区别的

[18].NARCM中的土壤质地尺度分布模块[19-21],根据中国土壤质地而改进,该土

壤质地包含12大类的粒度分布以及3个典型时期(1960s～70s、1980s～90s和

21世纪)中国最新沙漠分布情况[14,22].由沙漠质地分布、卫星获得的土地的利用

情况和粗糙度长度、以及观测到的土壤湿度综合而成的数据,为东亚沙尘的释放量

模式提供了一种连贯的参数输入设置法.本文利用NARCM 1995～2004年的模拟

数据,着重分析了中国区域沙尘起沙量、沉降量以及沙尘的盈亏空间分布及风场的

特征.

2.1 春季沙尘释放和沉降变化特征

释放量是指从地面向上传输的沙尘总量,即起沙量.不同时间沙尘释放量不同,主要取

决于沙漠地区的近地面风力、沙源分布、地表植被和湿度等要素的变化[14,23].春

季为我国沙暴多发的季节,利用北半球气溶胶区域气候模式NARCM模式获得了

1995～2004年春季沙尘起沙量月平均的空间变化特征(图 1).分析模式模拟的结果

表明:我国沙尘起沙源区主要集中在塔克拉玛干沙漠、浑善达克、巴丹吉林、腾格

里、乌兰布和、库不齐、毛乌素等沙漠及沙漠化地区,有学者指出,以塔克拉玛干沙

漠为主体的中国西部沙漠源区、蒙古源区、和以巴丹吉林沙漠为中心的中国北部沙

漠源区贡献了亚洲沙尘释放总量的约 70%,它们可视为亚洲沙尘的3个贡献量最大

的源区,也可视为是黄土高原黄土物质的主要源地[24-25],模式模拟的沙尘源区与中

国主要沙漠及沙漠化地区的分布几乎完全重合.同时,沙尘起沙量和覆盖区域都在 4

月达到最大,3月份的起沙区域明显偏小,起沙量与5月份大体相当,这一结果同观测

的4月沙尘暴最多的结论是一致的[13].这些事实说明模式模拟的结果能够较真实

地反映沙尘的源地.黄土高原的沙尘起沙量约为(50±5)t/km2.

沙尘粒子通过干沉降和湿沉降两种途径从大气中清除出去.干沉降是指悬浮于大气

中的气溶胶粒子不断被下垫面吸收或吸附,形成持续向地面迁移的过程[26];而湿沉

降是指悬浮于大气中的各种粒子由于降水冲刷而沉降的过程,气体和微粒在云内和

云下的清除主要以湿沉降为主[26].由1995～2004年春季总沉降(即干湿沉降之和)

月平均的空间变化特征(图1)看出,因为沙尘起沙进入大气后随风向下游扩散并沉降,

且半径大于l0µm 的较大粒子主要沉降在源区及其附近,远距离传输的主要是半径

小于l0µm的较小粒子[27],沙漠地区大部分大于l0µm的粒子又沉降到沙漠里,所

以,沙尘沉降高值区与起沙量高值区的位置基本一致,且分布在其下风方向,但其高值

区的沉降量仅是起沙量高值区的一半左右.同时,在沙源区的下风方向,沙尘沉降量随

着距沙源区距离的增大而逐渐递减,沉降量的范围扩展到了中国大部分地区.与沙尘

起沙量的月变化一样,4月的沉降量最大,3月和5月相当.黄土高原沙尘的沉降量约

为(100±10)t/km2.

从图 1中黄土高原春季起沙量和总沉降量来看,黄土高原的起沙量较小且局限于高

原的西北部一小块地方,而沉降范围则覆盖整个高原地区且其沉降量远大于起沙量.

对比起沙量和总沉降的空间分布,除沙漠及沙漠化地区以外,其余地区沉降量也远大

于起沙量.

2.2 沙尘的盈亏及风场分析

春季虽然是沙尘暴最为频繁的季节,但其他月份仍有沙尘暴的发生.为了更准确地了

解黄土高原的沙尘的盈亏情况,我们计算了 1995～2004年 10a的年平均沙尘盈亏

(图2),即沙尘总起沙量减去总沉降量.沙尘盈亏的分布特征可以清晰地反映出沙尘的

源汇区.从图中可以看出在整个中国范围内,沙尘盈余的区域(源区,起沙量大于沉降

量)与地面沙尘起沙量、沉降量高值区相对应并有所扩大,也即沙尘源区主要出现在

我国的沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘亏缺的区域(汇区,起沙量小于沉降

量),沙尘汇区的面积远大于沙尘源区,且呈现出极其明显的沙尘堆积离沙源越远厚度

越薄的现象.受中纬度西风环流控制的影响,沙尘汇区呈明显的东西走势,而且均以片

状分布在起沙区的下风方向.有两个大的沙尘汇区,其最大的沙尘汇区集中在紧邻沙

尘源区的黄土高原及华北平原西部,该沉降区其南端甚至扩展到长江中游地区,东部

也一直延伸到长白山一带.另一个沙尘汇区位于塔克拉玛干沙漠与昆仑山脉之间,沉

降量较小.除了上述的两类区域外,中国其他地方的起沙量和沉降量几乎是平衡的,因

此没有表现出明显的源汇区.黄土高原的北部区域正是处在最大的沙尘汇区之中,也

即它是沉降沙尘最大的地区之一.从2012年黄土高原东部18个监测点观测到的大

气降尘量的空间分布来看[13],降尘量由北向南呈递减的趋势,与图 2中年平均沙尘

盈亏的趋势是一样的,也即沙尘离沙源越远厚度越薄.与2012年观测实况相比,本文

模拟的空间较观测的空间更加广大,结论更具有普遍性.观测与模拟的相同结果为黄

土的风成学说提供了有力的证据.

结合50a春季平均风场(图3)可以发现,我国中高纬度地区春季整体吹的是偏西风和

偏北风,沙尘粒子在风力的作用下向东向南输送,但因近乎南北向太行山脉和东西向

秦岭山脉阻挡作用,形成的一个半封闭的区域,因地面风速在遇到山脉时速度被削减

得很快,因此在太行山以西、秦岭以北的地区(即黄土高原及其西北部)形成了一个弱

风区,使那些被风携带的大量沙尘粒子通过重力沉降(大颗粒)或者受到山脉地形的阻

曳而沉降,而通过吸附作用小粒子也慢慢沉降下来.由此可见,经过千百万年漫长的积

累,堆积的沙尘经过土壤的再生作用就形成了黄土高原.

黄土高原是世界上黄土分布最广、厚度最大的地区,也即应该是沙尘汇区量值最大

的区域,模拟的黄土高原的西北部区域正是处在最大的沙尘汇区之中(图 2),与实际

黄土分布对比发现,高原东南部并不处在最大的沙尘汇区之中.但该模拟结果只能代

表从1995～2004年这10a中落到地面的沙尘平均净沉降量,而这期间的温度比较

高,在气候学上属于间冰期.在间冰期,亚洲中高纬地区的温度明显升高,中国南北方温

差也随之减小,冷空气活动不再频繁发生,沙尘暴强度也明显减小.而西伯利亚高压和

阿留申低压的减弱,使得冷空气在进入东亚时,不仅强度已明显减小,而且在很多情况

下是从偏东北方向的路径入侵的[28].即沙尘的来源主要以北部的沙漠地区(蒙古中

西部地区)为主,这就导致了沙尘暴的中心向北偏移[29],进而导致黄土高原的沙尘沉

降分布向西北收缩且沉降量较小.而黄土是千百万年经过漫长的年代经土壤的再生

作用才形成,也即它不但有间冰期,还有冰期.冰期时的气候比现在冷干得多[30-32],

气候带均依次向南推移,而且当时中国大陆上的风力也比现在要大,主要以西北方向

的风为主.南北方温差的增大,导致沙尘暴频繁发生,而且沙尘的来源以中国西部沙漠

地区占据主导地位[33],沙尘源区的扩大将导致黄土高原上比间冰期有更多更厚的

黄土沉积[33]且向东南扩张,扩张遇到太行山、秦岭受阻而止.今天我们看到黄土高

原区域是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果.本文虽然没有冰期的

模拟结果,但根据前人的研究成果,黄土为风成的结论仍然成立.因模式的分辨率较粗,

退化草地、弃耕农田、干河床等高起沙量区域没有做详细分析,有待以后的研究.

4.1 沙漠及沙漠化地区是起沙量最大的区域、沉降量高值区分布在沙漠及沙漠化地

区及其下风方向.黄土高原春季沙尘起沙量(50±5)t/km2、沉降量(100±10)t/km2,

表明黄土高原起沙量很小,而沉降量远大于起沙量.

4.2 中国沙尘源区主要出现在沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘汇区,沙尘汇

区的面积远大于沙尘源区,降尘量呈由北向南递减的趋势.黄土高原因太行山和秦岭

阻挡,处在最大的沙尘汇区,且呈现出明显的沙尘堆积离沙源越远厚度越薄的现象.

4.3 黄土高原的黄土是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果,模式分析

结论为黄土的风成学说提供了有力的证据.

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