文摘

非洲的撒哈拉沙漠和荒漠草原地区尘埃进入大气层的重要来源。尘粒从这些地区在大西洋运送到美国东部海岸。这个运输显示时间和空间变化,常常达到高峰在北方夏季(June-July-August)。区域气候模式(RegCM 4.0),包含一个模块的粉尘排放,交通,和沉积过程,用于这项研究。撒哈拉和萨赫勒地区的粉尘排放、传输和气候影响降雨雪在春季(March-April-May),夏季(June-July-August)使用这个模型进行了研究。结果表明,模拟与观测一致的由多角度成像卫星和AERONET地面站、非洲的域内(Banizoumba、Cinzana和M 'Bour)和Ragged-point(巴巴多斯岛)。尘粒的运输是主要从东北到西南研究期间(2005 - 2010)。沙尘的季节性轨迹受到海拔达到对流层的粉尘。粉尘对气候的影响包括冷却效果在北方夏季和春天在西非(Southern-Guinea和利比里亚北部除外),中部非洲,南美洲和加勒比海地区,增加降雨雪被观察到。

1。介绍

许多研究已经集中在萨赫勒地区的气候变化与热带潮湿的非洲地区的可靠的数据不存在。Servat et al。1]表明,热带潮湿带同样影响了一系列气候事件相比,那些在萨赫勒地区的区域。此外,该地区已受到重大环境变化由于人口的增加和强大的开发自然资源,如森林砍伐2]。此外,这个地区是特别丰富的气溶胶来自各种来源导致共存的地区海上,沙漠,城市和森林大火气溶胶。此外,羽毛的沙漠和萨赫勒地区的粉尘喷射到大气中排放事件期间西非气候系统的一个组成部分(3- - - - - -5]。矿物气溶胶的大部分是地球上发出干旱和半干旱地区,这些表面不受侵蚀,因为非常有限的或不存在的植物覆盖,和非常低的土壤湿度限制组成元素的凝聚力(5]。因此,Saharan-Sahelian地区已被确认为世界上第一个源排放的气溶胶类型(6- - - - - -9]。最近的研究就使得人们有可能鉴别最活跃的区域在这个世界的一部分。他们揭示了四个主要的排放源,Bodele盆地地区,努比亚沙漠,利比亚沙漠,和欧元区毛里塔尼亚、马里、和阿尔及利亚南部[10- - - - - -12]。粒子,一旦在对流层,可以长距离运输超出了非洲大陆。撒哈拉沙漠及周边地区的气象条件将决定尘埃羽(即交通特征。距离、方向、速度、海拔、轨迹,旅行,和运输时间)。三个主要的轨迹为撒哈拉和萨赫勒地区的粉尘交通已确定,这些包括跨大西洋运输向几内亚湾,美国、加勒比海和南美(8,13,14),运输对地中海和欧洲15,16),最后对近东和中东运输(17]。横贯大陆的运输气溶胶的羽毛从北非到日本通过中东和南亚被田中等建议。18]。D 'Almeida [13),60%的撒哈拉和萨赫勒地区的粉尘运输向几内亚湾,向大西洋和欧洲12%对28%。卫星观测和直接测量表明,尘埃羽运输在阿拉伯半岛,近东,中东,本质上是负责尘埃羽来自撒哈拉沙漠东部(利比亚、埃及和苏丹)19]。今年这交通是重要的三个时期(17],即春季(3月至5月)、夏季(7月至8月),和秋季(9月至11月)。

尘埃粒子也可能影响当地的大气吸收和反射太阳辐射,修改辐射造成的大气和地球表面(20.,21]。对全球的影响辐射预算仍然是最大的不确定性影响模型预测气候变化的能力22]。然而,一些建模based-studies显示,撒哈拉萨赫勒地区的粉尘可以影响到西非季风(23- - - - - -26]。尽管所有这些研究同意,粉尘对西非有影响,他们不同意相关的大气过答案的增减等降雨在萨赫勒地区的地区。事实上,虽然科纳雷et al。24)和Solmon et al。25)已经表明,他们诱导减少降雨雪在萨赫勒地区的乐队,刘et al。23和金等。27)同意这一事实增加了热量较高图层的对流层诱发绝热升温,导致增加降雨雪。完美展示了这样一个争议“aerosol-climate”相互作用的复杂性,以及考虑到他们在气候预测模型的必要性,特别是西非气候。然而,大多数这些研究集中在季风期,很少关心过渡时期(March-April-May),即使密集的粉尘排放的事件经常发生在此期间(例如,在2010年春季)。

介绍(1)interseasonal分析的尘埃从非洲大陆运输到美国海岸利用区域气候建模和(2)评估他们的辐射的影响在运输和相关效应与特定的专注于2010年春季的事件。

2。方法和数据收集

区域气候模式,RegCM 4.0,由国际理论物理中心的设计(ICTP)在意大利,被用来做气候模拟基于Giorgi等所使用的方法。28和朋友等。29日]。尘埃粒子模块成立于这个模型的3.1版本Zakey et al。30.]。从那时起,一些研究粉尘已经使用模型(24,25,31日]。的每周数据最佳热带海洋表面温度(OISST)美国国家环境预测中心(NCEP)的海表面温度(SST)的值,以及NCEP再分析资料,被用作最初的气象条件,同时迫使模型在模拟。土壤湿度在标准条件下模型的初始化(RegCM)所定义的Giorgi和贝茨(32]。地表条件和土壤类型中使用的模型来自迪金森et al。33]和Zobler [34),分别。NCAR CCM3 RegCM4.0使用辐射方案,描述在基尔et al。35]。简单地说,太阳能组件,占O的效果₃H₂啊,公司₂阿,₂,遵循σ爱丁顿近似Kiehl et al。35]。它包括18光谱间隔从0.2到5μm。模拟了2004年11月- 2010年12月,48×168网格点,在60公里的空间分辨率和18压力水平。验证模拟,从气溶胶机器人网络可用的观测数据(AERONET)巴巴多斯站和数据从三个非洲电台(Banizoumbou在尼日尔、马里的Cinzana和M 'Bour在塞内加尔)。此外,每月从地球观测数据多角度成像Spectro-Radiometer (MISR)空间分辨率为0.5×0.5度是用来验证每月平均气溶胶光学深度(AOD)值在整个域的模拟。域被选在粒子来源方式,传输和沉积过程从非洲到美国可以被捕获的模拟。为了研究气候影响,两种仿真被完成。而第一种认为尘埃粒子,第二没有。

3所示。结果与讨论

3.1。对比模型和观测

模拟的气候模型,RegCM 4.0, 2004年11月- 2010年12月,表明该模型完全模拟不同的粉尘排放源在北非。四个主要来源(Bodele盆地的抑郁,努比亚沙漠,利比亚沙漠,和区域覆盖毛里塔尼亚、马里、和阿尔及利亚南部)(11,12)被抓获(数据未显示)。图1显示3月每月平均排放量之间的比较,4月和2010年5月从模型和可用的观察从Terra MISR的分辨率0.5×0.5度。看来模型正确地捕捉粉尘的排放4月和5月(数字1 (c),1 (d),1 (e),1 (f))。然而,从多角度观察值都低于模拟结果。下的观测值可能是由于这一事实接近来源,大量的粉尘在大气最低层(小于1公里)不能被探测到这颗卫星(24]。相比之下,巨大的差异被发现之间的观测和模型模拟的排放,3月份2010(数字1(一)和1 (b))。这些差异可能是由于生物质排放的火灾没有考虑在这些模拟。本月(3月)结束之际,在北半球的这一部分火灾季节。模型捕获的AOD值没有燃烧的实践在西非在4月和5月的月。然而,尘埃的来源更扩展模型的观察,和这些都是一致的结果科纳雷et al。24版本3)获得的相同的模型。因此,多角度观测相比,模型往往高估了该领域的最大尘埃的来源。另一方面,接近这些来源降低大气中拥有大量的粉尘层(小于1公里),为卫星检索存在困难,因此不MISR的数据中发现。Bodele盆地荒漠草原是最活跃的地区在2010年的春天。

3.2。2010年3月期间粉尘集

本研究侧重于2010年3月所作的观察的延续四站(Banizoumbou、Cinzana和M 'Bour)。建模获得了密集的粉尘排放数据集2010年3月。两个重要的排放模型模拟的事件在尼日尔之前确认为来源的N 'Tchayi et al。36]。第一个事件发生在这个月的前十天(3月期间正是5-8th),而第二次发生在3月(图17和212)。

AOD值复制的比较在这两个事件模型和所发现的在三个非洲AERONET站(Banizoumba、Cinzana和M 'Bour)表示重要的粉尘排放(图3)。然而,Banizoumba站,模型捕获的第一个峰值3月很晚。此外,从站观测证实了该值被发现在模型模拟的大小和变化。第二个事件(3月17日至21日)也被模型比3月5日到8日的事件。然而,AOD值与模型检测略有低估了观测值相比。这种低估可能解释首先,高估的事件的持续时间(即。、粉尘排放)扩大峰(图所示3),其次,通过插值方法估计AOD值的均值模型。

3.3。时间演化的沙尘

虽然模型考虑粉尘的排放和运输,在本节中,我们专注于尘埃运输在2010年3月。观察交通灰尘从非洲大陆转向大西洋(从东北向西南)(数据4,5,6)。最大沙尘看到3月6日在毛里塔尼亚和塞内加尔在塞内加尔和冈比亚被发现3月7日。然后,继续3月8日几内亚海岸外的海洋(图4),在被完全呈现在大西洋上空3月9日。沙尘变得不那么集中在运输由于沉积。因此,粒子发射3月6日花了3 - 5天时间穿过大陆大西洋(图4)。与这两个时期相比,尘埃事件3月17日至21日似乎更强(图5)。事实上,乍得和尼日尔来源同时活跃在头三天(19日,20日和3月21日)空间演化的进化比时间更突出。这可能是由于这一事实模型捕获的事件3月17日至21日于3月5日到8日。类似的路径被发现粉尘排放发生在4月和5月(即。从东北向西南)。这个方向,数字显示4,5,6期高于3,由先前的研究显示,这表明尘土从非洲大陆运输是季节性三个轨迹:(i)跨大西洋轨迹向美国、加勒比群岛和南美洲(8,15,37),(2)运输向地中海和欧洲(16),(3)运输近东和中东17]。因此,粉尘排放来自撒哈拉沙漠和荒漠草原在夏天可以到达西印度群岛(17),而在春天,他们运送到南美亚马逊盆地和地中海东部8,38]。

跨大西洋尘埃粒子的轨迹是影响热带辐合带(ITCZ) [39,40]。这个轨迹是不同的机制的影响大气中灰尘羽流上升与季风流。守卫的收敛和季风在低压区ITD(热带Discontinuty)构成有利的条件建立强风两侧的ITD支持沙尘的上升(39,40]。沙尘随季节变化的方向与ITD和尘埃上升的机制是由西非季风系统。也是调制的活动东非波的传播从东向西(41- - - - - -44]。这些传输特性模型捕捉的圆满。琼斯等人。43)显示,20%的尘埃颗粒喷射到大气中在北非的主要部分是相关的。他们建议EAW必须监管撒哈拉的悬架和萨赫勒地区的大气中灰尘。同时,10 - 20%的灰尘季节性浓度超过北大西洋EAW,表明调制的尘埃运输的。

3.4。粉尘检测在巴巴多斯岛

研究表明,尘埃粒子可能检测到的AERONET加勒比岛和美国海岸(8]。因此,我们比较了模拟大气气溶胶的AERONET Ragged-point站位于巴巴多斯岛,目的是使排放的2010年春季的特殊性,尽管失踪的观测数据。AOD值是相当的巴巴多斯岛,虽然春天不是最大的季节撒哈拉萨赫勒地区的粉尘在岛的检测。因此,每月AOD值发现March-April-May Ragged-point站在个月,从2008年到2010年表明,大多数高值(值的两倍观察了2008年和2009年)在2010年3月和4月(表登记1)。AERONET观察AOD值显示,3月和4月的平均值2010年增加了一倍多,2008年和2009年的3月和4月在同一车站。此外,该值在2010年春季注册(500海里)的月度平均值在870 nm的顺序相同,观察到在北方夏季撒哈拉和萨赫勒地区的沙尘到达巴巴多斯岛的最大数量(45]。

模型满意地复制山峰AERONET观察到的变化在大多数测量(图7)。然而,粉尘排放发生在2010年3月的前十天没有检测到的模型。

3.5。纬向和子午线交通的尘埃

尘埃粒子存在于非洲西部环境与气候相互作用过程。因此,他们构成一个完整的组件在这个地区的气候系统。他们出现在所有的研究领域和浓度逐渐降低,因为他们离开他们的来源,由于沉积过程,各种和覆盖了全球大部分与热带森林等一些优惠网站(8],季风区域[46),和海洋47]。

经向剖面图(图8)透露,尘源是位于18°N和22°N。Bodele盆地周围的粉尘来源18°N()拥有quasicontinuous活动,这三个时期December-January-February (DJF) March-April-May (MAM)和June-July-August环流)最密集的活动发生在DJF和老妈。在旱季(DJF),粉尘主要是观察到的在较低对流层基本上从欧洲大陆向西方传播,从北到南。期间,老妈,他们到达高海拔比DJF向南与浓度升高。在北方夏天,不仅浓度升高,也有垂直上升的尘埃粒子。这个结果符合Chiapello et al。48)表明,在夏季,尘粒被运送到高海拔比在冬天。1°之间W和7°E,垂直上升的粉尘向大气最高地层出现期间老妈(图9)。这可能是由于热异常的存在,这可能有利于垂直上升的尘埃粒子。因此,老妈之间的过渡时期DJF,那里的海拔达到最小,环流显示最大高度。海拔达到老妈也之间的过渡期间DJF(低海拔地区)和环流(高海拔地区)。尘埃颗粒的高度达到强烈影响了沙尘的轨迹,因此必须考虑当研究沙尘在大西洋上空的运输。实际上,这些高度可以根据不同季节和粉尘浓度逐步降低运输时从源向沿海地区由于沉积过程。区域大气尘埃交通显然是强烈影响的动态。否则,大气中粉尘浓度的重要性低地层及其传播如此之低海拔地区可能解释为该地区哈麦丹风风的发生期间,DJF。守卫者是一个与其最大强度在DJF低空风;它可以认为援助沙尘的运输。 The dust transport seemed to have been enhanced by the North-East direction of the winds, before reaching the coast towards the Gulf of Guinea. As for the period MAM, the transitional period between the dry season and the monsoon of the boreal summer, a thermal effect of low strata (between 1° West and 7° East) could favor the vertical rising of dust particles, explaining the relative importance of altitudes reached. Moreover, during the boreal summer, the regional atmospheric dynamic dominated by the West African monsoon may explain the altitude and trajectory followed by dust plumes. The migration of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ) around 10° N and the resulting dry and wet convections could favor the vertical rising of dust plumes in the troposphere. Thus, the dusts emitted at the surface during the summer are ejected more higher into the atmosphere where the transport towards the Atlantic Ocean is done through the Saharan Air Layer (SAL).

模型正确表示高度的季节性变化的沙尘,在协议的研究Chiapello et al。48]。此外,ITCZ的动力学的影响和粉尘排放机制在季风(39,40也适当地使用模型来表示。季节性的来源和他们的活动的重要性得到了使用模型模拟的结果是一致的Laurent et al。9]曾表明,粉尘源位于西部的最大活动在6月和7月,而位于东部在3月和4月。此外,观察从MODIS (49Bodele盆地]表明,来源是quasiactive年内最大活动在1月和3月。此外,最大粉尘排放在北方夏季恰逢Inter-Tropical阵线的迁移(IFT)向北(约10°N)。这种迁移支持干和湿对流,调制粉尘排放50),以及检测与RegCM之前显示浓度升高的数字8 (b)和9 (b)。纬向和子午线的对流层垂直剖面显示非常粉尘浓度升高的时期DJF和老妈2010年,与平均浓度相比发现相同的时间在2005年和2010年之间。

尽管Bodele盆地的活动源比意味着更重要活动期间DJF在2005年至2010年之间,尤其是粉尘浓度的对流层和平流层更重要。期间2010年老妈,一个垂直观察在垂直上升资料表明,粉尘被运输的高度代表一个重要因素的研究轨迹之后,沙尘而穿越大西洋,以及距离他们环游。

3.6。气候影响的尘埃

粉尘排放季风期间可以显著影响其发展和降雨雪,他们短期和长波长辐射干扰和修改物理和云的辐射特性23- - - - - -27,51]。本节是致力于尘埃辐射效应的影响表面温度和降雨雪的时期(MAM)和环流)。重要的是要强调,在这一节中给出的结果是初步的,需要进一步的分析,将在我们的下一个工作完成。

3.6.1。尘埃辐射强迫

辐射强迫引起的粉尘在大气中呈现在图10。它测量dust-induced冷却和在地球大气层变暖事件系统的气候过程发生之前,也就是说,在任何气候与太阳辐射交互过程。结果表明,在沙漠里,强迫或正面或零,在老妈和环流。这可能是解释为该地区重要的反射率值升高,短的波长的入射太阳辐射减少。变化迫使签署15°N是由于反照率的变化值之间的沙漠北部和Sudanian在南方热带稀树草原,以及降低粉尘量来源在南方。结果表明,表面的粉尘引起的辐射强迫-在老妈和环流,表明尘埃可以施加必要的冷却效果的表面(图11)。冷却效果可能抑制空气的垂直运动群众由于缺少对流过程。如果低地层冷却和减少垂直运动强劲,大面积覆盖,它可能导致减少上升空气的表面扩展。如果这种现象发生在西非季风期间,减少对流运动的大规模足以减少水分显著流入从几内亚湾和中产阶层越低。减少水分的流入对朝鲜可能诱发延迟季风的爆发并减少其强度,导致降水减少。

操作。灰尘对温度的影响

粉尘的影响包括冷却表面的时期环流和老妈(图12)。这冷却似乎更重要比老妈季风期间。结果揭示也变暖区,特别是在沿海地区,西南布基纳法索、马里、东南部科特迪瓦北部尼日利亚西部到喀麦隆北边到中非共和国西部。在海洋,弱dust-induced变暖。这可能是由于灰尘沉积现象。在雨季期间,dust-induced冷却更重要。观察一个全球变冷的南部美洲大陆期间老妈而变暖发生在从圭亚那海岸到巴西(图12)。表明温度变暖的带状剖面图之间的海面经度18°W和50°W,和一个冷却领域。冷却从表面观察到对流层中部大约700 hPa(图13)。温度的子午剖面图是符合冷却表面观察到由于撒哈拉和萨赫勒地区的灰尘(图14)。冷却表面非常强调和扩展从大陆到沿海季风期间。然而,大约在12°N,似乎变暖发生。

3.6.3。过灰尘对降雨的影响

利用区域气候建模,一些作者如科纳雷et al。24)和Solmon et al。25)发现过减少降雨,但其他作者(23,27)发现过增加降雨使用全球气候模型。大多数研究都集中在季风期但这项研究认为中间期老妈通过分析粉尘的影响在当地规模在季风系统。结果显示,撒哈拉和萨赫勒地区的粉尘引起的干燥效果在该地区的两个时期:老妈和环流(图15)。然而,有一些区域增加的降雨雪虽然尘埃量较低。这些包括利比里亚北部Southern-Guinea,中非共和国,加勒比岛,和美国海岸。

在雨季期间,粉尘可引起循环在季风流相反的方向,有利于其削弱沉淀的结果。(即在当地的水平。,MAM), the cooling caused can inhibit the convection and that explains the observed reduction of precipitations. These results agreed with Solmon et al. [25)表明,粉尘在西非季风显著影响发展与反射光和入射辐射交互。

4所示。结论

我们的研究可以分析模拟粉尘排放来自撒哈拉沙漠和荒漠草原,使用区域气候模型(RegCM)。沙尘的轨迹也分析了3个月,4月,2010年5月使用相同的模型和其他观察结果。分析显示季节性的轨迹与达成的高度的季节性粉尘羽流。粉尘浓度的垂直剖面显示逐步增加高度期间,“December-January-February (DJF)”时期的“June-July-August环流),“过渡高度期间“March-April-May (MAM)。“事实上,DJF期间,沙尘流在低海拔高海拔地区期间达到环流。模型捕获各种事件的变化在非洲电台(Banizoumba、Cinzana和M 'Bour)。然而,它低估了AOD值的峰值相比,观察。在巴巴多斯岛,它令人满意地复制AOD值的变化,尽管它没有捕获所有的山峰AERONET观察。AOD值之间的差异的一部分,从AERONET的观察,在3月,可能是由于生物质排除火灾从这项研究虽然他们出现在西非的风景。

研究影响降雨雪和当地气温的撒哈拉萨赫勒地区的粉尘(季风期外)表明,粉尘可能产生冷却效果在整个地区期间老妈和季风环流)。这是在协议的研究科纳雷et al。24)和Solmon et al。25期环流)。然而,扩展在大西洋上空没有修改这些先前的研究结果。表面的冷却期间伴随着过当地降雨的减少(MAM)研究领域除了一些地区在非洲中部,西非(Southern-Guinea和利比里亚北部)、加勒比海和南美,增加降雨雪中观察到。

目前正在进行的另一项研究考虑排放来自布什火灾为了知道他们的贡献观测值和分析他们的角色在西非的气候过程和在大西洋上空。

确认

这项工作是由开始和RIPIECSA格兰特。所有作者承认ICTP(国际理论物理中心)RegCM模型,用于本文。