文摘

我们调查了亚洲粉尘的程度可以通过改变影响旱地生态系统植被光合有效辐射(PAR)和短波和长波辐射组件的表面能量平衡。结果表明,粉尘减少地表辐射平衡和总面值,票面的扩散分量,然而,粉尘负荷增加而增加然后达到最大值后降低一定的最佳条件。迫使效率范围从67.7−−82.2 Wm⁻² 总共122.1和68.8−−Wm不相上下⁻² 在表面辐射平衡。票面总额的比率下降短波通量仍近常数(%)和其他气溶胶类型类似,虽然比漫射派系的PAR展品显著变化。尘埃在总光合速率变化的影响在不同类型的作物。C4植物玉米等往往是不太敏感的尘埃光学特性比C3植物如大豆和小麦。

1。介绍

已经被越来越多的兴趣在陆地生态系统和大气气溶胶的影响他们的角色在land-atmosphere交互在地球系统科学的背景下。这些相互作用被认为涉及到多个相关的流程和各种反馈,仍然没有得到很好的约束(1]。这里我们解决矿物气溶胶的影响(尘埃),涉及到辐射传输过程,关注aerosol-induced变化光合有效辐射(PAR, 0.4−0.7μ0.3米)和表面辐射平衡(SRB−20μ米)。光植物光合活动管理是一个至关重要的因素,因此PAR气溶胶造成的改变可以影响工厂空气碳/水交流和生态系统功能。地表能量平衡的变化很重要,因为它们影响地表蒸散,明智的和潜热,土壤温度和水分,主要land-atmosphere交换过程以及光可用性都是重要的生态系统。

灰尘会影响短波(SW 0.3−2.5μ2.5米)和长波(LW−20μ米)组件的辐射能量平衡,但反对的方式(2]。基于区域模型模拟,锤等。3)发现粉尘气溶胶西南辐射降低了137−Wm⁻²(区域)在北非,导致显著降低表面温度和显热。基于耦合的气溶胶transport-radiation模型,研究Takemura et al。4)报道,灰尘引起的每月平均SW表面迫使−2.0 Wm⁻²在东亚,表面迫使被定义为SW通量的差异之间的清洁和aerosol-laden条件。利用卫星观测与建模、黄等。5]发现粉尘气溶胶引起的日平均表面SW迫使−41.9 Wm⁻²在塔克拉玛干沙漠。

与西南辐射,减少灰尘显著增加了LW辐射到达地面。例如,根据舰载测量ACE-Asia竞选期间,Vogelmann et al。6)表明,亚洲粉尘导致表面LW迫使10 Wm⁻²;Markowicz et al。7)发现,LW强迫冷却西南约20%的补偿。黄等。5)发现,大约三分之一的西南亚洲粉尘引起的表面冷却LW补偿的变暖效应。因此,dust-induced SW和LW辐射的变化应该占在评估表面能量平衡。

虽然已经有大量研究尘埃SW和LW辐射的影响,我们不知道有任何学习全面解决粉尘水平的影响,过去的研究,然而,探索其他气溶胶类型相当的影响,包括火山气溶胶(8,9城市污染气溶胶(),10- - - - - -12),和生物质燃烧的烟13]。一些研究报道减少植物光合速率和初级生产由于少传入PAR由于气溶胶衰减(10,11]。然而,同时减少总面值,气溶胶可以增强PAR的漫射分数,导致更高的总光合速率。底层推理被认为是由于阳光之间的再分配的光和阴影的叶子在植物树冠:气溶胶的吸收和散射会导致减少PAR受到阳光的树叶没有变化或降低光合作用,而分散的分散PAR可用的大多数light-limited阴影树叶,这样总光合速率增加。这种所谓的“散射辐射受精”效应由于气溶胶是证明了在建模12,14和观察9,13,15)的研究。

鉴于总水平的变化及其扩散部分控制的气溶胶类型,特别是由气溶胶负担和光学特性,因为不同的灰尘和其他气溶胶光学特性的差异,重要的是要理解粉尘气溶胶如何影响标准。此外,dust-induced PAR和SRB的变化需要解决了解净辐射尘埃对陆地生态系统的影响。的确,并发修改的PAR,气溶胶可以改变地表净辐射,潜伏/显热,土壤温度/叶,和大气湿度,这还会影响光合作用和呼吸作用的过程和净初级生产力(NPP) (16,17]。

本文的重点是在东亚的尘埃。该地区易受灰尘影响,因为巨大的和惊人的粉尘来源。每年大量的飞尘正在发出干旱和半干旱地区在中国和蒙古和运输顺风在数千公里,可能影响不同生态系统(18]。最激烈的尘埃暴发发生在春季与植被生长季节,进一步放大了灰尘在旱地生态系统的重要性。

评估标准以及西南和LW组件充满尘埃的表面能量平衡的条件需要一个一致的表征的尘埃在宽光谱范围(即光学特征。,从紫外到红外)。电流测量功能不能提供这些信息,以便光学建模必须执行计算所需的光谱光学特征。然而,计算的光学特性,如消光系数、单散射反照率和散射相函数,受制于大的不确定性是由于矿物气溶胶的复杂性。尘埃粒子表现出各种nonspherical形状、矿物成分和尺寸依赖于尘埃的光谱来源和物理化学变化(老化)的尘埃粒子在大气中的传输(19]。为辐射预算执行光学建模评估,以往的研究通常被认为是灰尘作为一个通用的物种,用谱折射率报道有限尘埃批量样品收集在几个地理区域。例如,使用的尘埃折射率吉冈et al。20.从帕特森[]是一个组合的数据21可见光谱),从Sokolik et al。22近红外)(近红外线),从中场23红外),尽管这些数据代表了三个完全不同的尘埃samples-one中亚和北非的其他两个。OPAC系统(光学性质的气溶胶和云)库,这是广泛应用于辐射/气候建模,也包括大部分灰尘模型基于帕特森和中场折射率(24]。为了克服这些限制,我们明确地考虑size-resolved矿物组分的尘埃气溶胶谱折射率的允许使用的主要矿物质(2,25,26]。这种方法的一个主要优势是,它可以将近期数据的尘埃矿物成分,提供有针对性的改善表示灰尘从紫外到红外光学特征。

气溶胶对辐射的影响还取决于底层的土地表面的属性和状态,控制表面反射率和辐射率。在旱地地区,地表反照率展览大时空和光谱变化。特别是在贫瘠和植被稀疏的情况下表面反照率取决于几个因素如土壤类型、组成、和水分27,28]。对植物的表面,表面反照率的变化是由植物物候学(29日]。灌木地和草地展览最大的反照率变化在时间和空间上与其他土地类别(29日]。虽然表面反射率随波长,一般是在区域和全球气候模型的代表非波长依赖型常数(通常称为SW宽带反照率),然后规定在一定土地类别作为陆地表面的一部分模块。然而,研究表明,忽视的光谱依赖性表面反照率(例如,在可见光与近红外线)可能导致重大错误建模气候变量(30.]。因此,重要的是要考虑表面光谱反射率及其时空变异性,以更好地了解区域和时间(例如,季节性)动力学的尘埃辐射的影响。

本研究的目的是评估亚洲粉尘的程度会影响PAR和表面辐射能量平衡考虑亚洲粉尘的区域具体属性和表面光谱反射率在东亚的旱地生态系统。具体目标是(1)计算并检查,composition-dependent光谱(即大小。,from the UV to the IR) behavior of Asian dust optical characteristics, (2) determine the spectral surface albedo of the major dryland ecosystems in East Asia that are frequently affected by dust transport, (3) examine the dust radiative impact on the total PAR, diffuse fraction of PAR, and surface energy balance in these ecosystems, and (4) explore implications of the dust radiative impact on the ecosystem functioning using several light use efficiency models. Our approach is to perform a comprehensive one-dimensional radiative transfer modeling constrained by ground-based and satellite observations of dust aerosol and land surface properties.

本文组织如下。部分2介绍了本研究中使用的数据和方法。分析计算粉尘光谱光学特性提出了部分3。这一节还提出了我们的研究结果的灰尘影响PAR和表面辐射平衡在不同旱地生态系统和评估相关的生态系统卢和光合速率的变化。部分4总结我们的主要发现和解决了影响。

2。方法和数据

我们使用一维辐射传输代码SBDART(圣巴巴拉DISORT大气辐射传输,31日])来计算辐射通量。SBDART解决垂直不均匀成平行面的大气中辐射传输方程考虑散射、吸收和发射的主要气体和气溶胶。SBDART代码被修改以允许新模块的整合治疗尘埃气溶胶垂直剖面和光谱的光学特性,在这项研究中(见部分计算3所示。1)。此外,表面光谱反射率重建了东亚的主要旱地生态系统(见部分2.2),纳入SBDART。辐射传输计算进行无云条件下光谱分辨率为0.05μ在西南和20厘米⁻¹LW。光谱辐射通量在某些波长间隔综合计算西南,LW, PAR在表面通量。我们还计算并分析了散射分量(PAR不相上下_dif)、弥漫性分数(α)的标准,和地表辐射平衡(SRB)如下: 在哪里,LW_向上表示表面下降SW通量,上升流SW通量,下降LW通量,分别和上升流LW通量。这里,PAR是总光合成有效辐射事件在表面和标准_dir是其直接组件。

我们还计算和分析的效率尘埃辐射强迫在票面价值()和地表辐射平衡()定义为这些量的微分变化/粉尘气溶胶光学厚度的变化为0.5μ米,: 在射频_票面价值辐射强迫的一样,和射频_SRB辐射强迫的表面辐射平衡,。这里,下标“干净”表示清洁(aerosol-free)大气条件。

2.1。选择的矿物组成和粒度分布亚洲粉尘的代表

我们用米氏代码计算尘埃光学特性在宽光谱范围(从紫外到红外热),本研究需要。作为一个必要性,尘埃粒子假定为球形。许多研究已经证明了球形假设的有效性在辐射通量的计算。例如,傅et al。32)显示,这一假设引起的辐射通量误差不到5%相比spheroidal-shape近似。易et al。33]报道了5 - 10%误差在土地表面辐射通量进行比较的结果球体与椭圆体。

尘埃组成由石英、方解石,clay-iron氧化聚合最近测量的基础上size-resolved亚洲粉尘的矿物的组成25,26]。石英和方解石都可以忽略不计在SW吸收,但表现出显著吸收LW [2]。粘土通常聚合与铁氧化物,这些聚合物比个人更高的光吸收矿物质。特别是,伊利石被发现是最丰富的一种粘土在亚洲尘埃,而针铁矿和赤铁矿是两个最重要的铁氧化物(25]。氧化clay-iron聚合了考虑我们的建模illite-hematite (IH)和illite-goethite (IG)后Lafon et al。25]。的有效折射率聚合物使用布莱格曼近似计算(2]。

过去的研究表明,矿物成分随粒子的大小。我们使用的测量报告Lafon et al。25)约束的复合细和粗粒度模式。数分数的石英、方解石和铁oxide-clay聚合优良模式的16%,25%,和59%,分别是28%,29%和43%的粗模式。在规模模式,假设IG占总量的70% (IG + IH)。一个重要的因素,可以显著影响的光吸收灰尘是体积分数(ν)的铁氧化物(在本例中赤铁矿和针铁矿)聚集。在这里,我们使用的值代表亚洲粉尘推荐Lafon et al。25),与ν等于细和粗模式的3.0%和6.7%,分别。

选择代表粉尘粒度分布是由检查测量从几个AERONET站点位于东亚,包括敦煌,内蒙古,玉林,北京。这些网站是位于交通路线的尘埃来自塔克拉玛干沙漠和戈壁。因为这些站位于不同距离尘埃来源,选择气溶胶粒径分布帮助检查灰尘光学性质如何变化在运输和影响尘埃辐射影响。

AERONET大小分布从测量太阳和天空的光芒和检索报告的标准双峰对数正态函数的参数包括体积平均半径和几何标准差[36]。AERONET还测量气溶胶光学厚度(τ几个波长的)。这些测量是用来推导出埃指数(β)。考虑到灰尘事件通常与相对较大的气溶胶光学深度和粗颗粒的存在,我们选择几个具有代表性的尘埃大小分布情况下通过检查每日平均和埃指数在2001年春季,当东亚AERONET网站提供密集的观察作为ACE-Asia领域活动的一部分(18]。的β颗粒大小负相关,这样吗β< 0.5−0.7事件常被用来识别灰尘。

考虑时间,我们经常发现AERONET网站显示高和低β检索,含有大量的粗颗粒大小分布。的相对比例细和粗模式,然而,在所有站点上显示重要的时态变化。为了解决这个气溶胶大小观察动态光谱,我们建模我们选择四个具有代表性的例子见表1。此外,我们从过去的研究认为四个尘埃大小分布。B02表示的大小分布平均八年在巴林AERONET数据网站,这是建议代表大小分布的尘埃气溶胶(36]。C04是衡量克拉克et al。37]在ACE-Asia竞选强劲尘埃的事件。L91 d 'Almeida的单模粒度分布(38),包括在图书馆馆藏目录(24]。L91被认为代表了远程运输灰尘。我们还考虑另一个尘埃大小分布的OPAC系统中三种大小模式(以下H98)组成。表1礼物都认为大小分布的参数大小的对数正态分布表示为 在哪里表示jth大小模式体积浓度(),卷半径中值()和几何标准差()。

这些尺寸分布进一步对比图1。各种各样的异同是显而易见的。一些测量尺寸分布的差异可能是由于光谱变化大小由粉尘排放控制和运输过程中,大颗粒的沉积,并与其他类型的气溶胶混合的尘埃。举例来说,在北京的网站,可以混合微粒粉尘气溶胶来自城市和工业来源,这大小分布有较大的好模式比在其他网站(见表1)。B02比规模更大的好模式分布从亚洲AERONET网站。这可能是由于多年平均或者因为实际的波斯湾和东亚之间的尘埃大小差异。此外,推导出考虑大小分布不同的含义,从有限的抽样在当地来源,如C04 OPAC系统中,或从column-averaged光学反演,如AERONET。

我们首先计算每个矿物的光谱光学特征物种每一尺寸一定粒度分布的模式,包括规范化的灭绝和散射系数和不对称参数,在那里表示th矿物种类和表示大小模式。然后,对th模式,计算归一化消光系数,总结每个物种的规范化的消光系数加权数分数,: 好模式,例如(6)是 下标卡尔,石英,搞笑,IH表示方解石、石英、IG聚合,分别和聚合。(公里⁻¹/厘米⁻³然后加权数量浓度)每个模式给粉尘混合物的消光系数:

的也可以表示的粒子质量浓度。的有关的总质量浓度(),。在这里的质量分数是th模式和(μg m⁻³/厘米⁻³),是一卷半径中值(见(5)),ρ粒子密度(在我们的例子中,2.5 g厘米吗⁻³)。散射系数可以用类似的方式计算,所以单散射反照率粉尘混合物

通过执行选定的米氏计算尘埃大小分布(见表1)和比较结果气溶胶光学深度测量AERONET网站,我们选择、500和750μg m⁻³代表低,温和,分别和高粉尘载荷。

亚洲粉尘的计算光谱光学特性被纳入SBDART代码。基于指定的尘埃垂直剖面是卡利普索(“激光雷达和红外探路者卫星观测)激光雷达数据。我们检查了卡利普索垂直特性面具在东亚在2007年春季选择具有代表性的例子。我们发现亚洲沙尘气溶胶经常从地面延伸到4公里的粉尘来源地区和顺风,虽然灰尘层在达到8或9公里也被观察到。这里我们考虑两个不同的概要文件:一个统一的尘埃层介于0和4公里,(以下混合层)和另一个高架层之间的5和9公里(以下高架层)。

2.2。重建光谱表面反照率

我们使用了MODIS土地产品获得的光谱表面反照率旱地生态系统影响的东亚的尘埃。我们首先检查的MODIS(中分辨率成像光谱仪)没有发生(气候建模网格)土地覆盖产品(MOD12C1),它包含每个IGBP分数(国际岩石圈生物圈项目)土地类型在1公里分辨率像素。这些分数是用来识别纯(覆盖率> 95%)为每个土地土地覆盖网格类型。图2(一个)显示该地区的土地覆盖图(N35°-N45°, E90°e120°),我们确定了四个主要土地类型:贫瘠的表面,农田,草地,灌丛带(见图2 (b))。

将反照率分配给不同的生态系统,土地覆盖并置MODIS康联反照率(MCD43C)数据。MODIS康联反照率是每8天生成地理纬度/经度0.05度分辨率投影(29日]。窄带七点发生反照率是报道集中在0.47,0.56,0.65,0.86,1.24,1.64和2.13μm。它由white-sky反照率和黑色天空反照率代表贡献的扩散和直接太阳辐射组件,分别。white-sky反照率是用于我们的计算按照传感器的表面在SBDART假设。像素与最佳检索质量选择计算空间表面反照率的平均值和标准偏差在生长季节(23-31 4月,5月1 - 8,可能2001年上行线)。图3(一个)表明,贫瘠的表面反射率值和开放灌木地随时间变化小。农田反照率展览最大的颞可变性由于植被物候学和土地管理。这与先前的研究一致高et al。29日]。对于我们的分析,我们选择5例表面反照率:农田(以下cropland-1) 4月份23-31,贫瘠的表面、草原、灌木地开放,农田(以下cropland-2) 5月1 - 8。

提供详细的表面反射率光谱依赖,我们合并MODIS窄带反照率与美国地质调查局光谱数据集。美国地质调查局光谱库(http://speclab.cr.usgs.gov/spectral.lib06/ds231/datatable.html)提供了详细的波长依赖反照率的各种土地的目标。这允许扩张的MODIS窄带反照率在整个太阳光谱。为此,我们与MODIS土地类型与相应的目标从光谱数据集。然后,我们选择最好的光谱数据与MODIS反照率的七个窄带和应用最小二乘拟合计算值相应的光谱表面反照率。表面产生的光谱反射率作为输入SBDART和图所示3 (b)。这些地表反射率捕捉MODIS窄带反照率的光谱行为,包含详细的光谱来自美国地质调查局的光谱数据集的信息。

3所示。结果

3.1。检查光谱光学亚洲粉尘的特征

用表中给出的尺寸分布1,我们计算粉尘从紫外到红外光谱光学特征。数据4(一)和4 (b)显示了消光系数(),加载的灰尘= 250μg m⁻³和单一散射反照率(在西南)。相比之下,我们也展示了OPAC系统中大部分灰尘光学特性(用H98)。所有病例显示相同的成分,除了内部Mongolia_agg尘埃和H98,所以中国政府强大的影响力,大小分布的大小和光谱行为和在太阳能和红外(未显示)是明显的。内部Mongolia_agg粉尘具有相同的大小分布内蒙古(见表1),但仅由clay-iron氧化聚合。这种情况下,相关的最大光吸收相比其他亚洲粉尘情况如图4有助于展示尘埃光学矿物组分的影响。这种成分差异影响不大,但它会显著下降例如,从0.93到0.84在0.5μm与更大的减少在PAR地区向波长要短。比较我们的亚洲粉尘情况下,大部分灰尘OPAC模型(H98)相对较高值,但最低。

即使对于相同的组成、灰尘强烈认为大小分布不同,例如,(0.5μ从0.88到0.93米)范围。这些值的(0.5μ米)与过去的研究报道亚洲充满尘埃的环境:(0.55μ米)在一个城市在首尔,韩国(39),在Gosan40),(0.55μ米)的原位测量期间ACE-Asia [41),而(0.55μ米)的飞机在太平洋亚洲沙尘流的测量(42]。

大的传播值为0.5μm是清楚地看到在图4(一)。一个重要含义是,对于一个给定的尘埃加载,这导致气溶胶光学深度之间存在较大的差异,。图5显示为三个不同的粉尘负荷计算粉尘情况如图4(一)。显著差异的值表明,必须注意解释之间的联系加载和尘埃,下面将进一步解决。

的光谱行为,西南与波长略有不同,除了敦煌,内蒙古和B02灰尘情况下,与埃指数很小。对于内蒙古的情况,随波长0.8μm和迅速减少的近红外线,而对于敦煌B02情况下,随波长1.0μ米然后水平的价值随波长PAR地区,除了敦煌和B02病例。在后一种情况下,稍微增加波长PAR地区然后减少近红外线。的0.66μm是由于折射率的虚部针铁矿。请注意,计算考虑亚洲粉尘情况下光谱行为类似于撒哈拉沙漠的尘土由奥托et al。43)(见图6)。

总的来说,考试图4都清楚地表明,和强烈依赖于细和粗的存在模式。这一发现与以往的研究一致(例如,(43])和强化需要考虑到广泛的粒子大小和有好/粗模式的现实表示比率。

3.2。灰尘对总和扩散的影响不相上下

评估的程度的灰尘会影响总及其分区直接和漫射光,我们进行了辐射传输模型考虑的不同组合尘埃光学病例和旱地生态系统。被绿色植被吸收和转化成生物质通过光合作用。在生态和地表模型,标准是一个关键因素控制控制光合作用的生物物理过程和气孔调节水、能源和生物地球化学循环。图6(一)表明随不相上下为考虑粉尘情况。在每种情况下,结果三所示值对应于尘埃载荷的250、500和750μg m⁻³。这些结果为混合层尘埃概要和太阳高度角为90°。

在清洁(无尘)条件下,从490.0到495.6 Wm不相上下⁻²在分析生态系统(表面反射率)。注意,图6(一)只显示结果cropland-2和草原,代表表面反照率的最低和最高价值,分别。对于一个给定的灰尘加载内蒙古大小分布情况,给出了最高PAR地区,因此最大的最大的减少,导致比其他情况下不相上下。敦煌大小分布给出了最低值,因此可用的最高标准。例如,= 250μg m⁻³cropland-2反照率,减少12.6 Wm不相上下⁻²敦煌()和88.9 Wm⁻²内蒙古(119.9 = 1.2),减少PAR是Wm⁻²内部Mongolia_agg。后者仅表明成分变化有助于减少31.0 Wm不相上下⁻²。由于其低值和相对较高的,H98灰尘导致比另一个更大的减少PAR灰尘情况下同样的加载,除了内蒙古和内心Mongolia_agg灰尘。

见图6(一),标准几乎是线性相关的支持使用尘迫使效率(的有效性)(见(4))。的主要依赖于尘埃和(在较小程度上的表面反照率。计算值的范围从67.7−Wm⁻² 对于内蒙古尘埃−82.2 Wm⁻² 对于L91 cropland-2。尘埃垂直剖面发现有一个微不足道的影响。

我们的建模与观测结果有很好的一致性。特别是,我们使用辐射测量数据报告的布什,瓦莱罗能源[44]在Gosan充满尘埃的条件,韩国,与我们的建模结果比较。根据他们的数据,我们估计的效率的−Wm⁻² 。这个值略高,但总体上同意我们的结果。

在过去的研究证明,扩散(PAR不相上下_dif)是一个重要的因素在评估植物光合速率由于票面总值_dif常与光利用效率高于票面价值联系在一起_dir。图6 (b)表明PAR_dif大大增加灰尘的存在,尽管票面价值的变化_dif尘埃例之间的不同。为= 250μg m⁻³,票面_dif达到95.3 Wm⁻²对于敦煌和266.5 Wm⁻²对于内蒙古cropland-2。这些差异在票面价值_dif变化主要是由于巨大的分歧在尘土中光学深度灰尘情况下(见图5)。成分的效果被比较内蒙古和内在Mongolia_agg病例。前者导致30.6 Wm⁻²更标准_dif比后者低与内部相关Mongolia_agg情况。总的来说,票面_dif往往会增加当M增加从250年到750年μg m⁻³,除了内蒙古和内心Mongolia_agg情况下,不相上下_dif开始减少,从500增加到750μg m⁻³。当尘埃概要文件改为elevated-layer情况下,标准_dif表现出微不足道的变化。

气溶胶加载和太阳辐射的日变化会影响生态系统碳吸收每天。为此,我们研究了太阳角度扩散的PAR的依赖(α见(2))。图7(一)显示,α仍然很低(~ 10%)无尘条件下大部分的一天。的值α变得明显高于在灰尘的存在,尤其是在低太阳高度角(上面的角层)。在这里,我们显示的结果μg m⁻³和混合层尘埃概要文件。对于所有灰尘情况下,α随增加太阳角平约90°(即之前。,当地中午)。对于给定的含尘量,考虑粉尘情况下有非常不同的光学深度值,因此,显著的差异α清楚地看到图吗7(一)。例如在90°,α敦煌案件范围从20.0%到66.4%的内蒙古。由于完全的不同,α降低到63.7%内Mongolia_agg情况相比,内蒙古情况。我们还发现,α弱(1.2%以内)取决于生态系统类型(即。,surface albedo), but the sensitivity increases with dust loading due to the effect of multiple scattering.

由于缺乏直接的测量标准,估计其价值的常用方法是测量的下降西南辐射,西南_dn(45]。模型,票面价值经常被计算为西南的一小部分_dn。虽然比例保持相对稳定的条件下对于一个给定的位置在日常或更长时间尺度,是敏感的云和气溶胶的存在(45]。云通常增加比由于云层吸收更比票面近红外线光谱。气溶胶可以影响该比率以更复杂的方式,取决于气溶胶光学特性的光谱依赖性45]。图7 (b)表明,率几乎保持在0.45(±4%)恒定的清洁和尘土飞扬的条件下,除了内部Mongolia_agg情况。这是由于这样的事实,消光系数和单散射反照率的内在Mongolia_agg案例对比PAR和近红外线光谱行为。我们的值(0.45)略低于Frouin报告(0.45 - -0.50),平克(45)和接近的值(0.443 - -0.445)报道Jacovides et al。46对烟尘气溶胶)。

3.3。灰尘对表面辐射平衡的影响

众所周知,灰尘可以减少地表净辐射,控制地表湍流通量的可用能量和影响表面温度和边界层动力学(1,3]。图8显示表面辐射平衡(SRB, (3))的函数对于混合层剖面的情况。在干净的条件下,SRB范围从688.4 Wm⁻²在草原809.1 Wm⁻²cropland-2。我们使用相同的表面发射率和温度对所有生态系统,因此这种差异主要是由于不同的表面反照率。灰尘加载的μg m⁻³,减少SRB cropland-2范围从−14.6 Wm⁻²对于敦煌尘埃−128.8 Wm⁻²对于内蒙古和−168.3 Wm⁻²内心的Mongolia_agg案例。迫使SRB的效率()范围从−91.4 Wm⁻² 对于敦煌−122.1 Wm⁻² 内心的Mongolia_agg案例。正如所料,尘埃的巨大差异迫使国储局(射频_SRB),是由于灰尘光学特征的差异。

在西南和LW辐射组件单独检查,我们发现,减少净辐射范围从西南−18.8 Wm⁻²对于敦煌尘埃−140.6 Wm⁻²对于内蒙古和−182.7 Wm⁻²内心的Mongolia_agg案例。西南的迫使效率范围从−110.1 Wm⁻² 对于敦煌−139.4 Wm⁻² 对于L91的情况。这些值高于(−Wm⁻² 布什)报道,瓦莱罗能源[44]。我们还发现,LW积极的减少迫使补偿西南约7.9 - -26.4%。在高架层,尘埃LW迫使下降了1.7 - -5.6 Wm⁻²因为较低的温度与高粉尘层有关。

3.4。灰尘对植被的影响光利用效率

节3所示。2,我们证明了亚洲沙尘可以施加重大影响的总标准及其直接/扩散分区。探索农田的潜在影响,在这里我们考虑几个光利用效率(卢)模型对不同作物类型(小麦、大豆和玉米)8,12,34,35,47]。

完善,生物量积累PAR拦截近线性相关(或吸收)的植被树冠(APAR),这样树冠的碳同化速率()可以表示为48] 的比率APAR叫做光利用效率(卢,摩尔有限公司₂(摩尔APAR)⁻¹)和fPAR PAR树冠吸收的一部分。fPAR可以方便地估计从叶从卫星观测特点和目前检索操作,例如,MODIS(见http://modis-land.gsfc.nasa.gov/lai.html)。

观测表明,卢PAR增大而增大_dif在树冠内(16]。过去的研究也表明,卢或多或少的增加线性扩散的分数,α(34,35,47]。对于小麦树冠的叶面积指数(LAI)的2.9点,Choudhury [34]卢-派生而来α关系如下: 根据模型结果,安德森et al。35)参数化卢的函数αC3和C4植物。大豆(C3植物): 和玉米(C4植物): 基于建模的结果Choudhury [47)对各种农作物和森林的树冠在不同的气候区域,罗德里克et al。8)以下卢-派生而来α关系: 鉴于后者是基于一个建模的情况下对各种植被类型,这卢模型不是特定植被类型,而是更通用的。虽然卢表示完全扩散的票面价值的函数,这些卢模型做账户(隐式地)可能改变表面辐射平衡,考虑到模型被开发为特定环境条件(温度、土壤湿度等)。

使用卢模型(11)- (14)和辐射建模结果,我们评估潜在的尘埃对植被碳吸收量的影响。图9介绍了卢和计算小麦(11清洁和灰尘(下)μg m⁻³)条件。显然,卢一样依赖太阳仰角α(见图7)。随着太阳角增加,卢降低并开始平整当太阳角> 70°。相比之下,图9 (b)显示总光合速率增加与太阳角。一般来说,在所有灰尘较大情况下清洁条件相比,除了在低太阳高度角当扩散分数已经很高,减少PAR的灰尘会导致减少,在这种情况下,内部Mongolia_agg尘埃太阳角< 15°。虽然内蒙古灰尘情况导致最大的卢,最大的与玉林相关情况。这是由于这样的事实,内蒙古的情况下导致大量减少PAR,占主导地位的增加的影响α和卢。

总值先前的研究报道,植物光合作用可以达到最大关键气溶胶加载对应一定的光学深度,(见表2)。当气溶胶光学厚度低于,大多数阴影树叶获得非常低的太阳光而阳光的树叶是光饱和。另一方面,当气溶胶光学深度超过阳光,大多数是植物light-starved减毒等。使用罗德里克的卢模型等。8),我们计算尘埃加载所有尘埃的函数情况下,如图10。在的行为有显著的差异:它降低内蒙古和内心的尘埃装载增加Mongolia_agg灰尘情况下,虽然在OPAC系统的情况下,随加载(灰尘μg m⁻³),然后减少。对于所有其他灰尘情况下,随尘埃加载。这些可以用这一事实来解释气溶胶对植物碳吸收量的影响取决于PAR的减少和增加之间的平衡标准_dif。例如,内蒙古灰尘情况比其他情况下更大的消光系数,这样灰尘加载μg m⁻³,合成灰尘光学深度超过最佳值的总光合作用。

图11卢和卢模型计算使用(11)- (14在太阳仰角= 90°)尘埃加载μg m⁻³。因为玉米(C4植物)有更高的光饱和点和PAR的变化不太敏感_dif比C3植物(47),卢和值玉米更高和更少的敏感尘埃光学特性与其他工厂相比类型。此外,对某些作物类型山峰在不同的值取决于粉尘的情况下,例如,大豆和小麦达到最大的内蒙古(3.4摩尔有限公司₂(摩尔APAR)⁻¹)和玉林(5.2摩尔有限公司₂(摩尔APAR)⁻¹尘埃)情况下,分别。因此,我们的研究结果表明,灰尘影响PAR和植物光合作用取决于粉尘性质和生态系统类型(例如,C3和C4作物)。

4所示。结论和讨论

在这项研究中,我们调查了灰尘影响PAR和表面辐射平衡(SRB)考虑条件在东亚旱地生态系统的代表。光谱(从紫外到红外热)光学亚洲粉尘的特点计算基于代表size-resolved矿物成分和遥感检索的尘埃大小分布。MODIS窄带反照率产品连同美国地质调查局光谱库数据被用来重建光谱表面反射率不同的生态系统在东亚。这些反射率数据和尘埃光学模型纳入SBDART辐射传输模型,用来研究dust-induced票面价值的变化,迫使和SRB及其效率。辐射传输模型的结果进行了分析与几个卢模型检查尘埃辐射的影响对植物总光合速率的影响。

代表亚洲尘埃组成,我们的结果表明光学特性方面的显著变化大小和光谱依赖造成的大小分布的变化。例如,在0.5μ米,规范化的消光系数范围来公里⁻¹(μg m⁻³)⁻¹和单一散射反照率范围从0.88到0.93亚洲粉尘的情况下(图4)。最高的吸收情况(内部Mongolia_agg),它只包含氧化铁粘土总量,使最低的(0.5μ0.88米)和尘埃OPAC模型。然而,OPAC的灰尘已经太低了值在SW光谱相比,亚洲粉尘情况。比较与OPAC系统大部分灰尘光学模型强调这个模型代表地区的局限性尘埃光学、特别是亚洲粉尘。这也表明了需要和利用代表尘埃矿物学和大小分布覆盖细和粗模式评估的尘埃辐射的影响。

dust-induced票面总额的变化,扩散PAR和发现SRB展览大型旱地生态系统变化,根据粉尘光学特性和表面反照率。的估计范围迫使亚洲粉尘SRB的效率从68.8−−122.1 Wm⁻² (图8),而在总面值67.7−−82.2 Wm⁻² 。与OPAC内部Mongolia_agg给最大的绝对值(约合110−Wm⁻² 总共PAR)由更高的吸收在这两种情况下引起的。他们也给最小的增加票面相比亚洲粉尘的扩散分量情况下(图6 (b))。类似于其他类型的气溶胶,票面总额的比率下降短波通量仍近常数(%)(图7 (b))。然而,扩散之间的派系的PAR展品差异很大认为亚洲粉尘情况下(图7(一))。

使用光利用效率(卢)模型对几种类型的作物(小麦、大豆和玉米),我们估计dust-induced PAR的变化对植物光合作用的影响。我们发现灰尘影响植被总光合速率也尘埃光学性质的强大功能,但在不同作物类型。植物光合速率增强低尘载荷作用下,但当尘埃减少加载超过一定的最优水平。这种行为与先前的研究一致的其他类型的气溶胶确定了关键的气溶胶光学厚度。但是我们将演示,关键光学深度取决于加载和大小分布的灰尘。特别是,细和粗模式的相对比例控制规范化是一个关键因素这样相同的粉尘负荷将导致不同的光学深度取决于大小分布(见图5)。因此,在沙尘气溶胶的情况下,加载和大小分布都将需要考虑在确定最优政体的植物光合作用。

考虑到散射辐射受精是由于这一事实更分散阳光到达阴影叶子,这对植被的影响的程度也取决于赖。赖越低越少dust-enhanced漫射辐射的影响。Wohlfahrt et al。49]提供了观测证据表明,温带山地草原散射辐射不敏感时,绿色区域较低。他们建议生物群落与赖昌星< 2如沙漠灌木地扩散反应要小标准。经et al。50)还表明,半干旱草原展品不施肥效应aerosol-enhanced扩散一样,可能是由于低赖和低光饱和点的草原。然而,灰尘可以运送顺风数千公里影响大型区域植被有更高的LAI值。

除了扩散PAR和dust-induced SRB的变化,有很多重要的因素可以显著影响植被功能包括光合作用、呼吸作用和蒸腾作用过程。aerosol-laden条件下,并发叶/土壤温度和湿度的变化可能发生,可以放大扩散PAR效应(16]。具体来说,由于更少的入射太阳辐射,降低叶/土壤温度可以抑制叶/土壤呼吸,而较低的蒸汽压赤字往往提高气孔导度和leaf-air交流。这些可以发挥重大的环境变化13,14,17,49)或可以忽略不计50]对树冠光合作用的影响。在某些情况下,环境因素的变化可以克服扩散的影响不相上下。施泰纳和Chameides [17]表明,high-irradiance条件下,气溶胶的存在降低了传入的阳光和叶片温度降低到一个最佳水平,从而增强了光合作用,在这种情况下,增加分散PAR的影响可以忽略不计。占这些不同的机制将需要一个地球系统框架,夫妻生物圈与物理气候系统。我们建议改进表示考虑size-resolved组成的尘埃细和粗模式将需要提供更准确的评估dust-induced辐射机制的变化如何影响这些过程的生态系统功能和作用在整体land-atmosphere交互。

承认

这部分工作是由美国国家航空航天局LCLUC程序。