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矿物粉尘气溶胶,是大气气溶胶的重要组成部分,其对现代气候变化的影响受到了人们的重视。而对于地质尺度的气候变化,由于人类活动的匮乏,自然成因的粉尘气溶胶无疑可能扮演更为重要的角色。亚洲内陆干旱区是目前已知的最为古老的干旱区之一,因此,对其内陆干旱化及密切联系的亚洲大气粉尘循环的历史变率的认识将十分有助于增进我们对地质尺度气候变化的理解。本文利用全球及区域耦合气候-粉尘模式对不同时间尺度上的亚洲粉尘变率进行模拟,对不同尺度的粉尘变率的驱动机制和主控因子进行分析,着重关注构造尺度上高原生长及全球变冷对于内陆干旱化和粉尘变率的可能影响;另外,对亚洲风尘在全球沉积物中的相对贡献及不同沉降区域沉积物的粉尘来源进行了初步量化估计。本文的主要结论如下:
1.在年际尺度上,东亚地区的粉尘循环具有明显的年际变化且存在一定区域差异。对整个东亚地区,总扬尘通量有所增加,但大气粉尘载荷呈现减少趋势。大气粉尘年际变率受到了厄尔尼诺现象的重要影响。在El ni(?)o年,中国北方沙漠的粉尘排放总量受到了较大的抑制,而在La ni(?)a年,北方沙漠排放呈现明显的增加趋势,各季节变化有所不同,这主要是由于热带太平洋海温异常对于东亚源区的大气环流风场及相应季风降水作用引起的。
2.在轨道尺度上,北半球冰盖的扩张对大气粉尘循环的影响非常显著,是影响其轨道变率的主要因素。在冰盖的作用下,末次盛冰期的全球粉尘排放量约为现代的2倍。在不同区域粉尘水平的增加幅度存在差异。亚洲源区的排放总量约占全球总量的约50%,且这个比例在冰期-间冰期循环过程中保持不变。亚洲源区LGM排放量的增加主要源于中亚地区。来自亚洲源区的粉尘成为黄土高原,北太平洋地区和格陵兰地区等下风向沉积区的主要风尘来源,其中格陵兰地区的沉积来源更为复杂。
3.基于模拟大气粉尘水平,对上新世阶段青藏高原北部是否存在一定规模的高原隆升事件进行模拟验证。结果表明,全球变冷,包括SST降低,冰盖扩张和CO2浓度减少仅能解释上新世阶段北太平洋的粉尘沉积通量增加量的约60%,这客观上证明了青藏高原很可能在该阶段发生一定规模的隆升现象。在进一步考虑了高原北部隆升的基础上,对上新世的大气粉尘循环进行了模拟重建。在亚洲内陆下风向的沉积区域黄土高原和北太平洋地区,模拟的大气粉尘沉积通量水平同观测数据基本一致,支持了数值模式对于大气粉尘循环的模拟效果以及采用粉尘源区计算方案的可行性。在构造尺度上,大气粉尘循环同时受到了全球变冷和高原隆升两个强迫因子的重要影响。在黄土高原地区,其风尘沉降通量变率主要受控于全球变冷,全球变冷主要通过极大加强地表风速从而有利于粉尘排放。而在北太平洋地区,高原隆升可以加剧亚洲内陆干旱化程度来控制该地区的粉尘沉降水平。
4.大气粉尘气溶胶对气候的反馈同样非常显著,通过对大气辐射收支的影响作用于全球及区域气候。现代,粉尘气溶胶引起大气层顶的总辐射通量减少约0.38W/m2,使全球温度降低约0.21℃,降水变化的分布较为复杂,总体上呈减少趋势,但减幅并不明显;在末次盛冰期,大气层顶的辐射通量减少达0.67 W/m2,全球温度降低0.93℃,降水减少也进一步加剧,达到0.09mm/d。对亚洲地区来说,粉尘气溶胶直接辐射反馈在两个时段都明显削弱了海陆热力对比,从而减弱亚洲季风强度,引起季风区降水的减少。
5.高分辨率的区域气候模式对黄土高原细粒径粉尘颗粒来源的模拟结果表明,以塔克拉玛干为主的中国西北沙漠,巴丹吉林,腾格里等北方沙漠以及中蒙境内大片的戈壁沙漠是东亚地区最大的三个粉尘源区,其对总粉尘排放量的贡献分别为60.7%,17.9%和10.4%。但不同沉积区域的粉尘来源存在较大差异。黄土高原的粉尘沉积主要来自于邻近的中国北方沙漠地区和戈壁,其中北方沙漠约占83.5%,而戈壁沙漠约占8.6%;在日本海地区,塔克拉玛干地区在日本海的贡献显著增加,北方沙漠,塔克拉玛干地区和东北沙地是日本海风尘堆积的三个主要物源区。