灰塵和煙霧對(duì)美國(guó)西部干旱的影響

中國(guó)生物多樣性保護(hù)與綠色發(fā)展基金會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)綠發(fā)會(huì)、綠會(huì)）作為聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約的觀察員機(jī)構(gòu)，持續(xù)關(guān)注全球防治荒漠化和抗干旱方面的動(dòng)態(tài)。近日，中國(guó)綠發(fā)會(huì)國(guó)際部從世界知名期刊獲悉一文《灰塵和煙霧對(duì)美國(guó)西部干旱的影響“可能類(lèi)似于”非洲此方面的研究，作者說(shuō)（Effect of dust and smoke on Western drought 'likely similar' to African study, author says）》。綠會(huì)國(guó)際部現(xiàn)將該文整理編譯如下，供感興趣的讀者參考。

（Credit: National Park Service。從梅薩維德國(guó)家公園的灰塵監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭觀看西南方向。）

阿拉巴馬州亨茨維爾大學(xué)（University of Alabama in Huntsville，UAH）的一名學(xué)生表示，他對(duì)撒哈拉以南非洲地區(qū)灰塵和煙霧對(duì)地表大氣溫度的綜合影響的研究可能適用于美國(guó)西部的情況，目前該地區(qū)正處于1200多年來(lái)最嚴(yán)重的干旱期。

灰塵是自然產(chǎn)生的，但大多數(shù)煙霧來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)或潛在的人為因素，如森林火災(zāi)。

阿拉巴馬大學(xué)大氣科學(xué)博士生克里斯托弗·菲利普斯（Christopher Phillips）說(shuō)，在美國(guó)西部，灰塵和荒漠化可能形成一個(gè)正反饋回路，導(dǎo)致干燥，因?yàn)榘滋旌鸵归g溫度之間的變化較小。

在《地球物理研究雜志：大氣》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，菲利普斯發(fā)現(xiàn)，撒哈拉沙漠面積不斷擴(kuò)大，非洲的地表大氣溫度會(huì)發(fā)生這種變化。

大氣科學(xué)副教授烏代桑卡爾·奈爾博士菲利普斯說(shuō)：“不過(guò)，煙霧有點(diǎn)不同。煙霧使白天涼爽，而不會(huì)使夜間變暖。這消除了部分反饋。我們發(fā)現(xiàn)，在非洲，灰塵在煙霧中占主導(dǎo)地位，因此我認(rèn)為這不會(huì)改變地表變暖的總體情況?！?/p>

煙霧中的小黑碳顆粒非常善于阻擋陽(yáng)光，科學(xué)家稱(chēng)之為短波輻射。因?yàn)檫@些小粒子的大小不到十分之二微米，所以它們與科學(xué)家所說(shuō)的地球長(zhǎng)波輻射（即地球?qū)μ?yáng)能的再輻射）的相互作用不大。

菲利普斯說(shuō)：“因此，當(dāng)煙霧濃密時(shí)，它會(huì)使白天的溫度大大降低，因?yàn)樗鼤?huì)阻擋陽(yáng)光，但它不會(huì)改變夜間的能量預(yù)算，因?yàn)闊熿F氣溶膠不會(huì)與地球的長(zhǎng)波輻射相互作用?！?/p>

雖然菲利普斯的研究重點(diǎn)是地表變暖，但他也對(duì)研究結(jié)果的含義發(fā)表了評(píng)論。

他說(shuō)：“從概念上講，灰塵和煙霧都能穩(wěn)定白天的大氣，使云層形成的可能性降低。沒(méi)有云層，你就不會(huì)下雨。此外，其他研究表明，非洲的降雨是以與大西洋溫度相關(guān)的季節(jié)性周期發(fā)生的。當(dāng)灰塵和煙霧飄過(guò)海洋時(shí)，它們會(huì)冷卻海水，這可能會(huì)降低撒哈拉以南非洲地區(qū)形成季節(jié)性降雨的可能性?！?/p>

菲利普斯說(shuō)，當(dāng)灰塵在夜間變暖時(shí)，植物上形成的露水量會(huì)減少，給植物帶來(lái)更大的壓力。

他說(shuō)：“如果植物死亡，那么更多的灰塵會(huì)被排放到大氣中，穩(wěn)定大氣，讓夜晚更加溫暖。這是反饋回路的核心?！?/p>

灰塵的顆粒比煙大得多。它們的大小可能有幾微米，灰塵確實(shí)像煙霧一樣阻擋陽(yáng)光，但它也吸收了地球熱輻射的一小部分。

“這些被吸收的部分不會(huì)被釋放到太空，而是被輻射回地面。本質(zhì)上，灰塵就像一層毯子，在夜間將地面隔開(kāi)?！?/p>

這類(lèi)似于溫室氣體二氧化碳的行為，這也是菲利普斯研究的動(dòng)機(jī)之一。

菲利普斯說(shuō)：“在這些干旱多塵的地方，我們?nèi)绾螌⒒覊m的影響與溫室氣體變暖區(qū)分開(kāi)來(lái)？我們發(fā)現(xiàn)，你可以使用天氣模型量化灰塵造成的夜間變暖程度，但你必須考慮煙霧和灰塵的組合?！?/p>

他說(shuō)：“那是因?yàn)闊熿F太多意味著你白天涼爽，晚上卻沒(méi)有毯子效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)一半時(shí)，白天的降溫作用會(huì)比夜間的升溫作用更大。”

為了研究非洲的這些影響，菲利普斯使用了一種單柱天氣模型的計(jì)算機(jī)建模方法，該模型只關(guān)注大氣中的能量傳遞等垂直過(guò)程。他使用了阿拉巴馬州亨茨維爾大學(xué)的矩陣高性能計(jì)算集群。

菲利普斯說(shuō)：“它不像大型國(guó)家實(shí)驗(yàn)室那樣是一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，但它很接近?？偟膩?lái)說(shuō)，我認(rèn)為我們有近5000個(gè)模擬要分析，如果沒(méi)有某種高性能計(jì)算機(jī)，這是不可能的?！?/p>

該模型是通過(guò)2006年塵埃生物量燃燒實(shí)驗(yàn)中的氣象氣球和氣溶膠測(cè)量配對(duì)開(kāi)發(fā)的，該實(shí)驗(yàn)使用飛機(jī)測(cè)量非洲上空塵埃煙霧的垂直結(jié)構(gòu)，以及來(lái)自美國(guó)能源部和美國(guó)宇航局在尼日爾的兩個(gè)研究點(diǎn)的氣象氣球數(shù)據(jù)。

菲利普斯說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)廣泛的改變表面溫度的過(guò)程。第一個(gè)是我們已經(jīng)討論過(guò)的輻射過(guò)程，即氣溶膠阻擋陽(yáng)光，但捕捉地球的熱輻射?！?/p>

第二個(gè)問(wèn)題與氣溶膠如何穩(wěn)定大氣有關(guān)。表面附近的空氣被稱(chēng)為行星邊界層。當(dāng)表面的熱量產(chǎn)生湍流漩渦混合大氣時(shí)，它會(huì)增長(zhǎng)，但添加灰塵和煙霧會(huì)使邊界層變淺。通過(guò)在較小的層中捕捉熱量，表面溫度會(huì)升高

菲利普斯發(fā)現(xiàn)，這種影響與灰塵和煙霧形成的陰影相競(jìng)爭(zhēng)，并使白天溫度對(duì)灰塵的反應(yīng)復(fù)雜化。然而，在夜間，輻射和邊界層效應(yīng)共同導(dǎo)致變暖。

菲利普斯說(shuō)：“無(wú)論你在美國(guó)還是在撒哈拉以南非洲，這兩個(gè)過(guò)程都是一樣的?！?/p>

菲利普斯說(shuō)，盡管要注意到大氣是一個(gè)非常復(fù)雜且不斷演變的系統(tǒng)，但美國(guó)西部的持續(xù)干旱造成了許多正反饋循環(huán)，使其永久化，例如植被減少，既減少了從地面到空氣的水汽運(yùn)動(dòng)，也增加了大氣粉塵負(fù)荷。這兩種影響都可以減少下雨的機(jī)會(huì)。

他說(shuō)：“我當(dāng)然預(yù)計(jì)，持續(xù)的干旱將導(dǎo)致美國(guó)沙漠的擴(kuò)大，甚至可能將半干旱地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊档貐^(qū)。”

另一方面，西部農(nóng)業(yè)往往灌溉良好，菲利普斯說(shuō)，研究表明，實(shí)踐有助于增加降雨量。

他說(shuō)，大型氣候模式也會(huì)有所幫助。像厄爾尼諾和拉尼娜這樣的周期極大地改變了美國(guó)的降雨量，它們可以壓倒灰塵和煙霧等當(dāng)?shù)匾蛩亍?/p>

菲利普斯說(shuō)：“不用說(shuō)，大自然是極其復(fù)雜的，灰塵和煙霧只是其中的一部分。”

他說(shuō)：“這就是為什么繼續(xù)推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步和進(jìn)行更全面的研究，將每一部分放在一起，是如此重要。我很自豪地說(shuō)，我們的論文是朝著這個(gè)方向邁出的一步，將氣溶膠如何影響輻射傳輸和邊界層增長(zhǎng)聯(lián)系在一起?！?/p>

原文參看：https://phys.org/news/2022-06-effect-western-drought-similar-african.html

編譯：Daisy

審核：Sara

編輯：Pierre