灰尘和烟雾对美国西部干旱的影响

中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会、绿会）作为联合国防治荒漠化公约的观察员机构，持续关注全球防治荒漠化和抗干旱方面的动态。近日，中国绿发会国际部从世界知名期刊获悉一文《灰尘和烟雾对美国西部干旱的影响“可能类似于”非洲此方面的研究，作者说（Effect of dust and smoke on Western drought 'likely similar' to African study, author says）》。绿会国际部现将该文整理编译如下，供感兴趣的读者参考。

（Credit: National Park Service。从梅萨维德国家公园的灰尘监测网络摄像头观看西南方向。）

阿拉巴马州亨茨维尔大学（University of Alabama in Huntsville，UAH）的一名学生表示，他对撒哈拉以南非洲地区灰尘和烟雾对地表大气温度的综合影响的研究可能适用于美国西部的情况，目前该地区正处于1200多年来最严重的干旱期。

灰尘是自然产生的，但大多数烟雾来自人类活动或潜在的人为因素，如森林火灾。

阿拉巴马大学大气科学博士生克里斯托弗·菲利普斯（Christopher Phillips）说，在美国西部，灰尘和荒漠化可能形成一个正反馈回路，导致干燥，因为白天和夜间温度之间的变化较小。

在《地球物理研究杂志：大气》上发表的一项研究中，菲利普斯发现，撒哈拉沙漠面积不断扩大，非洲的地表大气温度会发生这种变化。

大气科学副教授乌代桑卡尔·奈尔博士菲利普斯说：“不过，烟雾有点不同。烟雾使白天凉爽，而不会使夜间变暖。这消除了部分反馈。我们发现，在非洲，灰尘在烟雾中占主导地位，因此我认为这不会改变地表变暖的总体情况。”

烟雾中的小黑碳颗粒非常善于阻挡阳光，科学家称之为短波辐射。因为这些小粒子的大小不到十分之二微米，所以它们与科学家所说的地球长波辐射（即地球对太阳能的再辐射）的相互作用不大。

菲利普斯说：“因此，当烟雾浓密时，它会使白天的温度大大降低，因为它会阻挡阳光，但它不会改变夜间的能量预算，因为烟雾气溶胶不会与地球的长波辐射相互作用。”

虽然菲利普斯的研究重点是地表变暖，但他也对研究结果的含义发表了评论。

他说：“从概念上讲，灰尘和烟雾都能稳定白天的大气，使云层形成的可能性降低。没有云层，你就不会下雨。此外，其他研究表明，非洲的降雨是以与大西洋温度相关的季节性周期发生的。当灰尘和烟雾飘过海洋时，它们会冷却海水，这可能会降低撒哈拉以南非洲地区形成季节性降雨的可能性。”

菲利普斯说，当灰尘在夜间变暖时，植物上形成的露水量会减少，给植物带来更大的压力。

他说：“如果植物死亡，那么更多的灰尘会被排放到大气中，稳定大气，让夜晚更加温暖。这是反馈回路的核心。”

灰尘的颗粒比烟大得多。它们的大小可能有几微米，灰尘确实像烟雾一样阻挡阳光，但它也吸收了地球热辐射的一小部分。

“这些被吸收的部分不会被释放到太空，而是被辐射回地面。本质上，灰尘就像一层毯子，在夜间将地面隔开。”

这类似于温室气体二氧化碳的行为，这也是菲利普斯研究的动机之一。

菲利普斯说：“在这些干旱多尘的地方，我们如何将灰尘的影响与温室气体变暖区分开来？我们发现，你可以使用天气模型量化灰尘造成的夜间变暖程度，但你必须考虑烟雾和灰尘的组合。”

他说：“那是因为烟雾太多意味着你白天凉爽，晚上却没有毯子效应。我们发现，当烟雾浓度超过一半时，白天的降温作用会比夜间的升温作用更大。”

为了研究非洲的这些影响，菲利普斯使用了一种单柱天气模型的计算机建模方法，该模型只关注大气中的能量传递等垂直过程。他使用了阿拉巴马州亨茨维尔大学的矩阵高性能计算集群。

菲利普斯说：“它不像大型国家实验室那样是一台超级计算机，但它很接近。总的来说，我认为我们有近5000个模拟要分析，如果没有某种高性能计算机，这是不可能的。”

该模型是通过2006年尘埃生物量燃烧实验中的气象气球和气溶胶测量配对开发的，该实验使用飞机测量非洲上空尘埃烟雾的垂直结构，以及来自美国能源部和美国宇航局在尼日尔的两个研究点的气象气球数据。

菲利普斯说：“我们发现了两个广泛的改变表面温度的过程。第一个是我们已经讨论过的辐射过程，即气溶胶阻挡阳光，但捕捉地球的热辐射。”

第二个问题与气溶胶如何稳定大气有关。表面附近的空气被称为行星边界层。当表面的热量产生湍流漩涡混合大气时，它会增长，但添加灰尘和烟雾会使边界层变浅。通过在较小的层中捕捉热量，表面温度会升高

菲利普斯发现，这种影响与灰尘和烟雾形成的阴影相竞争，并使白天温度对灰尘的反应复杂化。然而，在夜间，辐射和边界层效应共同导致变暖。

菲利普斯说：“无论你在美国还是在撒哈拉以南非洲，这两个过程都是一样的。”

菲利普斯说，尽管要注意到大气是一个非常复杂且不断演变的系统，但美国西部的持续干旱造成了许多正反馈循环，使其永久化，例如植被减少，既减少了从地面到空气的水汽运动，也增加了大气粉尘负荷。这两种影响都可以减少下雨的机会。

他说：“我当然预计，持续的干旱将导致美国沙漠的扩大，甚至可能将半干旱地区转变为干旱地区。”

另一方面，西部农业往往灌溉良好，菲利普斯说，研究表明，实践有助于增加降雨量。

他说，大型气候模式也会有所帮助。像厄尔尼诺和拉尼娜这样的周期极大地改变了美国的降雨量，它们可以压倒灰尘和烟雾等当地因素。

菲利普斯说：“不用说，大自然是极其复杂的，灰尘和烟雾只是其中的一部分。”

他说：“这就是为什么继续推动科学进步和进行更全面的研究，将每一部分放在一起，是如此重要。我很自豪地说，我们的论文是朝着这个方向迈出的一步，将气溶胶如何影响辐射传输和边界层增长联系在一起。”

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

编译：Daisy

审核：Sara

编辑：Pierre