沙尘是自然排放源中最重要的吸收性气溶胶，占全球总气溶胶载荷的一半以上。边界层内高浓度的沙尘颗粒对社会经济产生负面影响，导致能见度下降和生态退化，并增加健康风险，成为污染管控的重要议题。塔克拉玛干沙漠位于新疆的塔里木盆地中心，位列中国沙漠之首，成为东亚最大的沙尘源区之一。塔里木盆地源区的沙尘气溶胶具有多种垂直分布和高吸收效率的特征，对区域气候和社会活动产生广泛影响，其中边界层结构对沙尘辐射效应的响应仍然存在争议，特别是夜间边界层的湍流变化特征尚不清晰。此外，当前研究大多忽略平流过程对气溶胶辐射效应影响边界层演变的调制作用，使得现有物理机制应用于实际大气污染过程时存在偏差。近期，中心陆面过程与东亚气候团队陈海山教授（通讯作者）指导博士生张潇艳与大气物理研究所徐希燕研究员、俄克拉荷马大学Xiao-Ming Hu博士和Lan Gao博士合作，探讨了塔里木盆地区域沙尘气溶胶影响日间和夜间边界层发展的空间异质性，首次揭示了平流过程的调控机理，并在Atmospheric Research上发表相关研究成果，研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体项目（42021004）资助。
研究基于典型沙尘事件设计数值平行实验，发现沙尘气溶胶引起的短波辐射变化在日间占主导地位，而显著的长波辐射调整发生在夜间。日夜反相的地表和大气能量的重新分配，导致地表热通量的交替变化，最终抑制了日间边界层发展，而夜间边界层高度增加。研究提出边界层高度的显著变化区域与沙尘载荷和辐射通量扰动的高值区并不重合，进而表明这种空间异质性特征与平流过程的调制作用有关。考虑平流加热率后，日间边界层内的冷却效应减弱了湍涡上升运动，而自由大气中的增温效应削弱了下沉运动，两者通过平流过程降低夹卷通量，最终放大了高层气溶胶的边界层抑制效应（图1a-1b）。夜间沙尘使得近地层大气增温且趋于不稳定，低层风速也随之增加。温度和风速的协同作用增强了暖平流加热，最终放大了低层气溶胶对夜间边界层发展的促进过程（图1c-1d）。研究结论突出了夹卷参数的准确描述在观测和模拟实验中的重要性。此外，尽管多源监测网络已经积累了较多的观测数据，其中涉及平流活动分布和强度的资料仍然匮乏。因此，迫切需要收集沙尘分布和边界层结构的高时空分辨率数据，构建气溶胶辐射效应与边界层过程的双向反馈机制，为攻关严重污染条件下空气质量预报和综合防控决策提供科学支撑。
图1. 夹卷和平流对沙尘影响边界层结构的放大效应示意图：（a）日间清洁大气（无沙尘气溶胶污染）；（b）日间沙尘气溶胶分布在不同高度，且考虑沙尘辐射效应；（c）夜间清洁大气；（d）夜间沙尘气溶胶分布在不同高度，且考虑沙尘辐射效应。
论文信息：
Zhang, X., Xu, X., Chen*, H., Hu, X. M., & Gao, L. (2022). Dust-planetary boundary layer interactions amplified by entrainment and advections. Atmospheric Research, 278, 106359. DOI: 10.1016/j.atmosres.2022.106359.