利用带有源标记的WRF-Chem模型，研究了2021年3月两次强沙尘暴期间华北平原及其周边地区的沙尘来源分布情况

《Atmospheric Research》：Source apportionment of dust over the North China Plain and surrounding areas during two severe dust storms in March 2021 using a source-tagged WRF-Chem model

沙尘暴来源解析：基于WRF-Chem模型模拟2021年3月华北平原及周边沙尘暴事件，量化蒙古戈壁（分别贡献86.9%和67.0%）、中国戈壁（7.3%和25.1%）等不同地貌风蚀区的贡献差异，揭示大气环流（蒙古气旋西移）对沙尘传输路径的影响，为区域防沙治沙提供科学依据。

　　

余娇阳|吴家瑞|王若楠|江倩|卢玉轩|吴峰|铁学曦|李国辉

中国科学院地球环境研究所黄土科学国家重点实验室，中国西安 710061

摘要

对尘埃来源进行定量分配是设计和实施有效生态恢复策略的重要前提。本研究基于WRF-Chem模型开发了一种源标记方法，用于量化华北平原及其周边地区（NCPs）的尘埃来源贡献。以2021年3月15日至18日和27日至29日的两次严重沙尘暴（分别称为3.15 SDS和3.28 SDS）为例，通过该模型量化了来自沙质沙漠、普通沙漠、中国戈壁、蒙古戈壁及其他风蚀地区的尘埃贡献。结果表明，在两次事件中，蒙古戈壁都是华北平原地区尘埃质量的主要来源（分别占86.9%和67.0%）。在3.15 SDS期间，尽管中国戈壁是主要排放源（14.1 Mt., 57.8%），但由于盛行东北风的作用，其对该地区尘埃质量的贡献仅为7.3%。而在3.28 SDS期间，由于蒙古气旋向西移动，中国戈壁的尘埃贡献显著增加至25.1%，促进了尘埃向华北平原的长距离输送。两次事件之间来源贡献的差异主要归因于天气环流模式的变化。相比之下，沙漠、沙质沙漠及其他风蚀地区的贡献相对较小。这些结果为区域尘埃源的管理与预防策略以及生态恢复能力的构建提供了科学依据。

引言

尘埃是大气中按质量计算最丰富的气溶胶之一（Kinne等人，2006年；Kok，2011年），对地球系统产生了广泛影响，包括改变云的微物理和辐射特性（Arimoto，2001年；Atkinson等人，2013年；Zhang等人，2015年；Shi和Liu，2019年），调节地球的能量和水平衡（Kim等人，2006年；Balkanski等人，2007年；Du等人，2008年；Perlwitz等人，2015年；Scanza等人，2015年；Di Biagio等人，2020年），并通过沉积铁和磷等微量营养物质在全球生物地球化学循环中发挥重要作用（Zhuang等人，1992年；Shao等人，2011年；Mahowald等人，2014年；Miller等人，2014年）。此外，尘埃及其长距离传输会对人口密集的下风地区空气质量及公众健康产生不利影响（Harrison和Yin，2000年；Cao等人，2005年；Zhang等人，2005年；Meng和Lu，2007年；Jiménez-Guerrero等人，2008年）。

近年来，亚洲沙尘暴的强度和频率有所增加，其路径也向东和向南移动（Yin等人，2022年；Ma等人，2024年）。越来越多的沙尘暴影响了中国东部的人口密集地区，威胁着主要城市的空气质量（Li等人，2025年）。尽管过去十年中国城市在控制人为污染方面取得了显著进展，但春季自然矿物尘埃的周期性爆发仍会抵消部分空气质量改善的效果。因此，迫切需要定量确定尘埃来源，因为有效的缓解策略、健康风险评估和早期预警阈值都依赖于识别尘埃的来源。

华北平原及其周边地区（NCPs）位于主要尘埃源的下风方向，包括沙漠、沙质沙漠、中国戈壁、蒙古戈壁及其他风蚀地区。这些地区极易受到尘埃传输的影响，尤其是在春季，该地区的空气质量在沙尘事件期间会急剧恶化（Hui等人，2013年；Gao等人，2024年；Kang等人，2024年）。已经应用了遥感数据（Zhang等人，2003年；Huang等人，2015年；Zhang等人，2017年）、地球化学技术（Li等人，2009年；Xie和Chi，2016年；Muhs，2018年）和后向轨迹分析（Bouchlaghem等人，2021年；Liang等人，2022年；Yin等人，2022年）来研究尘埃排放和传输轨迹。先前的研究表明，蒙古南部的戈壁沙漠是华北地区严重沙尘暴（SDS）的主要尘埃来源区域（Liang等人，2022年；Sun等人，2022年；Tang等人，2022年；Wang等人，2022年），塔克拉玛干沙漠也对沙尘事件有显著影响（Sun等人，2022年；Mu等人，2023年）。然而，尘埃排放和传输是一个高度变化的过程，细颗粒物会在传输过程中从可侵蚀表面被卷起并沉积（Goudie和Middleton，2006年；Yang等人，2007年）。因此，仅依靠遥感观测或单区域采样难以定量评估不同来源的贡献。化学传输模型（CTM）为尘埃来源分配提供了重要工具。最近的研究使用CTM量化了2021年3月华北平原沙尘暴事件中各来源的贡献。然而，这些研究将尘埃来源区域简化为几个广泛的地理区域（如“中国”和“蒙古”或省级区域），难以区分不同地貌尘埃来源区域（DSRs）的具体贡献（Jin等人，2022年；Kang等人，2023年）。与传统方法相比，源标记方法确保了从排放到传输再到沉积的整个尘埃生命周期的物理一致性，能够将模拟的尘埃定量归因于特定的DSRs。

2021年3月15日至18日和27日至29日，华北地区发生了近十年来最大规模的沙尘暴（分别称为3.15 SDS和3.28 SDS），这被列为中国的十大极端天气和气候事件之一（Yin等人，2022年）。这次极端沙尘暴事件导致超过3.8×10^6平方公里（约占中国陆地面积的40%）的空气质量严重恶化，造成了严重的环境污染和公共卫生风险（Filonchyk，2022年；Filonchyk和Peterson，2022年；Hu等人，2023年）。在本研究中，我们基于WRF-Chem模型开发了一种尘埃来源归因方法，以定量评估3.15和3.28 SDS事件中不同DSRs的尘埃传输和贡献。模型模拟和方法在第2节中描述，结果和讨论在第3节中呈现，总结和结论在第4节中提供。

模型描述与配置

本研究使用了基于区域化学传输模型WRF-Chem（版本3.5）（Grell等人，2005年）开发的WRF-CHEM模型的特定版本。UoC01方案用于模拟尘埃排放、传输、湿沉降和干沉降以及重力沉降。该方案考虑了尘埃颗粒的跳跃轰击和聚集体分解等物理过程。UoC01的尘埃排放通量计算如下：

$F\left(d_i,d_s\right)=c_{}\left(\left(1?\gamma \right)+\gamma \frac{p_m\left(d^{}\right)}{}\right)$

两次严重沙尘暴的天气概况

图3显示了2021年3月15日至18日和27日至30日12:00 BJT期间Himawari-8卫星获取的假彩色RGB合成图像，洋红色阴影表示尘埃羽流；图4展示了同一时期700 hPa高度的平均位势高度、温度和风向量，以说明背景环流情况。总体而言，两次沙尘传输过程主要受蒙古气旋移动路径的控制。

在3.15 SDS期间，一个强气旋位于...

总结与结论

2021年3月，两次意外的超级沙尘暴事件创下了华北地区过去十年尘埃强度的新纪录。定量估算尘埃来源对于理解尘埃在地球系统中的作用至关重要。基于开发的WRF-Chem模型，我们根据沙漠类型对尘埃来源区域进行了分类，包括沙漠、沙质沙漠、中国戈壁、蒙古戈壁及其他风蚀地区。已进行了源标记的数值模拟。

CRediT作者贡献声明

余娇阳：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论、数据分析。吴家瑞：验证、调查。王若楠：验证、调查。江倩：调查。卢玉轩：调查。吴峰：撰写——审稿与编辑、资金获取。铁学曦：资源协调、数据管理。李国辉：撰写——审稿与编辑、资金获取。

财务支持

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFF0802502）、国家自然科学基金（资助编号：42030511）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2024JC-YBQN-0348）的财政支持。

未引用参考文献

Arimoto, 2026

Chen和Sun, 2002

Jani?, 2001

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家重点研发计划（项目编号：2022YFF0802502）和国家自然科学基金（资助编号：42030511）的财政支持。本研究还得到了陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2024JC-YBQN-0348）的财政支持。