《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Study of Saharan dust events in Southern Morocco using ground-based observations (2004-2022)
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本研究基于2004-2022年地面观测、卫星数据及再分析数据，分析了摩洛哥南部气溶胶光学性质的季节变化、垂直分布及主导类型，发现夏季气溶胶光学深度显著升高，冬季降低，并证实大西洋宁静指数负相位与夏季沙尘事件高度相关，揭示该地区作为撒哈拉沙尘向大西洋输送的重要通道的关键作用。
哈桑·本谢里夫（Hassan Bencherif）| 巴科塔·库图姆博加（Bakota Koutoumboga）| 阿齐扎·布恩希尔（Aziza Bounhir）| 特里斯坦·米莱（Tristan Millet）| 玛丽昂·拉纳伊沃姆博拉（Marion Ranaivombola）| 尼尔森·贝格（Nelson Bègue）| 福阿德·盖杜阿里（Fouad Guedouali）| 阿卜杜勒瓦希德·梅卢基（Abdelwahid Mellouki）
法国留尼汪大学（Université de La Réunion），LACy，UMR 8105 CNRS，法国气象局（Météo-France），留尼汪
摘要
北非是全球大气矿物尘埃的主要来源，其频繁的爆发显著影响区域空气质量及全球气候。本研究旨在描述摩洛哥南部气溶胶的季节性变化、垂直分布及主要类型，并评估大尺度环流对尘埃活动的影响。研究采用了多种仪器方法，结合了地面AERONET观测数据、CALIPSO/CALIOP激光雷达剖面信息以及马拉喀什附近萨达（Saada）站点的再分析数据。气溶胶光学厚度（AOD）和埃Angstr?m指数（AE）表现出明显的季节性变化：夏季AOD较高（0.35 ± 0.21），AE较低（0.47 ± 0.30），表明此时以粗颗粒尘埃为主；而冬季AOD较低（0.12 ± 0.10），AE较高（0.97 ± 0.38），反映了细颗粒尘埃的贡献增加。激光雷达观测结果证实沙漠尘埃全年存在，尤其在1至6公里高度范围内最为集中，夏季浓度显著增强。其他类型的气溶胶（如海洋尘埃、大陆尘埃和污染尘埃）也具有明显的季节性特征。通过对2022年6月一次重大沙尘暴的详细案例分析，以及对2004至2022年间56次沙尘事件的统计分析，发现67.9%的沙尘事件发生在夏季，且与粗颗粒（1.5–2.5微米）相关。北大气涛动（NAO）也调节了尘埃的发生频率，其中65.8%的夏季事件与NAO负相位相关。总体而言，研究表明摩洛哥南部是一个以尘埃为主的地区，其气溶胶变化受季节性和大尺度大气环流的强烈控制，该地区是撒哈拉尘埃向大西洋及下游地区输送的重要通道。
引言
气溶胶是大气中的关键组成部分，对地球气候系统有重要影响。其中，矿物尘埃因其丰度和对大气过程的广泛影响而尤为重要（IPCC，2021）。据估计，每年约有2000百万吨尘埃排放到大气中（Shao等人，2011）。通过其与辐射的直接相互作用以及对云形成和性质的间接影响，尘埃显著影响区域和全球辐射平衡，进而影响气候变率（Mahowald等人，2014；Kok等人，2017）。尽管尘埃对气候、空气质量和环境系统至关重要，但其物理性质和时空变化特征在主要尘埃源区仍不甚明确。
改进气溶胶的表征有助于我们更深入理解其直接和间接辐射效应、与云的相互作用以及对大气化学和动力学的影响。除了气候影响外，细颗粒气溶胶还构成公共卫生隐患，因为它们可进入呼吸系统和血液，引发哮喘、心血管疾病和肺癌等严重疾病（Kim等人，2015）。在所有气溶胶类型中，矿物尘埃最为丰富，占全球气溶胶质量的75%以上（Wu等人，2021）。撒哈拉沙漠是全球最大的尘埃源，面积达910万平方公里（约占非洲面积的31%），从大西洋延伸至红海，长度超过5000公里。该地区贡献了全球一半以上的尘埃排放量，年排放量估计在170至1600太克之间（Engelstaedter等人，2006；Kok等人，2021）。作为地球上最热的地区之一，撒哈拉年平均温度超过30°C（McLachlan，1985），夏季常发生强烈沙尘暴，这些风暴由强地表风和大型天气系统驱动（Gui等人，2021）。最新研究表明，撒哈拉尘埃的传输强度和范围有所增加，夏季和冬季均影响到欧洲、地中海乃至加勒比地区（Cuevas-Agulló等人，2024）。这些长距离传输事件凸显了理解尘埃生成机制、源区气溶胶特性及传输路径的重要性。然而，沙漠地区的恶劣环境和稀疏的观测网络限制了直接观测，导致尘埃生成和变化的关键方面仍不明确。
过去二十年里，遥感和再分析数据集的进步显著提升了区域和全球尺度上对矿物尘埃的监测能力。如AERONET这样的地面网络提供了高质量、长期的气溶胶光学和微物理特性观测，有助于进行稳健的气候学分析和气溶胶类型分类。这些数据对于验证卫星产品和再分析数据至关重要。卫星观测对于追踪尘埃羽流的空间分布和垂直结构不可或缺。被动传感器（如MODIS）能够全球范围内连续监测气溶胶光学厚度（AOD），而主动传感器（如CALIPSO卫星上的Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）则提供了关于气溶胶垂直分布和层状的独特见解。综合数据产品（如MIDAS）结合卫星观测和建模，生成长期尘埃气候学数据（Gkikas等人，2021）。此外，MERRA-2等再分析数据集提供了气溶胶传输和沉积的动态一致表征，便于研究尘埃与环流的相互作用（Mona等人，2023）。尽管取得了这些进展，但在干旱源区仍存在不确定性，尤其是卫星反演受高地表反射率和复杂气溶胶混合物的挑战。Monteiro等人（2022）和Mona等人（2023）指出，整合地面、卫星和再分析数据的协同方法对于减少不确定性、改善气候和空气质量研究中的尘埃过程表征至关重要。
-地中海和摩洛哥地区的重要性及本研究目标
地中海盆地是受撒哈拉尘埃影响最频繁的地区之一，这些尘埃会降低空气质量、减少能见度，常常超过世界卫生组织的空气质量标准（Bounhir等人，2008；Khomsi等人，2021；WHO，2021）。由于摩洛哥位于撒哈拉、大西洋和地中海的交界处，因此面临多种类型的气溶胶影响。其复杂的地形和多变的气象条件促进了来自东南部的沙漠气团与海洋和大陆气流的相互作用（Ward等人，1999）。多项国际实地调查和观测研究了摩洛哥的气溶胶特性，例如SAMUM和FENNEC项目，为了解撒哈拉尘埃在摩洛哥南部的排放、传输和光学特性提供了宝贵信息（Heintzenberg，2009；Chaboureau等人，2011）。近期研究利用AERONET数据探讨了全国范围的气溶胶光学、微物理和辐射特性（Steli等人，2021；Millet等人，2022；Bencherif等人，2022）。然而，许多研究为短期项目，对气溶胶变化、沙尘暴复发率和垂直结构的长期评估仍有限。因此，需要整合地面、卫星和建模方法，以更好地描述矿物尘埃及其对空气质量、气候和人类健康的影响。多源数据集表明，气溶胶的时空变化受气象条件、传输路径和源区动态的驱动，沙尘事件常伴随空气质量下降和健康风险增加（例如，Sellami等人，2025；Amiridis等人，2025；Khan等人，2023）。
在此背景下，本研究旨在通过综合地面、卫星和再分析数据，提供摩洛哥气溶胶光学特性、垂直分布和沙尘事件的全面长期分析，从而更准确地评估尘埃变化及其对区域气候和空气质量的影响。主要目标包括：（1）整合2004至2022年的地面、卫星和再分析数据，建立全面的气溶胶气候学；（2）分析气溶胶的垂直分布和主要类型；（3）识别和描述反复出现的沙尘暴事件。为此，我们结合了AERONET观测数据、MODIS和CALIOP卫星数据以及MERRA-2再分析产品。本文余下部分结构如下：第2节介绍数据集和方法论，第3节讨论NAO的影响并分析结果，第4节总结主要结论。
研究地点
本研究主要基于2004至2022年间在摩洛哥萨达站点收集的长期气溶胶测量数据。萨达站点（北纬31.63°，西经8.16°，海拔420米）位于马拉喀什以西15公里处，距高阿特拉斯山脉约50公里（见图1）。该站点靠近马拉喀什——摩洛哥重要的经济和旅游中心，2023年人口约为157.158万，游客数量接近250万（根据2024年人口普查数据）。
气溶胶光学特性的变化
为展示研究地点气溶胶光学特性的季节性变化，我们汇总并平均了2004至2022年间各季节的AERONET AOD440和AE(440-870)数据及其标准差。结果分别展示在图2的(a)和(b)部分。如预期，平均AOD值呈现明显的季节性周期，冬季最低为0.12±0.10；相比之下，夏季AOD几乎增加了两倍。
关于NAO影响的讨论
在研究区域内，沙漠尘埃通常从撒哈拉源区向西输送至大西洋。但在特定的大尺度环流模式下，这些轨迹可能向北偏转，导致尘埃侵入摩洛哥及周边地区（Cuevas等人，2024；Bencherif等人，2020）。沙漠尘埃的排放和传输受多种大气因素影响，其中北大气涛动（NAO）起关键作用。
结论
北非是全球大气尘埃的主要来源，其频繁的爆发影响远超起源地。本研究通过多仪器方法分析了摩洛哥中部的气溶胶变化，结合了地面测量、卫星观测和再分析数据。重点研究了马拉喀什附近的萨达站点，该站点属于AERONET网络，太阳光度计测量数据有助于详细分析气溶胶特性。
CRediT作者贡献声明
福阿德·盖杜阿里（Fouad Guedouali）：撰写、审稿与编辑、可视化。尼尔森·贝格（Nelson Begue）：撰写、审稿与编辑、验证。玛丽昂·拉纳伊沃姆博拉（Marion Ranaivombola）：撰写、审稿与编辑、软件开发、资源管理、方法论。特里斯坦·米莱（Tristan Millet）：撰写、审稿与编辑、软件开发、数据分析。阿卜杜勒瓦希德·梅卢基（Abdelwahid Mellouki）：撰写、审稿与编辑、验证。巴科塔·库图姆博加（Bakota Koutoumboga）：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发、方法论、数据分析、数据管理、概念化。哈桑·本谢里夫（Hassan Bencherif）：原始撰写
未引用参考文献
Ackerman和Toon，1981；?ngstr?m，1929；Asutosh等人，2022；Bègue等人，2012；Bègue等人，2015；Che等人，2022；Chiapello和Moulin，2002；Eck等人，1999；政府间气候变化专门委员会和Masson-Delmotte，2021；Khomsi等人，2020；Ki-Hyun等人，2015；Liu等人，2018；Shepherd等人，2016；Sun等人，2019；Abdelouahid等人，2016；Zender等人，2003。
利益声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
伦理声明
所有作者确认，在撰写、分析和提交本文的过程中严格遵守了所有伦理规范。本文代表作者的原创研究成果，未在其他期刊发表，也未接受其他期刊的发表邀请。所有数据来源和先前研究均已明确标注。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢AERONET首席研究员（Bernard Mougenot和Sa?d Khabba）维护萨达站点的太阳光度计，NASA提供MODIS、MERRA-2和CALIOP气溶胶数据，以及CAMS提供的气溶胶再分析产品。
