栾兆鹏，赵天良*，韩永翔，杨兴华，LIU Feng，何　清，刘　冲

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶—云—降水重点开放实验室，江苏　南京210044；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆　乌鲁木齐830002；3.伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校，美国　伊利诺伊　香槟　61820）



干旱半干旱地区尘卷风研究进展

栾兆鹏1，赵天良1*，韩永翔1，杨兴华2，LIU Feng3，何清2，刘冲1

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶—云—降水重点开放实验室，江苏南京210044；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；3.伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校，美国伊利诺伊香槟61820）

摘要：尘卷风是一种发生在对流边界层的垂直涡旋，多发生在干旱半干旱地区，其旋转过程中强上升气流携带大量沙尘粒子，成为沙尘气溶胶排放的一个重要起沙过程。然而，相对于沙尘暴研究，目前对尘卷风及大气边界层的起沙过程的认知相当有限。从尘卷风发生的时空变化、边界层特征、形成原因和输沙量4个方面对尘卷风当前研究状况进行总结，并指出当前尘卷风研究重点及未来研究方向。

关键词：尘卷风；沙尘粒子；边界层特征；输沙量；研究进展

栾兆鹏，赵天良，韩永翔，等.干旱半干旱地区尘卷风研究进展[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：1-8.

大气中悬浮的沙尘气溶胶是全球气溶胶中最重要的组成部分，约占全球自然气溶胶总量的三分之一（IPCC，2013），自然界沙尘全球年排放量约1000～ 4000 Tg[1-2]。大气中的沙尘气溶胶能够削弱到达地面的太阳辐射，使地面接收的太阳能减少，并且作为云凝结核、冰核对云和降水产生影响，从而对区域以及全球气候变化产生极其重要的影响[3]。地面沙尘在卷起过程中，会对区域及全球环境产生影响，而大气中的沙尘气溶胶随大气环流传输，则将地球系统有机结合起来，成为研究全球环境效应的重要纽带[4]，同时沙尘气溶胶能够改变大气化学过程，进而影响反应性气体及温室气体的浓度和分布，甚至有研究认为，沙尘气溶胶能够和大气中温室气体相互作用，从而减弱由温室气体造成的全球温度升高现象，成为全球气候变化的关键环节[5]。因此，沙尘气溶胶研究成为地球科学尤其环境变化领域的一个热点问题。

沙尘气溶胶的来源包括背景沙尘气溶胶和沙尘暴扬起的气溶胶。其中背景沙尘气溶胶指太阳辐射的热力作用、阵风以及人类活动等排放至空气中的沙尘气溶胶，沙尘暴由于能够携带巨量沙尘气溶胶而一度被认为是空气中沙尘气溶胶的主要来源，但目前全球沙尘暴模拟中，普遍存在模拟的沙尘通量远小于观测值的现象[6]。然而，目前沙尘气溶胶模式基本上仅仅考虑沙尘暴的沙尘气溶胶起沙过程。与沙源区起沙的沙尘暴等天气现象相比，发生频率最高的是尘卷风。因此，尘卷风的观测研究有助于完善沙尘气溶胶模式，更完整地模拟大气气溶胶极其环境气候效应，同时尘卷风将沙漠地区大量沙尘粒子传入高空，与沙尘暴和低风（<7 m/s）传沙提供了一种互补机制。

尘卷风（图1）是一种发生在对流边界层的垂直涡旋，多呈柱状或倒锥状，其形成的主要原因为太阳照射造成地表受热不均匀，在浮力作用下形成热力对流，在一定的角动量条件下，形成一种旋转上升的对流涡[7]，因其旋转过程中能够携带大量沙尘粒子至高空而可见。国外对于火星包括地球尘卷风研究较多[8-9]，火星在轨卫星以及着陆探测器发现火星上尘卷风发生频率极高[10-11]，对于火星尘卷风研究当前多利用星载相机、遥感设备等获得高分辨率尘卷风图像、地表图以及气象数据并加以分析[8，12，13]，而火星尘卷风结构以及输沙量等方面的研究也促进了地球尘卷风研究[14-15]。国内对于尘卷风研究起步较晚，甚至还没有对尘卷风进行系统观测[16-17]，因此有必要对目前尘卷风研究进展进行总结，为将来尘卷风研究提供基础。

1　尘卷风发生时空变化特征

1.1空间分布特征

尘卷风多发生在干旱半干旱地区[18]，其形成条件包括以下几个方面：大气中干对流涡旋的形成主要受热对流浮力和摩擦耗散的影响[19]，研究表明，当w*/u*>5.0时，更容易形成尘卷风，也就是说高对流边界层尺度同时地表较平滑的条件下更容易形成尘卷风[20]；同时日照造成的大气超绝热减温率也是尘卷风形成的必要条件[20]，在超绝热减温率大气条件下地表更容易形成热对流泡，在浮力作用下热对流泡上升，其底部中心位置形成小的涡旋[16]，当地表有沙尘粒子时，小的涡旋将周围沙尘粒子卷起，并逐渐增大，形成肉眼可见的尘卷风，因此地表充足的沙尘源也是尘卷风形成的必要条件之一。目前对尘卷风进行观测研究的区域包括美国西南部、非洲、澳大利亚、南美、中东、中国、加拿大亚北极[21-22]，其中绝大部分研究区域都是沙漠区或荒漠地带，Jemmett-Smith etal.[2]利用气象数据判别全球尘卷风分布，指出全球尘卷风最活跃的地区为红海海岸的阿拉伯半岛和南美阿塔卡马沙漠，结合当前尘卷风研究的主要区域以及全球沙尘源区分布[20]，可以粗略地得出尘卷风发生频率较高的地区主要位于美国西南部沙漠区、阿拉伯半岛沙漠区、中国西北部沙漠—荒漠区、南美西海岸沙漠区以及澳大利亚沙漠区。

1.2时间分布特征

尘卷风的发生具有突发性、移动性以及移动路径的不确定性等特性，目前很难准确预测尘卷风何时发生。对于不同强度尘卷风，其尺度大小也不尽相同，高度从几米至千米以上均被观测到过[23-24]，不同尺度尘卷风的生命周期也不相同，多数尘卷风的生命周期是在30 min以内，但也有观测发现尘卷风能够持续数小时[21]。

通过对塔克拉玛干沙漠肖塘地区尘卷风观测发现，该地区尘卷风多发生在12:00—18:00（BT），其中高发时段为14:00—15:00（BT），主要原因在于该时间段内该地区太阳照射强烈，地表温度急剧升高，从而创造出形成尘卷风的初始条件[18，20，23]。一般情况下，尘卷风多在夏季出现，当尘卷风出现时，发生时间段约8 h[10，23，25]。表1为当前文献中尘卷风出现时间总结[20，23，25-28]，从中可以发现，尘卷风出现的时间多在11:00—17:00，其中高发时间段约为14:00—15:00，且多在5—8月出现，当冷空气经过较暖地表时，也会在春冬季偶尔出现尘卷风[21]。

表1　尘卷风出现时间地点总结

图1　塔克拉玛干沙漠地区发生的尘卷风

2　大气边界层特征

尘卷风突发性、移动性以及移动路径的不确定性特征造成其观测极其困难。对尘卷风气象特征的观测始于20世纪40年代，Ives[18]将观测仪器安装在吉普车上追逐尘卷风，来测量尘卷风的水平和垂直风速、温度、气压等，Sinclair[23，24，29]也用了相同的方法对尘卷风内部气象特征进行测量，为后来的尘卷风数值模拟研究提供了参数，而后尘卷风观测多采用固定点观测[30-32]，这种方法虽然观测数据准确率高，但观测效率低。随着大气探测科技的进步，近年来出现新的尘卷风观测方法，比如运用飞行器探测[33]、多普勒雷达[33]、气压记录器[34-35]等。

尘卷风是一种中心温度高、气压低的垂直涡旋[29]，对于尘卷风涡旋中心与周围环境之间温差，同一高度不同尘卷风具有不同的范围大小，Sinclair[29]对不同大小尘卷风测量得到2 m高处尘卷风内外温差为4～8℃，Trattetal.[36]测得的2 m高处温差则为1～3℃，但当前多数观测到的尘卷风2 m高处中心与周围环境温差在4～8℃范围内[24，29，30]，对于不同温差的产生主要受不同地表绝热减温率以及地形等因素影响[19，37，38]，同时还可能与尘卷风的强度有关[23-24]，但由于观测资料有限，目前还无法得到尘卷风内部温度具体分布特征，也没有证明尘卷风强度与温差有直接联系的依据。当前观测到的尘卷风中有气旋式旋转也有反气旋式旋转[30，39，40]，但其中心气压均低于周围环境气压，尘卷风中心与环境气压差是判别尘卷风强度的重要依据[34-35]，21世纪前观测得到的尘卷风中心与环境气压差多在2～5 hPa范围内[24，29，32]，但近年来观测结果却与之前相差较大，大多<2 hPa，如Trattetal.[36]测得气压差为0.3～1 hPa，Lorenz[35]测得的气压差为0.3～1.5 hPa，这可能与观测仪器的精度有关，也有可能是近期观测的尘卷风强度较小。

对于尘卷风的风速测量目前也较少，多数研究侧重于尘卷风整体移动速度，Sinclair[24，29]，Ives[18]，Balme[21]及Metzger[10]等观测数据表明一般情况下，典型尘卷风的水平风速为3～20 m/s，垂直风速为3～15 m/s[21]，其移动速度的大小取决于尘卷风的大小[41]，Flower[40]观测结果表明2～50 m高尘卷风移动速度最快，达到10 m/s，同时尘卷风的移动速度和方向还与环境风有关[40，42]，通常尘卷风沿着环境风方向移动，Balme etal.[15]通过观测10 m高处尘卷风及环境风速得出在该高度处尘卷风的移动速度要比环境风快10% ～20%，即尘卷风20 m高左右移动风速可以代表边界层风速。而尘卷风内部具体风速变化特征目前还没有详细的观测数据。

图2　利用大涡模拟对尘卷风成熟阶段结构特征模拟图

鉴于尘卷风形成的边界层条件以及内部气象特征观测的困难性，尘卷风模拟得以迅速发展，其数值模拟研究多采用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）对其研究分析（图2），最早利用大涡模拟对尘卷风形成以及内部气象特征进行系统研究的是Kanak[43]，然而其基于对流边界层尺度对尘卷风进行大涡模拟的尺度较大，并不能模拟出尘卷风形成过程以及内部结构特征，之后，Kanak[44]、Gu[16，17，45]、Ohno[46]等均不断减小水平网格间距对尘卷风内部气象特征进行了模拟分析，其中Gu etal.[45]提出的三维、高分辨率、尘卷风尺度的大涡模拟不仅模拟出尘卷风的形成过程，还首次模拟出尘卷风内部温度、气压、风速等气象特征分布。当前多数尘卷风模拟初始条件参照Sinclair[23-24]观测数据，模拟结果显示其切向速度多在5～10m/s范围内，内外温差约为2～7 K，在观测值范围内，但压降模拟值与Sinclair的观测值相比普遍较小，约为2～3.6 hPa[47]。通过观测难以测量的特征比如内部风速分布情况，利用数值模拟能够很好的呈现出来[17，46]，并且在模拟尘卷风速度的过程中还发现其分布符合兰金涡特征，即尘卷风实际上是一种类兰金涡[16，44]。

3　尘卷风成因

尘卷风的形成机制探究一直是尘卷风研究的重点，当前普遍接受的尘卷风形成机制为：地表被太阳照射加热，近地面空气产生超绝热减温率，使得近地表空气在浮力作用下向上移动[48]，造成一种不稳定状态，形成热对流，从而形成对流混合层[21，31，48]，当有垂直涡旋来源存在时，在热对流底部中心形成垂直涡旋，在水平方向气流增强以及上升气流的拉伸作用下，垂直涡旋逐渐增强[16，49]，最终形成尘卷风。总体而言，尘卷风的形成需要垂直涡旋来源和强上升气流，Ryan[38]和Oke etal.[37]均指出强上升气流主要来源于日照影响导致的地表超绝热减温率[41]，Ansmann etal.[50]则通过观测得出当地表至2 m高处减温率在8.5～10 K/m之间时，最有利于尘卷风的形成，而尘卷风形成前，1 m与2 m间空气温度差须超过0.9～1℃这一阈值。而垂直涡旋来源的研究结果当前并不统一，先前的研究认为垂直涡旋的形成主要是由于地形的原因，即垂直涡旋形成主要是由环境水平风切变造成，而水平风切变则与不同地形条件下的障碍物有关[51-52]，但这一说法并没有证据直接证明，直到Maxworthy[53]通过公式推导得出尘卷风垂直涡旋来源于水平涡旋的倾斜以及地表垂直风切变，水平涡旋来源于对流泡循环，Hessetal.[31]进一步指出对流下沉气流及其切变是尘卷风垂直风速的重要来源，Kanak etal.[43-44]则利用大涡模拟指出水平对流涡旋的倾斜是尘卷风形成的重要因素。Carroll and Ryan[39]、Kanak[44]等还提出不同大小对流泡之间的融合也是尘卷风垂直涡旋形成的可能原因之一[16，44]。

尽管以上尘卷风形成机制中部分因素在后来的观测及数值模拟中得以证实[43-44]，但尘卷风的形成是否受地表风切变以及背景风影响仍然是一个争论点，Ansmann etal.[50]认为当背景风水平风速在2～7 m/s时，最有利于尘卷风的形成，Hessand Spillane[31]认为决定尘卷风是否形成的不是背景风，而是对流下沉气流以及下沉转向气流相互作用形成的风波动，即使在没有背景风的条件下也能够形成尘卷风，在部分尘卷风数值模拟研究中也得出在高风切变和没有风切变的条件下更容易产生尘卷风，即风切变和背景风并非制约尘卷风形成的主要因素[54-55]，Toigoetal.[55]通过对火星上尘卷风数值模拟研究发现尘卷风在没有风切变和高风切变的条件下更容易形成。Kanak etal.[43-44]，Fiedlerand Kanak[56]，Toigoet al.[55]，Gheynaniand Taylor[14]等大部分尘卷风数值模拟也多设定背景风为零，但近期Ohno etal.[46]，Ito et al.[48]通过数值模拟研究却发现弱风或中等强度背景风条件下更有利于尘卷风的形成。垂直涡旋形成后，其强度的维持和增强机制也是目前尘卷风探究的主要问题之一，Ohnoetal.[46]通过模拟发现尘卷风主要依靠与周边相同旋转方向小型涡旋的合并以及对流泡边界水平涡流的倾斜、垂直涡流的拉伸作用来增强其强度，但尘卷风形成初期周边形成相同转向的涡旋的概率并不高，因此该机制可能并非维持和增强尘卷风强度的主要机制，需要进一步研究。而对于尘卷风消失过程的机理，目前的观测研究、试验研究以及数值模拟中均未展开研究。虽然当前通过观测、数值模拟等方法对尘卷风的形成机制以及影响因子都有一定的探究，但目前尘卷风具体形成过程以及强化过程仍然不清楚。

4　尘卷风输沙量研究

前面已经提到，尘卷风是一种发生在对流边界层，中心气压低的特殊垂直涡旋，在旋转过程中上升气流能够卷起地表沙尘物质，尘卷风的沙尘通量受到各种因素的影响，Neakrase etal.[57-58]通过试验表明，尘卷风沙尘通量取决于涡旋强度，涡旋强度则主要取决于涡旋中心与环境之间气压差，中心气压差提供了一个额外的升力，使得尘卷风更有效的将地表沙尘粒子传输至高空[59-60]。Gu etal.[17]利用数值模拟发现尘卷风中心部位存在着微弱的下沉气流，构建了尘卷风眼，阻碍了沙尘粒子的扩散，从而进一步提高了尘卷风的输沙效率，同时在旋转过程中大的粒子受离心力作用大，更容易被抛向两侧，而小的粒子则容易被传输至高空[16]。Neakrase etal.[57]通过试验指出尘卷风起沙量的大小还与地表粗糙度有关，地表粗糙度的小幅增加不仅能够增大涡旋尺度，同时能降低将细小粒子传输至高空的速度阈值，从而卷起更多沙尘粒子[57]。典型尘卷风（平均直径3～150 m，沙尘柱高300～600 m，沙尘粒子直径<25 μm）沙尘负载量一般不会超过100～120 mg/（m2·s），0.5 m高度沙尘负载量约为0.9 mg/（m2·s），4.5 m沙尘负载量约为7.5 mg/（m2·s）[61]，整体沙尘负载量约为28 mg/（m2·s），当背景风速较大时，其沙尘负载量甚至会超过1000 mg/（m2·s）[62]。Rennoetal.[62]利用雷达观测表明尘卷风引起的沙尘浓度约为环境浓度的103倍，利用这一数据计算得到尘卷风造成的大气中总悬浮颗粒物含量约为100 mg/m3，而一个直径在15 m左右，旋转风速约为2 m/s尘卷风能够向大气中输送1 kg左右的细沙尘粒子（直径<10 μm），大的尘卷风甚至能够输送20 kg左右细沙尘粒子。Metzger[63]指出在1000 m2的范围内，整个夏季（6、7、8月）尘卷风能够卷起约9 t沙尘粒子，Koch and Renno[64]则通过公式推算得到尘卷风和沙尘羽每年能够向高空输送大约215×107t沙尘粒子，约占全球沙尘输送量的34%±19%，从这个数据上看，尘卷风在全球沙尘排放中起着极其重要的作用，Jemmett-Smith etal.[2]在Koch and Renno的研究基础上利用最新高分辨率气象数据分析认为尘卷风和沙尘羽每年能够向高空输送大约729×105t沙尘粒子，约占全球沙尘输送量的3.4%，表明尘卷风和沙尘羽在全球沙尘排放中起着极小的作用，而这一结果与Koch and Renno的研究结果相差两个数量级，尽管当前利用公式推算等方法大体得出尘卷风输沙量，但由于全球尘卷风发生频率、尘卷风发生高频区沙源面积、尘卷风内部粒子分布特征、沙尘通量等因素的不确定性，不同学者得出的输沙贡献量相差较大，当前还没有较为准确的数据，因此尘卷风在全球沙尘排放中起到的作用仍需进一步研究。

5　问题与展望

从尘卷风的研究现状来看，无论是外场观测、边界层理论分析还是数值模拟，近年来都取得了一定的进步，但对其认识仍然具有局限性，存在大量的问题需要深入的研究：首先，当前对尘卷风研究的主要问题在于尘卷风观测困难，由于尘卷风具有突发性、移动性以及移动路径的不确定性特征，固定传感设备很难捕捉到尘卷风，造成其内部特征包括温度、气压、风速、粒子分布等观测数据严重缺乏，同时尘卷风形成的大气边界层特征包括地表减温率、地表粗糙度、大气边界层尺度、背景风大小等也缺乏观测，这也对尘卷风发生的预测带来困难。

其次，在大气边界层数值模拟方面，对尘卷风进行模拟的大涡模拟模式多是基于对流边界层尺度条件下，利用特定的水平网格尺度在不同的风速、地表热通量等边界层条件下模拟尘卷风的形成以及维持和发展过程。早期模拟结果中，其模拟的尘卷风尺度远大于观测值，且不能准确反映尘卷风内部结构以及特征，虽然当前模拟精度越来越高，但相比于实际观测得到的尘卷风尺度仍然较大，且存在切向风速、中心气压差模拟值较大现象。同时模拟过程中初始边界层条件设置多未考虑地表粗糙度和背景风大小等因素，有可能是造成模拟值较大的原因。

在目前天气及气候模式中，沙尘气溶胶起沙方案仅能反映大尺度天气系统下地面强风驱动的沙尘暴过程并没有考虑大气边界层内次网格尺度的尘卷风等起沙机制过程，而观测事实表明次网格尺度的热对流及尘卷风等边界层过程具有和沙尘暴相当的气溶胶贡献。因此，为了完整地研究沙尘气溶胶及其环境气候效应，基于包括尘卷风等大气边界层起沙过程的外场观测和大气边界层数值模拟，在天气及气候模式中发展并引入大气边界层起沙过程的参数化方案，是尘卷风研究一个重要方面。考虑到干旱和半干旱地区多发尘卷风和其沙尘气溶胶主要影响的区域性，这一方面研究对干旱气候变化的研究尤为重要。

因此，应加强尘卷风及其沙漠地区大气边界层的外场观测，相比于固定传感设备，带有测量仪器的移动设备更适合尘卷风的观测，同时利用卫星、遥感等数据，来发展新的数据获取方法；侧重尘卷风发生边界层条件的观测，以便更准确地通过气象数据来获得尘卷风发生时空分布规律及发生频率；尘卷风的大涡模拟过程中初始边界层条件考虑加入地表粗糙度以及背景风因子；导出对流边界层内决定热对流和尘卷风形成的参数与次网格尺度起沙通量之间的经验公式，在天气及气候模式中现有起沙方案基础上，建立大气边界层起沙参数化新方案，并将改进的热对流和尘卷风及阵风起沙参数化方案引入模式，完善天气气候模式中沙尘气溶胶的起沙方案，更完整的大气气溶胶的模拟将有助于评估大气沙尘气溶胶对天气及气候变化，尤其是我国西北云降水天气和干旱气候的影响。

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Advancesin StudyofDustDevilsoverArid and Semi-arid Regions

LUAN Zhaopeng1，ZHAO Tianliang1，HAN Yongxiang1，YANG Xinghua2，LIU Feng3，HE Qing2，LIU Chong1
（1.Collaborative Innovation Centeron Forecastand Evaluation ofMeteorologicalDisasters，Key Laboratoryfor Aerosol- Cloud-Precipitation ofChina MeteorologicalAdministration，Nanjing UniversityofInformation Science and Technology，Nanjing210044，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.UniversityofIllinoisatUrban -Champaign，Champaign 61820，Illinois，USA）

AbstractDustdevilsare verticalvorticesin the convective boundary layer.They typically occur overthe arid and semi-arid regions.A greatquantity ofdustparticlesislifted by strongupdraftsof dustdevils,which isan importantmechanism fordustaerosolemissions.However,compared to the sandstorm,ourunderstanding ofdustdevilsand theirdustemissions in the atmosphere are rather limited.The papermainly reviewsthe research progressofdustdevilsin the respectsoftemporalspatial variation, atmospheric boundary layer characteristics, formation mechanism and dust emission fluxes,and summarizesthemajorissuesin currentstudyofdustdevils.

Key wordsdustdevil；dustaerosol；atmosphericboundarylayer；dustemission；research progress

中图分类号：P425.2

文献标识码：A

文章编号：1002-0799（2016）02-0001-08

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.001

收稿日期：2015-08-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41175093，41375158）；南京信息工程大学科研启动基金资助项目（20110304）。

作者简介：栾兆鹏（1990-），男，硕士研究生，主要从事大气沙尘气溶胶研究。E-mail：luanzp2014@163.com

通讯作者：赵天良（1962-），男，教授，主要从事气候变化、空气质量等方面研究。E-mail：josef_zhao@126.com