IASI揭示的尘埃带地区白天和夜间尘埃气溶胶的变化趋势

《Science of The Total Environment》：Trends in daytime and nighttime dust aerosols over the Dust Belt revealed by IASI

基于MetOp-A卫星IASI数据，研究2007-2021年北非撒哈拉、中东及亚洲地区尘气溶胶光学深度（DOD）和尘层高度（DLA）的日变化趋势及其驱动因素。结果显示：撒哈拉夜间DOD显著增加（+0.06/10年），日-夜差值呈负趋势（?0.04/10年）；阿拉伯半岛和印度半岛日、夜DOD及差值均呈显著下降趋势；DLA在撒哈拉和阿拉伯半岛夏季显著下降。驱动因素包括地表温度、边界层高度、降水和植被覆盖等，其中植被覆盖对印度半岛DOD下降贡献最大。随机森林模型显示气象和地表变量对趋势解释力达85%-98%。

　　### 研究背景与意义

地球大气层中存在多种气溶胶，其中矿物尘埃是最常见的气溶胶类型之一。矿物尘埃的全球排放量估计在每年1000至5000十亿吨（Tg）之间，其对气候系统的影响不容忽视。这些尘埃颗粒通过与辐射和云层的相互作用，影响着天气和区域气候的变化。此外，尘埃颗粒在冰川或积雪表面沉积时，会增加地表的热吸收，从而加速积雪融化并减少行星反照率，进而影响水循环。在陆地和海洋上空，矿物尘埃可能通过提供磷和铁等营养物质，促进陆地和海洋生态系统的初级生产力，提高二氧化碳的固存能力。严重的尘埃风暴还可能降低下游地区的能见度，影响空气质量。

尽管矿物尘埃具有显著的时空变化性，但对其长期变化和昼夜差异的研究仍较为有限。许多研究集中于可见光波段的气溶胶光学厚度（AOD）的昼夜趋势，然而这些研究未能全面捕捉尘埃的昼夜变化特性。由于大多数MODIS AOD或DOD产品在可见光波段获取，因此尘埃在夜间的变化往往被忽视。虽然CALIOP具备白天和夜晚的尘埃观测能力，但由于白天的信噪比较低，导致白天趋势的检测存在不确定性。此外，CALIOP的狭窄覆盖范围也限制了其在不同时间观测之间的直接比较。而最近的热红外DOD产品仅限于全球海洋区域，难以用于陆地尘埃的全面分析。

为了弥补这些研究的不足，本文利用来自MetOp-A卫星的LMD IASI产品，研究了尘埃光学深度（DOD）和尘埃层高度（DLA）在昼夜过顶时间的长期变化及其昼夜差异。IASI是一种热红外傅里叶变换光谱仪，其高光谱分辨率（0.5 cm?1）和高空间分辨率（12 km）使其成为研究全球尘埃变化的理想工具。IASI每天两次过顶，分别在9:30 a.m.和9:30 p.m.的地方太阳赤道穿越时间（ECT），这正好与撒哈拉沙漠中两种主要尘埃发射机制的时间吻合：清晨夜间低层急流的分解和傍晚至夜晚形成的尘埃风暴（haboob）。因此，IASI数据特别适用于研究撒哈拉沙漠及整个尘埃带的昼夜尘埃负载变化。

### 研究方法与数据

本文的研究区域为从北非经中东到亚洲的尘埃带，涵盖了撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、印度半岛及东亚的塔克拉玛干沙漠等主要尘埃源区。为了分析这些区域的尘埃变化，我们采用了来自LMD IASI的DOD和DLA数据，并结合ERA5再分析数据和多种卫星产品，以探讨其对尘埃变化的影响。所有数据均可在公开数据平台上获取，并在表格中进行了详细说明。

对于DOD和DLA的变化趋势，我们采用了Mann-Kendall趋势检验和Theil-Sen斜率方法，这些方法能够有效处理数据的非正态分布和缺失值问题。此外，我们还使用了随机森林（Random Forest, RF）回归模型，以识别驱动尘埃变化的关键气象和地表变量。RF模型是一种监督学习技术，能够处理复杂和非线性关系，并自动计算变量的重要性。为了减少模型构建和数据分割过程中的不确定性，我们进行了100次随机分割训练集和测试集，并采用网格搜索（Grid Search）和随机搜索（Random Search）方法优化模型参数。最终，我们通过评估模型的均方误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、百分比准确度（A）和相关系数（r）来衡量模型的性能。

### 研究结果

从2007年9月至2021年8月，我们分析了撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛和印度半岛的DOD和DLA变化趋势。研究发现，DOD在撒哈拉沙漠夏季（JJA）夜间呈现显著的正趋势，而在春季（MAM）和夏季夜间，印度半岛和阿拉伯半岛的DOD均呈现显著的负趋势。这些趋势主要由降水、植被覆盖、边界层高度（PBLH）和对流可用位能（CAPE）等变量驱动。

在DLA方面，撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛在夏季均显示出显著的负趋势，而这些趋势在白天和夜间都有所体现。尽管夜间DLA的下降幅度大于白天，但在大多数区域，DLA的昼夜差异并不显著。值得注意的是，撒哈拉沙漠夏季夜间DLA的下降趋势显著，而阿拉伯半岛夏季白天DLA的下降趋势更为明显。这表明，不同区域的DLA变化可能受到不同的气象和地表条件的影响。

此外，我们还发现，DOD和DLA的变化趋势在不同季节之间存在显著差异。春季和夏季是DOD和DLA变化最显著的季节，其中夏季的贡献最大。在撒哈拉沙漠，夜间DOD的正趋势和白天DOD的负趋势共同作用，导致DLA的昼夜差异呈现正趋势。而在阿拉伯半岛，白天和夜间DOD的下降趋势均显著，且昼夜差异趋势也显著下降。这表明，阿拉伯半岛的尘埃变化可能受到降水和植被覆盖的共同影响。

### 影响因素分析

通过RF模型的重要性分析，我们发现影响DOD和DLA变化的关键因素包括地表温度、边界层高度、降水、植被覆盖（NDVI）和相对湿度等。在撒哈拉沙漠夏季，夜间地表温度的上升和降水的增加可能促进了尘埃的上升和悬浮，从而导致夜间DOD的正趋势。而白天PBLH的下降和NDVI的增加则可能抑制了尘埃的上升和悬浮，导致白天DOD的负趋势。这种昼夜差异可能反映了边界层高度对尘埃发射和传输的调控作用。

在阿拉伯半岛，NDVI和PBLH的变化对DOD的下降趋势有重要影响。NDVI的增加可能表明植被覆盖的增强，这有助于减少尘埃的排放。同时，PBLH的下降可能意味着边界层高度的降低，从而限制了尘埃的垂直传输。在印度半岛，NDVI和PBLH的变化同样对DOD的下降趋势有显著影响，表明植被覆盖和边界层高度是控制尘埃变化的重要因素。

### 讨论与不确定性

尽管本文的研究结果提供了关于尘埃变化的重要信息，但仍存在一些不确定性。首先，IASI仪器的观测误差和数据缺失可能影响趋势的检测。其次，空间遥感仪器在观测云层以下的气溶胶时存在挑战，这可能影响尘埃趋势的准确性。此外，RF模型的参数选择和特征变量的组合也可能引入不确定性，因此我们采用了多种方法来优化模型性能，包括网格搜索和随机搜索，并进行了多次数据分割以评估模型的鲁棒性。

尽管存在这些不确定性，但本文的研究结果对于理解尘埃对气候系统的影响具有重要意义。例如，撒哈拉沙漠夏季夜间DOD的正趋势和DLA的负趋势可能表明尘埃引起的长波辐射增温增强了撒哈拉热低压（SHL），从而可能加强了向南的风场。而在阿拉伯半岛，DOD和DLA的下降趋势可能减少了到达地表的太阳辐射，同时增强了夜间长波辐射的吸收，从而对区域气候产生影响。印度半岛的尘埃下降趋势可能影响到夏季季风的强度，进而影响降水模式和地表能量平衡。

### 结论

本文通过分析LMD IASI数据，揭示了撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛和印度半岛在昼夜过顶时间的DOD和DLA的长期变化趋势及其昼夜差异。研究发现，撒哈拉沙漠夏季夜间DOD的正趋势主要由地表温度的上升和降水的增加驱动，而白天DOD的下降趋势则与PBLH的降低和NDVI的增加有关。阿拉伯半岛在春季和夏季均显示出显著的DOD下降趋势，这些趋势主要受到降水和植被覆盖的调控。印度半岛春季DOD的下降趋势则与NDVI的增加密切相关。

此外，DLA的变化趋势在撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛夏季均显示出显著的下降，这表明边界层高度和降水的增加可能抑制了尘埃的垂直传输。通过RF模型的重要性分析，我们发现多个气象和地表变量对尘埃变化有显著影响，其中地表温度、边界层高度、降水和植被覆盖是最主要的因素。这些结果有助于更全面地理解尘埃的时空变化及其对气候系统的影响，特别是昼夜变化。本文的研究结果可以为未来的尘埃趋势分析和气候反馈研究提供重要的参考依据。