CMIP6模拟中中东-北非地区沙尘光学深度的评估

《Atmospheric Environment》：Evaluation of Dust Optical Depth in CMIP6 Simulations over the Middle East–North Africa Region

　　

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  选定的12个模型平均低估了气溶胶光学深度的热点区域，春季和夏季的偏差达到了0.2–0.3。
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  GFDL-ESM4在再现气溶胶光学深度的季节变化方面表现得比选定的12个模型平均水平更好。
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  尘土与总气溶胶光学深度的比率表明，与MERRA-2再分析的结果相比，尘土的影响较弱。
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  风速和土壤湿度的偏差抑制了气候模型中模拟的尘埃排放。
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  非常高排放的情景预测，在2040–2050年间，研究区域的夏季尘埃危害将加剧。

引言

矿物尘土是按质量计算最主要的天然气溶胶，也是地球系统的重要组成部分，它影响着辐射、云层、生物地球化学循环和空气质量（Adebiyi等人，2023年；Jickells等人，2005年）。中东-北非（MENA）地区尤为重要，因为该地区包含了世界上一些持续存在的尘埃源，包括撒哈拉沙漠、博德莱洼地、苏丹北部、阿尔及利亚南部和利比亚以及阿拉伯半岛的沙漠（Ben-Ami等人，2025年；Evan等人，2016年；Ginoux等人，2012年；Koren等人，2006年；Todd等人，2013年；Washington & Todd，2005年）。这些干旱和极度干旱环境中的尘埃排放受到可侵蚀沉积物、近地面风、土壤湿度、植被、地表粗糙度和摩擦阈值的控制（Fécan等人，1998年；Prospero等人，2002年；Webb & Pierre，2018年）。因此，尘埃在MENA的大部分地区占据了主导地位，并对区域和下游气候产生了显著影响（Jin等人，2021年；Papachristopoulou等人，2022年；Vinoj等人，2014年）。

气候模型模拟对于研究尘埃气溶胶的变化及其在气候变化下的未来行为至关重要，而CMIP6是目前用于历史模拟和未来预测的协调框架（Eyring等人，2016年）。尽管在气溶胶建模方面取得了显著进展，但在表示MENA地区的尘埃情况时仍存在相当大的不确定性。以往的CMIP5和CMIP6评估发现了模拟尘埃和气溶胶属性中的系统误差（Wu等人，2020年）。CMIP5模型在表示尘埃光学深度及其与风速、裸土和降水量等关键因素之间的关系方面表现不佳（Pu & Ginoux，2018年），而CMIP6模型在再现区域气溶胶趋势方面仍然存在较大差异，包括亚洲地区的AOD变化（Wang等人，2021年）。

最近的CMIP6研究评估了MENA地区的历史和未来AOD情况，并预测了中东地区（包括阿曼和也门）的地表尘埃浓度和来源活动的变化（Abadi等人，2025年；Kunchala等人，2024年）。全球预测也显示了未来尘埃响应在区域和模型之间的显著差异（Zhao等人，2023年）。由于总AOD包括尘埃和非尘埃气溶胶，因此真实的AOD可能是由尘埃排放、气溶胶组成、传输和去除过程中的各种误差相互补偿的结果，同时模型在尘埃丰度和颗粒大小表示方面也存在差异（Adebiyi & Kok，2020年；Huneeus等人，2011年；Kok等人，2020年；Zhao等人，2022年）。多模型平均值可能会进一步掩盖单个模型之间的偏差（Pu & Ginoux，2018年；Toolan等人，2025年）。因此，需要对历史数据进行评估以解释未来的尘埃预测，因为风速和土壤湿度的偏差可能会影响当前的尘埃负荷及其对未来强迫的响应。因此，对尘埃的特定评估应考虑DOD、DOD/AOD比率、高DOD的发生情况以及相关的物理控制因素，同时要认识到源的可侵蚀性、颗粒大小、传输和沉积的额外作用（Li等人，2026年；Zhao等人，2022年）。因此，未来的预测应结合历史尘埃性能和模型间的差异来进行解读，而不仅仅是基于总AOD的准确性。

因此，本研究旨在评估CMIP6模型再现MENA地区历史气溶胶和矿物尘埃负荷的能力，并评估在不同SSP路径下未来尘埃光学深度的变化。为了实现这一目标，首先筛选了30个CMIP6模型在2001–2014年期间的历史AOD模拟结果，然后使用空间分布、季节性和月度气候学特性、偏差模式和统计性能指标，对一个12模型集合进行了评估。接下来，通过DOD、DOD/AOD比率、高DOD的月度发生情况以及与ERA5和GLDAS相比的近地面风和土壤湿度偏差，对个别模型进行了进一步评估。最后，评估了在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下2040–2050年的DOD预测，以及可用的带有尘埃信息的CMIP6模拟结果，以描述未来MENA地区尘埃负荷的大小、空间模式、季节响应和模型依赖性。

章节片段

研究区域概述

MENA地区从北非和撒哈拉-萨赫勒地带延伸到阿拉伯半岛，其特征是干旱至极度干旱的条件、稀疏的植被、裸露的土壤以及有利于矿物尘埃排放和传输的强季节性风（Ginoux等人，2012年；Kunchala等人，2024年；Organization，2025年）。本研究重点考察的主要尘埃源区域包括撒哈拉核心区、阿尔及利亚南部、乍得湖-博德莱地区、苏丹、美索不达米亚平原/走廊以及鲁卜阿尔哈利沙漠（

AOD气候学、季节变化和空间分布的评估

最初30个模型集合（MMM30；补充表S1）的等权重AOD平均值与2001–2014年的MODIS数据在补充图S1中进行了比较。然后使用空间模式一致性、月度气候学特征、标准化标准差和均方根误差中心值来评估保留的12个模型的性能。

图2比较了MMM12与MODIS Terra和MERRA-2在MENA地区的季节平均AOD。我们分析了3月至8月的情况，区分了两个主要

结论

本研究评估了MAM和JJA期间MENA地区的历史和近未来AOD和DOD情况。最初筛选了30个CMIP6模型，以确定其输出可用性和与观测到的季节性AOD特性的广泛一致性。保留了12个模型形成等权重的MMM12，并对其进行了定量评估。GFDL-ESM4在单个AOD性能上表现最为平衡，被选用于尘埃特定分析。MMM12再现了广泛的季节模式，但低估了主要

CRediT作者贡献声明

Mohammed Al Kalbanif： 项目管理，调查。Abhilash Sukumarapillai： 项目管理，调查。Aon Abbas： 文稿撰写——原始草稿，软件开发，调查，数据管理。Ajay Parottil： 文稿撰写——审阅与编辑，方法论，概念化。Pritam Das Mahapatra： 可视化，正式分析，数据管理。Ahmed Al-Harrasi： 文稿撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。BAIJU DAYANANDAN： 文稿撰写——审阅

未引用的参考文献

Dayanandan等人，2025年；Hamzeh等人，2021年；Jiménez y Mu?oz等人，2025年；Karami等人，2021年。

利益冲突

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性

本研究使用的CMIP6模型输出可以通过地球系统网格联盟（ESGF）数据门户获取。MODIS气溶胶产品可通过NASA一级和大气存档与分发系统（LAADS）的分布式活动档案中心获取。MERRA-2气溶胶再分析数据可通过NASA戈达德地球科学数据与信息服务中心（GES DISC）获取。ERA5再分析产品可通过哥白尼气候变化服务（C3S）获取

竞争利益

作者声明没有竞争利益。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢世界气候研究计划（WCRP）、第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6）和气候建模小组生成和提供他们的模型输出数据。我们还要感谢美国国家航空航天局（NASA）提供MODIS气溶胶产品，MERRA-2团队提供气溶胶再分析数据，以及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的

Baiju Dayanandana|Ajay Parottil|Aon Abbas|Ahmed Al-Harrasi|Pritam Das Mahapatra|Abhilash Sukumarapillai|Mohammed Saif Al Kalbani|Mansour Almazroui