中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响（I）：硫酸盐气溶胶的影响

利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式离线耦合一个气溶胶同化系统,模拟研究了中国区域硫酸盐气溶胶的直接气候效应对东亚夏季风及其降水的影响。结果显示：中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均的直接辐射强迫为-0.25 W/m²,中国内陆约25°N以北普遍降温,而海表温度升高。由此导致海陆温差缩小,东亚夏季风强度减弱,中国地区季风降水明显减少,而尤以积云降水减少起主要作用。硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响（I）：硫酸盐气溶胶的影响

 利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式离线耦合一个气溶胶同化系统,模拟研究了中国区域硫酸盐气溶胶的直接气候效应对东亚夏季风及其降水的影响。结果显示：中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均的直接辐射强迫为-0.25 W/m²,中国内陆约25°N以北普遍降温,而海表温度升高。由此导致海陆温差缩小,东亚夏季风强度减弱,中国地区季风降水明显减少,而尤以积云降水减少起主要作用。硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响(Ⅱ)：黑碳气溶胶及其与硫酸盐气溶胶的综合影响

利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式耦合一个气溶胶同化系统,研究了中国区域黑碳气溶胶的直接气候效应。结果显示,中国区域黑碳气溶胶引起全球平均辐射强迫为0.13 W/m2,导致除了青藏高原和广西以外的中国大部分地区降温,其中东北、四川和内蒙古中北部降温最显著。由此造成海陆温差缩小,气压差降低,从而总体上使东亚夏季风减弱。但与硫酸盐气溶胶的影响相比,黑碳气溶胶使季风减弱的程度较小,长江中下游地区的降水有所增加。黑碳气溶胶加强了中国东南部地区的对流活动,这与硫酸盐气溶胶的作用相反。同时,探讨了中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶的综合直接气候效应。结果表明,硫酸盐和黑碳气溶胶的综合作用与仅有硫酸盐气溶胶的情形十分相似,降水变化的区域也和硫酸盐的保持一致。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响(Ⅱ)：黑碳气溶胶及其与硫酸盐气溶胶的综合影响

 利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式耦合一个气溶胶同化系统,研究了中国区域黑碳气溶胶的直接气候效应。结果显示,中国区域黑碳气溶胶引起全球平均辐射强迫为0.13 W/m2,导致除了青藏高原和广西以外的中国大部分地区降温,其中东北、四川和内蒙古中北部降温最显著。由此造成海陆温差缩小,气压差降低,从而总体上使东亚夏季风减弱。但与硫酸盐气溶胶的影响相比,黑碳气溶胶使季风减弱的程度较小,长江中下游地区的降水有所增加。黑碳气溶胶加强了中国东南部地区的对流活动,这与硫酸盐气溶胶的作用相反。同时,探讨了中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶的综合直接气候效应。结果表明,硫酸盐和黑碳气溶胶的综合作用与仅有硫酸盐气溶胶的情形十分相似,降水变化的区域也和硫酸盐的保持一致。     

气溶胶对东亚夏季风指数和爆发的影响及其机理分析

利用高分辨率区域气候模式RegCM4.3,通过引入沙尘、海盐、硫酸盐、黑碳和有机碳等5种气溶胶,对1995—2010年的东亚夏季风进行数值模拟,研究了自然和人为气溶胶对东亚夏季风的可能影响。结果表明:区域气候模式对东亚夏季风和气溶胶的时空分布都有较好的模拟效果,自然和人为气溶胶造成东亚夏季风指数减小约5%,且除我国东南部地区外,气溶胶使整个季风区的季风爆发时间推迟了1候左右。在我国东南部及近海地区,气溶胶通过吸收太阳辐射对中层大气起到加热作用,气柱受热会出现膨胀,从而造成了低层大气的位势高度下降并激发出气旋式环流距平,气旋式环流距平西侧偏北风能削弱东亚夏季风区低层的偏南气流。气溶胶的加入引起的地表负的辐射强迫造成了空气出现下沉运动并配合低层偏北风和高层偏南风距平,在25 °N以北地区形成了间接经向环流距平,从而也削弱了东亚夏季风的垂直环流。气溶胶增加了我国季风区的水汽通量散度值,从而造成了夏季降水的明显减少,其中我国华北和西南地区为2个主要的降水减少区域。      

人为气溶胶对中国东部冬季风影响的模拟研究

采用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1研究了人为气溶胶排放增加对中国东部冬季风的影响,同时通过对比中国东部地区不同人为气溶胶排放源的敏感性试验结果,探讨了人为硫酸盐、黑碳及总人为气溶胶(硫酸盐+黑碳)增加对东亚冬季风的影响。结果表明:冬季硫酸盐气溶胶排放增加的直接和第一间接效应减少了到达地表的短波辐射通量,引起了陆地地表和对流层低层降温,海平面气压升高,增加了海陆间气压梯度,使得东亚冬季风增强。其第二间接效应导致中国南部大尺度降水率减少;黑碳气溶胶排放增加导致到达地表的短波辐射通量减少和大气中短波辐射通量增加,其半直接效应部分抵消了直接效应,故地表温度变化微小且不显著。加热的对流层低层导致中国南部对流活动和对流降水率增加;总人为气溶胶排放增加导致的大气温度变化表现为弱的降温作用,引起中国北部对流和大尺度降水率减少,而南部对流降水率增加。总人为气溶胶和黑碳气溶胶排放增加是导致中国北(南)部的东亚冬季风增强(减弱)的重要因素。     

亚洲地区人为气溶胶对东亚冬季风影响的研究

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM4.0,研究亚洲地区硫酸盐、黑碳和有机碳3种人为气溶胶的直接气候效应对东亚冬季风的影响;并运用相关分析与合成分析方法,研究了东亚人为气溶胶主要分布区中人为气溶胶浓度变化对东亚冬季风的影响。结果表明:人为气溶胶对东亚热带和副热带冬季风均起增强作用;人为气溶胶使得中国南方东部地区的冬季降水减少。2000—2007年,秋、冬季东亚人为气溶胶主要分布区中,人为气溶胶总体呈现减少的趋势,分别导致了东亚冬季风建立的推迟和东亚冬季风的减弱。相关分析和合成分析也表明:在东亚人为气溶胶主要分布区中的人为气溶胶柱浓度含量增加,东亚冬季风的建立提前并且东亚冬季风加强,反之亦然。人为气溶胶引起陆地地表降温,而对海洋温度几乎没有影响,使低层海陆温差加大,从而导致低层海陆气压差加大,东亚冬季风的增强可能与此有关。     

硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风进程的影响

本文利用全球气候—大气化学模式CAM5 并结合NCEP/NCAR（National Centers for EnvironmentalPrediction/National Center for Atmospheric Research）1950～2009 年再分析资料,讨论硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风爆发、发展和结束进程的影响。模拟结果表明:硫酸盐气溶胶通过直接辐射效应引起东亚大陆大部分地区近地面降温,进而降低了中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力对比,延迟春初、提早夏末海陆纬向热力差异逆转时间,由此引发东亚副热带季风爆发时间延后了4 候左右,结束时间提前了3 候左右;减小的海陆热力差异导致东亚大陆偏南风减弱、东亚季风减弱以及季风降水的区域调整。我们通过NCEP/NCAR 再分析资料分析亦发现,1980 年以后中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异逆转时间比1980 年以前在春初延迟、夏末提前,导致了副热带季风爆发时间比1980 年之前延后,结束时间提前,东亚大陆偏南风减弱,副热带夏季风系统性减弱,硫酸盐直接辐射效应可能是造成这一结果的原因之一。以往的观测和模拟都表明,由于人为活动的增加,导致1980 年后东亚大陆硫酸盐气溶胶负荷较之前大幅增加,而东亚夏季风减弱,本文的研究进一步确认了两者间关系。     

区域海气耦合模式RIEMS2.0-POM2K模拟的黑碳气溶胶对东亚春夏气候的影响

黑碳气溶胶的辐射强迫及其对东亚的气候效应仍有较大不确定性,同时在黑碳气溶胶气候效应的研究中对海洋的关注较少。为了量化分析黑碳气溶胶直接辐射效应和分析其通过海气相互作用对东亚夏季风的影响,用区域海气耦合模式进行黑碳气溶胶离线模拟的敏感试验。试验结果表明:东亚晴空大气顶和地面的净辐射强迫在春季分别为1. 58 W·m~(-2)和~(-2). 75 W·m~(-2),在夏季分别为1. 68 W·m~(-2)和~(-2). 62 W·m~(-2)。受黑碳气溶胶辐射效应影响,大气变暖,大气热力稳定度增加,云量减少。春季黑碳气溶胶的"热泵效应"引起华南降水增加和夏季风提前爆发。夏季孟加拉湾海表降温,南支槽加深,引起华南降水增加;另外中纬度附近经向温度梯度增大,进而增强冷空气势力和水汽辐散,引起华北降水减少。华南降水正异常和华北降水负异常有利于"南涝北旱"。黑碳气溶胶辐射效应能通过海气相互作用增加热带海表温度,减小经向温度梯度和海陆热力差异,进而减弱夏季风。此外,黑碳气溶胶辐射效应也能增强局域哈德莱环流及北风,进而减弱夏季风。     

全球和亚洲人为气溶胶影响东亚气候的数值模拟研究

利用海气耦合的全球气候模式CSIRO-Mk3.6分析比较了全球和亚洲人为气溶胶对东亚各季节气候的不同影响。结果表明,全球和亚洲外人为气溶胶使得东亚地区年平均地表温度分别下降0.9℃和0.55℃。亚洲区域气溶胶强迫决定了东亚近地面降温的时空分布特征,而亚洲区域外气溶胶进一步增强了我国北方夏季的近地面降温。各个季节对流层中上层的降温主要受区域外气溶胶的影响,并引起东亚高空急流强度和位置的变化,造成夏季和秋季明显的经向环流异常。同时,亚洲气溶胶影响各季节东亚低层环流场的响应,使得东亚陆地降水减少,而区域外气溶胶则主要影响冬季中高纬度和夏、秋季南海地区的低层风场。总体上,亚洲区域内、外人为气溶胶会增强我国冬、夏季风低层环流,并共同决定南海地区的降水变化。     

人为气溶胶对东亚夏季风直接气候效应的成因分析

采用耦合气溶胶模式的区域气候模式RegCM3对1988—2009年南亚和中国的人为排放气溶胶对东亚夏季风的直接气候效应影响进行数值模拟,采用合成分析、相关分析方法对其进行气候动力学诊断分析。结果显示:在气溶胶排放大值区域中,中国夏季排放最多,而南亚则是春季、冬季排放较多。总体而言,中国气溶胶柱的浓度含量高于南亚。中国境内气溶胶分布主要呈西南-东北走向,其中四川盆地附近为一高值中心。由于气溶胶负的短波辐射作用,改变了海陆气压梯度,从而对东亚夏季风的强度、分布产生一定影响,削弱了东亚夏季风在江淮以北地区的发展。同时讨论了东亚夏季风对于中国境内气溶胶大值区柱浓度含量、分布的反馈作用。      

CAM3.0模式中黑碳及硫酸盐气溶胶浓度变化对东亚春季气候的影响研究

本文采用CAM3.0模式研究东亚地区各种气溶胶浓度增加后对于东亚春季各气候要素,尤其是对降水和春季风场的影响。在模式中通过分别对区域(20～50°N,100～150°E)内黑碳气溶胶浓度单独加倍、硫酸盐气溶胶浓度单独加倍、两种气溶胶浓度同时加倍的实验方法,探讨不同气溶胶浓度变化在东亚春季气候变化中的具体作用。结果表明:在春季,3种气溶胶浓度增加方式都使得东亚地区表现出降水中南部减少北部增加,低层大气西南风异常以及地面温度南部增加北部减少。通过对110～120°E的断面分析发现,硫酸盐与黑碳气溶胶在春季首先影响约800 hPa以上大气的温度并通过不同的动力机制影响东亚地区的风场,风场的改变进而导致了云量和降水在东亚北方地区增多而中南部地区减少,并最终使得地面温度表现出东亚中南部地区增温而北方地区相对降温的特征。     

CAM3.0模式中东亚气溶胶浓度变化的直接效应及全球海面温度年代际变化对东亚夏季降水的影响研究

利用CAM3.0气候模式模拟研究东亚地区气溶胶浓度增长以及1976/1977年前后发生的海温年代际变化对东亚夏季降水场的影响及其机制。采用四组试验:即对东亚区域(100~150 °E,20~50 °N)分别进行的单独加倍黑碳气溶胶浓度、单独加倍硫酸盐气溶胶浓度、同时加倍这两种气溶胶浓度的三组关于气溶胶直接气候效应的试验及全球海温在1976/1977前后发生变化的海温年代际变化试验,来比较、探讨海温年代际变化和东亚地区气溶胶浓度增加对东亚夏季降水的影响机制。结果表明,无论是海温年代际变化还是各种气溶胶的浓度加倍,都能导致我国出现长江以北地区降水减少-东南沿海地区降水增加的“南涝北旱”的降水异常分布型。但两者在洋面上空降水的迥异表现及东亚低层风场的不同变化,显示其具有不同的异常降水机制。比较三类气溶胶浓度增加的试验结果发现:在单独硫酸盐气溶胶浓度增加试验中,东亚中部出现最显著的中下层大气降温、异常下沉气流以及降水减少;而在黑碳气溶胶试验中,出现在东亚中部的异常下沉气流强度减弱且位置偏南;在同时增加两类气溶胶浓度时,降水异常分布与单独黑碳气溶胶浓度增加所导致的降水异常相近,但强度减小。      

东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫及其气候效应的数值模拟

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM3,模拟研究3种主要人为排放气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳)对东亚区域气候的影响.计算分析近20 a来3种气溶胶的时空分布、综合辐射强迫作用及其对地面气温和降水的影响.模拟结果表明:3种气溶胶冬夏季分布有所不同,冬季气溶胶大值区主要分布在南方地区,而夏季大值区北移;气溶胶短波辐射强迫在大气层顶和地面均为负值;气溶胶的加入对东亚地区地表气温有明显影响,冬季降温中心位于四川盆地,夏季降温大值区位于华北地区.气溶胶直接气候效应使得冬季东亚大部分地区降水减少,夏季东亚地区降水与中国南方地区夏季气溶胶浓度有较好的相关关系,中国东部雨带有南移趋势.     

亚洲地区气溶胶及其对中国区域气候影响的数值模拟

使用一个耦合入化学过程的区域气候模式 (RegCM3), 在NCAR/NCEP再分析资料驱动下, 通过多年时间尺度的连续积分, 进行了亚洲区域气溶胶硫酸盐、 黑碳和有机碳的时空分布及其直接气候效应的数值模拟。首先对模式的模拟能力进行了检验, 结果表明, 模式能够较好地模拟中国地区气温和降水的分布, 对该区域气溶胶的时空分布有一定的模拟能力。模式模拟得到的气溶胶浓度分布在冬季南北差异较大而夏季较小。气溶胶浓度与其形成的大气层顶和地面负短波辐射强迫有较好的对应关系。四川盆地是气溶胶浓度及其产生的辐射强迫的高值区。气溶胶对地面气温和降水都产生影响。其中所引起的冬季气温降低, 与气溶胶的分布和浓度有一定的对应关系, 但夏季引起的降温中心位于河套及黄河下游地区。气溶胶使得冬季和夏季中国东部大部分地区的降水减少。同时, 对气温和降水上述变化的原因进行了讨论。     

CAM30模式中黑碳及硫酸盐气溶胶浓度变化 对东亚春季气候的影响研究

本文采用CAM30 模式研究东亚地区各种气溶胶浓度增加后对于东亚春季各气候要素,尤其是对降水和春季风场的影响。在模式中通过分别对区域（20～50 °N,100～150 °E）内黑碳气溶胶浓度单独加倍、硫酸盐气溶胶浓度单独加倍、两种气溶胶浓度同时加倍的实验方法,探讨不同气溶胶浓度变化在东亚春季气候变化中的具体作用。结果表明：在春季,3种气溶胶浓度增加方式都使得东亚地区表现出降水中南部减少北部增加,低层大气西南风异常以及地面温度南部增加北部减少。通过对110～120 °E的断面分析发现,硫酸盐与黑碳气溶胶在春季首先影响约800 hPa以上大气的温度并通过不同的动力机制影响东亚地区的风场,风场的改变进而导致了云量和降水在东亚北方地区增多而中南部地区减少,并最终使得地面温度表现出东亚中南部地区增温而北方地区相对降温的特征。     

气溶胶影响亚洲夏季风机理的数值研究

利用NCEP/NCAR （National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）2001-2010年再分析资料,检验了全球气候系统模式CESM中大气模块CAM （Community Atmosphere Model）对亚洲夏季风和大气热源的模拟能力。结果显示,模式可以再现亚洲夏季风和大气热源的主要特征。通过敏感试验探讨人为气溶胶影响亚洲夏季风的机理,分析、讨论了气溶胶引起的非均匀加热的变化对辐散风和无辐散风强度的影响,在机理上解释了亚洲夏季风减弱的原因。结果表明,人为气溶胶浓度的升高使东亚夏季风强度在中国东南地区、中南半岛北部和印度半岛北部减弱。而中国东南部季风的减弱促使中国内陆降水减少,沿海降水增多。进一步分析人为气溶胶浓度升高的作用发现,其改变了大气热源的分布,造成阿拉伯海、孟加拉湾和中国南海大气热源增强,中国东部地区和中南半岛大气热源减弱,其中气溶胶通过影响凝结潜热来改变大气热源,主要是对对流过程的影响。此外,大气热源分布的变化改变了季风区的热力结构,使中国东南地区、中南半岛北部的加热减弱,从而减少了全位能的产生,使得全位能向辐散风的转换减小,辐散风减弱;同时,中国东南部、中南半岛北部季风由于辐散风向无辐散风转换的减弱,无辐散风减弱,最终导致了夏季风强度的减弱。而且,人为气溶胶对亚洲夏季风的影响主要通过大气热力和动力过程的响应产生作用。     

气候变化对东亚沙尘气溶胶影响的数值模拟

使用RegCM3-dust区域气候模式,单向嵌套MIROC3．2-hires全球模式输出结果,在IPCCA1B温室气体排放情景下,对中国及东亚地区进行了当代（1991年-2000年）和未来（2091年-2100年）水平分辨率为50km的气候以及沙尘气溶胶数值模拟试验。结果表明,模式对中国地区地面气温、降水和东亚沙尘气溶胶空间分布模拟较好。未来东亚沙尘气溶胶年平均起沙通量增加2％,其中12月-3月由于地表积雪量的减少而增加,4月-11月由于10m风速的减小而减少,不同强度的强起沙事件同样12月-3月增加,4月-11月减少。年平均沙尘气溶胶柱含量增加14％,其中3月-5月和8月略减少,其它月份增加。沙尘气溶胶引起地面（SRF）负辐射强迫和沙尘源区大气顶（TOA）正辐射强迫、下游地区TOA负辐射强迫,受沙尘气溶胶辐射强迫的影响,地面起沙通量和柱含量减少。     

东亚夏季风环流对气溶胶分布的影响

用2001—2012年逐月的MODIS-TERRA卫星观测气溶胶光学厚度(AOD)资料和NCEP/NCAR风场资料,分析了5—8月东亚地区AOD的时-空分布特征,研究东亚夏季风环流对气溶胶时-空分布的影响。主要结论如下:5—8月的中国东部及邻近海洋上AOD有着显著的季节演变特征,尤其是32.5 °N附近的AOD高值区,其强度和范围在5—8月逐渐增强然后又减弱。东亚夏季风通过环流输送作用对各地的AOD产生了不同程度的影响,使中国南部AOD减少,而华北和东北地区AOD增加。在强、弱季风年背景下,7月观测的AOD差异与环流输送作用差异的分布特征有着一定的相似性,体现出东亚夏季风年际变化对气溶胶分布的影响。在东亚夏季风演变的不同阶段,季风环流对气溶胶输送大部分情况下,可解释局地气溶胶变化10%~20%的方差。     

硫酸盐气溶胶间接效应对中国东部冬季气候的影响

气溶胶间接效应通过对云的作用来影响气候,其过程复杂且不确定性较大。本研究利用美国国家大气研究中心（NCAR）的公共大气模式CAM5.1,通过改变模式中硫酸盐气溶胶转化为云凝结核数浓度的数量,设计了硫酸盐气溶胶间接效应的敏感性试验,通过与控制试验对比来研究其间接效应对中国东部地区冬季云、降水和季风强度的影响。结果表明：在东亚地区云凝结核形成过程中,硫酸盐气溶胶占绝对的主导地位。硫酸盐气溶胶间接效应导致中国东部地区冬季云凝结核和云滴数浓度显著增加,海洋和陆地低层的云滴有效半径减小和总云液水路径的增加,导致了云反照率的增加。引起的负辐射强迫使地表和大气降温,海平面气压升高,增加的海陆气压梯度导致中国南方地区东亚冬季风增强,总降水率减少。硫酸盐气溶胶间接效应可能不是东亚冬季风在20世纪80年代中期年际变率减弱的原因。