黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季降水影响的模拟研究

利用NCAR的全球大气模式CAM3分析了黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布及其季节变化,重点讨论了云对黑碳气溶胶直接辐射强迫的影响,以及黑碳气溶胶对中国夏季降水的影响。结果表明：黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布范围和强度都具有明显的季节变化。有云条件下,黑碳气溶胶在大气顶产生正的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为＋0.33 W·m－2;在地表产生负的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为－0.56 W·m－2。晴空条件下,黑碳气溶胶在大气顶和地表的全球年平均辐射强迫值分别为＋0.21 和－0.71 W·m－2。云的存在对黑碳气溶胶的辐射强迫产生了很大的影响,使大气顶的正辐射强迫增加,地表的负辐射强迫减小。黑碳气溶胶导致夏季中国北方30°N～45°N之间区域降水明显增加;而中国长江以南地区除了海南和广西的部分城市外,降水明显减少。模拟结果表明,中国夏季近50年来经常发生的南涝北旱并非由黑碳气溶胶引起。     

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。     

黑碳气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

利用一个改进的辐射传输模式,结合全球气溶胶数据集（GADS）,计算晴空条件下冬夏两季黑碳气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布。计算结果表明,与温室气体引起的整层大气都是正的辐射强迫不同,黑碳气溶胶的辐射强迫在对流层顶为正值,而在地面的辐射强迫却是负值。作者从理论上解释了造成这种结果的原因。对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶黑碳气溶胶的全球辐射强迫的平均值分别为0.085W/m2和0.155 W/m2,在地面则分别为-0.37 W/m2和-0.63 W/m2。虽然气溶胶的辐射强迫主要依赖于其本身的光学性质和在大气中的浓度,太阳高度角和地表反照率对黑碳气溶胶的辐射强迫会产生很大的影响。研究指出:黑碳气溶胶在对流层顶正的辐射强迫和在地面负的辐射强迫的绝对值都随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加线性增大;地表反照率对黑碳气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响。黑碳气溶胶的辐射强迫分布具有明显的纬度变化特征,冬夏两季的大值区都位于30°N~90°N之间,表明人类活动是造成黑碳气溶胶辐射强迫的主要原因。     

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。     

华南黑碳气溶胶浓度与南海夏季风关系的年代际突变

利用重建的华南区域黑碳气溶胶(Black Carbon, BC)浓度资料,分析其与南海夏季风在年际尺度上的关系。结果表明,华南区域BC浓度与南海夏季风的关系在2000年前后有明显的突变,由显著负相关变为显著正相关,即由高BC浓度弱季风变为高BC浓度强季风。通过合成对比分析,发现1988—1999年(第一时间段)的华南BC主要气候效应是间接辐射强迫作用:华南BC使云粒子半径减小,抑制华南区域春季降水,增加了云的生命期,从而使到达地面的短波辐射减少,表面和低层大气降温。负温度异常激发了异常反气旋,在南海区域即有东风异常。到夏季,东风异常减弱了季风强度,同时抑制了南海地区的降水。2000—2010年(第二时间段)的华南BC主要气候效应是直接辐射强迫作用:春季高BC浓度通过直接气候效应,增暖大气,加强降水,但是雨日减少,从而使到达地面的短波辐射增多,表面和低层大气增温。正温度异常激发了异常气旋,在南海区域即有西风异常一直维持到夏季,增大了季风强度,同时增强了南海地区的降水。     

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。     

中国黑碳气溶胶分布特征与辐射强迫的模拟研究

利用区域气候模式RegCM3模拟2000年我国黑碳气溶胶的分布特征和辐射强迫。结果表明,黑碳气溶胶主要分布在我国黄河以南、青藏高原以东的广大区域,柱含量由南向北递减;柱含量最大值在0.6mg／m^2以上,出现在中南、四川盆地、湖南、贵州、广西、广东西部和云南南部等地区;青藏高原南侧黑碳气溶胶次高值区的存在,反映了气溶胶的跨国界输送并影响区域气候的特点。黑碳气溶胶的大气顶辐射强迫介于0.1—0.8w／m^2之间,地表辐射强迫介于-0.1— -2.0W／m^2之间,两者分布特征与柱含量分布特征基本一致。同柱含量相似,黑碳气溶胶大气顸辐射强迫和地表辐射强迫也有明显的季节性变化,春季最大,秋、冬季次之,夏季最小。     

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。     

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。      

硫酸盐和黑碳气溶胶影响南海夏季风爆发的数值模拟研究

硫酸盐气溶胶(SO₄^2-)和黑碳气溶胶(BC)可以通过散射或吸收太阳辐射改变地气系统能量收支,进而引起局地热力和云过程变化乃至大气环流的调整而影响气候系统。南海夏季风(SCSSM)作为东亚夏季风的子系统之一,与东亚大气环流和降水有着重要的相互影响。前人对SO₄^2-和BC对东亚副热带季风已有详细研究,但对SO₄^2-和BC影响南海夏季风的机制研究较少。本研究利用CESM(The Community Earth System Model)模式CAM5.1模块模拟研究了SO₄^2-和BC对南海—华南经向海陆热力差异、中南半岛对流、西太平洋副热带高压(西太副高)断裂以及南海夏季风爆发的影响,重点探讨了气溶胶影响SCSSM爆发的动力和热力机制。模拟试验结果表明,SO₄^2-和BC均有利于中南半岛对流层整层大气稳定性增强,引发了中南半岛上空的下沉气流异常,动力上抑制了中南半岛对流,分别使...     

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。     

利用MODIS-GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气溶胶直接辐射强迫

利用MODIS-GOCART同化的2001年逐月气溶胶光学厚度资料，在修改区域气候模式RegCM2辐射方案的基础上，连续积分5年获得平均的中国东部地区气溶胶短波和长波直接辐射效应，并通过数值试验研究了气溶胶垂直分布对辐射强迫及其气候响应的影响。结果表明：气溶胶的短波辐射效应能冷却地表、加热大气；长波辐射效应能加热地表、冷却大气；大气顶净辐射强迫年平均为-4．1W／m^2；辐射强迫绝对值在春季最大，夏季次之，冬季最小；模拟区域中最大辐射强迫值主要位于华北、华南地区及四川盆地；气溶胶垂直分布是影响气溶胶辐射强迫的重要因素。总体上气溶胶层越靠近地面，大气顶辐射强迫绝对值越大，地表辐射强迫绝对值越小，大气顶辐射强迫对垂直分布较敏感；气候系统的反馈作用会放大气溶胶垂直分布对辐射气候效应的影响。     

中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究

黑碳(BC)气溶胶(简称黑碳)对区域和全球气候变化具有重要影响。为了进一步认识亚洲地区黑碳的区域气候效应，本文使用新一代的区域气候—化学模式RegCM4，研究了来自印度和中国大陆的黑碳排放对东亚冬季气候的影响。结果表明：来自中国大陆和印度的黑碳排放可导致东亚地区黑碳的区域平均柱含量、大气顶和地表有效辐射强迫分别变化了+1.78 mg m^-2、+1.98 W m^-2和-2.17 W m^-2。中国大陆和印度黑碳对东亚气候的影响机制相同。印度黑碳对东亚冬季气候的影响主要通过对大气动力过程的调整来实现，由此造成的散射气溶胶浓度增加可导致该区域850 hPa附近和地表气温降低，而中国大陆的黑碳还可直接影响东亚气候，其加热效应可导致该区域大部分地区850 hPa附近的气层变暖。由于中国大陆黑碳在东亚地区占主导，其在影响东亚区域气候变化方面发挥着更重要的作用。总体而言，两地总的黑碳会造成850 hPa高度附近云量减少和气温升高；地表日照时数减少，气温、感热通量和地表蒸发量下降；边界层高度降低和散射气溶胶的柱含量上升。研究结果还进一步反...     

一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响

沙尘气溶胶对辐射有显著影响,利用耦合了Shao2004起沙参数化方案的WRF/Chem(大气/化学全耦合模式),模拟分析了沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响。结果发现沙尘气溶胶可以导致地面向下的短波辐射通量减小42.51%,平均减小-3.30~-49.46 W·m~(-2),最大可达-162.67 W·m~(-2);沙尘气溶胶可以通过自身向外发射长波辐射,导致地面向下的长波辐射通量增大,地面向下的长波辐射通量平均增加为17.49~50.49 W·m~(-2),最大可达99.17 W·m~(-2)。当PM10浓度为10~20 mg·m-3,沙尘气溶胶能够减小地面向下的长波辐射通量,即沙尘气溶胶在该地区对大气具有"保温"作用;白天沙尘气溶胶主要增加大气层顶向上的长波辐射通量,夜间则减少大气层顶向上的长波辐射通量,大气层顶向外的长波辐射通量平均变化为-25.29~28.83 W·m~(-2),最大可达87.22 W·m~(-2)。     

基于CMIP6强迫模拟分析人为气溶胶的气候效应(一)——介绍NUIST模式评估结果

为减少不同气候模式评估气溶胶气候效应的差异,第六次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)直接给定了人为气溶胶强迫数据。因此,有必要基于此强迫数据重新评估气溶胶气候效应。本研究首先将CMIP6给出的描述人为气溶胶强迫的模块引入南京信息工程大学(Nanjing University of Information Science and Technology,NUIST)的地球系统模式(The NUIST Earth System Model,NESM)。之后,利用NESM模式评估地球辐射收支平衡对此人为气溶胶强迫的响应,并分析模式模拟结果的不确定性。评估给出的人为气溶胶有效辐射强迫为-0. 45(±0. 28) W·m~(-2)。其中,气溶胶直接辐射效应为-0. 34(±0. 01) W·m~(-2),与第二次气溶胶比较计划(The second phase of Aerosol Comparisons between Observations and M odels,Aero ComⅡ)的评估结果基本一致;气溶胶对云辐射强迫的影响(包括半直接效应和间接效应)为-0. 10(±0. 30) W·m~(-2),明显受到模式内部变率的干扰,具有较大的不确定性。     

基于CMIP6强迫模拟分析人为气溶胶的气候效应(二)——诊断方法在分类评估中的重要性

对气溶胶气候效应开展分类评估并探讨诊断方法的合理性。人为气溶胶辐射效应对计算云辐射强迫的影响为0.38 W·m~(-2)。诊断评估气溶胶对云辐射强迫的影响需要排除这个偏差。两种基于不同试验设计诊断得出的半直接效应分别为0.21和0.09 W·m~(-2),存在显著差异。主要原因可能是人为气溶胶影响云辐射强迫的不同机制之间在模式模拟过程中不断地相互交织,不是简单的线性叠加关系。模式诊断得出的Twomey效应不仅包括Twomey效应本身,还包括Twomey效应引起的部分快速调整。总之,利用模式评估分析人为气溶胶气候效应需要注意审查试验设计和诊断方法的合理性。     

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.     

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。     

中国东部气溶胶在天气尺度上的辐射强迫和对地面气温的影响

本文应用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting—Chemistry)模式研究中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°～42.6°N,110.2°～120.3°E)平均PM_2.5近地面浓度(40～80 μg m-3)高于南方区域(22.3°～29.9°N,109.7°～120.2°E,30～47 μg m-3)。气溶胶对地面2 m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上08:00(北京时,下同)和下午17:00左右最为显著,最高可降低约0.2～1 K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本文还通过对2006年8月23～25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3 W m-2和-5.8 W m-2,导致地面气温分别降低了0.074 K和0.039 K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4 W m-2和-12.4 W m-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035 K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0 W m-2和-10.5 W m-2,对地面气温的影响为-0.062 K和-0.074 K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5 W m-2和5.8 W m-2,而地表气温则分别增加了0.053 K和0.017 K,相比于间接效应,黑碳气溶胶的直接效应的影响更加显著。     

硫酸盐气溶胶辐射强迫的数值模拟研究

利用IAP/LASG GOALS 4.0海气耦合模式,"显式"考虑了硫酸盐气溶胶的直接作用,并且引入德国马普气象研究所的三维浓度分布资料,模拟计算了硫酸盐气溶胶的辐射强迫.主要结果为:全球气溶胶年平均的辐射强迫为-0.29 W m-2,在IPCC TAR给定的范围内,空间分布上具有明显的地域性,几个大值地区分别为东亚、西欧和北美,它们的中心值均超过-1.5 W m-2,南美、澳大利亚以及非洲南部的辐射强迫介于-0.2～-0.4 W m-2之间,而海洋和偏远的大陆地区,则基本上不受人为硫酸盐气溶胶的影响;计算的东亚地区硫酸盐气溶胶的平均辐射强迫为-0.75 W m-2,约为全球平均的2.5倍,为北半球平均的1.6倍.文中还讨论了全球硫酸盐气溶胶对温室气体辐射强迫的减缓作用.