Assessment of aerosol effective radiative forcing and surface air temperature response over eastern China in CMIP5 models

气溶胶有效辐射强迫是评估气溶胶气候效应的有效指标。本文利用国际耦合模式比较计划(CMIP5)中7个模式的模拟结果,评估了模式对东亚地区气溶胶光学厚度和有效辐射强迫的模拟水平,并分析了东亚地区平均地表温度对局地人为气溶胶强迫的响应。研究结果显示,大部分模式低估了中国东部和西南部污染地区的气溶胶光学厚度,这可能与模式中气溶胶局地排放、化学过程以及模式分辨率有关;多模式平均的东亚地区气溶胶有效辐射强迫为.4.14 W m.2,气溶胶在东亚地区有明显的降温效应,1850–2005年气溶胶浓度增加使得东亚地区降温.1.05°C。     

RegCM3引入气溶胶间接气候效应模拟效果对比

利用2006年区域气候模式RegCM3和Streets气溶胶排放源清单,在原模式中引入间接气候效应模块,改进云降水方案,对硫酸盐气溶胶的时空分布、辐射强迫效应进行了模拟研究。结果表明：硫酸盐气溶胶辐射强迫有明显季节变化;直接效应使地表温度降低,冬春季大值区出现在四川盆地,夏季大值区出现在华北平原。对降水的影响,主要表现在西南—东北水汽输送带上降水减少;其间接气候效应主要表现在使南方地区温度上升、北方地区温度下降;珠江流域和黄河流域降水减少,长江流域和东北地区降水增加。总的来说,直接效应大于间接效应。     

欧亚大陆冬季地表温度南北反相变化的年代际特征及机理

对欧亚大陆冬季地表温度南北反相的时空分布特征及机理的分析结果表明,欧亚大陆冬季地表温度约以55°N为界存在南北反相变化特征。1961~2015年欧亚大陆冬季地表温度变化具有显著的年际和年代际变化特征;年代际尺度上,北半球行星波"冬三"分布型变化与欧亚大陆地表温度南北反相变化密切联系。冬季欧亚地表温度南北反相变化存在明显的季节内转变。滤除年代际信号和全球变暖趋势后,欧亚大陆冬季地表温度与秋季北极海冰面积之间存在显著相关;北极海冰面积减小是欧亚、尤其中亚地区冬季地表温度降低的主要外强迫因素之一;同期北大西洋"三极子"和欧亚大陆冬季地表温度南北反相变化在年际尺度上存在显著相关。     

空气污染-气候相互作用:IPCC AR6的结论解读

本文解读最近发布的政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）第六次气候变化评估报告（Sixth Assessment Report,AR6）关于空气污染-气候相互作用的主要新结论。在大气污染物的气候效应方面,AR6估算了大气污染物或其前体物排放变化导致的有效辐射强迫值（Effective Radiative Forcing,ERF）,对评估大气污染治理可能产生的气候效应具有启示性意义。AR6也估算出1750—2019年间人为强迫导致的全球平均地表温度（Global mean Surface Air Temperature,GSAT）变化为1.29（0.99～1.65）℃,其中,均匀混合温室气体、臭氧、气溶胶导致的温度变化分别为1.58（1.17～2.17）℃、0.23（0.11～0.39）℃、-0.50（-0.22～-0.96）℃。气溶胶历史变化的气候效应中,起决定性作用的是由SO₂排放变化通过气溶胶-云相互作用所产生的ERF （高信度）,从而部分抵消了人为排放温室气体所引起的变暖（高信度）。在气候变化影响大气污染物方面,AR6首次评估获得了地表臭氧浓度对温度的敏感性,在偏远地区为-0.2 ～-2 nL·L^-1·℃^-1、在污染区为0.2 ～2 nL·L^-1·℃^-1。在大多数陆地区域,关于气候变化是增加还是减少PM_2.5,目前模式结果结论的一致性较低。     

黑碳气溶胶对我国区域气候影响的数值模拟

利用区域气候模式RegCM3模拟研究了黑碳气溶胶对我国区域气候的影响。以2000年1、4、7、10月为代表,计算分析了黑碳气溶胶的辐射强迫作用、对大气温度和降水的影响及其季节变化特征。模拟结果显示：黑碳气溶胶在大气层顶产生正的辐射强迫,在地表产生负的辐射强迫;黑碳气溶胶的加入使中国大陆地区地面温度发生明显变化,并呈现显著的季节特征,即1月大部分地区的地面温度均有升高;7月北方增温、南方降温;4月和10月地面温度的变化不明显。模拟结果也表明,黑碳气溶胶的排放使我国长江中下游等南方地区夏季降水增加,而北方部分地区降水减少。     

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。     

中国及邻近地区污染排放对对流层臭氧变化与辐射影响的研究

利用双向耦合的区域气候模式和大气化学模式系统, 研究了中国与邻近地区人为污染排放引起对流层臭氧变化和产生的辐射强迫.结果表明, 污染排放对对流层臭氧含量的影响有明显的季节变化, 对北方的影响不如南方显著, 西部的季节变化稳定且小于东部, 内陆污染地区各季节臭氧柱含量的变化量均较高.对整个模拟区域而言, 臭氧变化量的年平均值为30.928 DU, 春季最大为32.168 DU, 而空间分布变化在12～38 DU之间.臭氧变化量对北方地区辐射的影响较小, 而对低纬和华东地区影响较大, 臭氧变化量引起的晴空地气系统短波辐射强迫、长波辐射强迫的平均值分别是0.185 W·m-2和0.464 W·m-2, 标准化短波辐射强迫与净辐射强迫值为0.006 W·m-2·DU-1和0.021 W·m-2·DU-1.气候反馈过程对对流层臭氧含量的影响范围在-0.470～0.752 DU之间, 包含气候反馈过程的区域年平均臭氧变化量是30.942 DU.在气候反馈条件下, 臭氧变化量的短波和长波辐射强迫分别是0.249 W·m-2及 0.482 W·m-2, 标准化的短波与净辐射强迫值为0.008 W·m-2·DU-1和0.024 W·m-2·DU-1.臭氧变化量导致地表温度的变化范围在±0.80 K之间.     

不同污染条件下气溶胶对短波辐射通量影响的模拟研究

将高光谱分辨率的气溶胶光学参数化方案应用于高精度的辐射传输模式BCC_RAD（974带）中,研究不同污染状况下气溶胶在地表与近地层大气中造成的直接辐射强迫与辐射强迫效率。发现气溶胶在地表产生的直接辐射强迫为负,在近地层大气中产生的直接辐射强迫为正,且随气溶胶浓度的升高变大,说明大气气溶胶的含量越高,单位气溶胶光学厚度产生的直接辐射强迫越大。将短波划分为3个波段:紫外、可见光和近红外,发现在紫外、可见光和近红外波段中,不同污染状况下气溶胶在地表造成的直接辐射强迫范围分别为:-1.36—-13.66、-3.03—-32.41和-2.74—-28.62 W/m2,在近地层大气中产生的直接辐射强迫范围分别为0.44—4.26、0.99—9.80和0.93—8.87 W/m2。通过进一步对比自然和人为气溶胶的影响,发现人为气溶胶在地表和大气层顶产生的负直接辐射强迫以及对整层和近地面大气造成的正直接辐射强迫均大于自然气溶胶的影响,且上述两种排放源的气溶胶对整层大气辐射收支的影响主要集中在800 hPa高度以下的大气中。按照地表直接辐射强迫大小来分析不同种类气溶胶的影响,结果为硫酸盐>有机碳>黑碳>海盐>沙尘;按照近地层大气直接辐射强迫大小排序则为黑碳>有机碳>沙尘>海盐>硫酸盐。最后,通过分析散射型气溶胶与吸收型气溶胶对辐射通量的影响,还探究了大气中散射与吸收过程的异同。      

过去0.8 Ma期间的地表温度数值模拟研究

使用一个改进的二维能量平衡模式模拟了过去0.8 Ma冰期-间冰期旋回期间北半球各纬度带的地表温度,并以65°N的地表温度为代表与南极冰芯记录进行了比较.通过敏感性试验,分析了日射量、温室气体、沙尘气溶胶强迫和水汽反馈的辐射-气候效应.结果显示,日射量变化不足以解释冰期-间冰期旋回期间北半球的地表温度变化,大气温室气体(...     

人为气溶胶的直接辐射效应及其对南亚冬季风的影响

运用区域气候模式RegCM4.0(Regional Climate Model Verson 4.0)耦合入一个化学过程,对硫酸盐、黑碳、有机碳这3种人为气溶胶的时空分布特征和直接辐射效应进行了数值模拟,进而研究了气溶胶对南亚冬季风的影响。结果表明:光学厚度和地表短波辐射强迫的时空变化可能主要受硫酸盐气溶胶的影响。在南亚夏季风向冬季风转换时期和南亚冬季风盛行时期,大气层顶和地表的负短波辐射强迫分布与气溶胶分布基本一致,地表辐射强迫强度绝对值比大气层顶辐射强迫强度绝对值大得多。相关分析和合成分析表明:在南亚夏季风向冬季风转换时期和南亚冬季风盛行时期,南亚人为气溶胶主要分布区中的气溶胶柱浓度含量与南亚冬季风的建立和强度有反相关关系。这与气溶胶吸收太阳辐射,从而引起气温和位势高度的变化有关。     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

多区域气候模式集合对中国径流深的模拟评估和未来变化预估

对5组区域气候模式集合模拟的中国径流深进行评估,并且预估了温室气体高排放情景RCP8.5下的未来变化。结果表明：多区域气候模式集合结果能够基本模拟出径流深的观测特征,对年径流深的空间分布特征模拟较好,但量值存在一定的系统偏差,特别是黄河中游、海河和松辽河存在明显的正偏差,且对全国9个流域片中东南、西南和西北诸河的年内分配总体模拟效果相对较差。未来到21世纪末,全国平均年径流深在各个时段都以增加为主,增加幅度多在5%以内。未来变化存在明显的空间差异,大致表现为“北增南减”的分布特征,但不会改变中国水资源南多北少的空间格局;其中,黄河、西南和西北诸河流域片呈显著的增加趋势,淮河、长江和东南诸河流域片呈现显著的减少趋势,海河、松辽和珠江流域的变化趋势不显著。21世纪末期各地的变化多在±30%以内,且多模式预估的正负变化一致性较高。到21世纪末期,各流域片平均的径流深季节分配总体特征没有明显变化,径流深的最大月份基本维持不变,分配比例的数值有±2%以内的变化,且各季节的增减变化存在明显流域间差异。     

江苏省近50a气候干湿特征研究

根据江苏省1960—2009年54个气象台站常规气象观测资料,利用Penman-Monteith公式计算了全省各地区50 a的逐日潜在蒸散量,结合逐日降水量,推算出了相对湿润度指数值,并采用国家标准《气象干旱等级》(GB/T20481-2006)中的相对湿润度分级指标对全省干湿状况进行了评估,分析其时空变化特征。研究表明:1)就全年而言,江苏省半干旱区与湿润区各占50%左右的面积,其中淮北、江淮北部、苏北沿海的北部为半干旱区,江淮南部、苏北沿海的南部、沿江、苏南地区为湿润区;2)降水量和潜在蒸散量是影响相对湿润度指数的两个关键因子,降水量的变化对相对湿润度的时空分布起着主导作用,潜在蒸散量起着辅助作用。3)江苏省1 a中冬季的南北气候干湿反差最大、夏季最小,湿润区范围夏季最大、秋季最小,半干旱区范围秋季最大、夏季没有,干旱区范围春季最大、夏季和秋季没有。夏季气候最湿润、春季气候最干燥。4)淮北和苏北沿海地区的相对湿润度指数年变化呈"单峰型",江淮、沿江和苏南地区的年变化呈"双峰型",苏北沿海地区相对湿润度年内变化最大,沿江地区最小。     

近22 a人为气溶胶对东亚地区夏季风环流影响的数值模拟研究

运用区域气候模式RegCM3耦合入一个化学过程,对东亚地区三类人为排放气溶胶（硫酸盐、黑碳和有机碳）的时空分布特征及其对夏季风环流的影响进行了数值模拟研究。模拟结果显示,气溶胶的引入会引起东亚地区夏季850 hPa风场发生改变,我国江淮以东洋面上空出现了一个气旋式距平环流中心,中心以西的偏北风气流将削弱东亚地区夏季西南季风。通过讨论春季中国地区气溶胶浓度与夏季东亚地区850 hPa经向风的时滞关系,以及夏季中国地区气溶胶浓度与同期东亚地区850 hPa经向风的关系,可以发现,春、夏季中国地区气溶胶浓度均与夏季东亚地区850 hPa经向风有很好的负相关关系,当春季中国北方和夏季中国南方地区气溶胶浓度增加时,中国东部地区夏季偏南季风减弱。这可能与气溶胶改变了大气层顶和地表的辐射强迫,进而引起了海陆气压差异和位势高度场的变化有关。     

近22a人为气溶胶对东亚地区夏季风环流影响的数值模拟研究

运用区域气候模式RegCM3耦合入一个化学过程,对东亚地区三类人为排放气溶胶（硫酸盐、黑碳和有机碳）的时空分布特征及其对夏季风环流的影响进行了数值模拟研究.模拟结果显示,气溶胶的引入会引起东亚地区夏季850 hPa风场发生改变,我国江淮以东洋面上空出现了一个气旋式距平环流中心,中心以西的偏北风气流将削弱东亚地区夏季西南季风.通过讨论春季中国地区气溶胶浓度与夏季东亚地区850 hPa经向风的时滞关系,以及夏季中国地区气溶胶浓度与同期东亚地区850 hPa经向风的关系,可以发现,春、夏季中国地区气溶胶浓度均与夏季东亚地区850hPa经向风有很好的负相关关系,当春季中国北方和夏季中国南方地区气溶胶浓度增加时,中国东部地区夏季偏南季风减弱.这可能与气溶胶改变了大气层顶和地表的辐射强迫,进而引起了海陆气压差异和位势高度场的变化有关.     

Process, Forcing, and Signal Analysis of Global Mean TemperatureVariations by Means of a Three-Box Energy Balance Model

An analytic solution of an energy balance model (EBM) is presented which can beused as a recursive filter for time series analysis. It is shown that the EBM can reproduce the solution of a coupled atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM) experiment. Contrary to the AOGCM, the EBM easily allows for variations in climate sensitivity to satisfy the full range of uncertainty concerned with this parameter. The recursive filter is applied to two natural and two anthropogenic forcing mechanisms which are expressed in terms of heating rate anomaly time series: volcanism, solar activity, greenhouse gases (GHG), and anthropogenic tropospheric aerosols. Thus, we obtain modelled global mean temperature variations as a response to the different forcings and with respect to the uncertainty in the forcing approximations and climate sensitivity. In addition, it is shown that the observed (ENSO-corrected) global mean temperature time series within the period from 1866 to 1997 can be explained by the external forcings which have been considered and an additional white noise forcing. In this way we are able to separate different signals and compare them. As a result, global anthropogenic climate change due to GHG forcing can be detected at a high level of significance without considering spatial patterns of climate change but including natural forcing, which is usually not done. Furthermore, it is shown that solar forcing alone does not lead to significantclimate change, whereas solar and volcanic forcing together lead to a significant natural climate change signal. Anthropogenic climate change due to GHG forcing may partly be masked by anthropogenic aerosol cooling.     

Greenhouse-gas versus aerosol forcing and African climate response

There are many indicators that human activity may change climate conditions all around the globe through emissions of greenhouse gases. In addition, aerosol particles are emitted from various natural and anthropogenic sources. One important source of aerosols arises from biomass burning, particularly in low latitudes where shifting cultivation and land degradation lead to enhanced aerosol burden. In this study the counteracting effects of greenhouse gases and aerosols on African climate are compared using climate model experiments with fully interactive aerosols from different sources. The consideration of aerosol emissions induces a remarkable decrease in short-wave solar irradiation near the surface, especially in winter and autumn in tropical West Africa and the Congo Basin where biomass burning is mainly prevailing. This directly leads to a modification of the surface energy budget with reduced sensible heat fluxes. As a consequence, temperature decreases, compensating the strong warming signal due to enhanced trace gas concentrations. While precipitation in tropical Africa is less sensitive to the greenhouse warming, it tends to decrease, if the effect of aerosols from biomass burning is taken into account. This is partly due to the local impact of enhanced aerosol burden and partly to modifications of the large-scale monsoon circulation in the lower troposphere, usually lagging behind the season with maximum aerosol emissions. In the model equilibrium experiments, the greenhouse gas impact on temperature stands out from internal variability at various time scales from daily to decadaland the same holds for precipitation under the additional aerosol forcing. Greenhouse gases and aerosols exhibit an opposite effect on daily temperature extremes, resulting in an compensation of the individual responses under the combined forcing. In terms of precipitation, daily extreme events tend to be reduced under aerosol forcing, particularly over the tropical Atlantic and the Congo basin. These results suggest that the simulation of the multiple aerosol effects from anthropogenic sources represents an important factor in tropical climate change, hence, requiring more attention in climate modelling attempts.     

Direct Climatic Effect of Aerosols and Interdecadal Variations over East Asia Investigated by a Regional Coupled Climate-chemistry/aerosol Model

The direct climatic effect of aerosols for the 1980-2000 period over East Asia was numerically investigated by a regional scale coupled climate-chemistry/aerosol model,which includes major anthropogenic aerosols(sulfate,black carbon,and organic carbon) and natural aerosols(soil dust and sea salt) .Anthropogenic emissions used in model simulation are from a global emission inventory prepared for the Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth Assessment Report(IPCC AR5) ,whereas natural aerosols are calculated online in the model.The simulated 20-year average direct solar radiative effect due to aerosols at the surface was estimated to be in a range of-9--33 W m-2 over most areas of China,with maxima over the Gobi desert of West China,and-12 W m-2 to-24 W m-2 over the Sichuan Basin,the middle and lower reaches of the Yellow River and the Yangtze River.Aerosols caused surface cooling in most areas of East Asia,with maxima of-0.8-C to-1.6-C over the deserts of West China,the Sichuan Basin,portions of central China,and the middle reaches of the Yangtze River. Aerosols induced a precipitation decrease over almost the entire East China,with maxima of-90 mm/year to-150 mm/year over the Sichuan Basin,the middle reaches of the Yangtze River and the lower reaches of the Yellow River.Interdecadal variation of the climate response to the aerosol direct radiative effect is evident,indicating larger decrease in surface air temperature and stronger perturbation to precipitation in the 1990s than that in the 1980s,which could be due to the interdecadal variation of anthropogenic emissions.     

Impact of the Montreal protocol and its amendments on the rate of change of global radiative forcing

Increases in chlorinated and brominated halocarbons are believed to be responsible for the depletion of stratospheric ozone observed over much of the globe in the past decade or so. Ozone depletion is in turn believed to lead to a negative radiative forcing, tending to cool the stratosphere and the surface. We show that the increasing atmospheric concentrations of ozone-depleting halocarbons and onset of related ozone depletion likely led to a negative forcing of the climate system in the 1980s that slowed significantly the rate of change of total anthropogenic radiative forcing due to the combined effect of all greenhouse gases over that decade. Within the next decade, emissions of these halocarbons are expected to rapidly decrease, with corresponding impacts on ozone and radiative forcing. As the emissions of ozone-depleting gases are reduced and eventually phased out, the rate of ozone depletion is expected to decrease and eventually reverse. All other things being equal, we show that the change from deepening ozone depletion in the 1980s to ozone increases in the future should lead to a pronounced increase in the decadal rate of change of anthropogenic greenhouse forcing of the next few decades, perhaps to levels unprecedented in this century.