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。     

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（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。     

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.     

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。      

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。     

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。     

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。     

中国地区黑碳气溶胶直接辐射效应的数值模拟研究

利用意大利国际理论物理研究中心（ICTP）提供的2000年各月气溶胶资料（包括人类活动和生物质燃烧所产生的气溶胶）,使用并行版本区域气候模式RegCM3,研究了黑碳气溶胶对中国区域气候的影响。结果表明,引入黑碳气溶胶后,冬、夏季中国大部分地区大气顶出现了正辐射强迫,其分布与垂直负荷分布基本相似。在仅考虑黑碳气溶胶的直接辐射效应时,中国大部分地区冬、夏季地面气温呈下降趋势,降温的高值区均位于中国东南部,冬季最大降温幅度约为0．9℃,夏季最大降幅约为2．4℃,夏季降温幅度明显大于冬季。相对于温度变化,黑碳气溶胶引起的降水变化较为复杂,无论是冬季还是夏季,降水量减小的区域均大于增加区。冬季降水量最大减幅约为20mm,夏季降水量最大减幅超过100mm,夏季降水量减幅明显大于冬季。冬、夏季仅西北和华南部分地区降水量有所增加。冬季中国大部分地区痕量降水和弱降水日数呈增加趋势;夏季黄河以北中国北方地区痕量降水和弱降水日数也是以增加为主。     

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。     

夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对中国云特性的影响

利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）模式研究2006年8月1日—9月1日中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶对云特性的影响。模式验证利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明该模式能较好地抓住气象要素（温度、降水、相对湿度和风速）的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比发现,尽管模式模拟还存在偏差,但还是能较好模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度（AOD）、云光学厚度（COD）、云量（CLDF）、云顶云滴有效半径（CER）和云水路径（LWP）。通过两个敏感性试验（分别增加二氧化硫和黑碳排放量至控制试验排放的3倍）与控制试验的对比发现硫酸盐比黑碳更易成为云凝结核,在中国东部云顶云滴数浓度和其它云特性参数对二氧化硫排放增加的响应均从北向南呈递增,这与地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少,但是对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐,主要原因是由于黑碳气溶胶直接辐射效应（对太阳光的吸收）导致的云的“燃烧”作用。      

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。     

用区域气候模式模拟人为硫酸盐气溶胶在气候变化中的作用

使用新版RegCM2区域气候模式，单向嵌套澳大利亚CSIROR21L9全球海-气耦合模式，在C02加倍情况下引人人为硫酸盐气溶胶直接气候效应，进行了其对中国气候变化影响的试验。结果表明，硫酸盐气溶胶的直接气候效应，对地面气温为降温作用，其中在冬半年和在南方更明显；对降水的影响为全国各月平均降水将以减少为主，年平均降水变化的基本特点为在中国东部以减少为主，西部以增加为主。但无论温度还是降水变化的数值都很小。     

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。     

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。     

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。     

黑碳气溶胶气候效应的研究进展

 黑碳气溶胶能吸收从可见光到红外波段的太阳辐射,已经被部分研究认为是造成全球变暖的一个潜在因子。黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地-气系统的辐射平衡,又可以作为云凝结核或冰核改变云的微物理特性,间接影响区域或全球气候。对黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应的研究现状进行总结和分析后,指出了目前黑碳气溶胶气候效应研究中存在的不确定性,并对未来的相关研究提出了一些建议。