黃文彥,沈新勇,王勇,黃明策,4

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

3.中國科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強風(fēng)暴重點實驗室,北京 100029;4.廣西區(qū)氣象臺,廣西 南寧 530022)

黃文彥,沈新勇,王勇，等.2015.亞洲地區(qū)碳氣溶膠的時空特征及其直接氣候效應(yīng)[J].大氣科學(xué)學(xué)報,38(4):448-457.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130113001.

Huang Wen-yan,Shen Xin-yong,Wang Yong,et al.2015.Spatial-temporal characteristics and direct climate effect of carbon aerosols over Asian area[J].Trans Atmos Sci,38(4):448-457.(in Chinese).

亞洲地區(qū)碳氣溶膠的時空特征及其直接氣候效應(yīng)

黃文彥1,2,3,沈新勇1,2,3,王勇1,2,黃明策1,2,4

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

3.中國科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強風(fēng)暴重點實驗室,北京 100029;4.廣西區(qū)氣象臺,廣西 南寧 530022)

摘要：利用耦合了陸面和化學(xué)過程的區(qū)域氣候模式RegCM4.0,對2000—2008年亞洲地區(qū)碳氣溶膠的時空分布特征及其直接氣候效應(yīng)進行了模擬研究。結(jié)果表明:碳氣溶膠在冬夏兩季主要分布于印度半島和我國中東部地區(qū),其中印度半島東北部和四川盆地地區(qū)為主要的大值區(qū)。夏季隨著亞洲季風(fēng)的爆發(fā)和雨季的到來,碳氣溶膠的含量和分布范圍較冬季有明顯的減弱和北移。冬季碳氣溶膠對整個亞洲地區(qū)的地表主要起冷卻作用,而夏季在我國的四川盆地、華北和華南等地則出現(xiàn)了升溫現(xiàn)象,這種局部升溫現(xiàn)象與黑碳的“半直接效應(yīng)”密切相關(guān)。碳氣溶膠對降水影響的空間分布呈現(xiàn)出明顯的地域不一致性,對南亞夏季風(fēng)有一定的增強作用。東亞和南亞地區(qū)對碳氣溶膠的氣候響應(yīng)存在較大差異,主要表現(xiàn)在夏季南亞地區(qū)低層降溫、中高層增溫,而東亞地區(qū)的增溫卻主要集中在低層。

關(guān)鍵詞：區(qū)域氣候模式;碳氣溶膠;直接氣候效應(yīng);云水含量;夏季風(fēng)

0引言

大氣氣溶膠主要由人類活動引入大氣中,對區(qū)域和全球氣候變化有重要影響。以東亞和南亞地區(qū)為代表的亞洲區(qū)域作為全球五個人為氣溶膠的主要排放源區(qū)之一(Streets et al.,2003),隨著這些地區(qū)氣溶膠顆粒物在大氣中不斷增多,氣溶膠將不可避免的對該區(qū)域氣候特征產(chǎn)生重要影響(管振宇等,2013;孫一等,2015)。

碳氣溶膠為大氣氣溶膠的重要組成部分,主要由黑碳和有機碳這兩部分組成(鄒長偉等,2006)。黑碳氣溶膠大多來自于各種不完全燃燒過程,它能強烈吸收太陽輻射中的可見光波段和紅外波段輻射,對大氣起著重要的加熱作用。黑碳在大氣中的濃度雖然很小,但由于其對太陽光有強烈的吸收作用,因而對區(qū)域乃至全球氣候都有著重要影響(Menon et al.,2002;Ramanathan and Carmichael,2009)。與黑碳相比,有機碳的來源更加復(fù)雜,主要是由燃料不完全燃燒而形成的一次有機碳和某些揮發(fā)性有機物通過化學(xué)反應(yīng)形成的二次有機碳組成。有機碳的光學(xué)特性與黑碳有明顯不同,它對太陽輻射主要起散射作用。具有不同特性的氣溶膠對氣候的綜合影響并不是各要素簡單的線性疊加,而是取決于它們之間相互混合后的綜合輻射特性(Liu et al.,2009;宿興濤等,2010a),因此將吸收性的黑碳氣溶膠和散射性的有機碳氣溶膠綜合起來考慮具有重要的科研價值和現(xiàn)實意義。

許多專家和學(xué)者都曾使用氣候模式來研究碳氣溶膠對氣候造成的影響。Lau and Kim(2006)、Lau et al.(2006) 使用有限元大氣環(huán)流模式,研究發(fā)現(xiàn)黑碳等吸收性氣溶膠在季風(fēng)前期堆積于青藏高原南北坡,在抬升過程中對大氣強烈的加熱導(dǎo)致南亞地區(qū)雨季提前和隨后夏季風(fēng)增強,并通過觀測資料驗證了上述結(jié)果。Meehl et al.(2008) 利用全球氣候耦合模式,模擬得出黑碳氣溶膠在季風(fēng)期引起喜馬拉雅山地區(qū)降溫,導(dǎo)致南亞地區(qū)和中國的季風(fēng)降水減少。Zhang et al.(2009) 使用CAM3得出碳氣溶膠對東亞夏季氣候有顯著影響,它造成了中國南部和印度地面溫度升高、總云量和降水減少,但在中國北方和孟加拉國則出現(xiàn)了相反的氣候效應(yīng)。通過以上研究可以看出碳氣溶膠對氣候變化的重要性,但是在這些研究中仍然存在很大的不確定性和不一致性,因此很有必要對上述問題進行進一步研究。另外,上述研究都使用了全球氣候模式,由于其分辨率較低,很難表現(xiàn)出亞洲地區(qū)復(fù)雜的地形特點,分辨率更高的區(qū)域氣候模式則對亞洲季風(fēng)氣候有更好的模擬能力(Zhou and Yu,2006;Gao et al.,2008)。

本文使用耦合了陸面和化學(xué)過程的區(qū)域氣候模式RegCM4.0,模擬了近十年來亞洲地區(qū)碳氣溶膠的時空分布及其對該地區(qū)地面氣溫、降水和夏季風(fēng)的影響,同時也給出了東亞和南亞地區(qū)氣候響應(yīng)的一些差異,并著重分析了產(chǎn)生上述影響的一些可能原因。

1模式介紹和試驗設(shè)計

1.1　模式介紹

本文所使用的RegCM4.0模式(Giorgi et al.,2012)是意大利國際理論物理研究中心在第一代區(qū)域氣候模式RegCM基礎(chǔ)上不斷發(fā)展和改進而來的新一代區(qū)域氣候模式。相比其前一版本RegCM3,新版本中最主要的特點是耦合了公用陸面模式CLM3.5,從而更加準(zhǔn)確地表示大氣和陸面之間的物質(zhì)和能量交換。除此之外,RegCM4.0對耦合的沙塵和化學(xué)模塊也有所改進。

耦合的氣溶膠模塊是在Solmon et al.(2006) 的黑碳和有機碳相混合的參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,并假定兩者是外部混合顆粒物。由于碳顆粒物的吸濕性在氣溶膠清除過程和光學(xué)特性中具有重要作用,該方案把碳氣溶膠分為親水性和厭水性兩種狀態(tài),并按照Cooke et al.(1999) 方法,假定親水性黑碳和厭水性黑碳的比例為1∶4;親水性有機碳和厭水性有機碳的比例為1∶1。氣溶膠的預(yù)報方程主要包含了大尺度環(huán)流的傳輸、擾動擴散、積云傳送、干沉降、大尺度降水和積云降水的濕清除以及不同物質(zhì)之間的物理化學(xué)轉(zhuǎn)換過程,并使用CCM3輻射轉(zhuǎn)換方案(Kiehl et al.,1996)來計算碳氣溶膠的直接輻射效應(yīng)。氣溶膠的輻射特性由單次散射反照率、消光系數(shù)和不對稱因子等物理量描述。

1.2　氣溶膠排放資料

模式計算使用的氣溶膠排放資料是由日本全球變化前沿研究中心制作的亞洲區(qū)域排放清單(Ohara et al.,2007),該排放清單覆蓋了亞洲地區(qū)的24個國家,其中中國、印度、日本和巴基斯坦等國家是基于區(qū)域?qū)用嬷线M行評估,其余一些國家則為國家層面上的評估。該排放資料包含了1980—2020年各種人類活動所產(chǎn)生的NOx、SO2、CO、BC、OC等物質(zhì),其中1980—2003年的源強數(shù)據(jù)是依據(jù)當(dāng)年實際排放量進行估算得到的,2004—2009年的源強數(shù)據(jù)是通過線性差值獲得的,2010—2020年的源強數(shù)據(jù)是根據(jù)三種不同的排放情景預(yù)測得到的。這一排放清單曾被吉振明等(2010)、Ji et al.(2011)和陳明誠等(2014)用于模擬人為氣溶膠對亞洲地區(qū)氣候的影響,本文利用排放清單中1999—2008年的碳氣溶膠(BC和OC)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)主要考慮了燃料的燃燒和一些工業(yè)源的排放過程,但不包含野外生物質(zhì)燃燒等自然排放的碳氣溶膠。

1.3　試驗方案設(shè)計

本文共設(shè)計了2組試驗,在控制試驗(CON)中考慮了黑碳和有機碳氣溶膠的輻射效應(yīng);而在敏感性試驗(SEN)中則去除了黑碳和有機碳氣溶膠的影響,CON與SEN結(jié)果的差異體現(xiàn)了碳氣溶膠的氣候效應(yīng)。

兩組試驗的模擬中心位于99°E、32°N,水平x方向網(wǎng)格點數(shù)為192,水平y(tǒng)方向網(wǎng)格點數(shù)為160,水平網(wǎng)格距為50 km。圖1為模式的模擬區(qū)域,模擬基本覆蓋了整個亞洲地區(qū)和鄰近的海域。模式在垂直方向有18層,層頂高度為5 hPa。在模式的物理過程參數(shù)化方案中,輻射方案選擇NCAR CCM3方案,積云對流參數(shù)化方案選擇Grell方案,大尺度降水方案選擇Subex方案,行星邊界層方案選擇Holtslag方案,海洋通量參數(shù)化方案選擇Zeng方案,陸面過程則用耦合的陸面模式代替BATS模式。模擬時間從1999年12月1日至2009年1月1日,其中的第一個月作為模式的Spin-up時段。本文主要分析2000—2008年間冬季(DJF)及夏季(JJA)的模擬情況。模式初始場和邊界條件來自于NCAR/NCEP再分析資料,海溫場則使用美國海洋大氣局的最優(yōu)差值表層海溫資料。

圖1　模擬區(qū)域和地形高度示意圖(單位:m)Fig.1　Schematic diagram of simulation domain and terrain height(units:m)

2結(jié)果分析

2.1　碳氣溶膠分布

圖2給出了模式模擬出的冬季和夏季黑碳、有機碳柱含量空間分布,可以看出,碳氣溶膠在冬季和夏季都主要分布在印度半島和我國中東部地區(qū)。冬季,黑碳氣溶膠的高值區(qū)主要位于印度半島的東北部和四川盆地,數(shù)值在2.7 mg·m-2以上,在我國華中地區(qū)存在次大值區(qū)。夏季,隨著東亞和南亞雨季的到來,由降水引起的氣溶膠濕沉降顯著增加,導(dǎo)致了高值區(qū)的柱含量減少。與此相反的是華北地區(qū)黑碳柱含量較冬季有所增加,考慮到模式所使用的排放源沒有季節(jié)變化,造成這種現(xiàn)象的可能原因是來自海洋上的偏南夏季風(fēng)(圖略)將大量的黑碳氣溶膠向華北地區(qū)輸送。在這股偏南氣流的輸送下,整個亞洲地區(qū)黑碳氣溶膠的北緣也明顯的向北推進。

有機碳與黑碳氣溶膠相比,無論冬季還是夏季,其柱含量明顯大于黑碳氣溶膠。冬季,有機碳氣溶膠的大值區(qū)主要分布在印度半島東北部,我國有機碳柱含量明顯小于印度地區(qū),這與宿興濤等(2010b)模擬得出的結(jié)果相似。我國冬季有機碳主要分布在南方,其中四川盆地和華中地區(qū)為大值中心。夏季,與黑碳氣溶膠相似,有機碳也有明顯的減弱和北移。

為了定量的比較南亞和東亞地區(qū)碳氣溶膠分布的差異,選取南亞(SA)和東亞(EA)2個氣溶膠分布密集區(qū):SA(70～90°E,20～35°N),EA(105～120°E,20～45°N)。表1給出了這2個區(qū)域平均黑碳和有機碳柱含量,冬季南亞黑碳柱含量要大于東亞,而夏季東亞黑碳柱含量比南亞要大;南亞地區(qū)有機碳氣溶膠在冬夏兩季濃度均大于東亞地區(qū),其中冬季濃度為東亞地區(qū)兩倍以上,夏季則有所減小。此外,南亞地區(qū)黑碳與有機碳的柱含量比值與東亞也有所不同,南亞地區(qū)黑碳柱含量為有機碳的1/4,而東亞則為一半左右。

2.2　碳氣溶膠對地面氣溫的影響

碳氣溶膠的引入對太陽輻射有直接強迫作用,因此必然會引起地面氣溫的變化。圖3給出了晴空條件下氣溶膠在地表的直接短波輻射強迫量,由圖可知碳氣溶膠引起亞洲地區(qū)大部分區(qū)域負短波輻射

強迫,這主要是因為吸收性黑碳氣溶膠和散射性有機碳氣溶膠都可以阻礙太陽輻射到達地面,從而產(chǎn)生“遮陽效應(yīng)”(Stanhill and Cohen,2001)。氣溶膠濃度與其造成的負短波輻射強迫有較好的對應(yīng)關(guān)系,負短波輻射強迫的大值區(qū)主要位于碳氣溶膠濃度較高的印度半島北部和我國四川盆地。圖4為氣溶膠引起的地表氣溫變化?？梢钥闯?冬季碳氣溶膠對地表有明顯的冷卻作用,這與碳氣溶膠造成的負的短波輻射強迫相吻合。其中在印度半島的中部、北部,中南半島和我國季風(fēng)區(qū)出現(xiàn)了較大幅度的降溫,其數(shù)值大多在0.25 ℃以上,且在印度半島北部和中南半島西部通過了α=0.05的顯著性檢驗。

表1各物理量的區(qū)域平均值

Table 1Area average of physical quantities

季節(jié)區(qū)域黑碳柱含量/(mg·m-2)有機碳柱含量/(mg·m-2)地面氣溫變化/℃降水變化/%整層積分云水含量變化/(10-2kg·m-2)冬季SA1.546.10-0.243.060.13EA1.152.78-0.18-5.21-0.11夏季SA1.264.70-0.305.400.73EA1.333.180.03-2.96-0.02

圖3　模擬的晴空條件下冬季(a)和夏季(b)平均地表短波輻射強迫分布(單位:W·m-2)Fig.3　Distributions of simulated (a)winter and (b)summer mean short wave radiative forcing at surface for clear sky conditions(units:W·m-2)

圖4　冬季(a)和夏季(b)CON與SEN的地表氣溫差異(單位:℃;線陰影區(qū)表明通過α=0.05的顯著性檢驗)Fig.4　Surface temperature differences between CON and SEN in (a)winter and (b)summer(units:℃;line-shading indicates that the difference is significant at 95% confidence level)

夏季在印度半島和中南半島等負短波輻射強迫區(qū)域依舊出現(xiàn)強的降溫,其中印度半島北部溫度下降幅度在0.5 ℃以上。但在我國四川盆地、華北和華南等地卻出現(xiàn)了升溫現(xiàn)象,其中四川盆地升溫普遍達到了0.5 ℃。這是因為上述地區(qū)除受碳氣溶膠直接短波輻射強迫影響外,同時還明顯受到黑碳的“半直接效應(yīng)”(Hansen et al.,1997)影響。夏季云量較冬季明顯增多,吸收性黑碳氣溶膠加熱大氣后會使云水蒸發(fā),導(dǎo)致云覆蓋面積減小。云量的減少就會間接引起到達地面的太陽輻射增多,使得地表氣溫升高(Zhang et al.,2009)。夏季氣溶膠引起的溫度變化在印度半島北部和我國四川盆地通過了α=0.05的顯著性檢驗。本文得出的夏季我國南方地區(qū)的升溫和中南半島的降溫與Zhang et al.(2009)模擬結(jié)果基本一致,但在印度半島出現(xiàn)較大差異。

從表1可以看出,無論是冬季還是夏季,碳氣溶膠在南亞地區(qū)的冷卻作用較東亞地區(qū)更為顯著。另外,南亞地區(qū)夏季地表冷卻程度比冬季要大,但在東亞卻有所不同,從冬季到夏季,該地區(qū)經(jīng)歷了從冷卻作用向加熱作用的轉(zhuǎn)換?？偟膩碚f,冬夏季溫度響應(yīng)大值區(qū)與碳氣溶膠的分布大值中心相對應(yīng),其中在冬季,響應(yīng)在不同區(qū)域表現(xiàn)基本一致,但在夏季,響應(yīng)在不同區(qū)域有明顯差異。

2.3　碳氣溶膠對降水的影響

圖5a給出了氣溶膠引起的冬季降水的變化,由圖可知碳氣溶膠的加入使我國普遍出現(xiàn)降水的減少,其中在華北、江淮和西南地區(qū)降水的減少幅度都在10%以上,與我國降水大幅減少相反,在印度半島北部、南部和中南半島降水都出現(xiàn)了增多的趨勢。在這些降水有大幅變化的區(qū)域,中南半島和我國華北等地區(qū)通過了α=0.05的顯著性檢驗。

圖5　冬季CON與SEN的降水差異(a;單位:%;線陰影區(qū)表示通過α=0.05的顯著性檢驗)、整層積分云水含量差異(b;單位:10-2 kg·m-2)以及850 hPa風(fēng)場(箭矢;單位:m·s-1)和溫度(等值線;單位:℃)差異(c)Fig.5　(a)Precipitation differences(units:%;line-shading indicates that the difference is significant at 95% confidence level),(b)cloud water path differences(units:10-2 kg·m-2),and (c)850 hPa wind(arrows;units:m·s-1) and temperature(contours;units:℃) differences between CON and SEN in winter

為了分析不同地區(qū)降水變化的差異,圖5b給出了由氣溶膠引起的冬季整層積分云水含量的變化。吸收性黑碳氣溶膠的“半直接效應(yīng)”會使云水蒸發(fā),從而導(dǎo)致降水減少。圖5b表明,在我國降水減少的地區(qū)都出現(xiàn)了整層積分云水含量減少的現(xiàn)象,這與黑碳的“半直接效應(yīng)”密切相關(guān)。但是在印度半島和中南半島并沒有出現(xiàn)整層積分云水含量減少的現(xiàn)象,這可能是因為碳氣溶膠的引入也改變了水平風(fēng)場和垂直風(fēng)場,這些氣象要素場的變化也會引起云水含量的變化。

如上節(jié)所述,氣溶膠會導(dǎo)致氣溫變化,氣溫的變化必然會引起風(fēng)場的變化,而風(fēng)場的變化又會間接使降水發(fā)生變化。圖5c為由氣溶膠引起的冬季850 hPa風(fēng)場和溫度的變化?？梢?我國大部分地區(qū)850 hPa風(fēng)場變化都很小,因此對降水變化的貢獻也不大。但在印度半島地區(qū),西部阿拉伯海有小幅升溫,東部中南半島有較大幅度的降溫,升溫會導(dǎo)致氣壓的下降,降溫會導(dǎo)致氣壓的上升。根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系,印度半島就會出現(xiàn)一股偏南風(fēng)距平,從而能把阿拉伯海和孟加拉灣的水汽向印度半島輸送,對該地區(qū)降水的增多起了重要作用。同時,在印度的西北部出現(xiàn)氣旋式風(fēng)場距平,會使該地區(qū)上升運動增強,隨之降水也會加強。

與冬季降水變化相比,夏季降水變化范圍更廣。如圖6a所示,夏季整個亞洲地區(qū)降水都出現(xiàn)了很大的變化。在我國遼東半島、華北、四川盆地和西南地區(qū)這一東北西南向的大片帶狀區(qū)域上都出現(xiàn)了降水的大幅減少,其中很多地方減少幅度達到25%以上。但與此相反的是,在東部沿海省份和內(nèi)蒙西部則出現(xiàn)降水增加的現(xiàn)象。除了我國降水出現(xiàn)變化以外,在印度半島西北部、中南半島西部均出現(xiàn)了降水的增加。與冬季相比,夏季降水變化通過顯著性檢驗的區(qū)域顯著增多,上述所涉及的降水大幅變化區(qū)域基本都通過α=0.05的顯著性檢驗。本次模擬得出的我國和中南半島夏季降水變化與Zhang et al.(2009) 所得結(jié)論基本一致,但在印度半島出現(xiàn)較大差異。

圖6　夏季CON與SEN的降水差異(a;單位:%;線陰影區(qū)表示通過α=0.05的顯著性檢驗),整層積分云水含量差異(b;單位:10-2 kg·m-2),70～100°E(c)、100～130°E(d)緯向平均CON云水含量(陰影;單位:10-5 kg·kg-1)及CON與SEN溫度差異(等值線;單位:℃)的緯度—高度剖面,以及CON與SEN的850 hPa風(fēng)場(箭矢;單位:m·s-1)和溫度(等值線;單位:℃)差異(e)Fig.6　(a)Precipitation differences between CON and SEN(units:%;line-shading indicates the difference is significant at 95% confidence level),(b)cloud water path differences between CON and SEN(units:10-2 kg·m-2),latitude-height cross sections of cloud water(shading;units:10-5 kg·kg-1) in CON and temperature differences(contours;units:℃) between CON and SEN averaged over (c)70 to 100°E and (d)100 to 130°E,and (e)850 hPa wind(arrows;units:m·s-1) and temperature(contours;units:℃) differences between CON and SEN in summer

與冬季相似,分析整層積分云水含量的變化。如圖6b所示,在遼東半島和四川盆地都出現(xiàn)了云水含量的減少,這對該地區(qū)降水的減少起到了至關(guān)重要的作用,而在其他地區(qū)云水含量變化幅度不大或有小幅的增加。為了詳細分析云水含量變化的地區(qū)差異性,圖6c、d分別給出了夏季70～100°E、100～130°E緯向平均CON云水含量和CON與SEN溫度差異緯度—高度剖面。從圖中可以看出,南亞地區(qū)15～35°N在 800 hPa高度以下出現(xiàn)了較大降溫,降溫幅度在0.16 ℃以上,這就不會出現(xiàn)類似于黑碳氣溶膠通過加熱大氣而引起云水蒸發(fā)的現(xiàn)象。與南亞地區(qū)相比,東亞地區(qū)溫度變化的垂直分布表現(xiàn)出明顯的不同,20～35°N在800 hPa高度以下出現(xiàn)了溫度的升高,而且在這一溫度升高地區(qū)對應(yīng)著云水含量大值區(qū),于是類似黑碳氣溶膠加熱大氣引起云水蒸發(fā)的現(xiàn)象就會出現(xiàn),從而使得該地區(qū)降水減少。

圖6e給出了由氣溶膠引起的夏季850 hPa風(fēng)場和溫度的變化,變化幅度比冬季大。在40°N以北和中南半島地區(qū)普遍降溫,而我國南方地區(qū)則普遍升溫,升溫會導(dǎo)致氣壓的下降,降溫會導(dǎo)致氣壓的上升。根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系,我國華北地區(qū)出現(xiàn)東風(fēng),華南地區(qū)出現(xiàn)西風(fēng),這對我國東部沿海地區(qū)氣旋式環(huán)流距平的形成起到了重要作用。與我國東部沿海地區(qū)相似,在印度西北部、巴基斯坦東南部、內(nèi)蒙西部也出現(xiàn)了較強的氣旋式環(huán)流距平,這對上述地區(qū)降水增多起到了一定的作用,而遼東半島上的反氣旋式環(huán)流距平則會抑制該地區(qū)的降水。另外,在印度的中南部和中南半島南部都出現(xiàn)了較強的西風(fēng)距平,將大量水汽從阿拉伯海和孟加拉灣輸送到印度半島和中南半島,對這些地區(qū)降水增多起到了重要作用。

由表1可知,碳氣溶膠引起的降水變化在南亞和東亞地區(qū)有明顯差異。在南亞,冬季和夏季區(qū)域平均降水都增多,而在東亞,則恰好相反。整層積分云水含量的變化與降水變化有很好的對應(yīng)關(guān)系,云水含量增多,降水也增多,反之亦然。

總的來說,降水響應(yīng)在不同地區(qū)的變化很大,這與碳氣溶膠引起的溫度垂直變化有密切關(guān)系。與溫度響應(yīng)相比,最大差異在于夏季降水在氣溶膠分布較少區(qū)域也能出現(xiàn)很大的響應(yīng)。這主要是因為溫度變化直接受到氣溶膠的輻射效應(yīng)影響,只有在氣溶膠分布大值區(qū)才會出現(xiàn)較大的輻射強迫,進而引起溫度變化。但降水變化是間接受到氣溶膠引起的水平和垂直風(fēng)場等因素變化的影響,因此在氣溶膠分布較少地區(qū),這些因素也會出現(xiàn)較大變化。

2.4　碳氣溶膠對南亞夏季風(fēng)環(huán)流的影響

圖7給出了夏季CON與SEN的70～90°E緯向平均溫度和經(jīng)向環(huán)流差異的緯度—高度剖面?？梢?夏季黑碳氣溶膠在青藏高原南麓堆積(圖2b),大量吸收太陽輻射從而加熱了地面上方的大氣,被加熱的大氣能引起空氣的上升運動,在700 hPa高度以下盡管由于“遮陽效應(yīng)”出現(xiàn)溫度的降低,但上升氣流能順利繞過該冷卻層而不受其影響。此外,從圖6e中可看出有一股強的西南氣流距平把阿拉伯海的暖濕空氣向印度次大陸輸送。在這兩者共同作用下,南亞夏季風(fēng)很可能會得到加強。這與Lau and Kim(2006)、Lau et al.(2006)、Ji et al.(2011)和王志立等(2009)結(jié)果基本一致,而與Meehl et al.(2008)所得結(jié)果相反。

圖7　夏季CON與SEN的70～90°E緯向平均溫度(單位:℃)和經(jīng)向環(huán)流(箭矢;單位:m·s-1)差異的緯度—高度剖面Fig.7　Latitude-height cross section of temperature(units:℃) and meridional circulation(arrows;units:m·s-1) differences between CON and SEN averaged over 70 to 90°E in summer

為了進一步證明碳氣溶膠對南亞夏季風(fēng)有明顯的增強作用,對南亞地區(qū)碳氣溶膠和氣象要素場進行合成分析。圖8為模擬得出的南亞地區(qū)區(qū)域平均(70～90°E,25～35°N)碳氣溶膠柱含量距平的逐年變化,可以看出碳氣溶膠含量基本呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢。把0.5倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為劃分氣溶膠含量高值年與低值年的標(biāo)準(zhǔn),由圖8可知在模擬的9 a中,有3 a為氣溶膠柱含量高值年(2000,2001,2002年),另有3 a為氣溶膠柱含量低值年(2004,2006,2007年)。

圖8　2000—2008年南亞地區(qū)區(qū)域平均碳氣溶膠柱含量距平(虛線為0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.8　Area average column burden anomaly of carbon aerosols in South Asia during 2000—2008(dashed line:0.5 times standard deviation)

圖9a給出了南亞地區(qū)碳氣溶膠柱含量高值年與低值年海平面氣壓場合成差異,如圖所示,在整個印度半島地區(qū)都出現(xiàn)了海平面氣壓場的負變化,且在半島的西側(cè)存在氣壓變化的大值區(qū),其值在1.5 hPa以上。同時也使用了t檢驗的方法對所得結(jié)果進行顯著性檢驗,由上圖可知在印度半島西南部、阿拉伯海東部和孟加拉灣南部地區(qū)都通過了α=0.05的顯著性檢驗,可見海平面氣壓場與氣溶膠濃度之間存在一定聯(lián)系。

圖9　夏季南亞地區(qū)碳氣溶膠柱含量高值年與低值年的海平面氣壓場差異(a;單位:hPa)和850 hPa風(fēng)場差異(b;單位:m·s-1)(陰影區(qū)表示通過α=0.05的顯著性檢驗)Fig.9　(a)Sea level pressure(units:hPa) and (b)850 hPa wind(units:m·s-1) differences between the high and low value years of column burden of carbon aerosols in South Asia during summer(shading indicates that the difference is significant at 95% confidence level)

使用相同的方法,對850 hPa風(fēng)場進行合成分析,圖9b為南亞地區(qū)碳氣溶膠柱含量高值年與低值年850 hPa風(fēng)場合成差異,隨著氣壓的下降,印度半島地區(qū)存在氣旋式環(huán)流距平,在該環(huán)流的南側(cè)有較強的西風(fēng)氣流距平,而南亞夏季風(fēng)在低層主要表現(xiàn)為強的偏西氣流,因此碳氣溶膠濃度的增加,可能會造成南亞地區(qū)夏季偏西氣流的增強,從而造成夏季風(fēng)的加強。此外,和氣壓下降中心相對應(yīng),在印度半島的西北側(cè)有一較強的氣旋式環(huán)流距平閉合中心,這一強的氣旋式環(huán)流距平也可能會使得該地區(qū)垂直上升運動加強,從而引起夏季風(fēng)的加強。與海平面氣壓場的合成分析一致,也使用了t檢驗的方法對850 hPa風(fēng)場合成差異進行顯著性檢驗,與海平面氣壓場相比,通過顯著性檢驗的區(qū)域明顯減少,只有在印度半島西北部分地區(qū)通過了α=0.05的顯著性檢驗。

3結(jié)論與討論

使用了耦合陸面和化學(xué)過程的區(qū)域氣候模式RegCM4.0,對2000—2008年亞洲地區(qū)碳氣溶膠的時空分布特征和直接氣候效應(yīng)進行了模擬研究,得出以下結(jié)論:

1)碳氣溶膠在冬夏兩季主要分布于印度半島和我國中東部地區(qū),其中印度半島東北部和四川盆地地區(qū)為主要的大值區(qū)。夏季隨著亞洲季風(fēng)的爆發(fā)和雨季的到來,碳氣溶膠較冬季有明顯的減弱和北移。黑碳柱含量冬季南亞地區(qū)要大于東亞地區(qū),而夏季相反;有機碳氣溶膠在冬、夏季都是南亞地區(qū)的柱含量大于東亞地區(qū)。

2)冬季碳氣溶膠對整個亞洲地區(qū)的地表主要起冷卻作用,夏季在我國的四川盆地、華北和華南等地出現(xiàn)了升溫現(xiàn)象,這種局部升溫現(xiàn)象與黑碳的“半直接效應(yīng)”密切相關(guān)。

3)對降水影響上,冬季碳氣溶膠使我國普遍出現(xiàn)了降水的減少,而在印度半島北部、南部和中南半島出現(xiàn)了降水增多的趨勢;夏季在我國遼東半島、華北、四川盆地和西南地區(qū)這一東北西南向的大片帶狀區(qū)域上都出現(xiàn)了降水的大幅減少,而在東部沿海省份和內(nèi)蒙西部則出現(xiàn)降水的增加,另外在印度半島西北部、中南半島西部也都出現(xiàn)了降水的增加。此外,碳氣溶膠對南亞夏季風(fēng)有一定的增強作用。

4)東亞和南亞對碳氣溶膠的氣候響應(yīng)存在較大差異,主要表現(xiàn)在夏季南亞地區(qū)低層降溫、中高層增溫,而東亞地區(qū)增溫卻主要集中在低層。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

Spatial-temporal characteristics and direct climate effect

of carbon aerosols over Asian area

HUANG Wen-yan1,2,3,SHEN Xin-yong1,2,3,WANG Yong1,2,HUANG Ming-ce1,2,4

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

3.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,

Beijing 100029,China;4.Guangxi Meteorological Observatory,Nanning 530022,China)

Abstract:The regional climate model RegCM4.0 coupled with land surface and simple chemistry/aerosol module is used to simulate the spatial-temporal distributions and direct effect on climate of carbon aerosols over Asian area from 2000 to 2008.Results show that carbon aerosols are mostly concentrated in Indian peninsula and middle-eastern China in winter and summer,with maximum values in northeastern Indian peninsula and Sichuan Basin of China.With the outbreak of Asian summer monsoon and the arrival of the rainy season,the loading(distribution) of carbon aerosols significantly decreases(moves northward) in summer comparing to those in winter.In winter,the surface temperature is decreased by carbon aerosols over Asian area.In summer,the surface temperature is increased in Sichuan Basin,North China and South China,which is caused by the “semi-direct effect” of black carbon.There are significant differences in precipitation change caused by carbon aerosols among the different areas.Carbon aerosols also can strengthen South Asian summer monsoon.There are big differences in the climate responses to carbon aerosols between East Asia and South Asia.In summer,the low level air temperature is decreased and the middle-upper level air temperature is increased in South Asia,but warming mainly appears in the lower level in East Asia.

Key words:regional climate model;carbon aerosols;direct climate effect;cloud water content;summer monsoon

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130113001

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)04-0448-10P401

文獻標(biāo)志碼：A

通信作者：沈新勇,博士,教授,研究方向為中尺度氣象學(xué)及氣溶膠的氣候效應(yīng),shenxy@nuist.edu.cn.

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB403405;2015CB453201);國家自然科學(xué)基金資助項目(41375058;41175065);江蘇高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊計劃項目(PIT2014)

收稿日期：2013-01-13；改回日期：2013-06-06