近22 a人為氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)夏季風(fēng)環(huán)流影響的數(shù)值模擬研究

陳明誠(chéng),孫照渤,沈新勇,王勇,吉振明

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.中國(guó)科學(xué)院 青藏高原研究所 青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085)

近22a人為氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)夏季風(fēng)環(huán)流影響的數(shù)值模擬研究

陳明誠(chéng)1,2,孫照渤1,沈新勇1,2,王勇1,吉振明3

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.中國(guó)科學(xué)院 青藏高原研究所 青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085)

運(yùn)用區(qū)域氣候模式RegCM3耦合入一個(gè)化學(xué)過(guò)程,對(duì)東亞地區(qū)三類(lèi)人為排放氣溶膠(硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳)的時(shí)空分布特征及其對(duì)夏季風(fēng)環(huán)流的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果顯示,氣溶膠的引入會(huì)引起東亞地區(qū)夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)發(fā)生改變,我國(guó)江淮以東洋面上空出現(xiàn)了一個(gè)氣旋式距平環(huán)流中心,中心以西的偏北風(fēng)氣流將削弱東亞地區(qū)夏季西南季風(fēng)。通過(guò)討論春季中國(guó)地區(qū)氣溶膠濃度與夏季東亞地區(qū)850 hPa經(jīng)向風(fēng)的時(shí)滯關(guān)系，以及夏季中國(guó)地區(qū)氣溶膠濃度與同期東亞地區(qū)850 hPa經(jīng)向風(fēng)的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),春、夏季中國(guó)地區(qū)氣溶膠濃度均與夏季東亞地區(qū)850 hPa經(jīng)向風(fēng)有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)春季中國(guó)北方和夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠濃度增加時(shí),中國(guó)東部地區(qū)夏季偏南季風(fēng)減弱。這可能與氣溶膠改變了大氣層頂和地表的輻射強(qiáng)迫,進(jìn)而引起了海陸氣壓差異和位勢(shì)高度場(chǎng)的變化有關(guān)。

人為氣溶膠;東亞夏季風(fēng);季風(fēng)環(huán)流;數(shù)值模擬;相關(guān)分析

0 引言

我國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū),由于東亞季風(fēng)的年際和年代際變化較大,因此夏季旱澇和冬季寒潮等重大氣候?yàn)?zāi)害在我國(guó)發(fā)生頻繁,所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡往往也十分嚴(yán)重,而這些嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害與東亞季風(fēng)系統(tǒng)的異常變化間有著密切的聯(lián)系。黃榮輝等(2003)在研究了我國(guó)主要的氣候?yàn)?zāi)害時(shí)空分布特征后指出,近20余年來(lái)華北地區(qū)春、夏季極易發(fā)生干旱,長(zhǎng)江流域及華南地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)。韓晉平和王會(huì)軍(2007)利用ERA和NCEP/NCAR再分析資料以及部分觀測(cè)資料研究后同樣發(fā)現(xiàn),東亞夏季風(fēng)在20世紀(jì)80年代以來(lái)減弱這一現(xiàn)象普遍存在,主要表現(xiàn)為中國(guó)東部地區(qū)出現(xiàn)偏北風(fēng)異常。相關(guān)研究表明,近20 a來(lái)工業(yè)化、城市化等人類(lèi)活動(dòng)發(fā)展迅速的亞洲地區(qū)正逐漸成為氣溶膠排放的高值區(qū)(Hansen et al.,1998;沈志寶和魏麗,1999;王喜紅等,2002;Chung et al.,2002;陳麗和銀燕,2008;鐘昌琴等,2008)。由于氣溶膠在改變大氣及地表能量平衡的同時(shí)影響到云微物理過(guò)程,并進(jìn)而對(duì)東亞季風(fēng)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響,而氣溶膠與東亞季風(fēng)系統(tǒng)間的相互作用依然具有很大的未知性,因此更好地理解兩者間的相互關(guān)系具有很大的科學(xué)和社會(huì)利益。

大氣中的氣溶膠組成成分比較復(fù)雜,但大量研究表明硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳這三類(lèi)人為排放氣溶膠對(duì)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)正起著越來(lái)越重要的影響作用(孫家仁和劉煜,2008a,2008b;王志立等,2009;吉振明等,2010)。關(guān)于亞洲季風(fēng)異常變化與氣溶膠的相互作用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)外場(chǎng)觀察和數(shù)值模擬方法已進(jìn)行了一系列的研究并取得許多具有應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論:Massimo et al.(2008)對(duì)南亞地區(qū)夏季風(fēng)演變與氣溶膠的大尺度不規(guī)則分布研究中揭示了南亞夏季風(fēng)的增強(qiáng)與季風(fēng)爆發(fā)前期氣溶膠的大規(guī)模分布間存在著時(shí)空響應(yīng)關(guān)系。Leon and Ulrike(2002)在研究了熱帶降水與氣溶膠的間接影響作用后指出氣溶膠分布的時(shí)空變化可對(duì)大氣低層緯向環(huán)流及降水產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。Xu(2001)認(rèn)為從20世紀(jì)90年代末中國(guó)夏季連續(xù)出現(xiàn)的“南澇北旱”現(xiàn)象是由于人為排放硫化物氣溶膠的輻射影響下引起的雨帶南移造成的。在氣溶膠對(duì)東亞夏季風(fēng)環(huán)流的影響方面。王志立等(2009)通過(guò)模擬南亞地區(qū)黑碳?xì)馊苣z對(duì)亞洲夏季風(fēng)氣候效應(yīng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)南亞地區(qū)黑碳?xì)馊苣z減弱了東亞夏季風(fēng)。孫家仁和劉煜(2008a,2008b)利用新一代GCM CAM3.0模式離線耦合一個(gè)氣溶膠同化系統(tǒng)分別模擬了中國(guó)區(qū)域內(nèi)硫酸鹽氣溶膠和黑碳?xì)馊苣z對(duì)東亞季風(fēng)的可能影響后進(jìn)一步指出,要綜合考慮印度半島及其周邊地區(qū)與中國(guó)區(qū)域氣溶膠對(duì)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的影響作用。吉振明等(2010)使用區(qū)域氣候模式RegCM3,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)積分模擬了亞洲地區(qū)主要?dú)馊苣z的時(shí)空分布,結(jié)果表明模式能夠較好地模擬中國(guó)地區(qū)氣溫和降水的分布,對(duì)該地區(qū)氣溶膠空間分布也具有一定的模擬能力。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn)氣溶膠對(duì)地面氣溫和降水有著重要的影響作用。

相關(guān)研究表明,在模擬東亞季風(fēng)氣候時(shí)應(yīng)選取具有高分辨率的區(qū)域氣候模式(高學(xué)杰等,2006;Zhou and Yu,2006;Gao et al.,2008;吉振明等,2010)。本次試驗(yàn)中,使用耦合入化學(xué)過(guò)程的區(qū)域氣候模式RegCM3,在引入三類(lèi)主要人為排放氣溶膠(硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳)后,對(duì)亞洲地區(qū)季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的模擬,模擬結(jié)果顯示了三類(lèi)氣溶膠各自的輸送特征及綜合影響下的輻射強(qiáng)迫效果。最后,在前人的基礎(chǔ)之上,運(yùn)用相關(guān)性分析和合成差值檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)中國(guó)地區(qū)不同區(qū)域人為氣溶膠排放量與東亞夏季風(fēng)環(huán)流間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析研究,以期望找出氣溶膠對(duì)東亞夏季風(fēng)的可能影響,并得出前期及同期的預(yù)報(bào)信號(hào)。

1 模擬試驗(yàn)方案

使用的模型為意大利國(guó)際理論物理中心區(qū)域氣候模式RegCM3(Pal et al.,2007),該模式耦合了Solmon et al.(2006)在Qian et al.(2001)方案基礎(chǔ)上發(fā)展出的氣溶膠化學(xué)過(guò)程,對(duì)氣溶膠在大氣中的傳輸過(guò)程進(jìn)行了更精確的模擬。計(jì)算氣溶膠輻射效應(yīng)時(shí),采用Kiehl et al.(1996)的計(jì)算方法,對(duì)模式劃分出的19個(gè)波段(0.2～5.0 μm)分別給予不同的光學(xué)特性,以期得到更為全面的結(jié)果。

為方便于分析人為氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)夏季風(fēng)環(huán)流的綜合影響效果,本次模擬運(yùn)算中共設(shè)計(jì)兩套試驗(yàn)方案:不包含氣溶膠的控制試驗(yàn)(CON)和包含了三類(lèi)人為排放氣溶膠(硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳)的敏感性試驗(yàn)(SEN)。在控制性試驗(yàn)中,模式的初始場(chǎng)以及側(cè)邊界場(chǎng)由NCAR/NCEP再分析數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),海溫采用NOAA提供的OISST資料(Reynolds et al.,2002)。為考慮模擬區(qū)域包含中國(guó)、中南半島、印度半島及其周邊的亞洲大部分地區(qū),將模擬區(qū)域中心點(diǎn)取為(99.0°E,32.0°N),東西向和南北向格點(diǎn)數(shù)分別為192×160,水平分辨率取為50 km。在敏感性試驗(yàn)中,在前者的基礎(chǔ)之上引入了三類(lèi)人為排放氣溶膠,用于突出氣溶膠的氣候效應(yīng),氣溶膠模擬所采用的排放清單為日本全球變化前沿研究中心制作的REAS資料(Ohara et al.,2007),該排放清單分辨率為0.5°×0.5°。模擬過(guò)程中參數(shù)化方案的選擇可參閱吉振明等(2010)的研究成果。

圖1 亞洲地區(qū)夏季平均200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)(a、b)和850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(c、d)的觀測(cè)(a、c)與模擬(b、d)結(jié)果(單位:m/s)Fig.1 (a,c)Observed and (b,d)simulated summer mean (a,b)200 hPa zonal wind field and (c,d)850 hPa horizontal wind field over Asia(units:m/s)

兩套模擬試驗(yàn)積分時(shí)間均自1987年1月1日起至2009年12月31日止,其中1987年的模擬結(jié)果作為模擬初始化階段不予分析,選取其后的22 a作為分析時(shí)段,并將敏感性試驗(yàn)與控制性試驗(yàn)結(jié)果之差(SEN-CON)作為三類(lèi)人為氣溶膠的綜合氣候效應(yīng)進(jìn)行討論分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 模擬性能檢驗(yàn)

在對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析之前,首先對(duì)模式的模擬效果進(jìn)行檢驗(yàn),將控制性試驗(yàn)的結(jié)果與NCEP再分析結(jié)果做對(duì)比分析。圖1分別給出了亞洲地區(qū)夏季22 a平均200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)及850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)的模擬和檢驗(yàn),通過(guò)對(duì)比可以看出,夏季亞洲200 hPa上中高緯地區(qū)以偏西風(fēng)氣流為主,低緯地區(qū)則轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)氣流,緯向風(fēng)速零值線約位于25°N附近(圖1a、b)。在夏季對(duì)流層中低層850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)中(圖1c、d),南亞地區(qū)盛行較強(qiáng)的偏西氣流,夏季風(fēng)槽區(qū)位于印度半島東側(cè),東亞地區(qū)則以偏西南氣流的經(jīng)向北上為主?？傮w而言,模式模擬結(jié)果與再分析資料基本保持一致,能夠模擬出亞洲夏季風(fēng)區(qū)的基本氣候特征。

2.2 氣溶膠的傳輸機(jī)制

近22 a來(lái),亞洲地區(qū)作為氣溶膠排放量增長(zhǎng)速度最快的地區(qū)之一,其空間分布的差異對(duì)區(qū)域大氣環(huán)流的改變起著十分重要的作用。為了了解模式在東亞夏季風(fēng)爆發(fā)前期(春季)及爆發(fā)過(guò)程中(夏季)對(duì)氣溶膠分布狀況和水平風(fēng)場(chǎng)影響下其輸送特征的模擬效果,分別對(duì)春、夏季亞洲地區(qū)三類(lèi)氣溶膠的柱濃度含量分布特征進(jìn)行了模擬研究。

圖2 春季(a、c、e)、夏季(b、d、f)氣溶膠平均柱濃度含量(陰影;單位:mg/m2)及850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m/s) a,b.硫酸鹽;c,d.黑碳;e,f.有機(jī)碳Fig.2 The (a,c,e)spring and (b,d,f)summer aerosol mean column burden(shaded areas;units:mg/m2) and 850 hPa wind field (arrows;units:m/s) a,b.sulfate;c,d.black carbon;e,f.organic carbon

春季,三類(lèi)人為排放氣溶膠(硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳)的分布情況與REAS資料(Ohara et al.,2007)給出的結(jié)果基本保持一致(圖略),印度半島地區(qū)的氣溶膠柱濃度含量中心區(qū)出現(xiàn)在東部沿海地區(qū),而在東亞地區(qū)氣溶膠的濃度高值區(qū)主要位于我國(guó)的南方和四川盆地地區(qū)(圖2a、c、e)。結(jié)合亞洲地區(qū)春季850 hPa風(fēng)場(chǎng)可以看出,東亞地區(qū)西太副高脊線呈東北—西南走向(圖略),高壓脊南側(cè)的低緯地區(qū)有較強(qiáng)勁的偏東氣流自海洋吹向大陸,這支偏東氣流在經(jīng)過(guò)南海上空時(shí)分為兩支:一支于副高西側(cè)轉(zhuǎn)為偏南氣流北上進(jìn)入我國(guó);另一支繼續(xù)向西前進(jìn),在孟加拉灣海域北上,同印度半島地區(qū)的偏西氣流合并為西南氣流,經(jīng)中南半島進(jìn)入我國(guó)。兩支偏南氣流于我國(guó)南方地區(qū)匯合北上,至長(zhǎng)江流域與來(lái)自高緯的偏北氣流相遇,轉(zhuǎn)為向東傳播。在這樣的大氣環(huán)流背景下,推測(cè)印度半島東部地區(qū)的濃度中心主要為半島中北部工業(yè)排放區(qū)大量排放人為氣溶膠和偏西氣流輸送共同導(dǎo)致的結(jié)果,而我國(guó)南方地區(qū)由于自身氣溶膠排放量較高,來(lái)自低緯的偏南氣流輸送則有可能進(jìn)一步促進(jìn)該地區(qū)氣溶膠的堆積。四川盆地地區(qū)由于高山、丘陵等地形較多,在地形的輻合作用影響下污染物不易擴(kuò)散,西南氣流輸送而來(lái)的氣溶膠易于在此沉積,從而形成了東亞地區(qū)另一個(gè)氣溶膠含量的高值中心。綜合來(lái)看,較高的氣溶膠排放量和區(qū)域的輻合作用(包括地形作用和風(fēng)場(chǎng)自身的輻合輻散效果)是形成春季亞洲地區(qū)人為氣溶膠濃度高值區(qū)的兩個(gè)主要原因。

到了夏季,三類(lèi)人為氣溶膠的空間分布特征與春季有所不同。中國(guó)東部、中南半島以及印度半島的北部地區(qū)均有分布,高濃度中心區(qū)域出現(xiàn)在四川盆地、中國(guó)北方地區(qū)以及青藏高原南側(cè)、印度北部的狹長(zhǎng)地帶(圖2b、d、f)。對(duì)比春季的氣溶膠分布情況發(fā)現(xiàn),在東亞地區(qū)氣溶膠有明顯的向北輸送的特征,我國(guó)長(zhǎng)江以北的華北大部分地區(qū)出現(xiàn)了與四川盆地地區(qū)同量級(jí)的高值中心,在氣溶膠區(qū)域排放量季節(jié)性變化較小時(shí),這種空間分布的季節(jié)性差異有可能由夏季風(fēng)盛行風(fēng)向的變化所導(dǎo)致。在夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)中,東亞夏季風(fēng)建立,低層以西南氣流的經(jīng)向北上為主。自南向北的偏南風(fēng)氣流伴隨著大量的氣溶膠向北輸送,因此夏季中國(guó)北方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量較春季有了顯著地升高。

2.3 氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)夏季風(fēng)的影響

大氣中氣溶膠濃度變化所引起的地氣系統(tǒng)能量平衡間產(chǎn)生的擾動(dòng)稱(chēng)之為“輻射強(qiáng)迫”。不同種類(lèi)氣溶膠粒子由于自身光學(xué)特性的不同,對(duì)地氣系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)也會(huì)有所不同,硫酸鹽氣溶膠以散射和反射大氣長(zhǎng)波輻射及太陽(yáng)短波輻射為主,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減弱,因此對(duì)整層及地表均產(chǎn)生負(fù)輻射強(qiáng)迫,從而起到增加大氣靜力穩(wěn)定度,穩(wěn)定大氣層結(jié)的效果,而黑碳?xì)馊苣z在反射的同時(shí)也會(huì)吸收一部分太陽(yáng)輻射,對(duì)大氣起到加熱作用。實(shí)際情況中的氣溶膠輻射強(qiáng)迫作用往往十分復(fù)雜,綜合考慮其混合后所產(chǎn)生的總輻射性質(zhì)或許能夠得到更真實(shí)的結(jié)果(孫家仁和劉煜,2008a,2008b)。圖3給出了模式模擬的春、夏季綜合了三類(lèi)氣溶膠后在大氣層頂及地表的短波輻射強(qiáng)迫分布情況,可以看出,綜合考慮了三類(lèi)人為排放氣溶膠之后的輻射效應(yīng)均為負(fù)值,春季大氣層頂負(fù)輻射效應(yīng)的中心位于四川盆地地區(qū),整個(gè)負(fù)輻射效應(yīng)區(qū)覆蓋了我國(guó)東部沿海地區(qū),對(duì)應(yīng)的地表負(fù)輻射效應(yīng)區(qū)范圍更廣,向北可延伸至朝鮮半島、日本等地,向南則擴(kuò)展到整個(gè)亞洲的低緯地區(qū),在孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)了負(fù)輻射強(qiáng)迫中心,中心強(qiáng)度-20 W/m2以上。夏季的短波輻射強(qiáng)迫效果在大氣層頂及地表較春季更為明顯,我國(guó)的華北和渤海地區(qū)強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng),江淮地區(qū)出現(xiàn)了第二個(gè)極值中心,中心最大強(qiáng)度與四川盆地地區(qū)相同,可達(dá)-30 W/m2以上。

氣溶膠的間接氣候效應(yīng)相較于直接效應(yīng)更為復(fù)雜,由于氣溶膠粒子可以通過(guò)凝結(jié)核作用,在云形成過(guò)程中參與到云的生成、演化、消散過(guò)程中每一環(huán)節(jié),使得空氣中顆粒濃度增加,云滴半徑減小,改變?cè)频蔚脑莆⑽锢斫Y(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,達(dá)到調(diào)整空氣中液態(tài)水含量及云層厚度的效果,并最終影響到云的生命期和降水率,因此氣溶膠的間接效應(yīng)充滿(mǎn)著不確定性,本次試驗(yàn)中只考慮氣溶膠的直接氣候效應(yīng)。

氣溶膠的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)將引起自地表至高層中大氣運(yùn)動(dòng)的變化,為此對(duì)氣溶膠引起的地表氣壓及大氣中位勢(shì)高度場(chǎng)變化進(jìn)行分析。圖4a、b分別給出了春、夏季東亞地區(qū)敏感性試驗(yàn)與控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果中地表氣壓之差,即氣溶膠對(duì)地表氣壓的影響效果,結(jié)果顯示:中國(guó)東部沿海地區(qū)地表氣壓普遍降低,夏季降壓趨勢(shì)更加顯著,華北和華南地區(qū)為降壓中心區(qū),最大降壓可達(dá)0.6 hPa。因此,海陸氣壓差異將有所減小,氣溶膠對(duì)東亞夏季風(fēng)會(huì)起到一定的削弱作用。

圖3 春季(a、c)和夏季(b、d)模擬的大氣層頂(a、b)及地面(c、d)平均短波輻射強(qiáng)迫(單位:W/m2)Fig.3 Simulated (a,c)spring and (b,d)summer mean short wave radiative forcing on (a,b)the top of atmosphere and (c,d)the surface(units:W/m2)

高空中,位勢(shì)高度場(chǎng)的變化與地表氣壓變化間有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4c、d、e、f分別給出了春、夏季850 hPa和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的變化情況,春季我國(guó)北方至日本上空為正位勢(shì)高度距平,中心位于朝鮮半島上空,500 hPa上最大正位勢(shì)高度距平為1.5 gpm,同時(shí)發(fā)現(xiàn),在(130°E,50°N)地區(qū)以北出現(xiàn)了負(fù)位勢(shì)高度距平中心,結(jié)合春季大氣環(huán)流形勢(shì)(圖2a),這種南北向位勢(shì)高度距平分布將加強(qiáng)高緯地區(qū)對(duì)流層中的西風(fēng)氣流,偏強(qiáng)的歐亞西風(fēng)將阻礙夏季中國(guó)南方西南氣流北上,從而造成東亞夏季風(fēng)偏弱。夏季,朝鮮半島上空的中心轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)位勢(shì)高度距平,并且中心略有南移至長(zhǎng)江出海口外,中心最大值超過(guò)了-2.5 gpm,這個(gè)負(fù)距平區(qū)域覆蓋了我國(guó)東南沿海地區(qū),同時(shí)在(110°E,25°N)附近有一正位勢(shì)高度中心生成,中心最大值達(dá)到了1.5 gpm。

在夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)(圖1d)上,亞洲低緯地區(qū)盛行西風(fēng),經(jīng)過(guò)印度半島,孟加拉灣和中南半島后,在南海北部地區(qū)與越赤道氣流匯合轉(zhuǎn)為由南向北運(yùn)動(dòng)。因此,夏季我國(guó)東部地區(qū)以經(jīng)向氣流為主,在平坦的下墊面條件下盛行西南季風(fēng)。將敏感性試驗(yàn)得到的結(jié)果減去控制性試驗(yàn)的結(jié)果作為三類(lèi)人為排放氣溶膠所引起的氣候效應(yīng)(SEN-CON)。注意到在氣溶膠影響下(圖5),在我國(guó)東部江淮以東洋面上空出現(xiàn)了一個(gè)氣旋式距平環(huán)流,該環(huán)流中心位于長(zhǎng)江出海口外,在環(huán)流中心西側(cè)偏北氣流的影響下,我國(guó)東部地區(qū)夏季風(fēng)被削弱,出現(xiàn)了較為明顯的偏北風(fēng)距平,氣旋式環(huán)流南部的偏西氣流使得我國(guó)南方地區(qū)的西南氣流中西風(fēng)增強(qiáng),因此西太副高位置在氣溶膠的影響下可能較為偏南。張慶云等(2003)在研究了東亞夏季風(fēng)指數(shù)的年際變化與東亞大氣環(huán)流的關(guān)系時(shí)曾經(jīng)指出,夏季西太副高位置偏南時(shí),東亞地區(qū)熱帶季風(fēng)槽低壓環(huán)流減弱,梅雨鋒低壓環(huán)流加強(qiáng),在850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)上30°N以北地區(qū)會(huì)出現(xiàn)氣旋性距平環(huán)流(圖略)。該氣旋性距平環(huán)流與圖5中的結(jié)果較為相近,因此認(rèn)為氣溶膠的影響效果有可能導(dǎo)致夏季東亞地區(qū)西太副高位置的南移,并對(duì)夏季風(fēng)環(huán)流起到一定的削弱作用。

大氣氣壓場(chǎng)的改變直接導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)的變化。東亞地區(qū),尤其是中緯度地區(qū)所呈現(xiàn)出的西部偏高(110°E以西地區(qū)為正距平),東部偏低(中國(guó)東部及沿海區(qū)域?yàn)樨?fù)距平)態(tài)勢(shì)會(huì)加強(qiáng)我國(guó)江淮以東洋面上氣旋式距平環(huán)流中心南側(cè)的西風(fēng)氣流(圖5),促進(jìn)了該氣旋式環(huán)流的發(fā)展,并使得西太副高位置南移,阻礙了夏季西南季風(fēng)的向北推進(jìn)。同時(shí),氣旋式距平環(huán)流西側(cè)的偏北氣流將進(jìn)一步削弱我國(guó)東部地區(qū)的夏季偏南季風(fēng)。

圖4 春季(a、c、e)和夏季(b、d、f)氣溶膠對(duì)地表氣壓(a、b;單位:hPa)、850 hPa位勢(shì)高度(c、d;單位:gpm)和500 hPa位勢(shì)高度(e、f;單位:gpm)影響的模擬Fig.4 The simulated (a,c,e)spring and (b,d,f)summer aerosol effects on (a,b)surface pressure(units:hPa),(c,d)850 hPa potential height and (e,f)500 hPa potential height(units:gpm)

圖5 氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)的影響(單位:m/s)Fig.5 Aerosol effect on summer 850 hPa wind field in East Asia(units:m/s)

2.4 中國(guó)地區(qū)人為氣溶膠排放與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系

為便于分析氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)夏季風(fēng)的可能影響,找出前期及同期的預(yù)報(bào)信號(hào),將中國(guó)境內(nèi)氣溶膠排放源較為集中的地區(qū)劃分為三個(gè)子區(qū)域(吉振明等,2010),分別為:中國(guó)北方地區(qū)(109.3～124.3°E,33.4～42.4°N)、中國(guó)南方地區(qū)(109.3～124.3°E,21.5～33.4°N)和四川盆地地區(qū)(105.5～109.3°E,27.7～32.6°N,)。在分別對(duì)1988—2009年春季三個(gè)子區(qū)域氣溶膠柱濃度含量做標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(圖略)后,發(fā)現(xiàn)它們均有比較明顯的年代際變化,在20世紀(jì)80年代末至90年代中期,氣溶膠的柱濃度含量相對(duì)偏低,而從90年代末至今的10 a里有明顯的增加。

圖6 春季中國(guó)北方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量區(qū)域平均值與東亞地區(qū)夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)分布(a)以及春季中國(guó)北方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量高、低值年的東亞夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)合成差值分布(b；單位:m/s;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.6 (a)The correlation coefficients between the spring column burden averaged in North China and summer 850 hPa meridional wind in East Asia;(b)The composite difference of East Asia summer 850 hPa meridional wind in years with aerosol column burden at high and low values in North China in spring(units:m/s;the shaded areas denote the significance at 95% confidence level)

分別計(jì)算了春季三個(gè)子區(qū)域氣溶膠柱濃度含量與敏感性試驗(yàn)中東亞地區(qū)夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)分量v的相關(guān)系數(shù)后看出,中國(guó)中東部地區(qū)均為相關(guān)系數(shù)負(fù)值區(qū),其中中國(guó)北方地區(qū)氣溶膠含量與偏南風(fēng)的相關(guān)性最為顯著,25°N以北的中國(guó)大陸地區(qū)為負(fù)相關(guān)區(qū),相關(guān)系數(shù)高值區(qū)位于25～35°N間的中國(guó)中東部地區(qū),中心值超過(guò)了-0.6,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)(圖6a)。因此,當(dāng)春季我國(guó)北方地區(qū)氣溶膠排放量偏高時(shí),當(dāng)年夏季我國(guó)中東部地區(qū)夏季風(fēng)被削弱;反之,當(dāng)氣溶膠的柱濃度含量偏低時(shí),夏季850 hPa偏南風(fēng)將偏強(qiáng)。在合成差值t檢驗(yàn)中,將中國(guó)北方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量區(qū)域平均值大于0.5的年份定義為氣溶膠排放量高值年;將小于-0.5的年份定義為排放量低值年(圖7),據(jù)此得到6個(gè)高值年(1997、1998、2000、2002、2008、2009年)和6個(gè)低值年(1989、1992、1994、1995、2001、2004年),對(duì)相應(yīng)的夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了正、負(fù)位相年的合成分析后,結(jié)果顯示:春季,合成差值t檢驗(yàn)的結(jié)果與相關(guān)系數(shù)的分布形勢(shì)較為一致(圖6b),我國(guó)中緯度地區(qū)夏季經(jīng)向風(fēng)明顯減小,表明在春季我國(guó)北方地區(qū)氣溶膠排放量不斷增大的年際變化背景下,東亞夏季風(fēng)環(huán)流在逐漸削弱。

夏季,氣溶膠柱濃度含量的年代際變化有著與春季相似的特征,三個(gè)子區(qū)域氣溶膠排放量依然體現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖略)。相關(guān)性研究表明東亞大陸地區(qū)為負(fù)相關(guān)區(qū),中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量與其相關(guān)效果最明顯,如圖8a所示,相關(guān)性分析表明負(fù)相關(guān)系數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在長(zhǎng)江中下游地區(qū),中心值也在-0.6以上,且強(qiáng)度較春季更大,這表明當(dāng)夏季我國(guó)東部地區(qū)850 hPa經(jīng)向風(fēng)偏大時(shí),南方地區(qū)氣溶膠濃度偏低,而當(dāng)夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠排放量增加,氣溶膠柱濃度含量升高時(shí),東亞夏季風(fēng)就會(huì)被削弱。夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量(圖9)高、低值年統(tǒng)計(jì)如下:高值年份為1996、1998、1999、2000、2001、2002、2005、2008年,共8 a;低值年份為1988、1989、1990、1991、1992、1994、1995、2006年,同樣為8 a,同期的差值t檢驗(yàn)的結(jié)果更進(jìn)一步證明了上述結(jié)論(圖8b)。

圖7 1988—2009年春季中國(guó)北方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量區(qū)域平均值的逐年變化Fig.7 Interannual variations of spring column burden averaged in North China during 1988—2009

圖8 夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量區(qū)域平均值與東亞地區(qū)夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)分布(a)以及夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量高、低值年的東亞地區(qū)夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)合成差值分布(b;單位:m/s;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.8 (a)The correlation coefficients between the summer column burden averaged in South China and summer 850 hPa meridional wind in East Asia;(b)The composite difference of East Asia summer 850 hPa meridional wind in years with aerosol column burden at high and low values in South China in summer(units:m/s;the shaded areas denote the significance at 95% confidence level)

圖9 1988—2009年夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠柱濃度含量區(qū)域平均值的逐年變化Fig.9 Interannual variations of summer column burden averaged in South China during 1988—2009

3 結(jié)論和討論

1)東亞地區(qū)春季氣溶膠主要分布在中國(guó)南方和四川盆地地區(qū),夏季由于低層以西南氣流的經(jīng)向北上為主,氣溶膠向北輸送,因此在華北地區(qū)出現(xiàn)高值中心,而四川盆地地區(qū)由于地形作用也使得其成為氣溶膠的主要沉積區(qū)。

2)春、夏季氣溶膠在大氣層頂及地表的短波輻射強(qiáng)迫分布情況與氣溶膠濃度間保持了較好的一致性,綜合考慮了三類(lèi)人為排放氣溶膠之后我國(guó)東部地區(qū)均以負(fù)輻射強(qiáng)迫效應(yīng)為主,夏季效果更為顯著,輻射強(qiáng)迫中心區(qū)域位于我國(guó)四川盆地及江淮流域地區(qū)。模式在引入氣溶膠的影響作用后,在我國(guó)江淮地區(qū)以東洋面上空出現(xiàn)了一個(gè)氣旋式距平環(huán)流中心,該中心位于長(zhǎng)江出?？谕?其西側(cè)偏北氣流的影響將會(huì)有效地削弱我國(guó)東部地區(qū)夏季西南季風(fēng)。這可能與氣溶膠減小了海陸氣壓差異,并引起夏季大氣位勢(shì)高度場(chǎng)“西高東低”的變化態(tài)勢(shì)有關(guān),這種變化會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)我國(guó)江淮以東洋面上的氣旋式環(huán)流,迫使西太副高位置南移,削弱東亞夏季風(fēng)。

3)相關(guān)性分析及合成差值檢驗(yàn)結(jié)果表明,中國(guó)東部地區(qū)夏季850 hPa經(jīng)向風(fēng)與春季中國(guó)北方及夏季中國(guó)南方地區(qū)氣溶膠濃度間相關(guān)顯著,當(dāng)氣溶膠濃度增加時(shí),中國(guó)東部地區(qū)夏季偏南季風(fēng)減弱。

需要提出的是,由于氣溶膠及其氣候效應(yīng),尤其是氣溶膠的間接效應(yīng)十分復(fù)雜,充滿(mǎn)著不確定性,這加大了對(duì)氣溶膠氣候效應(yīng)模擬的難度。本次試驗(yàn)僅僅考慮了氣溶膠的直接氣候效應(yīng),這無(wú)疑是不全面的。同時(shí),不同氣候模式參數(shù)化方案間的差異以及不同氣溶膠排放源數(shù)據(jù)間的差別也是很大的,因此,在今后的研究過(guò)程中需要進(jìn)一步對(duì)不同參數(shù)化方案下,不同源強(qiáng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以期對(duì)氣溶膠的氣候效應(yīng)獲得更深刻的認(rèn)識(shí)。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

Simulationofanthropogenicaerosols’effectonEastAsiansummermonsooninrecent22years

CHEN Ming-cheng1,2,SUN Zhao-bo1,SHEN Xin-yong1,2,WANG Yong1,JI Zhen-ming3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Sever Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Institute of Tibetan Plateau Research,Key Laboratory of Tibetan Environment Changes and Land Surface Processes,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)

The anthropogenic aerosols(sulfate,black carbon and organic carbon) and their effects on the East Asian summer monsoon have been simulated by using a regional climate model RegCM3 coupled with a chemistry aerosol model.Results show that aerosol can change summer 850 hPa wind over East Asia.A cyclonic anomaly circulation center appears on the estuary of the Yangtze River and the northerly air flow on its west will weaken the summer southwestly monsoon in East Asian.Investigation has been conducted on the relationship between spring and summer aerosol column burden over China and summer 850 hPa meridional wind in East Asia.Evidence shows that the aerosol column burden in both spring and summer bears a close negative correlation with summer 850 hPa meridional wind in East Asia.The summer southerly monsoon in East China weakens when the spring aerosol column burden over North China or the summer aerosol column burden over South China increases.The reasons may be the short wave radiative forcing caused by aerosol effects on the top of the atmosphere and the surface,which leads to the change of air pressure and potential height between sea and land.

anthropogenic aerosol;East Asian summer monsoon;monsoon circulation;numerical simulation;correlation analysis

2012-01-05；改回日期2012-04-26

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB403405;2013CB430103);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375058;41175065);江蘇高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(PIT2012)

沈新勇,博士,教授,研究方向?yàn)橹谐叨葰庀髮W(xué)及氣溶膠的氣候效應(yīng),shenxy@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120105005.

1674-7097(2014)04-0395-10

P401

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120105005

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