亞洲夏季風(fēng)對偶極子型人為氣溶膠排放變化的響應(yīng)特征與機(jī)理

邵志男，王海，鄭小童，韓子文，張晏銘

摘要：利用第六次耦合模式比較計(jì)劃中的兩組子試驗(yàn)，結(jié)合線性斜壓模式模擬的結(jié)果，研究了近年來亞洲內(nèi)部出現(xiàn)的東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化調(diào)控亞洲夏季風(fēng)響應(yīng)的特征及物理機(jī)制。對東亞夏季風(fēng)而言，在考慮海洋-大氣耦合作用的氣候系統(tǒng)總響應(yīng)中，東亞夏季風(fēng)環(huán)流和降水顯著地加強(qiáng)；在不考慮海洋調(diào)控作用的大氣直接響應(yīng)過程中，東亞人為氣溶膠排放減少導(dǎo)致的陸地升溫使得海陸溫差減弱，進(jìn)而通過引起東亞陸地上的氣旋式環(huán)流異常加強(qiáng)了東亞夏季風(fēng)環(huán)流和降水。對南亞夏季風(fēng)而言，其在偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫下呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化特征。在大氣直接響應(yīng)過程中，人為氣溶膠強(qiáng)迫引起的海陸熱力差異變化導(dǎo)致南亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱、降水減少。在考慮海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)中，南亞夏季風(fēng)環(huán)流表現(xiàn)出微弱增強(qiáng)，同時(shí)印度次大陸的南亞夏季風(fēng)降水也出現(xiàn)增多的異常變化。這表明，局地和海洋-大氣動(dòng)力耦合過程在區(qū)域氣候?qū)θ藶闅馊苣z強(qiáng)迫的響應(yīng)中扮演著非常重要的角色。此外，通過線性斜壓模式發(fā)現(xiàn)，東亞和南亞局地的人為氣溶膠強(qiáng)迫導(dǎo)致的大氣加熱場異常不僅能影響局地的夏季風(fēng)環(huán)流，還可以通過引起大范圍的表面氣壓異常進(jìn)而調(diào)控整個(gè)亞洲夏季風(fēng)環(huán)流的變化。

關(guān)鍵詞：亞洲夏季風(fēng)；人為氣溶膠強(qiáng)迫；大氣直接響應(yīng)；海洋-大氣相互作用；大氣環(huán)流

中圖分類號：P467；X513? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：2096-3599（2023）03-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.003

Response of Asian summer monsoon to the dipole pattern of anthropogenic aerosol forcing and its mechanism

SHAO Zhinan1，2， WANG Hai1，2， ZHENG Xiaotong1，2， HAN Ziwen1，2， ZHANG Yanming1，2

（1. Key Laboratory of Physical Oceanography of Ministry of Education， Ocean University of China， Qingdao 266100， China; 2. College of Oceanic and Atmospheric Sciences， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： This study uses two sets of experiments from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6， as well as the idealized results from the Linear Baroclinic Model experiments， to investigate the responses of Asian summer monsoon to the dipole pattern of anthropogenic aerosol forcing in Asia and their physical mechanisms. Since the 21st century， the anthropogenic aerosol emission over South Asia has kept its increasement， while it increases in the first decade and then rapidly decreases over East Asia， and this feature will continue in the future. In the coupled climate system considering both the direct atmospheric responses and the sea surface temperature mediated atmospheric responses， the East Asian summer monsoon （EASM） is strengthened by the intensified and westward shifted western Pacific subtropical high， and the precipitation is intensified as well. In the direct atmospheric responses without considering the coupled ocean-atmosphere interaction processes， the declined East Asian anthropogenic aerosol emissions weaken the land-sea thermal contrast by inducing an anomalous land warming due to their radiative effect， which also strengthens the EASM and precipitation by generating the cyclonic surface pressure anomaly in the East Asian land regions. For the South Asian summer monsoon （SASM）， it shows more complicated responses due to the dipole pattern of anthropogenic aerosol forcing， with weakened SASM and reduced precipitation in the direct atmospheric responses but a gently intensified SASM in the coupled responses with increased precipitation anomalies in the Indian sub-continent. This suggests the important role of the coupled ocean-atmosphere interaction processes in shaping the regional climate responses to anthropogenic aerosol forcing. In addition， by using the Linear Baroclinic Model experiments， it demonstrates that the atmospheric heating anomaly resulted from the anthropogenic aerosol emissions in East Asia and South Asia may not only lead to localized summer monsoon responses， but also can regulate the larger-scale summer monsoon circulation changes by causing the surface pressure anomalies remotely.

Keywords： Asian summer monsoon; anthropogenic aerosol forcing; direct atmospheric response; ocean-atmosphere interaction; atmospheric circulation

引言

自18世紀(jì)60年代第一次工業(yè)革命以來，化石燃料的大量燃燒向大氣中排放了大量的溫室氣體和氣溶膠，人類活動(dòng)對地球氣候變化產(chǎn)生了重要的影響。聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(huì)第六次評估報(bào)告指出：自工業(yè)革命以來（從1750到2019年），溫室氣體排放導(dǎo)致的地球氣候系統(tǒng)輻射強(qiáng)迫的變化約為3.32 W·m-2（3.03～3.61 W·m-2）；人為氣溶膠排放導(dǎo)致的地球氣候系統(tǒng)輻射強(qiáng)迫的變化約為-1.1 W·m-2（-1.7～-0.4 W·m-2），人為氣溶膠的冷效應(yīng)抵消了約三分之一的溫室氣體暖效應(yīng)[1]?？偟膩碚f，雖然工業(yè)革命以來人類活動(dòng)導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫為正值，更多地體現(xiàn)了溫室氣體的暖效應(yīng)，但這并不意味著人為氣溶膠的氣候效應(yīng)不重要。聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(huì)第六次評估報(bào)告中同時(shí)指出，人為氣溶膠強(qiáng)迫主導(dǎo)了人為要素驅(qū)動(dòng)太陽輻射強(qiáng)迫變化的不確定性[1]。因此，研究人為氣溶膠強(qiáng)迫調(diào)控氣候變化的特征及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制是氣候變化歸因研究領(lǐng)域的重要科學(xué)問題，對理解氣候變化的機(jī)理、更好地預(yù)估未來氣候變化具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

亞洲夏季風(fēng)是亞洲氣候系統(tǒng)的重要組成部分，與東亞、南亞和東南亞總計(jì)約40億人口的生活休戚相關(guān)。亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)包含東亞夏季風(fēng)和南亞夏季風(fēng)，它們之間既相互獨(dú)立、又相互作用[2-4]。東亞和南亞夏季風(fēng)分別給中國南方（北方）和印度帶來全年40%～50%（60%～70%）和約80%的降水量[5-6]。氣候變化背景下亞洲夏季風(fēng)的異常響應(yīng)，很容易給這些區(qū)域帶來洪澇或是干旱災(zāi)害，顯著地影響這些區(qū)域的農(nóng)業(yè)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。通過對臺(tái)站數(shù)據(jù)研究表明，1979年以來東亞夏季風(fēng)環(huán)流呈現(xiàn)出減弱的變化趨勢，導(dǎo)致長江流域中下游降水量增加，而華北地區(qū)降水減少，表現(xiàn)出所謂的“南澇北旱”降水異常模態(tài)[8]。對于南亞地區(qū)而言，前人研究也發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)50年代以來，觀測的印度北部夏季降水呈現(xiàn)出減少的長期變化趨勢，這也意味著與之相關(guān)的南亞夏季風(fēng)呈現(xiàn)出減弱的變化趨勢[9]。前人研究表明，影響亞洲夏季風(fēng)和降水異常變化有多種因素[10]，既可以歸因于氣候系統(tǒng)的自然變率，例如厄爾尼諾-南方濤動(dòng)，太平洋年代際濤動(dòng)/振蕩等[11-12]；又可以歸因于地球氣候系統(tǒng)外輻射強(qiáng)迫變化，例如溫室氣體強(qiáng)迫[13-14]，人為氣溶膠強(qiáng)迫[15]等。

與溫室氣體在大氣中混合均勻、留存時(shí)間長的特征不同，人類活動(dòng)排放的氣溶膠主要聚集在排放源地附近，其在大氣中的留存時(shí)間很短。因此，人為氣溶膠導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫具有顯著的空間不均勻性，其對區(qū)域氣候變化的調(diào)控作用相較于溫室氣體更為重要[16]。前人從長期變化的角度，對人為氣溶膠強(qiáng)迫下亞洲夏季風(fēng)的異常響應(yīng)特征和機(jī)理有著深入的研究[15]。對于東亞地區(qū)而言，陸地上人類活動(dòng)排放的氣溶膠會(huì)通過散射和反射作用使得陸地溫度降低，進(jìn)而減小海陸溫差，引起東亞東部和南部地區(qū)以及毗鄰的西北太平洋出現(xiàn)顯著的偏北風(fēng)和東北風(fēng)異常，最終導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱、降水減少[17-18]。也有研究表明，亞洲局地的人為氣溶膠排放可以通過冷卻地表進(jìn)而增加大氣穩(wěn)定性，抑制大氣對流活動(dòng)，并減少對流凝結(jié)潛熱的釋放，使得亞洲上空對流層出現(xiàn)冷卻，并最終導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)減弱[19-20]。同樣地，人為氣溶膠強(qiáng)迫對南亞夏季風(fēng)的異常變化也有重要的調(diào)控作用[20]。Ramanathan等 [21]指出，由于氣溶膠粒子的吸收和散射作用削弱了到達(dá)地表的太陽輻射，使得南亞地表和北印度洋冷卻，南亞陸地和熱帶印度洋的海陸溫差減小，進(jìn)而導(dǎo)致南亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱、降水減少。此外，氣溶膠粒子還可以通過改變大氣熱力結(jié)構(gòu)來影響南亞夏季風(fēng)的異常變化。Lau等 [22]指出，聚集在印度北部以及青藏高原的吸收性氣溶膠（如：黑碳?xì)馊苣z）通過對短波輻射的吸收作用，使得大氣對流層中上層的溫度梯度發(fā)生改變，從而增強(qiáng)了南亞夏季風(fēng)降水。更進(jìn)一步的研究指出：人為氣溶膠強(qiáng)迫下，印度洋海表面溫度出現(xiàn)西北印度洋相對冷-東南印度洋相對暖的空間不均勻分布型，通過局地的“皮葉克尼斯”正反饋機(jī)制，則會(huì)導(dǎo)致赤道印度洋上空的異常西風(fēng)以及大氣對流層經(jīng)向溫度梯度的減弱，進(jìn)而使得南亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱、降水減少[23-24]。

前人的研究揭示局地人為氣溶膠排放變化調(diào)控亞洲夏季風(fēng)長期變化趨勢的特征與物理過程。但對于亞洲而言，近年來其人為氣溶膠排放的空間分布呈現(xiàn)出快速變化的特征[25-26]。自2013年中國頒布實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來，東亞的人為氣溶膠排放迅速減少而南亞的人為氣溶膠排放則保持增長，這也導(dǎo)致亞洲內(nèi)部出現(xiàn)了新的偶極子型人為氣溶膠排放變化。這樣獨(dú)特的亞洲內(nèi)部偶極子型人為氣溶膠排放變化的特征是未來亞洲氣溶膠排放的長期趨勢，對區(qū)域氣候變化格局有重要影響。但是對于這一分布特征引發(fā)的亞洲夏季風(fēng)異常響應(yīng)，還沒有工作進(jìn)行深入研究。本文借助第六次耦合模式比較計(jì)劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）中人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬、控制海表面溫度的人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫大氣響應(yīng)模擬等試驗(yàn)，結(jié)合線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，LBM）的結(jié)果，探究偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫下東亞和南亞夏季風(fēng)環(huán)流和降水的異常響應(yīng)特征，并從大氣直接響應(yīng)和海洋-大氣耦合響應(yīng)的不同角度解析其內(nèi)在的物理過程，以期更進(jìn)一步地完善對人為氣溶膠強(qiáng)迫下亞洲夏季風(fēng)異常的特征和機(jī)理的理解。

1資料與方法

1.1觀測資料

使用美國宇航局的基于云和地球輻射能量系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)集（Clouds and the Earths Radiant Energy System）中550 nm氣溶膠光學(xué)厚度的數(shù)據(jù)（2001—2020年的水平分辨率為1°×1°的逐月資料）[27-28]來分析觀測的氣溶膠排放變化并與氣候模式資料比較。

1.2 氣候模式資料

使用CMIP6模式集中人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬試驗(yàn)（hist-aer）以評估人為氣溶膠強(qiáng)迫導(dǎo)致的氣候系統(tǒng)總響應(yīng)，其模擬時(shí)間為1850—2020年。該試驗(yàn)在保持其他模式設(shè)置不變的前提下，將溫室氣體、臭氧等其他外輻射強(qiáng)迫變化固定在工業(yè)革命前水平保持不變，僅使用基于觀測的、隨時(shí)間變化的人為氣溶膠排放單獨(dú)強(qiáng)迫歷史氣候變化。此外，還使用CMIP6模式集中工業(yè)革命前海溫情景下的氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬試驗(yàn)（piClim-histaer）以評估人為氣溶膠強(qiáng)迫導(dǎo)致的大氣直接響應(yīng)過程，其模擬時(shí)間同樣為1850—2020年。該試驗(yàn)與人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬試驗(yàn)最大的區(qū)別在于是否將海表面溫度和海冰固定在工業(yè)革命前的氣候態(tài)保持不變。為了減小不同模式間參數(shù)差異帶來的影響，選取6個(gè)同時(shí)運(yùn)行以上兩組試驗(yàn)的氣候模式數(shù)據(jù)（表1），并通過集合平均和多模式平均的方式消除氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的影響和模式間差異的影響，以更好地體現(xiàn)人為氣溶膠強(qiáng)迫變化引起的區(qū)域氣候異常響應(yīng)。為了便于比較，所有模式輸出都插值到144（經(jīng)度）×73（緯度）個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（水平分辨率為2.5°），垂向網(wǎng)格點(diǎn)為從1 000 hPa到100 hPa的12個(gè)垂直層。

1.3 研究方法

1.3.1 統(tǒng)計(jì)與診斷方法

為研究偶極子型人為氣溶膠排放變化引起的亞洲夏季風(fēng)異常響應(yīng)，以經(jīng)面積加權(quán)后的東亞（100°～125°E，20°～40°N）和南亞（70°～100°E，10°～30°N）區(qū)域平均的550 nm氣溶膠光學(xué)厚度在2000—2020年間的變化為依據(jù)，選取2009—2014年和2015—2020年兩個(gè)時(shí)間段對與亞洲夏季風(fēng)異常變化相關(guān)的輻射強(qiáng)迫、對流層低層（850 hPa）風(fēng)場、表面溫度、表面氣壓和降水等要素進(jìn)行分析。在以上兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，南亞區(qū)域平均的人為氣溶膠排放呈持續(xù)增長的變化趨勢；而東亞的人為氣溶膠排放在2009—2014年間達(dá)到最大值，在2015—2020年間呈現(xiàn)出快速減少的變化趨勢。因此利用2015—2020年平均態(tài)與2009—2014年平均態(tài)的差值可以清晰地凸顯出東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化特征，從而分析其導(dǎo)致的亞洲夏季風(fēng)異常響應(yīng)特征和機(jī)理。選取3個(gè)月（6—8月）的平均代表亞洲夏季風(fēng)時(shí)期進(jìn)行分析，并利用Students t-test在95%的顯著性水平上檢驗(yàn)上述兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)夏季平均的差值是否存在顯著變化。

在診斷偶極子型人為氣溶膠排放變化引起的輻射強(qiáng)迫異常時(shí)，為了全面的考慮人為氣溶膠粒子對短波輻射的散射、反射和吸收作用及其通過與云的相互作用對長波輻射過程的影響，分別計(jì)算對大氣對流層頂?shù)膬糨椛鋸?qiáng)迫（，公式（1））和到達(dá)地面的短波輻射進(jìn)行計(jì)算。

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，、、分別代表大氣對流層頂進(jìn)入地球的短波輻射、射出地球的長波輻射和射出地球的短波輻射。

1.3.2 LBM試驗(yàn)

為了驗(yàn)證東亞和南亞人為氣溶膠強(qiáng)迫通過不考慮海洋-大氣耦合作用的大氣直接響應(yīng)過程調(diào)控亞洲夏季風(fēng)異常變化的機(jī)理，利用線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，LBM）[29]設(shè)計(jì)了在東亞和南亞上空分別放置熱強(qiáng)迫的理想化試驗(yàn)。LBM的建立是為了研究大氣中的線性動(dòng)力學(xué)，該模型簡化了動(dòng)力學(xué)框架，使結(jié)果更易于解釋。特別是對于本研究來說，非耦合的純大氣模式對應(yīng)了氣溶膠的直接效應(yīng)，有助于驗(yàn)證本文結(jié)論。該模式的水平分辨率為T21（約5.6°水平分辨率），垂直方向使用σ坐標(biāo)，共20層。為了能夠直觀的研究東亞和南亞夏季風(fēng)環(huán)流對熱強(qiáng)迫的響應(yīng)，使用“干”模式（不考慮降水過程），并將熱強(qiáng)迫分別設(shè)置在東亞（100°～120°E，20°～40°N）和南亞（70°～100°E，20°～30°N）。熱源的中心加熱強(qiáng)度約為 8 K/d，水平位置位于加熱區(qū)域的中心，垂直位置位于σ等于0.5的高度。由于是線性大氣模式，因此不同的加熱強(qiáng)度僅改變大氣環(huán)流的響應(yīng)強(qiáng)度，而不會(huì)影響其空間分布型。本研究共積分了30 d，并取最后10 d平均結(jié)果作為穩(wěn)定的大氣響應(yīng)進(jìn)行分析。

2 偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下的亞洲夏季風(fēng)異常響應(yīng)

2.1人為氣溶膠排放的時(shí)空變化

由衛(wèi)星觀測結(jié)果可以看到，2015—2020年（東亞人為氣溶膠排放減少期，南亞人為氣溶膠排放升高期）夏季（6、7、8月）均值與2009—2014年（東亞人為氣溶膠排放高值期，南亞人為氣溶膠排放升高期）夏季均值的差展現(xiàn)出了明顯的亞洲偶極子型人為氣溶膠排放變化的空間分布特征（圖1a）。更進(jìn)一步地，分析了CMIP6人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬中的550 nm氣溶膠光學(xué)厚度變化并與觀測資料相比較。在CMIP6人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史中，同樣看到了東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化空間分布特征（圖1b）。在區(qū)域平均的人為氣溶膠排放時(shí)間序列（圖1c）中，同時(shí)可以看到，觀測的東亞氣溶膠排放峰值出現(xiàn)在2011年，CMIP6氣候模式中的峰值出現(xiàn)在2014年，均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢。而南亞區(qū)域平均的人為氣溶膠排放在21世紀(jì)則一直保持單調(diào)增長的趨勢。

由于觀測中的亞洲夏季風(fēng)變化會(huì)受到氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率、溫室氣體強(qiáng)迫、人為氣溶膠強(qiáng)迫等多種因素的協(xié)同影響，因此很難直接從觀測資料中提取出人為氣溶膠強(qiáng)迫引起的亞洲夏季風(fēng)異常變化的信號。雖然CMIP6人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬中人為氣溶膠排放的變化與觀測之間存在一定差異，但其也可以很好地抓住偶極子型人為氣溶膠排放變化的空間特征，因此可以借助該組氣候模式試驗(yàn)的結(jié)果來分析偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下亞洲夏季風(fēng)異常變化的特征與機(jī)理。

2.2不同物理過程主導(dǎo)的亞洲夏季風(fēng)異常響應(yīng)

2.2.1 輻射強(qiáng)迫和溫度變化

人為氣溶膠粒子被排放到大氣中之后，可以通過反射、散射、吸收等過程顯著地影響局地的輻射強(qiáng)迫變化，進(jìn)而通過改變大氣的熱力結(jié)構(gòu)而調(diào)控大氣環(huán)流的異常響應(yīng)。在偶極子型人為氣溶膠排放變化的情景下，大氣對流層頂?shù)膬糨椛鋸?qiáng)迫和到達(dá)地面的短波輻射均出現(xiàn)了相應(yīng)的異常響應(yīng)（圖2）。在CMIP6人為氣溶膠單獨(dú)強(qiáng)迫歷史模擬所代表的包含海洋-大氣耦合過程的氣候系統(tǒng)總響應(yīng)中可以看到，由于東亞地區(qū)的人為氣溶膠排放顯著減少（圖1b），進(jìn)入對流層頂?shù)膬糨椛鋸?qiáng)迫（圖2a）和到達(dá)地面的短波輻射（圖2b）均出現(xiàn)顯著的增加。相較而言，同時(shí)期南亞地區(qū)的人為氣溶膠排放雖然呈增加的趨勢（圖1b），但其對流層頂凈的輻射強(qiáng)迫變化卻很?。▓D2a），僅在到達(dá)地表的短波輻射變化中表現(xiàn)出一定的負(fù)信號（圖2b），體現(xiàn)了氣溶膠排放增加的效應(yīng)。這可能與黑碳?xì)馊苣z和硫化物氣溶膠在南亞地區(qū)對輻射強(qiáng)迫起到的作用不同有關(guān)。與硫化物氣溶膠類似的是，黑碳?xì)馊苣z同樣能夠顯著減少到達(dá)地面的太陽輻射，進(jìn)而冷卻地表；但與硫化物氣溶膠不同的是，由于黑碳?xì)馊苣z屬于吸收性氣溶膠，其會(huì)加熱對流低層，從而與屬于反射性氣溶膠的硫化物氣溶膠的冷卻效應(yīng)相抵消，所以造成的結(jié)果可能就如圖2a、c所示，進(jìn)入對流層的凈輻射強(qiáng)迫在南亞表現(xiàn)不明顯，而到達(dá)地面的短波輻射顯著減少[21-22]。具體不同種類的氣溶膠對輻射強(qiáng)迫調(diào)控的相對貢獻(xiàn)有待未來進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

與考慮海洋-大氣耦合過程的氣候系統(tǒng)總響應(yīng)相比，在不考慮海洋變化貢獻(xiàn)的大氣直接響應(yīng)中，可以看到，東亞地區(qū)的對流層頂凈輻射和到達(dá)地面的短波輻射均為顯著的正信號，但是其強(qiáng)度要明顯弱于包含海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)（圖2b、d）。而在南亞地區(qū)，當(dāng)不考慮海洋-大氣耦合過程的貢獻(xiàn)時(shí)，局地人為氣溶膠排放的增加則導(dǎo)致更為明顯的對流層輻射強(qiáng)迫（圖2b）和到達(dá)地面的短波輻射減少（圖2d）。兩組試驗(yàn)結(jié)果明顯的差異性說明，通過海洋-大氣耦合相互作用后，人為氣溶膠排放導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫變化與大氣直接響應(yīng)中的結(jié)果不同，這可能是由于輻射強(qiáng)迫-海表面溫度-云三者之間的反饋過程所導(dǎo)致的。在北太平洋中緯度區(qū)域，氣溶膠強(qiáng)輻射強(qiáng)迫下北太平洋海表面溫度與云之間存在一個(gè)反饋過程：在東亞人為氣溶膠排放增長導(dǎo)致的異常輻射強(qiáng)迫情況下，北半球夏季黑潮延伸體區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一個(gè)海表面溫度異常冷卻帶，在其南側(cè)存在一個(gè)云量增長的大值中心。這主要是由于副熱帶環(huán)流減弱、黑潮延伸體南移，而更多的暖濕空氣遇到黑潮延伸體后則會(huì)在其南側(cè)被抬升形成云，這些云又會(huì)導(dǎo)致到達(dá)海面的短波輻射減少，進(jìn)而導(dǎo)致此處海表面溫度進(jìn)一步降低。這里看到的東亞人為氣溶膠減排情境下的北太平洋輻射強(qiáng)迫異常變化，與上述原理類似，只是符號相反[30]。因此，在探究人為氣溶膠排放導(dǎo)致的氣候系統(tǒng)輻射強(qiáng)迫變化時(shí)，不僅應(yīng)考慮大氣的直接響應(yīng)過程，更應(yīng)該從海洋-大氣耦合相互作用的角度全面理解人為氣溶膠排放的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)[31]。

人為氣溶膠排放的變化顯著地影響了到達(dá)地面的短波輻射，會(huì)影響表面溫度的變化。在海洋-大氣耦合的總響應(yīng)中可以看到，表面溫度異常變化的空間分布型（圖3a）與到達(dá)地面的短波輻射空間分布型（圖2a）高度相似，表現(xiàn)為東亞及西北太平洋由于氣溶膠排放的減少而產(chǎn)生升溫，南亞地區(qū)的中南半島和孟加拉灣北部地區(qū)由于氣溶膠排放的增加而出現(xiàn)降溫的異常變化。在不考慮海洋-大氣耦合過程的大氣直接響應(yīng)中（圖3b），東亞氣溶膠排放減少的效應(yīng)被局限在陸地區(qū)域，南亞地區(qū)的降溫信號顯著減弱。除東亞陸地區(qū)域外，兩組試驗(yàn)結(jié)果差異明顯，特別是在南亞和西北太平洋地區(qū)，這再次印證了前人研究中指出的海洋-大氣耦合過程在南亞夏季風(fēng)對人為氣溶膠強(qiáng)迫響應(yīng)中所扮演的重要角色[23，31]。

2.2.2 大氣環(huán)流變化

通過分析表面氣壓和對流層中下層（850 hPa）風(fēng)場的變化，探究亞洲夏季風(fēng)環(huán)流對偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫的響應(yīng)特征。在考慮海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)（圖4a）中，東亞夏季風(fēng)表現(xiàn)出加強(qiáng)的態(tài)勢。其中，低壓中心約位于110°E、40°N附近，這與由人為氣溶膠減排導(dǎo)致的大氣升溫中心相匹配。與氣壓場所對應(yīng)，在850 hPa風(fēng)場的異常響應(yīng)中也可以看到，中國北方（中心約位于110°E、40°N）異常氣旋式環(huán)流顯著的加強(qiáng)了氣候態(tài)的東亞夏季風(fēng)環(huán)流。此外，東亞人為氣溶膠的排放變化通過引起局地大氣對流層的熱力異常，會(huì)在大氣中激發(fā)出一個(gè)自東亞向北太平洋中高緯度地區(qū)傳播的大氣遙相關(guān)波列，并顯著的導(dǎo)致阿留申低壓的異常響應(yīng)[32]。由圖4a也可以看到，這樣自東亞陸地到北太平洋中緯度“低壓-高壓-低壓”的異常表面氣壓配置。在考慮海洋-大氣耦合過程的響應(yīng)中，大氣風(fēng)場的變化對上層海洋環(huán)流具有重要的驅(qū)動(dòng)作用[30]，位于北太平洋中高緯地區(qū)的氣旋式環(huán)流異常有助于加強(qiáng)黑潮延伸體，使得該區(qū)域海面溫度（簡稱“海溫”）異常升高（圖3a）。這樣異常的海溫暖信號，在“風(fēng)-蒸發(fā)-海溫”機(jī)制[33]的作用下，又會(huì)使得其南側(cè)的海溫升高，進(jìn)而通過局地海氣相互作用過程使得西北太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)[34]，最終帶來有利于東亞夏季風(fēng)的加強(qiáng)的異常環(huán)流形勢。而在南亞，南亞夏季風(fēng)沒有表現(xiàn)出特別明顯的變化，這可能與人為氣溶膠強(qiáng)迫下海洋-大氣耦合過程和大氣直接響應(yīng)過程對南亞夏季風(fēng)的調(diào)控作用相抵消有關(guān)[30]。

值得注意的是，在沒有海洋變化調(diào)整的大氣直接響應(yīng)中，東亞和西北太平洋地區(qū)的表面氣壓和850 hPa風(fēng)場異常與考慮海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)存在顯著的不同。但對于東亞夏季風(fēng)而言，其仍然表現(xiàn)出增強(qiáng)的變化趨勢（圖4b）。這主要是因?yàn)楫?dāng)海溫不變時(shí)，東亞人為氣溶膠排放的減少顯著地增大了東亞陸地和西北太平洋的海陸溫差，進(jìn)而使得東亞陸地出現(xiàn)異常的低壓環(huán)流而西北太平洋區(qū)域出現(xiàn)顯著的異常高壓環(huán)流，受此影響，東亞夏季風(fēng)表現(xiàn)為加強(qiáng)的變化特征。在南亞，同樣由于海陸熱力差異的緣故，北印度洋和印度次大陸表現(xiàn)為異常的高壓而赤道印度洋表現(xiàn)為異常的低壓環(huán)流，使得南亞夏季風(fēng)出現(xiàn)減弱的變化特征。下文將利用線性斜壓大氣模式進(jìn)一步清晰地探究東亞和南亞人為氣溶膠排放通過大氣直接響應(yīng)過程調(diào)控兩地夏季風(fēng)異常的物理過程。

對比包含海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)和不考慮海洋變化調(diào)整的大氣直接響應(yīng)的結(jié)果來看，在偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫下，兩種不同的物理過程均會(huì)使得東亞夏季風(fēng)環(huán)流加強(qiáng)。對南亞夏季風(fēng)而言，在總響應(yīng)中其變化僅表現(xiàn)出非常微弱的加強(qiáng)特征，而在大氣直接響應(yīng)中則表現(xiàn)為減弱的變化特征，說明造成南亞夏季風(fēng)會(huì)在由海洋變化調(diào)整的大氣響應(yīng)中得到增強(qiáng)。這是因?yàn)樵谟袩o海氣耦合作用下，氣溶膠的強(qiáng)迫作用是有差異甚至相互抵消導(dǎo)致的。其具體的物理機(jī)制不僅可能與局地的海洋-大氣耦合反饋過程有關(guān)[35]，還可能與東亞人為氣溶膠強(qiáng)迫減少，導(dǎo)致局地大氣吸收的短波輻射增加，進(jìn)而增大了南北半球間能量差異，最終使得哈得來環(huán)流和南亞夏季風(fēng)異常加強(qiáng)[31]。

偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫下復(fù)雜的亞洲夏季風(fēng)環(huán)流形勢也必將導(dǎo)致復(fù)雜的降水異常。在海洋-大氣耦合的總響應(yīng)中，在中國南海附近出現(xiàn)的異常高壓中心和反氣旋式環(huán)流抑制南海至中國南方降水，使得該區(qū)域降水呈減少的變化趨勢（圖5a）。而在北方的沿海地區(qū)，由于陸地異常低壓和西北太平洋異常高壓的存在，南向異常氣流在此輻合抬升加劇氣候態(tài)的東亞夏季風(fēng)，使得降水增加。對南亞夏季風(fēng)降水而言，海洋-大氣耦合過程主導(dǎo)的微弱南亞夏季風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)使得印度次大陸北部降水增加而南側(cè)減少，赤道印度洋在異常東風(fēng)的作用下也出現(xiàn)降水異常增加的響應(yīng)，這可能與大尺度的海洋-大氣動(dòng)力耦合過程主導(dǎo)的大氣環(huán)流異常有關(guān)。

在不考慮海洋變化調(diào)整的大氣直接響應(yīng)（圖5b）中，陸地氣溶膠排放導(dǎo)致的熱力異常變化誘發(fā)低壓異常（中心位置約為90°E、35°N）偏西，與此同時(shí)位于西北太平洋的異常反氣旋式環(huán)流無論是強(qiáng)度還是范圍都更大、更偏西，因此中國北方東部沿海地區(qū)在異常高壓的作用下出現(xiàn)了降水異常減少。而在陸地低壓和西北太平洋異常高壓導(dǎo)致的南向異常氣流作用下，菲律賓東北至中國東南沿海直到中國北方的中部地區(qū)均出現(xiàn)降水異常增加的情況。對南亞夏季風(fēng)降水而言，在不考慮海洋-大氣耦合過程的直接大氣響應(yīng)中，與南亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱相一致的是，在北印度洋及印度次大陸出現(xiàn)明顯的降水減少，而在熱帶印度洋則出現(xiàn)降水異常增加的變化特征。

東亞和南亞夏季風(fēng)環(huán)流及降水異常在人為氣溶膠強(qiáng)迫下考慮海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)過程和大氣直接響應(yīng)過程中的不同變化再次提示人為氣溶膠強(qiáng)迫調(diào)控區(qū)域氣候變化的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)機(jī)理。前人曾有研究，利用線性分解的方式解析海洋-大氣耦合過程和大氣直接響應(yīng)過程對人為氣溶膠強(qiáng)迫下亞洲夏季風(fēng)異常響應(yīng)的相對貢獻(xiàn)[28]。但是，由于海洋-大氣耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性，也有研究指出，這樣線性分解的方式僅適用于緯向平均的大氣響應(yīng)[36-37]，而在如非洲撒哈爾地區(qū)的區(qū)域氣候?qū)ν鈴?qiáng)迫響應(yīng)的研究中并不適用[38]。因此，如何更好地解析復(fù)雜的海洋-大氣耦合過程在亞洲夏季風(fēng)對人為氣溶膠強(qiáng)迫響應(yīng)中所扮演的角色有待未來進(jìn)行更為深入和精確的探究。

2.3 LBM試驗(yàn)結(jié)果

基于CMIP6不同模式試驗(yàn)的分析結(jié)果，對偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下東亞和南亞夏季風(fēng)不同的響應(yīng)特征及其內(nèi)在的物理過程進(jìn)行了解析。對東亞夏季風(fēng)而言，不管是從輻射強(qiáng)迫和溫度的變化，還是從大氣環(huán)流和降水的變化來看，都表明偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下東亞夏季風(fēng)呈現(xiàn)出加強(qiáng)的變化趨勢。對南亞夏季風(fēng)而言，其在海洋-大氣耦合的總響應(yīng)和不考慮海洋變化調(diào)整的大氣直接響應(yīng)中表現(xiàn)出的特征存在顯著的差異。除了前文提到的海洋-大氣耦合過程在其中可能扮演的重要作用之外，最近有研究也指出，在不同的人為氣溶膠強(qiáng)迫變化特征作用下的大氣直接響應(yīng)過程中，東亞和南亞夏季風(fēng)環(huán)流也會(huì)存在一定的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫復(fù)雜的亞洲夏季風(fēng)響應(yīng)過程[39]。因此，為了能夠更精確的區(qū)分東亞和南亞兩地不同的人為氣溶膠排放變化通過大氣直接響應(yīng)過程調(diào)控亞洲夏季風(fēng)異常的物理過程，借助LBM設(shè)計(jì)兩組不同的試驗(yàn)以區(qū)分東亞和南亞人為氣溶膠排放變化對局地和非局地大氣環(huán)流異常的調(diào)控作用。

分別在東亞（100°～120°E，20°～40°N）和南亞（70°～100°E，20°～30°N）放置相同強(qiáng)度的大氣熱源和冷源強(qiáng)迫以模擬東亞人為氣溶膠排放減少和南亞人為氣溶膠排放增加所導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫變化（圖6色階區(qū)域），進(jìn)而探究二者對大氣環(huán)流異常不同的調(diào)控作用。在僅有東亞熱源強(qiáng)迫的情況下，亞洲大陸10°N以北的區(qū)域出現(xiàn)整體的、大范圍的低壓異常響應(yīng)（圖6a等值線），并出現(xiàn)從北印度洋和印度次大陸到中南半島以及南海的西風(fēng)異常響應(yīng)和沿著中國東南沿海到西北太平洋的西南風(fēng)異常響應(yīng)（圖6a矢量）。由此可以發(fā)現(xiàn)，東亞人為氣溶膠的減排不僅能通過大氣直接響應(yīng)過程導(dǎo)致東亞局地的夏季風(fēng)環(huán)流加強(qiáng)，還可以通過引起更大尺度的大氣環(huán)流異常進(jìn)而使得南亞夏季風(fēng)加強(qiáng)。

對于南亞人為氣溶膠排放增多導(dǎo)致的冷源強(qiáng)迫情況，與東亞不同的是，異常高壓的中心并不是像東亞那樣恰好出現(xiàn)在異常熱源的中心，而是出現(xiàn)在冷源北側(cè)的陸地區(qū)域（圖6b等值線），這可能是由青藏高原的動(dòng)力抬升作用導(dǎo)致的[22]。在異常高壓的南側(cè)，對流層中低層的風(fēng)場異常呈現(xiàn)出氣旋式環(huán)流的形態(tài)，顯著地削弱了南亞夏季風(fēng)（圖6b矢量）。與此同時(shí)，南亞冷源強(qiáng)迫對大氣環(huán)流異常的影響也不僅僅局限在南亞地區(qū)，大范圍陸地高壓異常的環(huán)流形式同樣可以在一定程度上導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱。

通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，對于東亞和南亞夏季風(fēng)而言，其在人為氣溶膠強(qiáng)迫下的大氣直接響應(yīng)結(jié)果不僅受局地人為氣溶膠排放的影響，還會(huì)顯著地受到非局地人為氣溶膠強(qiáng)迫的調(diào)控作用。這使得在東亞人為氣溶膠排放減少、南亞人為氣溶膠排放增加的偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下亞洲夏季風(fēng)的響應(yīng)物理過程更為復(fù)雜。進(jìn)一步通過線性疊加的方式，評估了同等強(qiáng)度的東亞熱源和南亞冷源通過大氣直接線性響應(yīng)過程對亞洲夏季風(fēng)環(huán)流異常的調(diào)控作用，結(jié)果顯示東亞夏季風(fēng)顯著加強(qiáng)并且南亞夏季風(fēng)同樣出現(xiàn)微弱的加強(qiáng)（圖6c），說明在同等強(qiáng)度的強(qiáng)迫下，東亞大氣異常加熱場引起的亞洲夏季風(fēng)環(huán)流異常要顯著地強(qiáng)于南亞大氣異常加熱場引起的亞洲夏季風(fēng)環(huán)流異常。

LBM試驗(yàn)的結(jié)果，通過去除大氣非線性動(dòng)力過程，證實(shí)了東亞和南亞夏季風(fēng)環(huán)流對偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫的穩(wěn)定線性響應(yīng)。值得注意的是，無論是觀測結(jié)果，還是CMIP6氣候模式的結(jié)果，東亞人為氣溶膠排放減少的速度顯著大于南亞人為氣溶膠排放增加的速度，由此導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫異常的強(qiáng)度和范圍在兩地也是不同的（圖2b）。因此，如何更為精確地模擬偶極子型氣溶膠排放導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫異常變化需要借助更為全面的觀測資料進(jìn)一步分析驗(yàn)證。此外，LBM試驗(yàn)的結(jié)果（圖6c）與CMIP6模式模擬的大氣直接響應(yīng)結(jié)果（圖4b）之間的差異也包含了非線性大氣動(dòng)力過程的影響。這些問題都需要在未來的研究中進(jìn)一步探索評估。

3 結(jié)論與討論

利用最新一代CMIP6模式集中不同的人為氣溶膠強(qiáng)迫模擬試驗(yàn)，分析了東亞和南亞夏季風(fēng)通過不同的物理過程對近十幾年出現(xiàn)的亞洲內(nèi)部獨(dú)特的偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫變化的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，無論是在考慮海洋-大氣耦合相互作用的區(qū)域氣候總響應(yīng)中，還是在不考慮海洋-大氣耦合過程的大氣直接響應(yīng)中，在東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化導(dǎo)致的異常大氣輻射強(qiáng)迫調(diào)控下，東亞區(qū)域地表均出現(xiàn)異常升溫的現(xiàn)象，并且從海平面氣壓、850 hPa風(fēng)場異常和降水等大氣環(huán)流異常場中均可以看到與大氣地表熱力異常相對應(yīng)的東亞夏季風(fēng)環(huán)流加強(qiáng)、降水異常增多的現(xiàn)象。對南亞夏季風(fēng)而言，其對偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫的響應(yīng)卻更為復(fù)雜，在海洋-大氣耦合的總響應(yīng)和不考慮海洋變化調(diào)整的大氣直接響應(yīng)中表現(xiàn)出的特征存在顯著的差異。在不考慮海洋-大氣耦合過程的大氣直接響應(yīng)中，偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下南亞夏季風(fēng)呈現(xiàn)出環(huán)流減弱、降水減少的變化趨勢；但在考慮海洋-大氣耦合過程的總響應(yīng)中，南亞夏季風(fēng)的異常變化表現(xiàn)出更為復(fù)雜的空間形態(tài)。這意味著，偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下，大尺度的海洋-大氣動(dòng)力耦合過程的改變可能對南亞夏季風(fēng)異常的變化起著更為重要的調(diào)控作用。此外，雖然硫化物氣溶膠和黑碳?xì)馊苣z都能夠顯著減少到達(dá)地面的太陽輻射，減少海陸熱對比進(jìn)而減弱南亞夏季風(fēng)，但考慮到二者對輻射強(qiáng)迫存在不同效應(yīng)，特別是黑碳?xì)馊苣z在改變大氣穩(wěn)定性的效應(yīng)上，也有可能說明南亞夏季風(fēng)的復(fù)雜的空間形態(tài)是二者作用相互抵消的結(jié)果[21-22，40]。

在此基礎(chǔ)之上，利用LBM試驗(yàn)進(jìn)一步探究了東亞、南亞大氣異常加熱場對整個(gè)亞洲夏季風(fēng)環(huán)流異常變化的調(diào)控作用及其二者的相對貢獻(xiàn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，東亞、南亞兩地的大氣異常加熱場除了能引起局地的夏季風(fēng)環(huán)流異常響應(yīng)外，還可以通過引起更大范圍大氣環(huán)流異常進(jìn)而引發(fā)整個(gè)亞洲夏季風(fēng)環(huán)流的異常響應(yīng)。在理想實(shí)驗(yàn)中，東亞人為氣溶膠強(qiáng)迫引起的大氣加熱場異常對整個(gè)亞洲夏季風(fēng)環(huán)流異常的調(diào)控作用要顯著地強(qiáng)于南亞人為氣溶膠強(qiáng)迫引起的大氣加熱場異常。

本文解析了在偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫下東亞和南亞夏季風(fēng)不同的響應(yīng)特征，通過研究發(fā)現(xiàn)，對于東亞夏季風(fēng)而言，其通過大氣直接響應(yīng)過程和海洋-大氣耦合過程對偶極子型人為氣溶膠強(qiáng)迫響應(yīng)的物理過程較為清晰。但值得注意的是，偶極子型氣溶膠強(qiáng)迫下，南亞夏季風(fēng)異常響應(yīng)的物理機(jī)制有待進(jìn)一步清晰明確，特別是大氣直接響應(yīng)過程[41]和海洋-大氣耦合過程對南亞夏季風(fēng)異常的相對調(diào)控作用[31-32]，有待未來的研究進(jìn)一步揭示。此外，最近也有研究表明，CMIP6氣候模式在模擬人為氣溶膠的氣候效應(yīng)時(shí)對人為氣溶膠的估計(jì)存在一定的誤差[42]，因此如何更佳地利用觀測資料約束改進(jìn)氣候模式對人為氣溶膠氣候效應(yīng)的模擬，以更好地評估人為氣溶膠強(qiáng)迫的變化對觀測的區(qū)域氣候異常的相對貢獻(xiàn)也是未來的重要研究方向。

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