亚洲地区碳气溶胶的时空特征及其直接气候效应

黄文彦,沈新勇,王勇,黄明策,4

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

2.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

3.中国科学院 大气物理研究所 云降水物理与强风暴重点实验室,北京 100029;4.广西区气象台,广西 南宁 530022)

黄文彦,沈新勇,王勇，等.2015.亚洲地区碳气溶胶的时空特征及其直接气候效应[J].大气科学学报,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).

亚洲地区碳气溶胶的时空特征及其直接气候效应

黄文彦1,2,3,沈新勇1,2,3,王勇1,2,黄明策1,2,4

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

2.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

3.中国科学院 大气物理研究所 云降水物理与强风暴重点实验室,北京 100029;4.广西区气象台,广西 南宁 530022)

摘要：利用耦合了陆面和化学过程的区域气候模式RegCM4.0,对2000—2008年亚洲地区碳气溶胶的时空分布特征及其直接气候效应进行了模拟研究。结果表明:碳气溶胶在冬夏两季主要分布于印度半岛和我国中东部地区,其中印度半岛东北部和四川盆地地区为主要的大值区。夏季随着亚洲季风的爆发和雨季的到来,碳气溶胶的含量和分布范围较冬季有明显的减弱和北移。冬季碳气溶胶对整个亚洲地区的地表主要起冷却作用,而夏季在我国的四川盆地、华北和华南等地则出现了升温现象,这种局部升温现象与黑碳的“半直接效应”密切相关。碳气溶胶对降水影响的空间分布呈现出明显的地域不一致性,对南亚夏季风有一定的增强作用。东亚和南亚地区对碳气溶胶的气候响应存在较大差异,主要表现在夏季南亚地区低层降温、中高层增温,而东亚地区的增温却主要集中在低层。

关键词：区域气候模式;碳气溶胶;直接气候效应;云水含量;夏季风

0引言

大气气溶胶主要由人类活动引入大气中,对区域和全球气候变化有重要影响。以东亚和南亚地区为代表的亚洲区域作为全球五个人为气溶胶的主要排放源区之一(Streets et al.,2003),随着这些地区气溶胶颗粒物在大气中不断增多,气溶胶将不可避免的对该区域气候特征产生重要影响(管振宇等,2013;孙一等,2015)。

碳气溶胶为大气气溶胶的重要组成部分,主要由黑碳和有机碳这两部分组成(邹长伟等,2006)。黑碳气溶胶大多来自于各种不完全燃烧过程,它能强烈吸收太阳辐射中的可见光波段和红外波段辐射,对大气起着重要的加热作用。黑碳在大气中的浓度虽然很小,但由于其对太阳光有强烈的吸收作用,因而对区域乃至全球气候都有着重要影响(Menon et al.,2002;Ramanathan and Carmichael,2009)。与黑碳相比,有机碳的来源更加复杂,主要是由燃料不完全燃烧而形成的一次有机碳和某些挥发性有机物通过化学反应形成的二次有机碳组成。有机碳的光学特性与黑碳有明显不同,它对太阳辐射主要起散射作用。具有不同特性的气溶胶对气候的综合影响并不是各要素简单的线性叠加,而是取决于它们之间相互混合后的综合辐射特性(Liu et al.,2009;宿兴涛等,2010a),因此将吸收性的黑碳气溶胶和散射性的有机碳气溶胶综合起来考虑具有重要的科研价值和现实意义。

许多专家和学者都曾使用气候模式来研究碳气溶胶对气候造成的影响。Lau and Kim(2006)、Lau et al.(2006) 使用有限元大气环流模式,研究发现黑碳等吸收性气溶胶在季风前期堆积于青藏高原南北坡,在抬升过程中对大气强烈的加热导致南亚地区雨季提前和随后夏季风增强,并通过观测资料验证了上述结果。Meehl et al.(2008) 利用全球气候耦合模式,模拟得出黑碳气溶胶在季风期引起喜马拉雅山地区降温,导致南亚地区和中国的季风降水减少。Zhang et al.(2009) 使用CAM3得出碳气溶胶对东亚夏季气候有显著影响,它造成了中国南部和印度地面温度升高、总云量和降水减少,但在中国北方和孟加拉国则出现了相反的气候效应。通过以上研究可以看出碳气溶胶对气候变化的重要性,但是在这些研究中仍然存在很大的不确定性和不一致性,因此很有必要对上述问题进行进一步研究。另外,上述研究都使用了全球气候模式,由于其分辨率较低,很难表现出亚洲地区复杂的地形特点,分辨率更高的区域气候模式则对亚洲季风气候有更好的模拟能力(Zhou and Yu,2006;Gao et al.,2008)。

本文使用耦合了陆面和化学过程的区域气候模式RegCM4.0,模拟了近十年来亚洲地区碳气溶胶的时空分布及其对该地区地面气温、降水和夏季风的影响,同时也给出了东亚和南亚地区气候响应的一些差异,并着重分析了产生上述影响的一些可能原因。

1模式介绍和试验设计

1.1　模式介绍

本文所使用的RegCM4.0模式(Giorgi et al.,2012)是意大利国际理论物理研究中心在第一代区域气候模式RegCM基础上不断发展和改进而来的新一代区域气候模式。相比其前一版本RegCM3,新版本中最主要的特点是耦合了公用陆面模式CLM3.5,从而更加准确地表示大气和陆面之间的物质和能量交换。除此之外,RegCM4.0对耦合的沙尘和化学模块也有所改进。

耦合的气溶胶模块是在Solmon et al.(2006) 的黑碳和有机碳相混合的参数化方案的基础上发展而来,并假定两者是外部混合颗粒物。由于碳颗粒物的吸湿性在气溶胶清除过程和光学特性中具有重要作用,该方案把碳气溶胶分为亲水性和厌水性两种状态,并按照Cooke et al.(1999) 方法,假定亲水性黑碳和厌水性黑碳的比例为1∶4;亲水性有机碳和厌水性有机碳的比例为1∶1。气溶胶的预报方程主要包含了大尺度环流的传输、扰动扩散、积云传送、干沉降、大尺度降水和积云降水的湿清除以及不同物质之间的物理化学转换过程,并使用CCM3辐射转换方案(Kiehl et al.,1996)来计算碳气溶胶的直接辐射效应。气溶胶的辐射特性由单次散射反照率、消光系数和不对称因子等物理量描述。

1.2　气溶胶排放资料

模式计算使用的气溶胶排放资料是由日本全球变化前沿研究中心制作的亚洲区域排放清单(Ohara et al.,2007),该排放清单覆盖了亚洲地区的24个国家,其中中国、印度、日本和巴基斯坦等国家是基于区域层面之上进行评估,其余一些国家则为国家层面上的评估。该排放资料包含了1980—2020年各种人类活动所产生的NOx、SO2、CO、BC、OC等物质,其中1980—2003年的源强数据是依据当年实际排放量进行估算得到的,2004—2009年的源强数据是通过线性差值获得的,2010—2020年的源强数据是根据三种不同的排放情景预测得到的。这一排放清单曾被吉振明等(2010)、Ji et al.(2011)和陈明诚等(2014)用于模拟人为气溶胶对亚洲地区气候的影响,本文利用排放清单中1999—2008年的碳气溶胶(BC和OC)数据,该数据主要考虑了燃料的燃烧和一些工业源的排放过程,但不包含野外生物质燃烧等自然排放的碳气溶胶。

1.3　试验方案设计

本文共设计了2组试验,在控制试验(CON)中考虑了黑碳和有机碳气溶胶的辐射效应;而在敏感性试验(SEN)中则去除了黑碳和有机碳气溶胶的影响,CON与SEN结果的差异体现了碳气溶胶的气候效应。

两组试验的模拟中心位于99°E、32°N,水平x方向网格点数为192,水平y方向网格点数为160,水平网格距为50 km。图1为模式的模拟区域,模拟基本覆盖了整个亚洲地区和邻近的海域。模式在垂直方向有18层,层顶高度为5 hPa。在模式的物理过程参数化方案中,辐射方案选择NCAR CCM3方案,积云对流参数化方案选择Grell方案,大尺度降水方案选择Subex方案,行星边界层方案选择Holtslag方案,海洋通量参数化方案选择Zeng方案,陆面过程则用耦合的陆面模式代替BATS模式。模拟时间从1999年12月1日至2009年1月1日,其中的第一个月作为模式的Spin-up时段。本文主要分析2000—2008年间冬季(DJF)及夏季(JJA)的模拟情况。模式初始场和边界条件来自于NCAR/NCEP再分析资料,海温场则使用美国海洋大气局的最优差值表层海温资料。

图1　模拟区域和地形高度示意图(单位:m)Fig.1　Schematic diagram of simulation domain and terrain height(units:m)

2结果分析

2.1　碳气溶胶分布

图2给出了模式模拟出的冬季和夏季黑碳、有机碳柱含量空间分布,可以看出,碳气溶胶在冬季和夏季都主要分布在印度半岛和我国中东部地区。冬季,黑碳气溶胶的高值区主要位于印度半岛的东北部和四川盆地,数值在2.7 mg·m-2以上,在我国华中地区存在次大值区。夏季,随着东亚和南亚雨季的到来,由降水引起的气溶胶湿沉降显著增加,导致了高值区的柱含量减少。与此相反的是华北地区黑碳柱含量较冬季有所增加,考虑到模式所使用的排放源没有季节变化,造成这种现象的可能原因是来自海洋上的偏南夏季风(图略)将大量的黑碳气溶胶向华北地区输送。在这股偏南气流的输送下,整个亚洲地区黑碳气溶胶的北缘也明显的向北推进。

有机碳与黑碳气溶胶相比,无论冬季还是夏季,其柱含量明显大于黑碳气溶胶。冬季,有机碳气溶胶的大值区主要分布在印度半岛东北部,我国有机碳柱含量明显小于印度地区,这与宿兴涛等(2010b)模拟得出的结果相似。我国冬季有机碳主要分布在南方,其中四川盆地和华中地区为大值中心。夏季,与黑碳气溶胶相似,有机碳也有明显的减弱和北移。

为了定量的比较南亚和东亚地区碳气溶胶分布的差异,选取南亚(SA)和东亚(EA)2个气溶胶分布密集区:SA(70～90°E,20～35°N),EA(105～120°E,20～45°N)。表1给出了这2个区域平均黑碳和有机碳柱含量,冬季南亚黑碳柱含量要大于东亚,而夏季东亚黑碳柱含量比南亚要大;南亚地区有机碳气溶胶在冬夏两季浓度均大于东亚地区,其中冬季浓度为东亚地区两倍以上,夏季则有所减小。此外,南亚地区黑碳与有机碳的柱含量比值与东亚也有所不同,南亚地区黑碳柱含量为有机碳的1/4,而东亚则为一半左右。

2.2　碳气溶胶对地面气温的影响

碳气溶胶的引入对太阳辐射有直接强迫作用,因此必然会引起地面气温的变化。图3给出了晴空条件下气溶胶在地表的直接短波辐射强迫量,由图可知碳气溶胶引起亚洲地区大部分区域负短波辐射

强迫,这主要是因为吸收性黑碳气溶胶和散射性有机碳气溶胶都可以阻碍太阳辐射到达地面,从而产生“遮阳效应”(Stanhill and Cohen,2001)。气溶胶浓度与其造成的负短波辐射强迫有较好的对应关系,负短波辐射强迫的大值区主要位于碳气溶胶浓度较高的印度半岛北部和我国四川盆地。图4为气溶胶引起的地表气温变化。可以看出,冬季碳气溶胶对地表有明显的冷却作用,这与碳气溶胶造成的负的短波辐射强迫相吻合。其中在印度半岛的中部、北部,中南半岛和我国季风区出现了较大幅度的降温,其数值大多在0.25 ℃以上,且在印度半岛北部和中南半岛西部通过了α=0.05的显著性检验。

表1各物理量的区域平均值

Table 1Area average of physical quantities

季节区域黑碳柱含量/(mg·m-2)有机碳柱含量/(mg·m-2)地面气温变化/℃降水变化/%整层积分云水含量变化/(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

图3　模拟的晴空条件下冬季(a)和夏季(b)平均地表短波辐射强迫分布(单位: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)

图4　冬季(a)和夏季(b)CON与SEN的地表气温差异(单位:℃;线阴影区表明通过α=0.05的显著性检验)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)

夏季在印度半岛和中南半岛等负短波辐射强迫区域依旧出现强的降温,其中印度半岛北部温度下降幅度在0.5 ℃以上。但在我国四川盆地、华北和华南等地却出现了升温现象,其中四川盆地升温普遍达到了0.5 ℃。这是因为上述地区除受碳气溶胶直接短波辐射强迫影响外,同时还明显受到黑碳的“半直接效应”(Hansen et al.,1997)影响。夏季云量较冬季明显增多,吸收性黑碳气溶胶加热大气后会使云水蒸发,导致云覆盖面积减小。云量的减少就会间接引起到达地面的太阳辐射增多,使得地表气温升高(Zhang et al.,2009)。夏季气溶胶引起的温度变化在印度半岛北部和我国四川盆地通过了α=0.05的显著性检验。本文得出的夏季我国南方地区的升温和中南半岛的降温与Zhang et al.(2009)模拟结果基本一致,但在印度半岛出现较大差异。

从表1可以看出,无论是冬季还是夏季,碳气溶胶在南亚地区的冷却作用较东亚地区更为显著。另外,南亚地区夏季地表冷却程度比冬季要大,但在东亚却有所不同,从冬季到夏季,该地区经历了从冷却作用向加热作用的转换。总的来说,冬夏季温度响应大值区与碳气溶胶的分布大值中心相对应,其中在冬季,响应在不同区域表现基本一致,但在夏季,响应在不同区域有明显差异。

2.3　碳气溶胶对降水的影响

图5a给出了气溶胶引起的冬季降水的变化,由图可知碳气溶胶的加入使我国普遍出现降水的减少,其中在华北、江淮和西南地区降水的减少幅度都在10%以上,与我国降水大幅减少相反,在印度半岛北部、南部和中南半岛降水都出现了增多的趋势。在这些降水有大幅变化的区域,中南半岛和我国华北等地区通过了α=0.05的显著性检验。

图5　冬季CON与SEN的降水差异(a;单位:%;线阴影区表示通过α=0.05的显著性检验)、整层积分云水含量差异(b;单位:10-2 kg·m-2)以及850 hPa风场(箭矢;单位:m·s-1)和温度(等值线;单位:℃)差异(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

为了分析不同地区降水变化的差异,图5b给出了由气溶胶引起的冬季整层积分云水含量的变化。吸收性黑碳气溶胶的“半直接效应”会使云水蒸发,从而导致降水减少。图5b表明,在我国降水减少的地区都出现了整层积分云水含量减少的现象,这与黑碳的“半直接效应”密切相关。但是在印度半岛和中南半岛并没有出现整层积分云水含量减少的现象,这可能是因为碳气溶胶的引入也改变了水平风场和垂直风场,这些气象要素场的变化也会引起云水含量的变化。

如上节所述,气溶胶会导致气温变化,气温的变化必然会引起风场的变化,而风场的变化又会间接使降水发生变化。图5c为由气溶胶引起的冬季850 hPa风场和温度的变化。可见,我国大部分地区850 hPa风场变化都很小,因此对降水变化的贡献也不大。但在印度半岛地区,西部阿拉伯海有小幅升温,东部中南半岛有较大幅度的降温,升温会导致气压的下降,降温会导致气压的上升。根据地转风关系,印度半岛就会出现一股偏南风距平,从而能把阿拉伯海和孟加拉湾的水汽向印度半岛输送,对该地区降水的增多起了重要作用。同时,在印度的西北部出现气旋式风场距平,会使该地区上升运动增强,随之降水也会加强。

与冬季降水变化相比,夏季降水变化范围更广。如图6a所示,夏季整个亚洲地区降水都出现了很大的变化。在我国辽东半岛、华北、四川盆地和西南地区这一东北西南向的大片带状区域上都出现了降水的大幅减少,其中很多地方减少幅度达到25%以上。但与此相反的是,在东部沿海省份和内蒙西部则出现降水增加的现象。除了我国降水出现变化以外,在印度半岛西北部、中南半岛西部均出现了降水的增加。与冬季相比,夏季降水变化通过显著性检验的区域显著增多,上述所涉及的降水大幅变化区域基本都通过α=0.05的显著性检验。本次模拟得出的我国和中南半岛夏季降水变化与Zhang et al.(2009) 所得结论基本一致,但在印度半岛出现较大差异。

图6　夏季CON与SEN的降水差异(a;单位:%;线阴影区表示通过α=0.05的显著性检验),整层积分云水含量差异(b;单位:10-2 kg·m-2),70～100°E(c)、100～130°E(d)纬向平均CON云水含量(阴影;单位:10-5 kg·kg-1)及CON与SEN温度差异(等值线;单位:℃)的纬度—高度剖面,以及CON与SEN的850 hPa风场(箭矢;单位:m·s-1)和温度(等值线;单位:℃)差异(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

与冬季相似,分析整层积分云水含量的变化。如图6b所示,在辽东半岛和四川盆地都出现了云水含量的减少,这对该地区降水的减少起到了至关重要的作用,而在其他地区云水含量变化幅度不大或有小幅的增加。为了详细分析云水含量变化的地区差异性,图6c、d分别给出了夏季70～100°E、100～130°E纬向平均CON云水含量和CON与SEN温度差异纬度—高度剖面。从图中可以看出,南亚地区15～35°N在 800 hPa高度以下出现了较大降温,降温幅度在0.16 ℃以上,这就不会出现类似于黑碳气溶胶通过加热大气而引起云水蒸发的现象。与南亚地区相比,东亚地区温度变化的垂直分布表现出明显的不同,20～35°N在800 hPa高度以下出现了温度的升高,而且在这一温度升高地区对应着云水含量大值区,于是类似黑碳气溶胶加热大气引起云水蒸发的现象就会出现,从而使得该地区降水减少。

图6e给出了由气溶胶引起的夏季850 hPa风场和温度的变化,变化幅度比冬季大。在40°N以北和中南半岛地区普遍降温,而我国南方地区则普遍升温,升温会导致气压的下降,降温会导致气压的上升。根据地转风关系,我国华北地区出现东风,华南地区出现西风,这对我国东部沿海地区气旋式环流距平的形成起到了重要作用。与我国东部沿海地区相似,在印度西北部、巴基斯坦东南部、内蒙西部也出现了较强的气旋式环流距平,这对上述地区降水增多起到了一定的作用,而辽东半岛上的反气旋式环流距平则会抑制该地区的降水。另外,在印度的中南部和中南半岛南部都出现了较强的西风距平,将大量水汽从阿拉伯海和孟加拉湾输送到印度半岛和中南半岛,对这些地区降水增多起到了重要作用。

由表1可知,碳气溶胶引起的降水变化在南亚和东亚地区有明显差异。在南亚,冬季和夏季区域平均降水都增多,而在东亚,则恰好相反。整层积分云水含量的变化与降水变化有很好的对应关系,云水含量增多,降水也增多,反之亦然。

总的来说,降水响应在不同地区的变化很大,这与碳气溶胶引起的温度垂直变化有密切关系。与温度响应相比,最大差异在于夏季降水在气溶胶分布较少区域也能出现很大的响应。这主要是因为温度变化直接受到气溶胶的辐射效应影响,只有在气溶胶分布大值区才会出现较大的辐射强迫,进而引起温度变化。但降水变化是间接受到气溶胶引起的水平和垂直风场等因素变化的影响,因此在气溶胶分布较少地区,这些因素也会出现较大变化。

2.4　碳气溶胶对南亚夏季风环流的影响

图7给出了夏季CON与SEN的70～90°E纬向平均温度和经向环流差异的纬度—高度剖面。可见,夏季黑碳气溶胶在青藏高原南麓堆积(图2b),大量吸收太阳辐射从而加热了地面上方的大气,被加热的大气能引起空气的上升运动,在700 hPa高度以下尽管由于“遮阳效应”出现温度的降低,但上升气流能顺利绕过该冷却层而不受其影响。此外,从图6e中可看出有一股强的西南气流距平把阿拉伯海的暖湿空气向印度次大陆输送。在这两者共同作用下,南亚夏季风很可能会得到加强。这与Lau and Kim(2006)、Lau et al.(2006)、Ji et al.(2011)和王志立等(2009)结果基本一致,而与Meehl et al.(2008)所得结果相反。

图7　夏季CON与SEN的70～90°E纬向平均温度(单位:℃)和经向环流(箭矢;单位:m·s-1)差异的纬度—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

为了进一步证明碳气溶胶对南亚夏季风有明显的增强作用,对南亚地区碳气溶胶和气象要素场进行合成分析。图8为模拟得出的南亚地区区域平均(70～90°E,25～35°N)碳气溶胶柱含量距平的逐年变化,可以看出碳气溶胶含量基本呈现出逐年减少的趋势。把0.5倍的标准差作为划分气溶胶含量高值年与低值年的标准,由图8可知在模拟的9 a中,有3 a为气溶胶柱含量高值年(2000,2001,2002年),另有3 a为气溶胶柱含量低值年(2004,2006,2007年)。

图8　2000—2008年南亚地区区域平均碳气溶胶柱含量距平(虚线为0.5倍标准差)Fig.8　Area average column burden anomaly of carbon aerosols in South Asia during 2000—2008(dashed line:0.5 times standard deviation)

图9a给出了南亚地区碳气溶胶柱含量高值年与低值年海平面气压场合成差异,如图所示,在整个印度半岛地区都出现了海平面气压场的负变化,且在半岛的西侧存在气压变化的大值区,其值在1.5 hPa以上。同时也使用了t检验的方法对所得结果进行显著性检验,由上图可知在印度半岛西南部、阿拉伯海东部和孟加拉湾南部地区都通过了α=0.05的显著性检验,可见海平面气压场与气溶胶浓度之间存在一定联系。

图9　夏季南亚地区碳气溶胶柱含量高值年与低值年的海平面气压场差异(a;单位:hPa)和850 hPa风场差异(b;单位:m·s-1)(阴影区表示通过α=0.05的显著性检验)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,对850 hPa风场进行合成分析,图9b为南亚地区碳气溶胶柱含量高值年与低值年850 hPa风场合成差异,随着气压的下降,印度半岛地区存在气旋式环流距平,在该环流的南侧有较强的西风气流距平,而南亚夏季风在低层主要表现为强的偏西气流,因此碳气溶胶浓度的增加,可能会造成南亚地区夏季偏西气流的增强,从而造成夏季风的加强。此外,和气压下降中心相对应,在印度半岛的西北侧有一较强的气旋式环流距平闭合中心,这一强的气旋式环流距平也可能会使得该地区垂直上升运动加强,从而引起夏季风的加强。与海平面气压场的合成分析一致,也使用了t检验的方法对850 hPa风场合成差异进行显著性检验,与海平面气压场相比,通过显著性检验的区域明显减少,只有在印度半岛西北部分地区通过了α=0.05的显著性检验。

3结论与讨论

使用了耦合陆面和化学过程的区域气候模式RegCM4.0,对2000—2008年亚洲地区碳气溶胶的时空分布特征和直接气候效应进行了模拟研究,得出以下结论:

1)碳气溶胶在冬夏两季主要分布于印度半岛和我国中东部地区,其中印度半岛东北部和四川盆地地区为主要的大值区。夏季随着亚洲季风的爆发和雨季的到来,碳气溶胶较冬季有明显的减弱和北移。黑碳柱含量冬季南亚地区要大于东亚地区,而夏季相反;有机碳气溶胶在冬、夏季都是南亚地区的柱含量大于东亚地区。

2)冬季碳气溶胶对整个亚洲地区的地表主要起冷却作用,夏季在我国的四川盆地、华北和华南等地出现了升温现象,这种局部升温现象与黑碳的“半直接效应”密切相关。

3)对降水影响上,冬季碳气溶胶使我国普遍出现了降水的减少,而在印度半岛北部、南部和中南半岛出现了降水增多的趋势;夏季在我国辽东半岛、华北、四川盆地和西南地区这一东北西南向的大片带状区域上都出现了降水的大幅减少,而在东部沿海省份和内蒙西部则出现降水的增加,另外在印度半岛西北部、中南半岛西部也都出现了降水的增加。此外,碳气溶胶对南亚夏季风有一定的增强作用。

4)东亚和南亚对碳气溶胶的气候响应存在较大差异,主要表现在夏季南亚地区低层降温、中高层增温,而东亚地区增温却主要集中在低层。

参考文献(References)：

陈明诚,孙照渤,沈新勇,等.2014.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[J].大气科学学报,37(4):395-404.Chen Mingcheng,Sun Zhaobo,Shen Xinyong,et al.2014.Simulation of anthropogenic aerosols’ effect on East Asia summer monsoon in recent 22 years [J].Trans Atmos Sci,37(4):395-404.(in Chinese).

Cooke W F,Liousse C,Cachier H,et al.1999.Construction of a 1°×1° degree fossil fuel emission data set for carbonaceous aerosol and implementation and radiative impact in the ECHAM4 model[J].J Geophys Res,104:22137-22162.

Gao X J,Shi Y,Song R,et al.2008.Reduction of future monsoon precipitation over China:Comparison between a high resolution RCM simulation and the driving GCM[J].Meteor Atmos Phys,100:73-86.

Giorgi F,Coppola E,Solmon F,et al.2012.RegCM4:Model description and preliminary tests over multiple CORDEX domains[J].Climate Res,52:7-29.

管振宇,管兆勇,蔡佳熙,等.2013.华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征及其与气溶胶的联系[J].大气科学学报,36(6):734-741.Guan Zhenyu,Guan Zhaoyong,Cai Jiaxi,et al.2013.Mean climatology and interannual variations of the atmospheric stability of planetary boundary layer in the eastern China during boreal summer [J].Trans Atmos Sci,36(6):734-741.(in Chinese).

Hansen J,Sato M,Ruedy R.1997.Radiative forcing and climate response[J].J Geophys Res,102(D6):6831-6864.

Ji Z,Kang S,Zhang D,et al.2011.Simulation of the anthropogenic aerosols over South Asia and their effects on Indian summer monsoon[J].Climate Dyn,36:1633-1647.

吉振明,高学杰,张冬峰,等.2010.亚洲地区气溶胶及其对中国区域气候影响的数值模[J].大气科学,34(2):262-274.Ji Zhenming,Gao Xuejie,Zhang Dongfeng,et al.2010.Simulation of the aerosols over Asia and its climate effect on China [J].Chinese J Atmos Sci,34(2):262-274.(in Chinese).

Kiehl J T,Hack J J,Bonan G B,et al.1996.Description of the NCAR community climate model (CCM3)[R]//NCAR technical Note:152.

Lau K M,Kim K M.2006.Observational relationships between aerosol and Asian monsoon rainfall,and circulation[J].Geophys Res Lett,33:L21810.doi:10.1029/2006GL027546.

Lau K M,Kim M K,Kim K M.2006.Asian summer monsoon anomalies induced by aerosol direct forcing:The role of the Tibetan Plateau[J].Climate Dyn,26:855-864.

Liu Y,Sun J R,Bai Y.2009.The effects of black carbon and sulphate aerosols in China regions on East Asia monsoons[J].Tellus B,61:642-656.

Meehl G A,Arblaster J M,Collins W D.2008.Effects of black carbon aerosols on the Indian monsoon[J].J Climate,21:2869-2882.

Menon S,Hansen J,Nazarenko L,et al.2002.Climate effects of black carbon aerosols in China and India[J].Science,297:2250-2253.

Ohara T,Akimoto H,Kurokawa J,et al.2007.An Asian emission inventory of anthropogenic emission sources for the period 1980—2020[J].Atmos Chem Phys,7:4419-4444.

Ramanathan V,Carmichael G.2009.Global and regional climate changes due to black carbon[J].Nature Geosci,1:221-227.

Solmon F,Giorgi F,Liousse C.2006.Aerosol modeling for regional climate studies:Application to anthropogenic particles and evaluation over a European/Africa domain[J].Tellus B,58:51-72.

Stanhill G,Cohen S.2001.Global dimming,a review of the evidence for a widespread and significant reduction in global radiation with a discussion of its probable causes and possible agricultural consequences[J].Agric For Meteorol,107:255-278.

Streets D G,Bond T C,Carmichael G R,et al.2003.An inventory of gaseous and primary aerosol emissions in Asia in the year 2000[J].J Geophys Res,108:8809.doi:10.1029/2002JD003093.

宿兴涛,王汉杰,周林.2010a.中国碳气溶胶时空分布与辐射强迫的数值模拟[J].解放军理工大学学报,11(3):365-370.Su Xingtao,Wang Hanjie,Zhou Lin.2010a.Simulation on temporal and spatial distribution and direct radiative forcing of carbonaceous aerosols over China [J].Journal of PLA University of Science and Technology,11(3):365-370.(in Chinese).

宿兴涛,王汉杰,周林.2010b.中国有机碳气溶胶时空分布与辐射强迫的模拟研究[J].热带气象学报,26(6):765-772.Su Xingtao,Wang Hanjie,Zhou Lin.2010b.A simulation study on temporal and spatial distribution characteristics and radiative forcing of organic carbon aerosols in China [J].J Trop Meteor,26(6):765-772.(in Chinese).

孙一,管兆勇,马奋华,等.2015.夏季东亚地区AOD与地面太阳辐射变化的联系及季风环流异常:季节趋势影响[J].大气科学学报,38(2):165-174.Sun Yi,Guan Zhaoyong,Ma Fenhua,et al.2015.Linkage between AOD and surface solar radiation variability in association with East Asian summer monsoon circulation changes:Role of seasonal trends [J].Trans Atmos Sci,38(2):165-174.(in Chinese).

王志立,张华,郭品文.2009.南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响[J].高原气象,28(2):419-424.Wang Zhili,Zhang Hua,Guo Pinwen.2009.Effects of black carbon aerosol in South Asia on Asian summer monsoon [J].Plateau Meteor,28(2):419-424.(in Chinese).

Zhang H,Wang Z,Guo P,et al.2009.A modeling study of the effects of direct radiative forcing due to carbonaceous aerosol on the climate in East Asia[J].Adv Atmos Sci,26(1):57-66.

Zhou T J,Yu R C.2006.Twentieth century surface air temperature over China and the globe simulation by coupled climate models[J].J Climate,19(22):5843-5858.

邹长伟,黄虹,曹军骥.2006.大气气溶胶含碳物质基本特征综述[J].环境污染与防治,28(4):270-274.Zou Changwei,Huang Hong,Cao Junji.2006.Review on basic characteristic of aerosol carbonaceous [J].Environmental Pollution and Control,28(4):270-274.(in Chinese).

(责任编辑：刘菲)

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

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0448-10P401

文献标志码：A

通信作者：沈新勇,博士,教授,研究方向为中尺度气象学及气溶胶的气候效应,shenxy@nuist.edu.cn.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB403405;2015CB453201);国家自然科学基金资助项目(41375058;41175065);江苏高等学校优秀科技创新团队计划项目(PIT2014)

收稿日期：2013-01-13；改回日期：2013-06-06