东亚地区黑碳气溶胶与夏季风环流和降水的相互影响研究

Black carbon (BC) aerosol has strong ability to absorb solar short wave radiation and has ability to act as cloud condensation nuclei, leading to significant changes of global or regional climate. High levels of BC emissions due to high intensity of human activities may have considerable affections on summer monsoon over East Asia. Meanwhile, east Asian summer monsoon circulation and precipitation changes induced by BC direct/semi-direct/indirect effects will inturn alter its loading. The project aims at 1. analyzing BC data (Loading and optical depth from ground-base observation and sattlite products) and meteorological data (Cloud amounts, cloud droplet sizes, cloud water, precipitation from sattlite products and wind, pressure, humidity from NCEP reanalysis data) to understanding the interaction between BC and summer monsoon circulation and precipitation over East Asia as well as their temporal and spatial variations. 2. developing a coupled global-regional climate chemistry modeling system to access the temporal and spatial variations of BC loading and direct/indirect/BC-cloud-semidirect radiative forcing over East Asia; and to further analyze the relative contributions to the interactions between BC and east Asian summer monsoon among direct, indirect and BC-cloud semi-direct effects; and eventury to reveal the feedback mechanism between BC and summer monsoon circulation and precipitation over East Asia. Thus, providing necessary scienctific basis for the issues of the affection of human activities on East Asian summer monsoon changes.

黑碳气溶胶不但对太阳短波辐射具有很强的吸收能力，而且还能够充当云凝结核，对全球或者区域气候产生重要的影响。东亚地区高强度的人类活动导致高排放量的黑碳可能对东亚夏季风产生影响，而季风环流和降水的变化又可能反作用于黑碳。本项目旨在分析黑碳气溶胶资料（包括地面观测的浓度、光学厚度和卫星反演的光学厚度等）和气象要素资料（卫星反演云、降水资料和常规气象要素的再分析资料），认识黑碳气溶胶与东亚夏季风环流和降水的时空演变特征及其相互作用；发展耦合的全球-区域气候化学模拟系统，估算东亚地区黑碳气溶胶浓度及其直接、间接和云滴-黑碳半直接辐射强迫空间分布和时变特征，深入分析其直接、间接和云滴-黑碳半直接效应在黑碳与夏季风相互作用中的相对贡献，揭示东亚地区黑碳气溶胶与夏季风环流和降水相互作用的内在机理，为认识人类活动在东亚夏季风变化的作用上提供科学依据。

黑碳气溶胶（BC）通过直接和间接效应影响大气中的热力、动力和水循环。东亚地区黑碳排放量大，且空间分布不均匀，研究其与东亚夏季风的相互作用十分必要。通过本项目的资助，首先研究黑碳气溶胶及其直接、间接和云滴-黑碳半直接辐射强迫的时空特征；其次估算三种辐射强迫引起的区域气候效应；最后研究黑碳气溶胶与东亚夏季风的相互影响。研究结果表明：中国地区的BC主要集中在西南、华北、华中和长三角地区，年均最大地面浓度、柱含量和光学厚度分别达到14.0 μg/m3、8.0 mg/m2和0.11。BC地面浓度在夏季最小，春、秋两季相对较高。由于BC的吸收作用，导致大气顶产生正的辐射强迫，地表产生负的辐射强迫。晴空和有云大气下大气顶平均直接辐射强迫分别为1.16 W/m2和0.81 W/m2，直接辐射强迫分布与其浓度分布基本一致。BC第一间接辐射强迫在大气顶强于BC的直接辐射强迫，平均值为-0.95 W/m2，。云滴内BC导致云滴SSA减少，从而引起大气顶部正的辐射强迫，月均的辐射强迫在大气顶部约为0.04~0.096 W/m2，比BC的直接和间接辐射强迫小1个量级左右。黑碳直接效应导致中国东部年均云量和云水路径减少，总吸收的太阳辐射增加，地表温度增加、降水减少，区域平均值分别为-0.017%、-0.104 g/m2和+1.22 W/m2、0.042 K和-0.003 mm/d。BC间接效应使云量和云水增加，总吸收的太阳辐射减少，地表降温、降水减少，各量的平均值分别为+0.114%、+1.42 g/m2、-2.02 W/m2、-0.135 K和-0.06 mm/d。云滴-黑碳混合引起的半直接较之黑碳本身的其它效应弱很多，为此它对季风的影响。同时考虑BC直接和间接效应后，云量的变化受直接效应影响显著（减少），而其它要素受间接效应影响显著。黑碳的直接效应加强了东亚地区夏季陆海温度梯度，在一定程度上促进了东亚夏季风环流的发展、抑制了北方降水、加强了华南地区的降水；而黑碳气溶胶的间接效应对东亚夏季风热力和动力的影响与直接效应相反。研究表明，黑碳间接效应对东亚夏季风的影响强于直接效应，总体而言，黑碳气溶胶的综合效应对东亚夏季风起到了抑制作用。不论是黑碳的直接还是间接效应，其最终将使得黑碳浓度在夏季有所增加，尤其在中纬度地区更为显著。