混合状态在气溶胶影响东亚季风中的不确定性研究

Interaction between aerosols and East Asian monsoon is being one of foreland researches in the fields of air pollutions and climate changes. High level of aerosol is emitted to the atmosphere with complicated compositions in East Asia. East Asian monsoon might significantly affected due to the aerosol radiative forcing, which would in turn redistributed the air pollutants. Researches implied that large uncertainties of simulated aerosol direct radiative forcing still exist owing to the aerosol mixtures, which could further induce large uncertainties in estimating the effects of aerosols on East Asian monsoon. Thus, based on the achievement that have been acknowledged, the project aims at: 1. Further develop and perfect the online coupled regional climate chemistry model RegCCMS, including adding the aging processes of black carbon aerosol and improving the internally mixing states of all aerosols, to address the mixed aerosols' issues on climate changes. 2. Estimate the optical properties, direct radiative forcing and regional climate effects of aerosols with different mixing states over East Asia using RegCCMS, combining with satellite and ground-based remote sensing products of the aerosols. 3. Reveal the roles of different aerosol mixtures in the effects of aerosols on East Asian summer and winter monsoons. Thus, futher evaluate the uncertainties of aerosol mixing states in these effects over East Asia, as well as the differences of the uncertainties between in strong-monsoon years and weak-monsoon years. It's believed that the results of the study here will be in favor of in-depth understanding the physical mechanisms of the aerosols' influences on monsoon climate, and will provide scientific references for the reduction of the uncertainties in the interaction between aerosol and East Asian monsoon.

气溶胶与东亚季风相互作用是当前空气污染与气候变化研究领域中重大科学前沿问题。东亚地区气溶胶的排放强度大且成分复杂，其可通过改变地气系统的辐射平衡影响东亚季风，进而对大气污染物进行再分配。研究表明，目前对气溶胶直接辐射强迫的估算还存在较大的不确定性，其中对气溶胶混合状态考虑不足是造成这一不确定性的主要原因之一，而这又将引起气溶胶对东亚季风影响的不确定性。因此，本项目旨在基于已有的研究基础上，进一步发展区域气候-化学耦合模式RegCCMS，引入黑碳气溶胶的老化过程和完善气溶胶的内部混合方案；结合卫星和地基遥感的气溶胶资料估算东亚地区不同混合状态气溶胶的光学特性、辐射强迫和气候效应；揭示不同混合状态气溶胶对东亚冬、夏季风的影响，评估气溶胶的混合状态在该影响中的不确定性及其在强弱季风年间的差异。从而深化对气溶胶影响东亚季风气候物理机制的认识，为减少气溶胶与东亚季风相互作用研究中的不确定性提供参考。

气溶胶与东亚季风相互作用是当前空气污染与气候变化研究领域中的重大前沿科学问题，关于气溶胶直接效应引起的东亚季风响应及其对大气污染物浓度的反馈研究还存在一定的不确定性，其中对气溶胶的混合状态考虑不足是造成这一不确定性的主要原因之一。本项目首先基于观测和多平台资料的收集，揭示了长三角、东亚地区气溶胶及其光学特性的基本特征；其次，发展和完善了区域气候-化学耦合模式在气溶胶混合状态方面的模拟能力；第三，量化了冬、夏季东亚地区气溶胶不同混合状态下的光学特性和辐射强迫；第四，定量评估了东亚地区不同混合状态下气溶胶与东亚季风的相互作用及其在强、弱季风年上的差异。研究结果表明：长三角城市地区气溶胶的光学特性参数和直接辐射强迫具有明显的日变化和季节变化特征，该地区细模态的散射和吸收气溶胶分别占对应类型总量的81.97%和56.09%；以黑碳气溶胶为主的混合气溶胶约占27%；晴空条件下气溶胶的直接辐射强迫为-10.69 W/m2。东亚地区气溶胶的空间分布很不均匀，其在城市地区的光学厚度高于郊区，陆上气溶胶的吸收性较强。气溶胶的光学特性和辐射强迫对混合状态非常敏感，内部混合下其单次散射反照率要比外部混合下的小28%以上；黑碳气溶胶可极大的削弱散射气溶胶的冷却效应，其发生内部混合后，导致东亚地区平均有效辐射强迫增加了约2.0 W/m2。混合状态导致的东亚地区气溶胶有效辐射强迫的不确定性在冬季和夏季分别为31.12%和21.23%。人为气溶胶直接效应对东亚季风的影响与黑碳气溶胶类似，其造成了冬、夏季低层大气气温上升、云量减少、中低纬度南风加强，并引起高层大气反气旋性环流异常，从而抑制（促进）了东亚冬（夏）季风环流发展，并导致了污染物在大气中进一步累积，这一相互作用具有显著的年际差异。不同气溶胶混合状态导致东亚季风区低层大气气象要素和气溶胶响应的不确定性多数超过了10%，其中在有的季节平均风速和温度响应的不确定性超过40%。冬季风强年，混合状态引起的季风响应的不确定性小于弱年，夏季则刚好相反。研究结果进一步表明了混合状态在准确评估区域大气污染与气候变化方面的重要性，并可为减少气溶胶区域气候效应研究中的不确定性提供科学参考。