亚洲地区人为气溶胶对东亚冬季风影响的研究

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM4.0,研究亚洲地区硫酸盐、黑碳和有机碳3种人为气溶胶的直接气候效应对东亚冬季风的影响;并运用相关分析与合成分析方法,研究了东亚人为气溶胶主要分布区中人为气溶胶浓度变化对东亚冬季风的影响。结果表明:人为气溶胶对东亚热带和副热带冬季风均起增强作用;人为气溶胶使得中国南方东部地区的冬季降水减少。2000—2007年,秋、冬季东亚人为气溶胶主要分布区中,人为气溶胶总体呈现减少的趋势,分别导致了东亚冬季风建立的推迟和东亚冬季风的减弱。相关分析和合成分析也表明:在东亚人为气溶胶主要分布区中的人为气溶胶柱浓度含量增加,东亚冬季风的建立提前并且东亚冬季风加强,反之亦然。人为气溶胶引起陆地地表降温,而对海洋温度几乎没有影响,使低层海陆温差加大,从而导致低层海陆气压差加大,东亚冬季风的增强可能与此有关。     

人为气溶胶对中国东部冬季风影响的模拟研究

采用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1研究了人为气溶胶排放增加对中国东部冬季风的影响,同时通过对比中国东部地区不同人为气溶胶排放源的敏感性试验结果,探讨了人为硫酸盐、黑碳及总人为气溶胶(硫酸盐+黑碳)增加对东亚冬季风的影响。结果表明:冬季硫酸盐气溶胶排放增加的直接和第一间接效应减少了到达地表的短波辐射通量,引起了陆地地表和对流层低层降温,海平面气压升高,增加了海陆间气压梯度,使得东亚冬季风增强。其第二间接效应导致中国南部大尺度降水率减少;黑碳气溶胶排放增加导致到达地表的短波辐射通量减少和大气中短波辐射通量增加,其半直接效应部分抵消了直接效应,故地表温度变化微小且不显著。加热的对流层低层导致中国南部对流活动和对流降水率增加;总人为气溶胶排放增加导致的大气温度变化表现为弱的降温作用,引起中国北部对流和大尺度降水率减少,而南部对流降水率增加。总人为气溶胶和黑碳气溶胶排放增加是导致中国北(南)部的东亚冬季风增强(减弱)的重要因素。     

东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫及其气候效应的数值模拟

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM3,模拟研究3种主要人为排放气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳)对东亚区域气候的影响.计算分析近20 a来3种气溶胶的时空分布、综合辐射强迫作用及其对地面气温和降水的影响.模拟结果表明:3种气溶胶冬夏季分布有所不同,冬季气溶胶大值区主要分布在南方地区,而夏季大值区北移;气溶胶短波辐射强迫在大气层顶和地面均为负值;气溶胶的加入对东亚地区地表气温有明显影响,冬季降温中心位于四川盆地,夏季降温大值区位于华北地区.气溶胶直接气候效应使得冬季东亚大部分地区降水减少,夏季东亚地区降水与中国南方地区夏季气溶胶浓度有较好的相关关系,中国东部雨带有南移趋势.     

中国地区黑碳气溶胶直接辐射效应的数值模拟研究

利用意大利国际理论物理研究中心（ICTP）提供的2000年各月气溶胶资料（包括人类活动和生物质燃烧所产生的气溶胶）,使用并行版本区域气候模式RegCM3,研究了黑碳气溶胶对中国区域气候的影响。结果表明,引入黑碳气溶胶后,冬、夏季中国大部分地区大气顶出现了正辐射强迫,其分布与垂直负荷分布基本相似。在仅考虑黑碳气溶胶的直接辐射效应时,中国大部分地区冬、夏季地面气温呈下降趋势,降温的高值区均位于中国东南部,冬季最大降温幅度约为0．9℃,夏季最大降幅约为2．4℃,夏季降温幅度明显大于冬季。相对于温度变化,黑碳气溶胶引起的降水变化较为复杂,无论是冬季还是夏季,降水量减小的区域均大于增加区。冬季降水量最大减幅约为20mm,夏季降水量最大减幅超过100mm,夏季降水量减幅明显大于冬季。冬、夏季仅西北和华南部分地区降水量有所增加。冬季中国大部分地区痕量降水和弱降水日数呈增加趋势;夏季黄河以北中国北方地区痕量降水和弱降水日数也是以增加为主。     

中国地区春季沙尘气溶胶短波辐射气候效应数值模拟研究

利用耦合了起沙模型(MEDM)的区域气候模式RegCM3,模拟研究了2000年春季中国地区沙尘气溶胶短波辐射气候效应。结果表明,春季中国沙尘气溶胶垂直负荷的大值区主要位于南疆盆地和阿拉善高原。引入沙尘气溶胶后,中国地区地表均出现负的辐射强迫,地面气温普遍降低,中低层(400 hPa层以下)大气温度则呈上升趋势。沙尘源区及其下游地区总云量及降水主要呈减少趋势,云量与降水的分布特征与空中流场的变化趋势一致性较好。     

用区域气候模式模拟人为硫酸盐气溶胶在气候变化中的作用

使用新版RegCM2区域气候模式，单向嵌套澳大利亚CSIROR21L9全球海-气耦合模式，在C02加倍情况下引人人为硫酸盐气溶胶直接气候效应，进行了其对中国气候变化影响的试验。结果表明，硫酸盐气溶胶的直接气候效应，对地面气温为降温作用，其中在冬半年和在南方更明显；对降水的影响为全国各月平均降水将以减少为主，年平均降水变化的基本特点为在中国东部以减少为主，西部以增加为主。但无论温度还是降水变化的数值都很小。     

硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风进程的影响

本文利用全球气候—大气化学模式CAM5 并结合NCEP/NCAR（National Centers for EnvironmentalPrediction/National Center for Atmospheric Research）1950～2009 年再分析资料,讨论硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风爆发、发展和结束进程的影响。模拟结果表明:硫酸盐气溶胶通过直接辐射效应引起东亚大陆大部分地区近地面降温,进而降低了中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力对比,延迟春初、提早夏末海陆纬向热力差异逆转时间,由此引发东亚副热带季风爆发时间延后了4 候左右,结束时间提前了3 候左右;减小的海陆热力差异导致东亚大陆偏南风减弱、东亚季风减弱以及季风降水的区域调整。我们通过NCEP/NCAR 再分析资料分析亦发现,1980 年以后中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异逆转时间比1980 年以前在春初延迟、夏末提前,导致了副热带季风爆发时间比1980 年之前延后,结束时间提前,东亚大陆偏南风减弱,副热带夏季风系统性减弱,硫酸盐直接辐射效应可能是造成这一结果的原因之一。以往的观测和模拟都表明,由于人为活动的增加,导致1980 年后东亚大陆硫酸盐气溶胶负荷较之前大幅增加,而东亚夏季风减弱,本文的研究进一步确认了两者间关系。     

亚洲地区碳气溶胶的时空特征及其直接气候效应

利用耦合了陆面和化学过程的区域气候模式Reg CM4.0,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。     

亚洲地区气溶胶及其对中国区域气候影响的数值模拟

使用一个耦合入化学过程的区域气候模式 (RegCM3), 在NCAR/NCEP再分析资料驱动下, 通过多年时间尺度的连续积分, 进行了亚洲区域气溶胶硫酸盐、 黑碳和有机碳的时空分布及其直接气候效应的数值模拟。首先对模式的模拟能力进行了检验, 结果表明, 模式能够较好地模拟中国地区气温和降水的分布, 对该区域气溶胶的时空分布有一定的模拟能力。模式模拟得到的气溶胶浓度分布在冬季南北差异较大而夏季较小。气溶胶浓度与其形成的大气层顶和地面负短波辐射强迫有较好的对应关系。四川盆地是气溶胶浓度及其产生的辐射强迫的高值区。气溶胶对地面气温和降水都产生影响。其中所引起的冬季气温降低, 与气溶胶的分布和浓度有一定的对应关系, 但夏季引起的降温中心位于河套及黄河下游地区。气溶胶使得冬季和夏季中国东部大部分地区的降水减少。同时, 对气温和降水上述变化的原因进行了讨论。     

黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季降水影响的模拟研究

利用NCAR的全球大气模式CAM3分析了黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布及其季节变化,重点讨论了云对黑碳气溶胶直接辐射强迫的影响,以及黑碳气溶胶对中国夏季降水的影响。结果表明：黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布范围和强度都具有明显的季节变化。有云条件下,黑碳气溶胶在大气顶产生正的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为＋0.33 W·m－2;在地表产生负的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为－0.56 W·m－2。晴空条件下,黑碳气溶胶在大气顶和地表的全球年平均辐射强迫值分别为＋0.21 和－0.71 W·m－2。云的存在对黑碳气溶胶的辐射强迫产生了很大的影响,使大气顶的正辐射强迫增加,地表的负辐射强迫减小。黑碳气溶胶导致夏季中国北方30°N～45°N之间区域降水明显增加;而中国长江以南地区除了海南和广西的部分城市外,降水明显减少。模拟结果表明,中国夏季近50年来经常发生的南涝北旱并非由黑碳气溶胶引起。     

气溶胶对东亚冬季风影响的数值模拟

利用NCAR/UCAR CAM5.1模式研究气溶胶对东亚冬季风的影响。模式从1991—2010年运行20年,取2001—2010年冬季的结果。模式结果可以较好地再现东亚冬季风的主要特征。试验结果表明:气溶胶增加使我国东南部地区和东北亚地区（35°~55°N,115°~150°E）冬季风减弱,同时,造成我国东南部地区降水减少。其中,热源热汇的变化和无辐散风减弱为主要原因。气溶胶增加改变了大气热源的分布,造成在我国东南部地区热源减弱,热汇加强;我国东北地区热汇减弱,日本列岛热源加强;气溶胶增加使这些区域全位能的产生减弱,消耗加强。同时,凝结潜热的变化主要影响热源和热汇,其中大尺度过程产生的凝结潜热变化起主要作用。在我国东南部和东北亚地区辐散风动能向全位能的转换增加,造成辐散风减弱。故该区域辐散风向无辐散风的转换减弱,导致无辐散风减弱,最终造成东亚冬季风减弱。     

东亚冬季风的演变特征

文章主要讨论了东亚冬季风和冷涌的演变特征，并与南亚作了对比，发现在东亚地区，冬季风演变主要表现为10月中旬经向环流的突变及9月初、11月中旬和1月末对流层低层温度的3次突变；而在南亚地区，经向环流的变化不如东亚地区明显，而且高层要先于低层变化，对流层低层温度存在2次突变。在整个冬季，东亚地区冷涌的演变过程，主要表现为南海地区冷涌在12月份出现最高频率，而西太平洋冷涌在1月份出现最高频率；南亚地区冷涌在12月份出现最高频率，但远小于东亚地区且衰减速度很快。另一个不同点是东亚地区的冷涌强度是往上衰减的，而南亚地区的冷涌强度则是往上增强的。这说明东亚冬季风和南亚冬季风的性质有较大的区别。     

南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响

利用NCAR的全球大气模式CAM3,模拟了南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响.结果表明:晚春时期,南亚地区黑碳气溶胶强烈吸收太阳辐射,加热低层大气,造成孟加拉湾及沿岸地区雨季的提前,可能导致南亚夏季风提前爆发.夏季,被加热的大气沿青藏高原南坡爬升,在高空形成一个稳定的加热层.高空的持续加热,引起局地的深对流活动,使得印度洋和南亚大陆之间产生一个北升南降的经圈环流,导致印度洋洋面上的向北运动加强,从而使南亚夏季风的强度增大.但是,南亚地区黑碳气溶胶通过影响表面气压、垂直运动、降水和850 hPa风场等减弱了东亚夏季风,且导致西太平洋副热带高压北移西伸,使我国梅雨带位置向东北方向移动.     

沙尘气溶胶直接气候效应对东亚冬季风影响的模拟研究

利用东亚沙尘复折射指数数据和较新的植被分布对区域气候-沙尘耦合模式(RegCM4-Dust)的沙尘光学特性和沙源区域进行了更新。在此基础上,研究了沙尘气溶胶直接辐射效应对东亚冬季风的影响。模拟结果表明,引入沙尘效应后,东亚大陆绝大部分季风区对流层低层冬季风环流增强。同时,对流层中、上层中低纬度纬向风增强而中高纬度纬向风减弱,导致中高-中低纬度之间纬向风经向切变加强,从而有利于中高纬度冷空气向南侵入,这是低层冬季风环流增强在中上层的反映。另外,沙尘气溶胶导致东亚绝大部分季风区降水明显减少,东北地区西南部、华北大部、黄土高原、黄淮以及长江中下游流域减少达10%以上,这是降水对冬季风增强的响应。沙尘气溶胶引起冬季东亚次大陆-西北太平洋之间温度梯度增大,进而导致海陆间湿静力能梯度增大,是导致东亚大陆冬季风增强的主要原因。     

Relationship Between East Asian Winter Monsoon and Summer Monsoon

Using National Centers for Environmental Prediction/National Centre for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) reanalysis data and monthly Hadley Center sea surface temperature(SST) data,and selecting a representative East Asian winter monsoon(EAWM) index,this study investigated the relationship between EAWM and East Asian summer monsoon(EASM) using statistical analyses and numerical simulations.Some possible mechanisms regarding this relationship were also explored.Results indicate a close relationship between EAWM and EASM:a strong EAWM led to a strong EASM in the following summer,and a weak EAWM led to a weak EASM in the following summer.Anomalous EAWM has persistent impacts on the variation of SST in the tropical Indian Ocean and the South China Sea,and on the equatorial atmospheric thermal anomalies at both lower and upper levels.Through these impacts,the EAWM influences the land-sea thermal contrast in summer and the low-level atmospheric divergence and convergence over the Indo-Pacific region.It further affects the meridional monsoon circulation and other features of the EASM.Numerical simulations support the results of diagnostic analysis.The study provides useful information for predicting the EASM by analyzing the variations of preceding EAWM and tropical SST.     

ENSO冷暖位相影响东亚冬季风与东亚夏季风联系的非对称性

东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon,简称EAWM）和东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon,简称EASM）作为东亚季风系统的两个组成部分,他们之间存在显著的转换关系。前人的研究表明EAWM与次年EASM的转换关系只有在ENSO事件发生时才显著,然而这些研究都是基于ENSO对大气环流的影响是对称的这一假设下进行的。本文的研究表明EAWM和次年EASM的转换关系在ENSO冷暖事件中存在着明显的不对称性。通过将EAWM分为与ENSO有关的部分（EAWM_EN）和与ENSO无关的部分（EAWM_RES）,我们发现在强EAWM_EN年（即La Ni?a年）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific Cyclone,WNPC）,从而造成EASM偏弱;而在弱EAWM_EN年（即El Ni?o年时）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的反气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific anticyclone,WNPAC）,从而引起次年EASM偏强。比较而言,WNPAC的位置比WNPC的位置偏南,且强度更强,因而在El Ni?o年能够引起次年EASM更大幅度的增强。造成这一不对称联系的主要原因是热带太平洋和印度洋异常海温的演变差异。在强EAWM_EN年,热带太平洋的负海温异常衰减地较慢,使得在次年夏季仍然维持着显著的负异常海温;相反,在弱EAWM_EN年,热带太平洋的正海温异常衰减地较快,以至于在次年夏季的异常海温信号已经基本消失,但此时印度洋却有着显著的暖海温异常。海温演变的差异进一步造成了大气环流的差异,从而导致EAWM与次年EASM联系的不对称性。     

近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常

运用相关及滑动相关的计算技术，讨论了近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常。研究指出，东亚冬季风与赤道东太平洋海温的年际关系具有年代际的变化特征；季风与ENSO循环的关系受到季风的QBO以及季风-海洋的年代际背景场配置关系的共同作用；当季风与海洋的背景场处于同样状态时，强冬季风有利于第二年冬季赤道东太平洋的升温，产生El Ni?o事件；当两者的背景场处于反位相状态时，强冬季风对应于第二年冬季的La Ni?a位相。     

All-Sky Direct Radiative Effects of Urban Aerosols in Beijing and Shanghai,China

Aerosol particles can directly alter the radiation balance by scattering and absorbing incident solar radiation, thus decreasing the amount of light reaching the surface and increasing the fraction of diffuse radiation—the so-called ‘aerosol direct radiative effect'. Using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer aerosol products, the aerosol direct radiative effects under all-sky conditions in Beijing and Shanghai in 2007 were explored in this study. The total shortwave radiation was calculated using the Fu-Liou radiative transfer model, with the influence of clouds taken into account through sunshine-duration data, and the diffuse radiation was calculated with radiation decomposition models. Good correlation between measured and calculated total radiation was obtained at both cities, with an R greater than 0.9, and thus this calculation method was adopted to derive aerosol direct radiative effects. The presence of aerosols caused the mean total and diffuse solar radiation reaching the surface to change by-19.9% and +27.4% in Beijing, respectively, and by-18.4% and +6.5% in Shanghai. It was also found that, despite the strong negative correlation between aerosol optical depth and total radiation change, the diffuse radiation changes were determined predominantly by clouds. The effects of such changes induced by aerosols on plant productivity should be further studied.