北半球主要排放区黑碳气溶胶气候影响的对比模拟研究

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本文对全球及北半球四个主要人为排放区域(包括东亚、南亚、欧洲和北美)的黑碳气溶胶(BC)的非局地气候效应进行了模拟研究,重点关注其对东亚气候的影响。所采用的主要研究方法是利用包含气溶胶模块的GFDL-AM2大气环流模式(2.1版),分别进行了给定历史演变的BC和将各区域BC固定为工业革命前水平的一系列离线数值试验。首先对比了各区域BC对全球能量收支平衡的影响,随之研究了不同区域BC对全球热带和热带外两个大尺度主要环流系统一Hadley环流和北极涛动(AO)/北半球环状模影响,接下来着重讨论了欧洲黑碳(EUBC)与北美黑碳(NABC)对东亚夏季气候的遥影响及其机制,并与全球黑碳(GBC)和东亚局地黑碳(EABC)的影响进行了对比,最后就BC对东亚冬季气候的影响进行了初步探讨。  本论文得到如下主要结果:  一、模拟的全球黑碳(GBC。指的是1971-2000年的平均,下同)造成的大气层顶(TOA)辐射强迫全球年平均为+0.53W m-2,且北半球比南半球强。GBC使全球表面温度升高0.014K(相对工业革命前),主要增暖位于北半球中纬度地区,是长波辐射、感热通量与潜热通量共同作用的结果。GBC使得全球年平均降水减少0.034mm day-1,主要位于赤道和北半球中纬度地区。各区域BC不仅在局地能产生与GBC相当的辐射强迫,还能通过影响云和地表反照率而改变其他地区的能量收支状况。各区域BC造成的全球平均辐射强迫正比于该区域BC柱含量,EABC和EUBC的辐射强迫值大小相当,为0.045W m-2,占GBC影响的9%,NABC造成辐射强迫为0.025W m-2,占GBC影响5%,SABC为0.022W m-2,占GBC影响的4%。四个主要区域BC对全球增暖幅度为0.004K~0.006K,增暖也主要集中在北半球中纬度地区。赤道地区降水减少由EUBC和NABC主导,而北半球中纬度的降水减少则是四个区域BC共同作用的结果。  二、GBC能造成AO朝正位相发展的响应,使AO指数增强0.18(±0.19)。这种响应在500hPa高度场、海平面气压(SLP)和纬向风分量上都能看到。EABC的影响与GBC类似,EUBC则能引起相反的响应。SABC和NABC对AO模态没有显著的影响。基于简单的线性假设,我们粗略估计GBC解释了1960至2000年观测到的AO正趋势的5%。  三、对Hadley环流而言,GBC在各个季节都显著减弱北半球Hadley环流,在秋冬季节造成南半球Hadley环流显著减弱。四个区域BC对Hadley环流强度影响总体偏弱。对Hadley环流宽度而言,GBC造成北半球Hadley环流年平均向北扩张0.18°~0.52°,南半球Hadley环流向南扩张比北半球弱0.09°~0.39°,是过去几十年Hadley环流变宽的一个重要原因。Hadley环流向极地扩张主要是由于BC加热中纬度对流层,增加了与高纬度热力梯度,减弱了与低纬度热力梯度而引起的。各区域BC使得年平均北半球Hadley环流向北扩张,环流中心略微偏向赤道,但是移动范围均很小。对ITCZ的位置而言,GBC、EABC和SABC使ITCZ有微弱的向北移动,EUBC与NABC则使其向南移动,但是幅度都偏小。  四、EUBC和NABC都能够影响东亚夏季气候,但是两者遥影响机制不同。EUBC主要是通过吸收短波辐射加热欧洲局地对流层大气,通过平流作用导致欧亚大陆中上层对流层整体的一致增暖,增加了夏季东亚与邻近海域的海陆热力对比,从而影响东亚夏季气候。NABC则在北美高空产生高压异常,并与对流层高层急流相互作用,激发“丝绸之路”波列。该波列在东亚北部上空产生暖异常,从而增强海陆热力差异,影响夏季气候。四个主要排放区域BC对东亚夏季气候的影响有一定相似性,均表现为海-陆间的气压梯度增强,中国东部沿海有南风异常,长江流域降水增加。且非局地BC造成的影响与EABC的影响在量值上相当,说明非局地BC对东亚气候的重要性。  五、各区域BC对东亚冬季气候的影响差别较大。总体来看,GBC与NABC能增强东亚冬季风;EUBC,SABC和EABC则减弱东亚冬季风。EUBC与NABC对东亚冬季风的遥影响可能是通过冬季环绕半球遥相关CGT型波列来实现的。
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