论文总字数：15206字

目 录

摘要 1

Abstract 2

引言 3

1.1气溶胶的直接辐射效应 3

1.2 沙尘气溶胶 3

1.3 东亚冬季风 4

1.4 沙尘气溶胶与东亚冬季风的相互作用 4

2.模式介绍和实验设计 5

2.1 模式介绍 5

2.2实验设计 6

3.模拟结果分析 6

3.1辐射和温度 6

3.2水汽和云量 9

3.3风场 11

3.4降水 14

4.结论与讨论 15

参考文献 16

致谢 19

沙尘直接辐射效应对东亚冬季风影响的模拟研究

邓雅敏

,China)

Abstract:The direct effect of dust aerosol on the East Asian winter monsoon (EAWM) has been studied by using regional integrated environment modeling system version 2.0. The experimental simulation results show that dust aerosol can result in negative radiative forcing at the top of atmosphere over East Asia and can cool the Earth-atmosphere system of East Asia. Besides, dust aerosol can reduce the ground temperature in Taklamakan area and in the middle and lower reaches of Yangtze River plain region.Dust aerosol made the water vapor in south China and the Indian subcontinent decreased, thus reduced the cloud of these areas. Dust effect can cause cyclonic circulation anomalies at 850hPa in winter over East Asia, strengthen the north wind of south China and EAWM,eventually redued the rainfall in south China.

Keywords: Dust aerosol; Direct radiative forcing; East Asian winter monsoon; Precipitation

引言

1.1气溶胶的直接辐射效应

当气候系统处于平衡态时, 其吸收的太阳辐射能将与大气和地球向外发射的红外辐射能精确地相等。辐射强迫因子是指任何能够对这种平衡造成扰动并因此可能使得气候发生改变的因子, 而辐射强迫则是它们对地气系统所产生的强迫。在数值上将辐射强迫定义为某种辐射强迫因子变化时所产生的对流层顶平均净辐射的变化(太阳或红外辐射) (W/m^-2 )。根据强迫产生的物理机制, 辐射强迫可分为直接辐射强迫、间接辐射强迫、半直接效应等。大气气溶胶相比于温室气体，其辐射效应更为复杂。太阳能在进入地球大气后，在大气内部被吸收、散射, 或被反射回外空，或被透射到地面。气溶胶辐射强迫便是指由大气气溶胶引起这些过程的改变。

大气气溶胶的辐射效应主要分为直接效应，间接效应和半直接效应等。直接效应是指气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射, 进而直接导致太阳辐射能到达地面的部分、被大气吸收的部分以及被大气顶反射回外空的部分发生改变。其中不涉及与任何其他过程的相互作用, 因此称之为气溶胶的直接辐射强迫。虽然大气气溶胶粒子也能够对长波红外辐射进行吸收和散射, 但相对来说并不太重要。间接效应是指气溶胶粒子可以通过改变云的微物理特征及物理特征从而使云的辐射特征发生改变,并对太阳能在地气系统中的分配产生影响。之所以称之为间接辐射效应，是因为这种效应涉及到气溶胶与大气中其他辐射活性成分的相互作用。云便是大气中辐射活性成分的一种。气溶胶与云之间可以发生多种相互作用, 气溶胶既可以作为云凝结核或冰核参与成云降雨的过程；也可以作为吸收性粒子通过将吸收的太阳能转换为热能的方式使其在云层内重新分配。气溶胶的间接效应在总体上可以分为第一类间接效应和第二类间接效应，除此之外，间接效应还包括冰核化效应、热力学效应等。除了直接辐射强迫与间接辐射强迫之外,大气气溶胶的气候效应还产生一种半直接效应。它指的是，对太阳辐射吸收作用较强的气溶胶,会将其吸收的太阳辐射能作为热辐射重新向外释放, 进而使气团加热并使相对于地表的静力稳定性增加, 也可能使得云滴蒸发,导致云反照率和云量减小,进而对气候产生影响^[1,2]。直接辐射强迫的数值可正可负, 其正负取决于气溶胶粒子吸收和反射太阳辐射的相对能力及地面反照率等因子。无论是第一类还是第二类的大气气溶胶间接效应,其值总为负。而半直接效应其辐射强迫的数值却为正^[3]。

1.2 沙尘气溶胶

沙尘气溶胶是对流层气溶胶的主要组成成分，其具有分布范围广、光学厚度大、对环境影响显著等特点。沙尘气溶胶主要来自于干旱地区和沙漠地区的风蚀和随风扬起的过程,因此沙尘气溶胶多发区几乎离不开广阔的沙漠。在东亚地区，由于存在塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠两大沙漠，因而是沙尘气溶胶的一个主要源区^[4]。随着东亚地区荒漠化的不断发展，沙尘气溶胶开始得到了人们的广泛关注。沙尘气溶胶是非常重要的辐射强迫因子，其具有特殊的光学性质，一方面,它能通过散射太阳辐射的方式从而使到达地表的净辐射通量减少，而使产生的辐射强迫为负；另一方面, 它可以通过吸收地面发射的长波辐射而使对流层顶出射的净辐射减少,而产生的辐射强迫为正。因此, 沙尘气溶胶的辐射特性能造成地面与对流层系统间能量进行重新分配,从而使大气的动力稳定性发生改变^[5]。

1.3 东亚冬季风

一般把东亚冬季风认为是与来自西伯利亚高压向南移动与向东移动的冷空气相关联的东亚大气环流。东亚季风不仅是东亚气候系统的重要组成部分，也是北半球冬季最重要的一个循环系统^[6]，其对中国以及整个东亚地区冬季的天气和气候异常都能产生极其重要的影响。东亚冬季风起源于西伯利亚高压，其显著特点为能够快速建立过程、迅速向南推进及具有很强的风力。由于受多种气候因子的影响,东亚冬季风表现出多尺度变化的特点；作为行星尺度的环流系统，东亚冬季风还有更长时间尺度的变化，如季节内、年际和年代际变化^[7]。东亚冬季风的强弱变化不仅能够引起中国及邻近地区的天气变化,马来西亚南部印度尼西亚、澳大利亚等地的旱涝与热带气旋的生成也受到其影响。东亚冬季风的异常也会对阿留申低压和蒙古高压产生影响，并通过改变哈德里环流的位置和强度来延伸他们的影响,因而对澳大利亚的夏季风具有一定的影响，或者通过改变东亚副热带急流而造成北美地区异常天气的发生^[8]。

1.4 沙尘气溶胶与东亚冬季风的相互作用

东亚地区是全球最显著的季风区,而影响东亚季风的原因却十分复杂，东亚季风不仅受到印度季风的影响，中纬度扰动、西太平洋暖池、西太平洋副高、赤道太平洋ENSO循环及极冰、青藏高原、欧亚大陆的雪盖和陆面过程等因子对其也能产生影响，此外，根据近年来的研究可以得出季风的影响因子之一也可能是沙尘气溶胶^[9]。沙尘气溶胶在产生后向下游传输的过程之中，季风能对其空间分布产生明显的影响，反之，季风也会被沙尘气溶胶的辐射效应所影响。沙尘气溶胶与季风之间相互影响的研究工作已获得国际上的广泛关注，虽然沙尘气溶胶气候反馈对季风的影响尚没有十分明确的认识，但不可否认的是沙尘气溶胶对季风确实有明显影响。Ramanathan^[10]的研究表明，主要由沙尘和黑碳组成的大气黄云通过使地表降温而减少蒸发并使印度洋南北SST梯度减小，从而减弱印度夏季风环流。而Lau等人^[11]则认为，来源于中东沙漠和塔尔沙漠的沙尘气溶胶在喜马拉雅山南麓堆积并向印度-孟加拉平原扩散，该沙尘层在夏季扮演了一个额外的“抬高的热泵”（EHP）。而EHP效应能够促使6、7月份印度北部季风的增强及降水的增加。Konare^[12]的研究发现，在西非季风区，沙尘气溶胶通过短波辐射强迫作用而减小撒哈拉地区湿静力能的经向梯度，进而减弱西非“季风能泵”；Solmon^[13]的研究则发现，当进一步将长波效应放入考虑之后，由沙尘气溶胶造成的地表降温不仅通过使对流层低层西非夏季风强度减弱来减少降水，同时沙尘绝热增温也可通过在对流层上层产生“热泵效应”而增加降水，这与北美西南部季风区的研究结论相似。采用全球模式的研究，其结果也不尽相同，Miller等人^[14]认为由于沙尘效应而使得沙漠地区降水增加，而Yoshioka^[15]的研究则表明北非沙尘能使得撒哈拉地区干季降水减少。

如上述研究所示，沙尘气溶胶对季风的影响具有很大不确定，地域因素可能为其原因之一，沙尘气溶胶与季风之间相互作用的复杂性也是需要考虑的重要原因。气溶胶对季风产生的影响不仅与气溶胶的特性密切相关，还与海洋-大气-陆地系统动力状态和反馈过程有关。根据国内外学者的研究进展，沙尘气溶胶与季风相互影响的研究目前主要集中在北美季风区、西非季风区和印度季风区等地区，而对于东亚地区的研究却非常少见。

迄今为止，除了一些观测研究，关于沙尘气溶胶对东亚季风影响的模拟工作主要集中于东亚夏季风，而关于东亚冬季风的模拟研究非常少见。传统的观测技术不能用于研究沙尘气溶胶对东亚冬季风、冬季降雨及温度的影响，大多数模拟研究使用气象站观测来确定沙尘风暴的频率，或通过再分析数据来讨论东亚沙尘气溶胶和东亚冬季风变化之间的关系^[16]。本文将利用区域环境集成模拟系统RIEMS2.0-POM2k来研究沙尘气溶胶对东亚冬季风可能产生的影响，希望能从数值模拟的角度来获得二者之间的关系，并为提高亚洲季风的认识水平提供一定的科学依据。

2.模式介绍和实验设计

2.1 模式介绍

本文所选的是中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室开发的区域气候模式，即区域环境集成模拟系统RIEMS2.0(regional integrated environment modeling system version 2.0)。模式动力核心为美国国家大气研究中心(NCAR)和宾夕法尼亚州立大学中尺度模式MM5。RIEMS2.0中主要物理参数化包含：修改后的CCM3列辐射模式，BATS1e陆面模式，行星边界方案，对流云参数化，以及Reisner的微物理参数化方案。本文将RIEMS与区域海洋模式相耦合，Fang等对其进行了改进。 因此，RIEMS-POM能计算可变的SST。根据之前的研究,RIEMS-POM具有模拟多年东亚气候平均态和变化趋势的优良性能。本文气溶胶光学参数,即质量消光系数(β),单散射反照率(ω),和非对称因子(g)利用米氏理论从全球气溶胶数据集中获得, 沙尘的短波辐射通过δ-Eddingdon近似计算得到。在长波部分，沙尘的热红外作用采用基尔的发射率和吸收率参数化^[17]。

2.2实验设计

模拟区域为东亚大部分地区,中心位于(28°N,110°E)，水平分辨率为60×60平方公里。实验的初始条件和边界条件采用NCEP/ NCAR6小时再分析数据。实验模拟的时间段为1999年1月至2000年12月，取冬季三个月（1999年12月~2000年2月）进行分析。在耦合之前，通过使用NCEP / NCAR再分析数据驱动POM使海洋稳定。本文中采用的初始化方法类似于之前在地中海和东亚的模拟研究。为评估沙尘气溶胶的直接辐射效应和半直接辐射效应进行了两组实验。由于沙尘气溶胶的间接辐射效应具有巨大的不确定性，并且可能使得我们的结果复杂化，因此不予考虑。第一组实验(非沙尘气溶胶)中，模式中考虑了黑碳、有机碳、硫酸和海盐四种气溶胶粒子外部混合。第二组实验（总气溶胶）在第一组实验基础上加入沙尘。通过比较两组实验,得到沙尘气溶胶的直接辐射效应对气候产生的影响。值得注意的是,本文中考虑的是沙尘气溶胶与其他气溶胶混合后产生的影响,因此,该结果与实际大气更加接近。

3.模拟结果分析

3.1辐射和温度

沙尘辐射强迫的大小在很大程度上受光学厚度的影响。东亚地区沙尘气溶胶光学厚度的高值区主要有三个，分别为南疆的塔克拉玛干沙漠、北疆的古尔班通古特沙漠以及内蒙古西部的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠及下游鄂尔多斯高原和黄土高原。其中，塔克拉玛干沙漠地区的沙尘气溶胶光学厚度值最大；古尔班通古特沙漠的沙尘气溶胶光学厚度值虽大，但其区域范围小，因而带来的影响也小；而巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠及下游鄂尔多斯高原、黄土高原地区沙尘气溶胶光学厚度值虽然相对于前两个高值区而言要低，但其却有最大的影响范围，这是由于该地区地处高原，受到冬季风的影响，具有优良的扩散条件，沙尘在产生后极易传输至下游地区。沙尘气溶胶总体单次散射反照率（BSSA）是影响辐射强迫计算的另一个重要因子。沙尘气溶胶单次散射反照率由所有粒径沙尘单次散射反照率综合计算得到，高沙尘气溶胶单次散射反照率值反映出东亚沙尘粒子具有弱的吸收性和强的散射性^[18]。

图1 模拟的东亚地区冬季（a-b）晴空与（c-d）云天（a、c）地表和（b、d）大气顶

沙尘导致的辐射强迫，单位：Wm^-2

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