地环所揭示黑碳气溶胶及温室气体对亚洲季风的影响机制

人类活动所引起的大气中温室气体及气溶胶含量的增加是造成人类世气候和环境显著变化的重要强迫因子。黑碳气溶胶作为大气溶胶的重要组成成分，主要产生于化石燃料和生物质燃料燃烧过程。它可直接通过吸收可见光到红外波段范围内的太阳辐射加热大气，是除温室气体以外对引起全球变暖最大的贡献者。近年来由于人口增长和经济发展使得亚洲成为世界上黑碳排放的主要源区。观测和模拟结果都表明黑碳气溶胶对亚洲区域辐射收支、大气环流和水循环有重要影响，但由于黑碳气溶胶复杂的时空特性以及气溶胶-辐射-云之间的非线性相互作用，它对亚洲夏季风的影响还存在很大的不确定性，而且人们对其作用机理缺乏深入的认识和理解。

近日，中国科学院地球环境研究所副研究员解小宁等利用降水变化的驱动和响应模式比对计划（PDRMIP）框架下的9个全球海-气耦合模式试验结果，研究了10倍黑碳气溶胶和2倍CO₂对亚洲夏季风和降水的影响，对比分析了黑碳与CO₂含量增加引起的区域气候环境效应的异同。PDRMIP多模式集成结果显示：1、黑碳气溶胶和CO₂都可以显著增加亚洲季风区夏季有效降水量，分别增加13.6%以及12.1%。但是，黑碳气溶胶引起的有效降水量增加在不同模式间存在着更大差异 (图1)。2、利用水汽收支分析显示，黑碳气溶胶引起的亚洲季风区有效降水量增加主要是加强的季风环流引起的动力项增加，而CO₂引起的有效降水量增加则是增加的水汽相关的热力项增加 (图2a)。(3)从大气环流角度，黑碳气溶胶引起的大气低层季风环流以及向上垂直风速都有着更加明显的增加，同时伴随着大气高层西风急流轴显著性北移(图3)。而CO₂引起季风环流以及西风急流轴的变化则不显著。 

黑碳气溶胶及CO₂引起亚洲夏季风变化的机制差异主要来源于不同强迫引起的温度反馈(图2b)。黑碳气溶胶的增加直接加热中纬度对流层上层大气，增加高层南北海陆热力梯度，加强季风系统动力环流。而CO₂主要加热赤道对流层上层大气，使得高层海陆梯度明显减小，抑制季风系统动力的发展。这种不同强迫下控制机制的差异，将有助于人们理解未来全球变暖以及人为污染双重影响下亚洲季风的变化。 

该研究得到国家自然科学基金重大项目、中科院战略性先导科技专项及中科院西部之光等项目资助，相关成果发表在Atmospheric Chemistry and Physics上。 

论文链接：https://doi.org/10.5194/acp-20-11823-2020

图1. 人为黑碳气溶胶和CO2引起亚洲夏季风有效降水量P-E的变化(单位：mm day-1)。(a, b) 亚洲季风区域即蓝色实线区域内空间平均值以及多模式的平均值MMM；(c, d) 多模式平均有效降水变化的空间分布。 

图2. (a) 人为黑碳气溶胶和CO2引起的水汽收支变化 q budget (mm day-1)，包括夏季有效降水量变化△P-E，热力项△TH，动力项△DY，以及其余项△Res。(b) 亚洲与海洋海陆南北梯度的变化 △MLOTG (摄氏度)。

图3. (a, c, e) 人为黑碳气溶胶和 (b, d, f)CO2引起的对流层低层以及高层的大气环流变化，包括850 hPa风矢量(△UV)，500 hPa 垂直风速 (△Omega)，以及200 hPa的西风 (△U200)。