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气溶胶季风气候系统:一个新的概念

随着全球环境问题日益加剧,气溶胶的气候效应越来越受到气象界的关注。目前公认的气溶胶气候效应有直接效应,半直接效应,第一、第二间接效应等。最近几年科学家还发现,气溶胶的气候效应与东亚夏季风之间也存在着明显的相互作用。著名华人科学家美国马里兰大学的刘(William K. Lau)教授在Journal of Meteorological Research(《(气象学报)英文版》)2016年第1期发表文章The aerosol-monsoon climate system of Asia: A new paradigmhttp://www.cmsjournal.net/qxxb_en),提出“亚洲气溶胶季风气候系统”的新概念。

作者认为,气溶胶和云、降水、风一样,都是属于季风气候系统的一部分,在所有的时间尺度上同时对季风天气和气候造成影响。通过对气溶胶和大气动力相互作用的讨论,作者希望能够打破传统观念,使大家对季风区域的天气气候有更深入的认识,并且促使更多的科学家能够一起研究这个复杂并充满挑战的气候系统。

从作者给出的NASA卫星观测的地球上的气溶胶光学厚度和卫星云图(图1)中我们可以看出,气溶胶是一个全球性的问题。大陆地区,尤其是工业较为发达的国家和地区气溶胶浓度的急剧增加已经成为了不争的事实。中国东部沿海地区更是成为了人为气溶胶排放的主要源头之一(图2)。这些气溶胶浓度的高值区大部分也是季风发生的区域,气溶胶和季风的相互作用也将成为必然。

1 2005MODIS第一次全球气溶胶光学厚度评估,包括海洋和陆地以及

高亮的沙漠表面,波长为0.55 μm。(a)春季,(b)夏季,(c)秋季,(d)冬季

2 卫星图片显示覆盖在中国中北部工业区域、西北部的沙漠地区的人为气溶胶、雾霾和云。

大量的沙尘气溶胶在季风前期(345月)传输至北京

那么气溶胶与亚洲季风之间是如何相互作用的呢?举一例子:3显示了没有气溶胶和有气溶胶情况下,印度季风环流和对流活动的不同。对印度季风来说,在夏季风前期,由于很强的西南低空急流的作用,大量的水汽和沙尘传输到了季风区,非局地作用更加显著。气溶胶的作用产生了如图3中的“抬升热泵(Elevated Heat Pump)”(即EHP)效应。沙尘和黑炭气溶胶的加热效应使季风加强,季风降雨区从印度中部移动到了喜马拉雅山脚下。增加的潜热加强了季风环流(在山脚的上升运动加强,青藏高原北面的下降运动增加)。

3 吸收性气溶胶(沙尘和黑炭)在印度恒河平原的季风前期(45月)的积聚,通过EHP影响的大气反馈过程来控制印度季风的发展。(a)无气溶胶季风,(b)气溶胶季风(56月)

基于美国NASA MERRA再分析资料,图4给出了由于EHP影响造成的环流、降水(a, c)及温度(b, d)的异常情况。分析发现,在印度北部4-5月有大量气溶胶积累的情况下,EHP效应使得5-6月的季风降水在喜马拉雅山脉南麓增强,并造成青藏高原上空对流层增温,增温最大在对流层上层,并延展至高原南坡地表附近。Kim等人2015年的研究进一步发现,沙尘输送等导致的吸收性气溶胶的增多,甚至可以强烈影响印度季风对ENSO的响应。气溶胶被认为是亚洲季风气候系统中的一个重要和活跃的反馈介质。 

  

4  EHP影响下的印度季风(56月)环流异常和降水异常(mm day1) a, c)及气温异常(b, d)。(a, b)无气溶胶季风,(c, d)气溶胶季风。大和小的黑圈表示通过1%5%显著性检验的区域

气溶胶与亚季风之间的相互作用随季节如何变化呢?冬季风时气溶胶的局地效应最显著,由于气溶胶使地表降温,减少水汽,从而大气稳定度增加。此时季风区的大气更加稳定,沙尘的传输较弱,气溶胶大多被限制在浅边界层。雾、霾,降水减少,城市中较冷的地表空气都证明了气溶胶的效应的存在,这时的大气动力反馈过程相对于夏季风时期较弱,气溶胶的影响主要受大尺度环流控制。相反地,在夏季风时,存在很强的气溶胶季风相互作用和动力反馈机制。

最后,作者介绍了几种气溶胶和季风相互作用的假说机制(详见本文参考文献),如吸收性气溶胶可以加强印度季风中ENSO的影响;吸收性气溶胶可以通过调节季风的开始、结束和持续时间来在天或星期这种短时间尺度上影响季风降水,增加灾害性暴雨;气溶胶可以通过辐射效应、微物理过程和改变大尺度垂直风切变来影响强动力系统,例如北太平洋风暴的轨迹,大西洋的热带辐合带和热带气旋。

5 气溶胶季风气候系统的关键组成部分:内圈代表观测到的自然系统,

中圈代表基础的控制过程,外圈代表人为强迫

另外,气溶胶的气候效应不能局限于局地的人为气溶胶,我们也要考虑自然源气溶胶如沙尘,自然生物质燃烧产生的黑炭、海盐、火山爆发产生的硫酸盐等的作用。最近的研究表明,全球的自然源气溶胶浓度至少是人为气溶胶的六到七倍。由于自然源气溶胶和人为气溶胶同时对热量源汇产生影响,并且作为凝结核影响成云致雨过程,从而对季风气候产生影响。

总之,我们必须建立一个新的框架,将自然气溶胶像温压湿风一样放入气溶胶季风气候系统中(图5内圈),并且使其经受基本的热力,动力和绝热过程控制。这些控制过程和相邻的区域过程以及远距离的强迫过程(图5中圈)都受到人为排放的气溶胶、温室气体和土地利用变化(图5外圈)等的影响。未来的研究如果能在这样一个框架下进行,我们将会获得对季风气候系统更深的理解和更高的认识。

原文链接:William K. M. Lau. 2016. The Aerosol-Monsoon Climate System of Asia: A New Paradigm. J. Meteor. Res., 30, 1-11, http://dx.doi.org/10.1007/s13351-015-5999-1.

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