1 引言

亚洲是世界上人口密度最大、也是近几十年来经济发展最快的地区，在许多方面都正经历着前所未有的变化。从广大民众到各级政府都深刻感受到这种巨大变化所带来的各种影响。从事相关研究的科学家最关心的是各种变化的因果关系、影响机理并对未来变化进行客观预测。该地区日益严重的空气污染，尤其是由颗粒污染物造成的雾、霾发生频率和强度的增加，不仅影响人们的日常生活和健康，而且进一步影响了在过去几十年已经发生了巨大变化的季风气候。如图 1所示，东亚和南亚是全球气溶胶主要源地。更好地了解气溶胶与亚洲季风气候的联系，对于制定和实施科学的可持续发展政策，造福世界上过半人口，起着至关重要的作用。

因其特殊的地理位置，特别是青藏高原、太平洋、印度洋的影响，亚洲季风与世界上其他几个季风系统相比有许多独特之处。同时，亚洲季风也受多种自然和人为气溶胶影响最大。考虑到季风受气溶胶的辐射强迫，以及气溶胶作为云和降水基本构成单元对天气的影响，可以预期气溶胶-季风相互作用不仅发生在气候变化时间尺度(> 50 a)上，也会在季、年际和年代际尺度，甚至更短尺度(如日和周)上发生。

亚洲季风地区日益严重的干旱/洪水及日益恶化的空气质量是占世界上60%的亚洲人口所面临的最严重的威胁。在过去的十多年中，这双重威胁促进了气溶胶对亚洲季风天气和气候的影响作用的大量研究。近期，美国《地球物理综述》(Review of Geophysics)发表有关亚洲气溶胶和季风相互作用的长篇(64页，约5万字，引文500多篇)综述文章(Li et al, 2016)。作者来自中国、印度、日本、美国、德国等多个国家。

这篇文章(Li et al, 2016)对有关亚洲气溶胶、季风及其相互作用的研究进行了全面、深入的综述，涉及气溶胶与季风相互作用的各种理论、观测结果和数值模拟。除基础理论和方法外，综述以东亚和南亚季风区为核心，该地区也是不同种类人为和自然气溶胶的主要排放源。除了人类活动，气溶胶时空变化也受天气和气候的影响，同时气溶胶也影响天气、气候。在大陆尺度上，气溶胶减少了到达地球表面的太阳辐射，削弱了海、陆的热力差异，从而抑制季风的发展，减弱季风强度。在局部区域内，气溶胶的辐射效应导致地面温度降低、大气温度升高，进而使近地面边界层大气稳定度增加而上部边界层稳定度减小。因此，影响低层对流、风和局地大气环流。这些气溶胶对辐射和大气热力状态的改变可直接影响云和降水的形成与发展。同时，气溶胶作为云凝结核和冰核也可以间接改变云特性和降水。亚洲季风区内的气溶胶也可能引起大尺度大气动力的反馈过程，从而导致早期季风的加强并影响季风的后续演变过程。气溶胶可对多种气候变量的年代际变化、季节变化甚至周变化和日变化产生明显影响。因此，对理解亚洲区气候变化有重要作用。天然气溶胶，如沙尘，来自生物质燃烧的黑碳以及来自植被的生物气溶胶也是气溶胶-季风气候系统的固有组成部分，它们也受到全球变暖、人为气溶胶和土地利用等变化的影响。如何区分天然和人为气溶胶对季风气候的不同影响，以及区分气溶胶和其他人类活动所产生的影响(如温室气体、土地利用和城市化等)都是未来要重点解决的问题。气溶胶-季风相互作用的研究需要基于长期连续观测，并结合对相关大气、物理、化学等过程的强化观测和不同尺度各类模式的模拟试验。

Li等(2016)全文共分7个章节。引言之后，第2章综述了亚洲季风系统, 季风的爆发、发展和驱动力，青藏高原、印度洋和中国南海以及陆面过程对季风的动力和热力影响。第3章较详尽介绍了气溶胶气候效应原理。重点介绍了两种主要气候效应：气溶胶-辐射相互作用(ARI)和气溶胶-云相互作用(ACI)。ARI主要指气溶胶通过吸收、散射太阳辐射而改变大气和地面的辐射收支，并因此影响边界层和大气热力结构，从而改变大气稳定度和对流活动。ACI指气溶胶作为云凝结核改变云和降水等特性，其中包括著名的Twomey效应(增加云滴数目，减小云滴半径)及其一系列后续效应，包括气溶胶的对流强化作用(增加深对流厚度和扩大云砧覆盖面积)。第4章介绍了东亚、南亚和泛太平洋地区气溶胶和气候特征及其相互作用，重点介绍了各地区气溶胶特性、长期变化趋势及其与局地气候和气候变化的可能联系，总结了大量观测研究成果，发现它们的异同点，并对各地区不同类型气溶胶的不同影响机理进行了深入探讨。第5章重点介绍模式模拟研究成果，包括气溶胶对季风环流、地表温度、降水、冰雪融化等的作用。第6章阐述季风的变化对气溶胶的影响，包括季节变化、年际和年代际变化及垂直与水平输送。第7章总结了已有研究并指出现在面临的挑战以及未来的研究方向等。

本文是在Li等(2016)第7章内容的基础上，进一步讨论了气溶胶对亚洲季风的强迫和影响，并着重指出了存在的问题和未来研究的新途径。

2 气溶胶对季风的强迫和影响 2.1 气溶胶对季风的强迫

气溶胶对季风的一个显著影响体现在南亚和东亚大范围的暗化现象，即到达地面的太阳辐射的整体减少。太阳辐射月均值在印度地区降低了10-25 W/m²，在中国区域降低了15-45 W/m²。与地面太阳辐射减少相伴随的是10-20 W/m²的大气加热。气溶胶对地面和大气辐射平衡的影响有很大的不均匀性。本文归纳总结了气溶胶辐射强迫在中国和印度这两个世界上最大的发展中国家的变化情况。显然它们受人类活动影响很大，也受自然气溶胶的明显影响。这些变化不仅事关天气、气候，也显著影响太阳能利用、农业产量、大气光化作用等。

气溶胶改变地面辐射主要是由3个因素共同造成的：(1)反射太阳辐射。对非吸收型气溶胶，地面辐射减少完全是因为反射太阳辐射造成的，如硫酸盐、硝酸盐和许多种有机气溶胶; (2)吸收太阳辐射。通过增强大气吸收从而减少到达地面短波辐射，如黑碳气溶胶；(3)通过气溶胶-云相互作用造成的云厚和云量的增加。近期，基于IPCC AR5中15个气候模式开展的综合比对研究表明，IPCC AR5中气候模式和大多数其他气溶胶化学传输模式低估了大气中黑碳对太阳辐射的吸收。中国和印度低估尤其严重，约1/4-1/2。气候模式对大气气溶胶浓度估计不确定的主要原因是缺乏一次粒子(如黑碳和有机碳)和二次气溶胶粒子气态前体物(如SO₂、NOx和VOCs)排放率的细节信息。特别是，20世纪这些排放的历史演化很难量化。近几十年，已经做了很多努力用于构建排放源清单，但是要追溯到前几十年或者更早时候的排放源信息是极其困难的。

在世界许多地区，到达地面的太阳辐射20世纪90年代前都经历了暗化现象--即辐射减少，其幅度在亚洲一般大于其他地区。地表太阳辐射减小和大气加热值增加大约为大气中潜热和地面蒸发的10%-20%。在南亚和东亚地区，观测所发现的太阳辐射减小数值伴随着相似幅度蒸发量的减少。地面太阳辐射减少导致整个亚洲大陆的水文循环在20世纪受到了显著的干扰。蒸发量的减少本身表明亚洲季风在水循环方面已经减弱。许多研究也已经证实，夏季和冬季季风正在减弱。另外，由于亚洲季风系统受到多个影响因子的重要作用，气溶胶对亚洲季风的减弱程度具有很大的不确定性。大多数IPCC模型不能模拟出所观测到的地面太阳辐射减弱量，导致这些模式无法合理模拟气溶胶对季风气候主要特征的模拟，如季风环流减弱，南亚降雨量减少，以及东亚地区的南涝北旱等。下面对气溶胶辐射强迫和气溶胶-云相互作用对南亚和东亚夏季风影响的异、同进行讨论。

2.2 气溶胶对南亚夏季季风(SASM)和东亚夏季季风(EASM)影响的异同

对于南亚夏季季风而言，气溶胶可能通过以下机制改变季风环流和降雨量。

(1)由于陆地比海洋有更多的气溶胶，气溶胶引起的太阳辐射的暗化效应导致了陆地与海洋温度差异下降，从而削弱了季风强度。另外，与印度洋北部和南部的其余部分相比，阿拉伯海和孟加拉湾的气溶胶引起的太阳暗化效应更强，导致印度洋南北海平面温度(SST)梯度减小，从而抑制印度中部和北部的季风降水。

(2)吸收性气溶胶的半直接效应(向上加热和向下冷却)会引起大气稳定性的增加，从而抑制季风降水。

(3)在季风来临前的季节，青藏高原及喜马拉雅山山麓丘陵区域通过地形抬升，引起沙尘或黑碳在高空的积累，引起青藏高原高空上方大气异常加热，此机制被认为推动了5-6月印度北部和喜马拉雅山山麓雨季的开始。随后，7和8月，印度次大陆的降雨被抑制，原因是气溶胶导致的太阳辐射冷却效应引起的沿经向表面温度梯度减小以及早期季风中由于云增加引起的负反馈，通过减缓季风子午循环对季风产生削弱作用。

(4)虽然上述3种机制代表了区域尺度下的气溶胶强迫和响应，但热对比度具有半球尺度下的不对称性。

(5)气溶胶的间接效应也可以改变季风中的云和对流，但它对总体南亚夏季风的影响仍不清楚，因为现在几乎没有一个全球气候模型可以模拟出与实际大气一致的气溶胶-云相互作用。

对于东亚夏季风而言，气溶胶强迫的基本机制与南亚夏季风相似。然而，由于季风的持续时间更长、季风雨带(即梅雨雨带)向更高纬度(> 40°N)区的偏移，以及北太平洋亚热带高压、热带气候系统的其他影响，气溶胶的响应机制变得更加复杂。迄今为止，有关气溶胶-季风相互作用的研究已有多种结果，表明了气溶胶直接和间接效应以及大气反馈的影响。同时，有更多令人信服的直接证据表明气溶胶的辐射效应对地表温度的影响，尤其是20世纪60-90年代以来，作为中国的空气质量恶化最严重的区域，中国东部和中部呈现出最显著的降温趋势。由于气溶胶倾向于使地表冷却并加热大气，使大气变得稳定，因此，气溶胶浓度的升高也可能对中国风速的显著下降趋势有显著贡献。小雨频率的减少和大雨频率的增多趋势也与气溶胶的微物理和对流增强效应一致。雷暴活动在空间上的相反趋势，即在华南和东南潮湿地区的增多和中国北部/中部的减少，似乎与两个地区气溶胶主导类型的不同有关。一般来说，假定存在合适的动力条件，来自于自然源和人为源的烟灰气溶胶倾向于抑制雷暴，而主要来自于人为源的硫酸盐气溶胶的作用却正好相反。由自然源产生的沙尘气溶胶在季风区域，由于其对太阳辐射的高吸收作用，可通过半直接效应使大气变得更稳定；另外，沙尘气溶胶可作为巨大的冰核并促进深对流。虽然已经发现了气溶胶和气候变化之间联系的可信证据，但他们的关系仍然难以捉摸。Wu等(2016)对中国地区气溶胶与气候变化的可能关系也做了综述。

除了气溶胶局部排放的影响外，东亚夏季风似乎也受到源自南亚大气异常加热效应的远程影响。北太平洋海表温度的自然年代际变率似乎在最近几十年的NDSW模式以及长期温度趋势中发挥重要作用。目前，气溶胶对年代际气候变化的影响仍然具有很大的不确定性。这是因为东亚夏季风动力学的高混沌性质以及许多其他可能的一阶气候强迫，包括青藏高原的下游影响、由南亚夏季风的水分输送的变化以及西太平洋副热带高压、土地利用和变化、区域海表温度异常、ENSO的远距离强迫、年代际振荡和温室气体变暖。

2.3 气溶胶、温室气体和季风相互作用及对中国空气污染的影响

要了解气溶胶-季风相互作用，还要考虑其他人类活动的影响，尤其是由温室气体浓度升高引起的全球变暖导致中国季风环流的变化，以便分离评估不同的影响。大气环境变化受各种作用的错综复杂的影响。大量研究表明，中国灰霾天增加除了污染排放也与东亚季风气候变化息息相关。

温室气体排放往往伴随气溶胶前体物的排放，如二氧化硫(SO₂)、氧氮化物(NOx)、氨气(NH₃)、可挥发有机物(VOC)等。这些气体排放到大气后经氧化变为颗粒物，也可以与其他气体结合形成新粒子。这些二次气溶胶是中国空气污染的重要成分。以工业排放为主的污染气体自2008年前后开始下降。硫化物排放相对集中(如电厂、冶炼厂)，脱硫费用较低，技术较成熟，SO₂下降最明显。氮氧化物来源相对分散，去氮技术难、费用高，NOx一直到2013年前后才明显下降。但氨气排放相对分散、技术不成熟，还一直处于增加的态势。

理论上讲，随着前体气体排放物的降低，二次气溶胶浓度应该开始下降，但中国北方地区空气污染仍在加重。这可能与下述中国气候变化特点有一定关系：冬季升温幅度大，寒潮爆发减少，风速减小，季风减弱，大气稳定度增加等。这些变化使得气溶胶积聚，大气清除作用减弱。因此，中国的污染问题可能存在剪刀差：排放减少效应被全球变暖作用部分抵消。因此，要解决中国污染问题，不能仅靠局地削减污染物排放，还要依靠对全球升温的制约。而这些又关联气溶胶、温室气体和季风相互作用。

3 存在的问题和未来研究新途径

毋庸置疑，过去10年间大量的科学研究已经极大促进了对气溶胶各项效应的认识，尤其是在气溶胶直接效应和反馈方面。然而，这些研究仍然存在许多不一致的地方，具有很大的不确定性，这为评估和量化任何气溶胶单一机制的影响提出了很大挑战。造成这一挑战的原因在于各种影响因子之间的相互作用、反馈过程包含多种物理和动力过程；而所有这些过程交织在一起，共同对云发展、降水形成和环流变化的季风变量产生影响。

关于温室气体引起的气候变化与近期全球变暖减缓的争论一直没有间断。如果能够将气溶胶的关键效应和趋势在气候模式中进行很好的反映，或许温室气体气候变暖与近期全球变暖减缓的差异能够得到更好的解释。总体来说，温室气体的累积应该会导致气候变暖和降水增多。尽管南亚夏季季风和东亚夏季季风都印证了20世纪的升温趋势，但观测发现的降水变化趋势却是与模式预测的温室效应相反。观测已经发现南亚地区在20世纪降水减少了约7%，然而整个东亚地区的降水变化接近于0。事实上，东亚夏季季风的观测发现伴随着中国北方地区降水减少，中国南部地区降水增多，也就是南涝北旱的降水格局。到目前为止，还没有任何一个仅考虑温室效应的模式能够模拟出观测所发现的降水变化格局，模式的模拟结果甚至在降水变化的趋势和格局上都呈现出不一致的结果。而考虑了气溶胶效应的模式能够模拟出降水变化的部分特征，但是不确定性比较大。到目前为止，在关于季风的数百项模式研究中，还没有模式能够令人满意地解释季风环流的减弱、南亚降水的减少和中国的南涝北旱等剧烈变化的同时发生。一个很重要的根本原因是还没有哪个数值模式能够从微物理、云分辨、天气尺度，到年际、年代际以及更长时间尺度上可靠地模拟气溶胶-季风相互作用的多尺度自然过程，而其中深对流和大尺度反馈起着重要的作用。

以前到现在的很多研究一直非常关注气溶胶作为外(人类污染)强迫对季风的作用，然而很少有研究关注气溶胶作为内在(自然)源对季风内部动力和反馈过程的贡献。正如这篇综述所表明，在实际大气季风气候系统的准静力平衡态的演变中，动力反馈过程可能扮演着至关重要的作用，而这种作用会受到人类污染和自然源气溶胶的强迫作用。

考虑到季风区存在大量的人为和自然源气溶胶，它们对热源汇分布的重要贡献，及对云和降水形成的重要作用，需要建立一个能够更深刻理解气溶胶-季风相互作用对气候变化贡献的新框架。在这个新框架中，自然气溶胶需要作为同温度、湿度、云和降水同样的状态量进行考虑。气溶胶必须放在自然气溶胶-季风气候系统的核心部分进行考虑(图 2核心椭圆区)，并受到季风气候变化的基本热力、动力和非绝热加热控制的影响。这些控制以及相关的自然过程和远程强迫作用(图 2中间椭圆环)很可能通过增加温室气体和人为气溶胶排放以及土地利用和变化(图 2中的外椭圆环)被人类改变。这可能是解决复杂气溶胶-季风气候变化问题的正确方法。进一步的研究工作应集中于如何使天然气溶胶-季风气候系统的基本过程如何被温室气体、人为气溶胶、土地利用和变化的共同与分开影响而改变。在这种框架下，可以开展观测和建模的协同发展战略，以更好地了解人类对季风气候变率和变化的影响，并为适应和减缓气候变化提供健全的政策。

更好的观测和模型对于解释气溶胶和全球变暖对季风气候变化的影响是至关重要的。然而，季风过程的观测和模型模拟的不确定性(特别是气溶胶与云的相互作用)仍然很大，并且这种不确定性还限制了单独依靠观测或模式对其原理的探索。如许多研究成果所证明，气溶胶效应取决于气象条件和气溶胶性质。气溶胶性质的差异可能导致对气候参数完全不同的影响。这些气溶胶性质包括气溶胶光学特性、吸湿性质，以及它们的水平和垂直分布等。虽然卫星可以在一定程度上监测气溶胶的空间和时间变化，但是这种观测在精度和量化上都具有一定局限性。大多数遥感观测手段仍然具有非常大的不确定性，这是由于对气溶胶参数的反演需要做许多假定(Li et al, 2009)。

外场实验可以通过增加观测量与观测精度来克服部分限制。如图 3所示，亚洲地区开展了许多国际和国家观测实验，致力于更好地了解亚洲季风系统、气候、水文、气溶胶及其相互作用。这些实验涵盖了亚洲夏季和冬季季风，并包含对研究气溶胶-季风相互作用很有价值的元素。为了利用这些实验数据并更好地协调今后对亚洲季风和气溶胶的研究，WCRP在2007年批准了亚洲季风年研究计划(AMY)。该计划通过开发一个涵盖2008-2010年、分辨率为20 km的亚洲地区的再分析数据集(称为AMY再分析资料)，充分利用了现有的观测数据集。这一数据集由日本气象局的气象研究所(MRI)开发，在2016年首先对亚洲季风年研究群体开放，然后在2018年发布给所有研究界。一些协调的国际计划，如更加强调气溶胶-季风相互作用的WCRP/AMY，需要在可预见的未来得到实施(Matsumoto et al, 2010)。

基于一系列不同的观测数据和模式工具，现在已经具备了较好的条件去研究气溶胶-季风相互作用的复杂问题。如图 4所描述，需要通过广泛合作，系统发展更多种类的观测数据和模式工具。要充分利用观测数据，开展高分辨率云分辨模式和区域气候模式模拟气溶胶对深对流、季风变化的效应和它们的相互作用。为此，需要丰富的高精度外场观测来帮助了解基本物理、化学和动力过程。并通过模式敏感性检验，提出科学的观测要求，开展模式-模式，模式-观测的交互验证。应该着眼于气候敏感区域的关键气象和气溶胶参数的观测，合理模拟出气溶胶-云-辐射-降水相互作用的各种关键过程。提高模式分辨率可以改善区域气溶胶-季风的模拟，尤其是在复杂地形区，但是不成熟的模式物理模块和经验成分高的参数化模型仍旧是主要的限制因子。外场实验数据适用于验证云分辨模式/区域气候模式，长期地面和全球卫星数据对于验证大气环流更有效，也有利于理解长期趋势和全球变化。同时，从可信的云分辨模式/区域气候模式中得到模型模拟结果还可以帮助改进参数化方案来进一步提高大气环流模式的准确性。气溶胶(自然和人为)都可能对天气和气候有显著影响，这些影响可从日、季到年际甚至更长时间的变化中反映出来。因此，对气溶胶-季风相互作用进行研究，需要把各种尺度的观测和模拟开展起来。

需要指出的是，尽管观测分析和模型模拟提供了不少气溶胶和亚洲季风相互作用的信息，但仍有许多未知和很大的不确定性存在。由于气溶胶和大气动力与物理过程的错综复杂的交缠，要区分气溶胶效应是一项极具挑战性的工作。文中提出了一些研究气溶胶与季风相互作用的新视角、新途径、新挑战。研究气溶胶与季风相互作用有助于更深入地理解全球变化问题。作为世界人口密度最大、经济发展最快的地区，亚洲的变化在全球变化中也起主导作用。气溶胶、温室气体和土地利用是全球变化研究的核心。搞清楚气溶胶与季风的相互作用，可极大地推动对其他人类活动的影响评估，加速全球变化研究进程。

致谢: 感谢赵传峰协助翻译工作，部分英文原稿由其他作者贡献。