2005, 16 (3): 322-333
大气气溶胶是引起气候变化的一个重要因子, 它通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地影响气候系统[1]。Charlson等[2]、Kiehl等[3]、Haywood等[4]对硫酸盐辐射强迫及其气候效应做了一定的研究并取得了一系列有意义的结果。概括起来, 这些研究大多是将三维化学输送模式同气候模式耦合, 在全球尺度上进行数值模拟。但由于气溶胶排放源的不均匀性以及生命期较短 (约1周), 气溶胶辐射强迫具有很大的区域差异性, 为此在区域尺度上评估硫酸盐气溶胶的气候效应更具有意义。
20世纪90年代以来, 国内外科学工作者对中国气溶胶区域气候效应产生了极大的关注。赵凤生等[5]利用一维辐射对流模式, 模拟了乡村型和城市型两类气溶胶的直接和间接效应, 指出了气溶胶在地气系统辐射收支及全球温度变化中的重要作用。王喜红等[6]利用三维区域欧拉型硫化物传输模式, 研究了20世纪90年代中期东亚地区人为硫酸盐柱含量的分布, 在此基础上, 利用一个两层多次反射模式估算了东亚地区人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫, 结果表明, 东亚地区年平均的人为硫酸盐直接辐射强迫约为-0.7 W/m2。胡荣明等[7]用中国大陆SO2的排放分布, 计算了中国地区人为扰动气溶胶的辐射强迫, 并用二维能量平衡模式计算了该种气溶胶引起的地面温度变化。模式结果表明, 最大辐射强迫和最大地面温度变化都集中在我国的沿海和四川地区。上述研究在硫酸盐气溶胶区域气候效应方面进行了一些有意义的探索, 但是他们基本上是借助简单的两层辐射模式和二维能量平衡模式, 考虑的物理过程比较简单。Qian等[8]利用耦合的硫输送-区域气候模式对东亚地区1994年10月和1995年7月的气溶胶辐射强迫进行了模拟。但是他们没有给出东亚地区人为硫酸盐气溶胶辐射强迫和气候响应的季节变化规律和年平均总体分布状况。周秀骥等[9]利用太阳直接辐射日总量和日照时数资料, 反演了气溶胶光学厚度平均值, 并用其模拟了对中国气候的影响, 取得了非常有意义的结果。但利用地面资料反演得到的气溶胶信息在空间分辨率和时间变化特征的描述上还不能满足准确地研究气溶胶区域气候效应的需要。
MODIS是美国国家航空和宇宙航行局 (NASA) 为适应全球变化研究而启动的EOS (Earth Observation System) 计划中Terra卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪 (Moderateresolution Imaging Spect roradiometer) 的简称, 它可以每天覆盖全球一次, 提供可见光、近红外和红外共36个通道的全球扫描数据, 最高分辨率达到250 m, 扫描宽度可达2330km, 为陆地气溶胶遥感提供了可行的手段[10]。NASA建立的MODIS资料业务处理系统提供了分辨率为10 km的气溶胶产品。本文利用MODIS月平均气溶胶光学厚度产品, 首先分析了中国中东部地区2001年气溶胶光学厚度的月平均分布特征, 然后结合中尺度气象模式MM5模拟硫酸盐气溶胶辐射强迫及其气候响应, 分析其地理分布特点和季节演变规律。
1 资料和模式简介 1.1 气溶胶资料本文采用的气溶胶光学厚度资料是由MODIS LEVEL 2获得的2001年月平均资料, 资料的分辨率为0.25°×0.25°, 范围是22°~46°N, 105°~122°E, 覆盖了中国东部地区。
由于我国近海岸地区海水泥沙大, 故NASA气溶胶产品海上算法不适用, 得到的结果精度较差, 海上资料取为缺测。李成才等[11]利用地基太阳光度计资料对2001年起的MODIS气溶胶产品进行了验证, 认为NASA依赖目前暗背景算法取得的MODIS产品在中国东部地区具有一定的精度, 能够满足气候和环境研究的要求, 且由于具有较高的空间分辨率和较大的空间覆盖, 所以具有从前任何数据所无法比拟的优势。
1.2 MM5模式简介模拟采用的是美国国家大气研究中心 (NCAR)1997年底在网上释放的第5代中尺度气象模式第2版本 (MM5V2) 。模式水平方向共有53 ×44个格点, 模式水平范围为21.75°~39.98°N, 102.15°~123.18°E, 中心点坐标 (31°N, 116°E), 格距为45 km。水平差分格式选用ARAKAWA-B方案。垂直方向采用δ坐标, 从地面到模式顶 (100 hPa) 分成27层, 使用蛙跳差分格式。时间差分相似于蛙跳格式, 积分步长为90 s。
模式所用的物理框架包括显式的Graupel水汽方案、Grell积云参数化方案、Blackadar边界层方案, 详细情况可参阅文献[12]。
原有MM5V2采用的辐射方案是CCM2, 我们将CCM3 [13]辐射方案耦合到MM5V2中。CCM3辐射方案的改进之处是在CCM2辐射方案的短波辐射参数化中增加了气溶胶的散射效应, 在长波辐射参数化中考虑了一些痕量气体 (包括CH4, N2O, CFC11, CFC12) 的辐射效应并考虑了冰云的辐射特征, 区分了在暖云中海洋性和大陆性有效粒子的大小。这些改进可减少模式在气候模拟中的偏差。模式所需的初始场和边界场为2001年NCEP逐日分析资料, 每天两个时次, 分别为00 :00(世界时, 下同) 和12 :00。网格距为1°×1°, 主要的物理量有u、v水平风, 温度, 相对湿度, 位势高度。
2 气溶胶光学厚度季节变化特征分析图1是2001年1、4、7、10月4个月MODIS光学厚度转换成模式格点的晴空气溶胶月平均光学厚度图。有关MODIS气溶胶光学厚度反演的晴空选取标准可参见文献[14]。从图中可以看出, 2001年气溶胶光学厚度的大值区主要分布于四川盆地、长江中下游地区、黄淮及两广地区等, 而福建全省、云贵高原附近、太行山以北等地气溶胶光学厚度全年较低。华北地区除山东半岛、泰山附近光学厚度较低外, 大部分地区光学厚度值较高。由图还可知, 同一年中气溶胶光学厚度分布随季节的变化呈现以下特征:冬季 (1月), 气溶胶光学厚度以四川盆地、湖北南部、淮河流域、黄河中下游地区为大值区, 大值中心分别位于山东半岛北部地区和阜阳附近, 光学厚度达0.8以上, 26°N以南地区气溶胶光学厚度较小。北方气溶胶光学厚度较大的主要原因是北方气候干燥、风速大, 有利于本地土壤扬尘天气的产生。春季 (4月), 光学厚度有3个明显的高值区, 分别位于四川盆地、长江中游地区和广西东南部地区, 大值中心分别位于重庆、武汉和南宁东部, 中心值达0.9以上, 相对冬季光学厚度大值区南移。夏季 (7月), 四川盆地、长江中下游地区和两广地区的光学厚度变小, 可能是由于夏季这些地区降水频繁, 雨水的清除或湿沉降缩短了气溶胶的生命期。华北地区、西安到汾河一带以及中原郑州一带为气溶胶光学厚度的大值区, 中心值可达0.7以上。这可能是因为该地区夏季湿度较高, 有利于“气-粒”转化过程的发生, 从而有利于气溶胶的形成。秋季 (10月), 从两广地区到长江中游南部直至淮河北部地区为光学厚度的大值区, 大值中心位于广东南部地区, 达0.7以上。
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| 图 1. 2001年MODIS光学厚度转换成模式格点的晴空气溶胶月平均光学厚度图 (a)1月, (b)4月, (c)7月, (d)10月 | |
总的来说, 2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度季节变化特征是:春季, 光学厚度普遍偏高, 除华北地区黄河中下游流域春、夏、冬季相当外, 全国大部分地区达到全年最高值; 夏季, 华北地区、西安到汾河一带以及中原郑州一带升高, 而四川盆地、长江流域下降, 广西高值区消失; 秋季, 长江中下游地区和两广地区上升, 全国其他地区下降; 冬季, 四川盆地、长江流域, 黄河以北地区上升, 南部普遍下降。
从以上的分析可知, 气溶胶光学厚度分布图中存在的大值中心基本上是我国工业发达、人口稠密、经济快速发展的地区, 这也表明中东部地区气溶胶的产生和人类的活动密切相关。
本文结论与罗云峰等[15]利用地基观测得出的结果类似, 而且由于卫星资料分辨率高, 本文给出的气溶胶的空间分布特征更为详细。
3 气溶胶直接辐射强迫的模拟 3.1 实验方案设计本文主要讨论硫酸盐气溶胶的辐射强迫及其气候效应, 参照文献[16]取单散射反照率ω=0.9999, 比实际观测得到的中国临安地区ω=0.93 [17]偏小。Bergstrom等[18]曾估计如果有1δ的不确定性, 那么北大西洋气溶胶ω(0.55 μm) 变化0.07时, 相应的模式顶净通量变化的不确定性为21 %。所以ω对辐射强迫的影响不容忽视, 还需进一步深入研究。
本文在辐射方案中通过在太阳短波区0.2~0.7 μm波段晴空部分改变地-气系统的行星反照率来表征大气气溶胶的直接辐射效应。将气溶胶放置在近地面层, 根据气溶胶直接辐射强迫的定义为有气溶胶时与无气溶胶时模式顶太阳短波辐射净通量之差, 我们共做了3个实验, con为无气溶胶时的控制实验, opt1为加入1倍气溶胶时的敏感性实验, opt2为加入2倍气溶胶时的敏感性实验, 分别用Case1和Case2表示opt1-con、opt2-con。
3.2 Case1结果分析 3.2.1 晴空气溶胶直接辐射强迫的季节变化图2所示为2001年晴空时气溶胶辐射强迫的月平均变化, 即晴空大气顶太阳短波净通量的变化。由图可以看出中国中东部地区各月晴空气溶胶辐射强迫的分布与气溶胶光学厚度的分布吻合得很好。1月, 四川盆地、长江中下游地区、淮河、山东半岛北部地区为辐射强迫的大值区, 高值中心位于四川盆地附近, 达-36 W/m2以上。福建沿海、贵州、西北地区辐射强迫值较小。4月, 整个中东部地区辐射强迫较1月明显增加。四川盆地, 长江中下游地区仍为辐射强迫的大值区, 中心强度分别高达-55W/m2和-45 W/m2以上, 淮河、山东半岛附近的高值中心消失, 广西东部地区出现辐射强迫的高值中心, 强度达-55 W/m2以上, 福建沿海、贵州、西北地区辐射强迫值依然较其他地区小。7月, 四川盆地、长江中下游地区辐射强迫值减小, 高值区主要位于华北地区的河北、山东、山西交界处, 中心值可达-40 W/m2以上, 贵州东北部也有一辐射强迫的高值中心, 东南沿海地区辐射强迫值相对较小。10月, 整个中东部地区辐射强迫除东南沿海地区和西北地区辐射强迫较小约-15 W/m2外, 其他地区辐射强迫值都在-21 W/m2以上, 大值区主要分布于两广地区, 长江中游地区及淮河北部地区, 与光学厚度图比较可见, 晴空时直接辐射强迫的季节变化与光学厚度的季节变化相同。
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| 图 2. 2001年晴空气溶胶辐射强迫的月平均变化 (Case1) (单位:W/m2) (a)1月, (b)4月, (c)7月, (d)10月 | |
3.2.2 地面温度响应
图3所示为受气溶胶的影响引起的地面气温季节变化图。由图可知:
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| 图 3. 地面气温的季节变化 (Case1) (单位:℃) (a)1月, (b)4月, (c)7月, (d)10月 | |
1月, 地面气温下降幅度在4个月中最显著, 整个中东部地区下降幅度都达-0.3 ℃以上。其中四川盆地以东, 自华北、华中到华南的东北—西南向的区域里, 降温幅度明显, 普遍达-0.6 ℃以上。最大降温中心位于湖北、湖南、江西地区, 降温值达-0.9 ℃以上。此外, 在黄河中上游地区也有降温区, 降温幅度也较大, 达-0.8 ℃以上。其余地方降温在-0.4 ℃左右。总的来说, 南方降温幅度大, 北方降温幅度较小。
4月, 整个中东部地区气温下降都达-0.1 ℃以上。-0.5 ℃以上的降温区较1月范围减小并东退南移。降温中心位于长江三角洲地区和两广地区, 降温幅度分别达-0.8 ℃和-0.6 ℃以上。110°E以西地区降温幅度减小。总的来说, 4月降温幅度小于1月。南方降温幅度大, 北方降温幅度小。
7月, 模拟区域内有降温也有升温。整个中东部地区有两个明显的降温区, 一个位于黄河中上游地区, 降温幅度达-0.3 ℃以上, 另一个降温区则呈东北—西南走向从渤海湾处经山东、安徽、湖北、湖南延伸到广西一带, 降温幅度明显, 最大降温中心位于山东北部地区, 可达-0.5 ℃以上。总体表现为北方降温比南方大。除了大面积的降温外, 部分地区出现升温, 四川盆地升温明显, 超过0.3 ℃以上。山西和华东沿海附近也有升温, 中心值在0.2 ℃左右。
10月, 降温区较7月强度加大并南移, 降温最大区位于两广地区, 幅度达-0.7 ℃以上, 在湖北中部地区也有个降温高值中心, 达-0.5 ℃以上, 30°N以北地区降温幅度都在-0.3 ℃左右, 南方降温幅度大于北方。
综上所述, 地面温度响应呈现出明显的区域季节变化特征。主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显, 夏季北方降温幅度明显。降温大值区呈现出季节的振荡, 表现为春秋季南移, 夏冬季北移。而夏季, 温度响应出现增温情况, 表明夏季辐射强迫与其温度响应之间存在非线性关系。这可能是由于云与降水过程之间的非线性相互作用造成的[7]。
图4为1、4、7、10月4个月地面气温的平均变化。由图可见:受气溶胶的影响, 中东部地区地面气温均有所下降, 超过-0.1 ℃。降温明显的区域可分为两块:一块为110 °E以东, 福建、浙江以西从华北到两广地区的带状区域里, 最大位于山东半岛南部到江苏南京附近, 降温超过-0.55 ℃; 另一块为西北地区, 最大位于甘肃附近, 降温达-0.5 ℃左右。
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| 图 4. 1、4、7、10月4个月平均地面气温变化 (Case1) (单位:℃) | |
Li等[19]利用中国境内160个气象站的资料, 对近45年来中国气候变化特征进行分析表明, 20世纪80年代以来我国南方大部分地区尤其是四川盆地、湖南及长江中下游地区普遍降温, 并指出这种变冷可能与硫酸盐含量增加有关。陈隆勋等[20]利用400个台站的月平均气温、降水及其他相关资料, 对45年来中国气候变化特征作了更全面的分析, 发现中国现代的气温变暖主要发生在35°N以北地区, 变暖最大在新疆和黑龙江北部。同时, 在35°~23°N, 100°E以东地区存在一个更加广阔的变冷区, 变冷中心主要位于中国的西南地区并扩展到华中地区以及华东沿海地区 (包括江苏到福建)。本文模拟的降温区主要位于22°~40°N, 110°E以东, 福建、浙江以西的地区, 与观测分析的主要降温区基本接近, 但模拟的西南地区降温幅度较小, 与观测分析结果不吻合。
3.3 Case2结果分析罗云峰等[15]利用全国46个甲种太阳辐射站近30年的资料计算了中国地区大气气溶胶的光学厚度, 发现中国四川盆地、贵州北部、长江中下游地区、山东半岛、青藏高原地区气溶胶光学厚度存在大值区, 并且年变化保持上升趋势。据预测[21], 我国未来20年SO2排放量将继续大幅度增加。SO2的增加一方面会导致环境污染, 一方面会使大气中硫酸盐气溶胶的含量大幅度增加。而气溶胶光学厚度的增加会增强气溶胶直接和间接辐射强迫作用, 最终影响区域气候变化。所以, 我们将气溶胶光学厚度增加1倍, 研究其晴空直接辐射强迫和气候响应的时空敏感性变化。
气溶胶加倍后 (图略), 1、4、7、10月4个月辐射强迫变化后的分布形式和Case1辐射强迫的分布基本一致。Case1辐射强迫大的地方, Case2-Csae1时, 辐射强迫的变化也大。但是, 变化的强度各季不同。总的来说, 4月辐射强迫变化最大, 10月辐射强迫变化最小。
图5是气溶胶光学厚度加倍后, 1、4、7、10月4个月地面气温的变化与1倍气溶胶光学厚度时的差 (Case2-Case1) 。由图可见:1月, 南方降温变化较北方大, 整个气温变化趋势和Case1气温变化趋势基本相同。最大降温区位于西南地区以东、长江以南、南岭以北地区, 最大降温可达-0.8 ℃以上。Case1降温较小的西南地区, Case2-Case1时, 降温幅度也很小。4月, 地面气温变化的分布形式和Case1时气温变化相似。Case1中地面降温大的区域与Case2-Case1中的大值区对应很好。7月, 北方降温变化较南方大, 最大降温区位于华北地区, 强度达-0.5 ℃以上。南方气温变化幅度很小, 不超过0.1 ℃。10月, 地面气温变化的分布形式也和Case1气温变化相似, 即Case1地面降温大的地方Case2-Case1时, 变化也大。南方降温也较北方大, 降温大值区位于两广地区, 达-0.5 ℃以上。
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| 图 5. Case2与Case1地面气温差分布 (单位:℃) (a)1月, (b)4月, (c)7月, (d)10月 | |
综上分析可知, 气溶胶光学厚度加倍后, 其辐射强迫及地面气温变化的时空分布与Case1基本相同, 但各季各地区变化程度不同。总体来说, Case1辐射强迫大, 地面降温多的地方, 光学厚度加倍后, 其辐射强迫及地面降温也加大。
表1为Case1和Case2 1、4、7、10月4个月及年平均的区域平均晴空直接辐射强迫和地面气温变化的大小。整个中东部地区平均而言, 晴空直接辐射强迫4月最大, Case1为-22.57 W/m2, Case2为-36.6 W/m2, 10月最小, Case1为-20 W/m2, Case2为-34.18 W/m2;年平均Case1为-24.97 W/m2, Case2为-42.68 W/m2。地面气温变化则1月最大, Case1为-0.65 ℃, Case2为-1.1 ℃, 7月最小Case1为-0.09 ℃, Case2为-0.18 ℃。年平均Case1为-0.36 ℃, Case2为-0.64 ℃。从表中也可以看出, 光学厚度加倍后, 辐射强迫和地面气温变化相应加大, 但是变化幅度各季不同, 晴空直接辐射强迫和地面气温变化幅度分别为-14~-25W/m2和-0.09~-0.45 ℃左右。Kiehl等[3]指出, 当前年平均温室气体辐射强迫在东亚地区接近+2.5 W/m2, 而我们得到的中东部地区年平均晴空气溶胶直接辐射强迫为-24.97 W/m2, 远远超过了温室气体的辐射强迫, 这表明硫酸盐气溶胶对东亚地区的辐射收支有着重要的影响。王喜红等[22]利用区域气候模式模拟得到东亚地区晴空人为硫酸盐直接辐射强迫年平均值为-7.56 W/m2左右, 比本文模拟的辐射强迫值小, 主要原因是因为他们只考虑了人为硫酸盐气溶胶的影响。Christopher等[23]利用MODIS和CERES观测资料, 对海洋上的气溶胶辐射强迫进行了研究, 得到东亚地区晴空辐射强迫为-12.43 W/m2;Xu等[24]对长江三角洲地区的辐射强迫进行了观测和模拟, 但他只给出了晴空日直接辐射强迫为-30.4 W/m2。模拟得到的年平均地面气温变化结果与罗云峰模拟结果[16]接近 (年平均地面气温变化为-0.135 ℃)。
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表 1 晴空气溶胶辐射强迫和地面气温变化的大小 |
4 结论
本文在分析了MODIS卫星资料反演的中国中东部地区2001年的气溶胶光学厚度的月平均分布特征的基础上, 用中尺度数值模式MM5V2对东部地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫进行了数值模拟, 并分析了辐射强迫及其气候效应的季节变化特征。主要结论如下:
(1) 2001年中东部地区气溶胶光学厚度大值中心主要分布于四川盆地、长江中下游地区、黄淮及两广地区。各季光学厚度变化不同, 全年以春季最大。
(2) 区域平均而言, 2001年中东部地区气溶胶晴空辐射强迫以春季最大, 达-34.53 W/m2;冬季次之, 达-22.57 W/m2;夏季再次, 达-22.76 W/m2;秋季最小, 达-20 W/m2;年平均-24.97 W/m2左右。
(3) 由于气溶胶的辐射效应, 导致地面气温下降。地面温度响应呈现出明显的区域季节变化特征, 主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显, 夏季北方降温幅度明显。降温大值区呈现出季节振荡, 表现为春秋季南移, 夏冬季北移。夏季, 部分地区温度响应呈现增温情况, 可能是由于云与降水过程之间的非线性相互作用所致。模拟得到的4个月平均的主要地面气温下降区与观测结果接近。
(4) 区域平均而言, 地面降温以冬季最大, 达-0.65 ℃; 秋季次之, 为-0.37 ℃; 春季再次, 为-0.34 ℃; 夏季最小, 为-0.09 ℃, 年平均降温为-0.36 ℃。
(5) 气溶胶光学厚度加倍后, 其辐射强迫及地面气温变化的时空分布与Case1基本相同, 但各季各地区变化程度不同。就区域平均而言, 光学厚度加倍后, 辐射强迫和地面气温变化的范围分别为-14~-25 W/m2和-0.09~-0.45 ℃左右。
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