中国东部地区人为气溶胶对东亚冬、夏季风的影响——一个高分辨率大气环流模式的模拟研究

使用一个高分辨率的公用大气环流模式(CAM5.1)研究了我国东部地区人为气溶胶对东亚冬、夏季风的影响。结果表明,人为气溶胶中的黑碳和硫酸盐气溶胶含量的季节性变化在冬、夏季节对大气表现出不同的热力效应,并且可能是影响我国东部地区上空大气温度长期变化的重要因素。人为气溶胶引起的东亚季风区夏季降温可达对流层中高层造成东亚地区海平面气压升高、海陆气压梯度减小,减弱夏季低层的偏南风分量和高层的南亚高压。东亚人为气溶胶可使东亚地区冬季近地面层温度普遍降低、对流层中高层明显增温,导致东亚东部地区海平面气压下降,减弱东亚地区冬季低层的偏北风分量,阻止中层的东亚长波槽南伸,并削弱高层西风急流的强度。

中国东部地区人为气溶胶影响东亚夏季风爆发和推进过程的数值模拟

使用一个高分辨率的公用大气环流模式(CAM5.1)研究我国东部地区人为气溶胶对东亚夏季风爆发和推进过程的影响。结果表明,CAM5.1模式能很好地模拟出南海夏季风爆发前后大尺度环流的季节性转变。南海夏季风在中国东部地区人为气溶胶的影响下提前2候爆发,并且可能是影响1993年后南海夏季风提前爆发的重要原因。人为气溶胶使得低纬度地区的东西风分界线在5月中旬明显向东扩展,南海地区出现显著的西/西南风差值气流,同时赤道纬向西风提前向北增强。人为气溶胶中硫酸盐和黑碳气溶胶含量的季节变化通过改变大气的热力结构,影响我国东部地区大气低层环流场,减弱夏季风前期北上的西南风暖湿气流,而相反地增强了其盛期在华北地区的偏南风分量,造成东亚夏季风北边缘从5月上旬—6月初缓慢北移至长江中下游地区,而后在7月中旬加速向北推进,且到达的最北位置要偏北1个纬度。

20世纪90年代以后华北初春低温增强和北大西洋海温关系

本文利用ECMWF再分析资料及Hadley中心提供的海温数据分析了20世纪90年代以后华北地区初春低温增强的原因,并通过数值模拟结果予以验证。结果表明,北大西洋"马蹄型"海温模态与影响我国华北地区的欧亚波列存在显著的相关关系。同时该海温模态与1997年以后北大西洋关键区垂直波作用通量有着较密切的相关关系,1997年以后北大西洋地区的500 hPa环流模态,整体呈现出东移南撤的趋势。1997年以后格陵兰岛东侧表面温度受异常热力强迫导致正值区增多,同时此处西风急流加大,有利于Rossby波向下游传播,导致其下游欧洲大陆地区形成暖脊。通过局地多尺度能量涡度分析法(Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,简称MS-EVA)证明格陵兰岛东侧关键区表面温度的异常热力强迫作用与气压梯度力在对流层整层做正功,导致高层动能的增加并向外辐散,使得脊加强向北伸展。通过欧亚波列致使下游华北地区上空气旋式异常加强,促使亚洲极涡加强和稳定维持,华北地区温度下降剧烈,极端低温事件增多。最后通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋"马蹄型"海温模态对大气环流异常及华北地区极端低温的影响。模拟结果很好地验证了观测结果,进一步表明该海温模态可以通过激发出欧亚波列,影响欧亚大陆大气环流异常,进而导致我国华北地区气旋性加强和经向环流加大,极端低温事件增多。

硫酸盐气溶胶间接效应对中国东部冬季气候的影响

气溶胶间接效应通过对云的作用来影响气候,其过程复杂且不确定性较大。本研究利用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1,通过改变模式中硫酸盐气溶胶转化为云凝结核数浓度的数量,设计了硫酸盐气溶胶间接效应的敏感性试验,通过与控制试验对比来研究其间接效应对中国东部地区冬季云、降水和季风强度的影响。结果表明:在东亚地区云凝结核形成过程中,硫酸盐气溶胶占绝对的主导地位。硫酸盐气溶胶间接效应导致中国东部地区冬季云凝结核和云滴数浓度显著增加,海洋和陆地低层的云滴有效半径减小和总云液水路径的增加,导致了云反照率的增加。引起的负辐射强迫使地表和大气降温,海平面气压升高,增加的海陆气压梯度导致中国南方地区东亚冬季风增强,总降水率减少。硫酸盐气溶胶间接效应可能不是东亚冬季风在20世纪80年代中期年际变率减弱的原因。

中国东部地区城市范围扩展对东亚春季气候的可能影响

利用耦合了CLM4(Community Land Model)的CAM5.1(Community Atmosphere Model)模式研究了中国东部地区城市范围扩展对东亚春季气候的可能影响.结果表明城市化改变了地面能量平衡,表现为地面净辐射通量和感热通量增加,地面潜热通量减小,造成近地面温度、日最高气温和最低气温升高,气温日较差增大,且近地面增温的幅度与城市比例密切相关,但对城市范围扩展的响应具有一定程度的不确定性.城市范围扩展所引起的近地面热力强迫可以影响到东亚地区低层大气环流,但由于近地面对不同程度城市范围扩展的热力响应具有非线性变化,导致东亚春季低空环流的变化也具有一定的不确定性,但其总体上会减弱长江中下游以南地区的西南气流.因此,中国东部地区的城市范围扩展会使得长江以北地区春季降水量偏少而长江以南地区降水量偏多,造成东亚春季雨带南移.