华南黑碳气溶胶浓度与南海夏季风关系的年代际突变

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摘要：摘要 利用重建的华南区域黑碳气溶胶(Black Carbon，BC)浓度资料，分析其与南海夏季风在年际尺度上的关系。结果表明，华南区域BC浓度与南海夏季风的关系在2000年前后有明显的突变，由显著负相关变为显著正相关，即由高BC浓度弱季风变为高BC浓度强季风。通过合

　　摘要 利用重建的华南区域黑碳气溶胶(Black Carbon，BC)浓度资料，分析其与南海夏季风在年际尺度上的关系。结果表明，华南区域BC浓度与南海夏季风的关系在2000年前后有明显的突变，由显著负相关变为显著正相关，即由高BC浓度弱季风变为高BC浓度强季风。通过合成对比分析，发现1988—1999年(第一时间段)的华南BC主要气候效应是间接辐射强迫作用：华南BC使云粒子半径减小，抑制华南区域春季降水，增加了云的生命期，从而使到达地面的短波辐射减少，表面和低层大气降温。负温度异常激发了异常反气旋，在南海区域即有东风异常。到夏季，东风异常减弱了季风强度，同时抑制了南海地区的降水。2000—2010年(第二时间段)的华南BC主要气候效应是直接辐射强迫作用：春季高BC浓度通过直接气候效应，增暖大气，加强降水，但是雨日减少，从而使到达地面的短波辐射增多，表面和低层大气增温。正温度异常激发了异常气旋，在南海区域即有西风异常一直维持到夏季，增大了季风强度，同时增强了南海地区的降水。

　　关键词 黑碳气溶胶; 南海夏季风; 直接效应; 间接效应; 华南

　　大气气溶胶作为全球变化的重要强迫因子，因其全球气候效应而成为科学家们广泛关注的一个重要研究领域，并且已经成为当前国际全球变化研究的热点问题之一。气溶胶粒子影响地球大气辐射平衡和云雨过程，这两种过程都会引起气候变化。一方面，气溶胶粒子直接通过吸收和散射太阳辐射，改变地-气系统的能量收支;另一方面，气溶胶粒子还作为云的凝结核(CCN)改变云的光学和微物理特性，甚至云结构、生命期和降水，改变地球水循环(李占清，2020)。

　　季风活动引起的洪涝干旱等自然灾害威胁着全球超过60%的人口，因此气溶胶辐射强迫对大尺度季风系统的影响也越来越受到关注(陈明诚等，2014;王东东等，2017;史湘军等，2020a;2020b)。季风作为气候系统中最主要也最活跃的组成部分，其形成与演变取决于系统外部强迫和系统内部反馈。季风的基本推动力包括太阳辐射季节变化、海陆热力差异和大气中湿过程等，而气溶胶可以改变几乎所有这些驱动季风的基本推动力。已有研究表明，气溶胶辐射强迫可以影响全球所有季风区的降水量或雨带分布，例如：南亚季风区(Devara et al.，2003;Chen et al.，2007;Wang et al.，2009)、东亚季风区(Gu et al.，2006;Huang et al.，2007)、澳大利亚季风区(Rotstayn et al.，2007)、非洲季风区(Solmon et al.，2008;Huang et al.，2009)和南美季风区(Lin et al.，2006)。黑碳气溶胶(Black Carbon，BC)是吸收性气溶胶，作为气候变暖的重要角色(Ramanathan et al.，2002)，其直接辐射强迫仅次于二氧化碳(Ramanathan and Carmichael，2008)，它对季风的影响与其他散射性气溶胶有很大区别。

　　对于南亚季风，Lau et al.(2006)提出了吸收性气溶胶的高层加热泵(Elevated Heat Pump，EHP)效应。首先，吸收性气溶胶使青藏高原南坡上的空气加热，吸引了更多的印度洋暖湿水汽的从低层补充;同时，由于地面的冷却抑制了对流，从而更可以使暖湿空气向喜马拉雅山脚深入，并引起该处的更多降水;由于更多的降水引起该处更多的加热，从而又吸引更多的暖湿空气汇入，形成一个正反馈，导致南亚季风提早爆发。一些观测资料分析(Satheesh et al.，2008)和模式研究(Collier and Zhang，2009)也证实了南亚季风区的EHP效应。而夏季，与黑碳气溶胶相关的高空稳定的加热层，形成一个由北指向南的温度梯度，有利于南亚夏季风的增强(王志立等，2009)。但是Collier and Zhang(2009)的研究也指出，气溶胶辐射强迫将导致季风爆发前南亚地区表面短波辐射减小而降水增多，从而导致低层大气的冷却，并形成异常反气旋，最终对6—7月活跃期的南亚夏季风是一种负反馈效应。甚至在5月，Nigam and Bollasina(2010)也认为EHP理论并不符合观测事实。例如，5月气溶胶标准差中心并不在喜马拉雅南坡，而是在北印度-刚果平原以南。此外，更重要的是气溶胶与表面温度以及降水的关系也与EHP理论相反。

　　BC对东亚季风的影响也没有定论。有研究认为BC的直接效应加热大气，使大气变得不稳定，对流加强，从而降水增多。例如，Menon et al.(2002)就将20世纪后半叶的中国南涝北旱归因于BC的直接辐射强迫。Liu et al.(2010)的模式模拟研究结果也指出BC使华南降水增加，华北降水减少。但是，也有不少研究认为BC的直接辐射强迫使陆地表面变冷，海陆热力对比减小，从而使亚洲季风减弱(孙家仁和刘煜，2008，Liu et al.，2009)。此外，Wang(2004)的研究表明BC对降水的影响具有很大的不确定性，但总体是使云量增多。这与Ackerman et al.(2000)的结论正好相反，他們认为BC是使热带云减少的。这个矛盾可能与BC的半直接效应有关。Zhang et al.(2009)在考虑碳类气溶胶的直接和半直接效应后，认为在中国南方大气变暖，云量和降水减少，在北方正好相反。这与Menon et al.(2002)仅考虑BC的直接辐射强迫的结果正好相反。而Wonsick et al.(2014)也认为半直接效应可能是导致EHP理论与观测差异的原因。

　　综上所述，虽然有许多关于气溶胶辐射强迫与季风关系的研究，但是总体来说，不确定性还是非常高。而华南地区不仅仅气溶胶的区域特征明显，其气候特征也很显著，是南海夏季风影响中国大陆的最前沿。目前对BC在年际尺度上如何影响南海夏季风研究得较少，还没有清晰的图像。本文利用重建的华南区域BC浓度资料，分析其与南海夏季风在年际尺度上的关系，并理解其相关的机制。

　　1 资料与方法

　　使用的资料包括重建的逐年华南大陆BC浓度序列(廖碧婷，2012)、逐月NCEP-NCAR再分析風场、温度场和云强迫的短波辐射资料(水平分辨率2.5°×2.5°，Kalnay et al.，1996)、逐月的CMAP降水资料(水平分辨率2.5°×2.5°，Xie and Arkin，1997)、扩展重建的海表温度资料ERSST.V4(水平分辨率2.0°×2.0°，Smith and Reynolds，2004;Smith et al.，2008)和CPC基于观测分析的全球逐日降水资料(水平分辨率0.5°×0.5°，Xie et al.，2007;Chen et al.，2008)。此外，日本再分析JRA-25的风场资料(水平分辨率1.25°×1.25°，Onogi et al.，2007)用于对比验证。资料时间长度都是1988—2010年。其中重建的逐年华南大陆BC浓度序列使用的样本有125组，采样点分布在华南大陆及南海北部，最南端在永兴岛，最北端在番禺;对比分析显示出重建的逐年华南大陆BC浓度序列与珠三角一些城市(广州、深圳、香港、珠海等)的观测结果相近(廖碧婷，2012)。由于采样的时间段大多在南海夏季风爆发前(超过80%)，因此，本文利用重建的逐年华南大陆BC浓度序列分析季风爆发前BC对大气环流的调制作用，进而影响南海夏季风强度的思路是可行的。

　　本文中的春季是指北半球春季3—5月(MAM)，夏季指北半球夏季6—8月(JJA)。南海夏季风指数定义为南海区域(105°～120°E，5°～20°N)夏季平均850 hPa风场在西南方向的投影(Zheng et al.，2009)。主要研究方法为滑动相关和合成分析。由于计算相关的变量都包含有明显的趋势变化时，相关特征可能被夸大或者缩小(施能等，2007)，因此本研究中各变量分别进行去线性趋势处理。11 a滑动相关计算如下：

　　Ct=Cor[(At-5，At-4，…，At+4，At+5)， (Bt-5，Bt-4，…，Bt+4，Bt+5)]，t=6，7，…，(n-5)。

　　其中：C为相关系数;Cor[A，B]是两个变量的相关计算;A和B代表变量;t为时间;n为变量时间长度。

　　本文还使用了NCAR的CAM5模式对相关过程进行了2组模拟试验，第1组参考试验(CTL)：考虑全球各种气溶胶排放(IPCC AR5排放源)的直接与间接气候效应的试验;第2组敏感性试验(CTL-noBC)：中国区域无BC排放，其他与参考试验一致。模式积分了13 a，输出都是月平均值，已删去了第一年的积分结果。

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