东亚季风系统对过去和未来人为气溶胶排放变化响应的模拟研究

East Asia, especially eastern China is one of the regions in the world where anthropogenic aerosol emissions are the largest due to its rapid economic development in recent decades. Aerosol has become an important anthropogenic forcing agent in East Asian monsoon region. The interaction between aerosols and monsoon dynamics has also been widely focused. However, there are large uncertainties on the effect of aerosol forcings on monsoon system due to either only considering the aerosol direct radiative effect or only considering the fast response of atmosphere to aerosol forcings in previous modeling studies. In this proposal, we will 1) estimate the changes of anthropogenic aerosol concentrations and their radiative forcings in the past and future, 2) examine the effect of increases in anthropogenic aerosol emissions on temperature, circulation, and precipitation in East Asian monsoon system since the start of the industrial era, and 3) project the response of East Asian monsoon to changes in anthropogenic aerosols under the future emission scenario, by using an independently developed aerosol-climate coupled model with aerosol direct, semi-direct and indirect effects included and taking the feedback of ocean to aerosol forcings into account, in combination with the global aerosol emission inventories for pre-industry, present day, and future scenarios underpinning the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR5). The objective of this project is to obtain a better understanding on the interaction between aerosols and East Asian monsoon system.

由于经济快速发展，东亚特别是中国东部已成为全球气溶胶排放量最大的区域之一。在东亚季风区，气溶胶成为一个重要的人为强迫因子，气溶胶与季风动力之间的相互作用也被广泛关注。由于以往的模拟研究中或者仅考虑气溶胶的直接辐射效应，或者仅考虑大气对气溶胶强迫的快速调整，使得气溶胶对季风系统影响的研究结果存在很大不确定性。本项目拟利用一个自主发展的包含了气溶胶直接、半直接和间接效应的气溶胶-气候在线耦合模式，同时考虑海洋对气溶胶强迫的反馈，结合最新的IPCC评估报告（IPCC AR5）给出的工业革命前、目前条件和未来情景下的全球气溶胶排放数据：1）评估过去和未来人为气溶胶浓度及其辐射强迫的变化；2）分析自工业革命以来人为气溶胶排放增加对东亚季风系统中温度、环流、降水等的影响；3）预估未来排放情景下东亚季风对人为气溶胶变化的响应程度。期望从物理机制上更加深入地认识气溶胶与东亚季风系统之间的相互作用。

自工业化以来，人类活动的加剧造成人为气溶胶的排放显著增加。人为气溶胶强迫被认为是1950s以来东亚夏季风长期变化的主要驱动力。但是，气溶胶强迫通过什么途径影响东亚夏季风，以及未来人为气溶胶排放变化又会对东亚夏季风产生怎样的影响，仍具有很大的未知性。. 本项目利用包含了完整的气溶胶-辐射和气溶胶-云相互作用过程的全球气溶胶/大气化学-气候在线耦合模式，估算了目前条件和未来情景下人为气溶胶的有效辐射强迫，研究了全球、东亚和非东亚气溶胶强迫以及不同种类气溶胶对东亚夏季风的影响，区分了快响应和慢响应在形成东亚夏季风对气溶胶强迫总的平衡态响应中的作用，并定量评估了东亚夏季风对未来情景下人为气溶胶减排的响应，得到的重要结果如下：. 1）模拟的1850-2010年和预估的Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5情景下2000-2100年大气顶全球年平均的人为气溶胶有效辐射强迫分别为-2.49 W m-2和+1.45 W m-2。气溶胶的辐射强迫呈现出显著的半球间不对称性和空间不均匀性，大值区主要位于北半球中低纬度区域。. 2）1850-2000年人为气溶胶强迫造成东亚夏季平均表面温度降低2.1 K，季风指数减小9.6%，降水减少12%。非东亚气溶胶强迫明显加剧了东亚局地气溶胶强迫对东亚夏季风的减弱。. 3）气溶胶强迫不仅通过改变海-陆表面热力对比，而且通过改变对流层上层热力和局地环流结构来影响东亚夏季风。我们进一步发现，气溶胶强迫主导了观测到的1950年代以来东亚夏季对流层上层的年代际冷却，从而提出了气溶胶强迫通过改变对流层上层热力结构来影响东亚夏季风的新机制。. 4）在RCP4.5情景下2000-2100年人为气溶胶减排造成东亚夏季平均表面净短波辐射通量增加3.9 W m-2，表面温度升高1.7 K，增强了海-陆表面热力对比。此外，气溶胶减排导致夏季东亚中纬度对流层上层出现明显的暖异常，使得东亚副热带急流中心位置北移。最终，东亚夏季风环流增强，降水增加10%。. 本项目的开展推动了在气溶胶对东亚夏季风影响方面的科学认知，对深入认识东亚季风变化的机理以及预估东亚的气候变化具有重要意义。