黑碳气溶胶对东亚和南亚水循环的影响机制研究

Atmospheric water cycle is a key to the Earth’s climate system, which is closely linked to atmospheric thermodynamic and dynamic states. East and South Asia are the two regions with the largest emissions of black carbon aerosols in the world. The causes of the East Asian monsoon and the South Asian monsoon are quite different. Through a series of radiative, cloud-physical, and thermodynamic/dynamic effects, black carbon aerosols will affect the horizontal and vertical structure of the atmosphere, the sea-land thermal contrast, and the monsoon circulation, which further alter regional water cycles. At present, the scientific understanding of the impact of black carbon on water cycle is still very low and the moisture sources of atmospheric water substances (water vapour, cloud water, precipitation, and so on) during the Asian monsoon are still unquantified. The Community Earth System Model (CESM), in which the self-developed online Eulerian atmospheric water tracer technology is incorporated, and data analysis will be employed in this project. Based on the systematic understanding of the seasonal and interannual variation characteristics of water cycles in East and South Asia, the impact of black carbon aerosols on monsoon water cycles will be studied. To reveal the differences and similarities between physical mechanisms of black carbon impact on water cycles in East and South Asia, there will be detailed analyses of the variations of the horizontal/vertical structures of the atmospheric water substances and relevant physical quantities, the sea-land thermal contrast, and atmospheric circulation. Based on above, we will investigate the impacts of black carbon aerosols in diverse emission scenarios on the moisture supplies from dominant source regions to East and South Asia, which can provide a scientific basis for assessing the distributions of atmospheric water resources, changes in moisture sources, and the effects of air pollutions in Asia.

大气水循环是地球气候系统中的关键环节，与大气热力和动力紧密联系。东亚和南亚是全球黑碳排放量最大的两个地区，且两地季风成因差异较大。黑碳可以通过一系列的辐射、云物理、热/动力效应影响大气的水平和垂直结构、海陆热力差和季风环流，进而改变区域水循环。目前，黑碳对水循环影响的认识水平还很低，且亚洲季风期间的大气水成物（水汽、云水、降水等）来源还存在未定量的问题。本项目拟采用地球系统模式CESM（耦合了自主开发的在线欧拉型大气水成物追踪技术）模拟和资料分析，在系统认识东亚和南亚水循环的季节和年际变化特征的基础上，研究黑碳对季风水循环的影响，分析大气水成物及相关物理量的水平/垂直结构、海陆热力差以及大气环流的变化，揭示黑碳影响东亚和南亚水循环的物理机制的异同。在此基础上，探讨黑碳不同排放情境对东亚和南亚主要水源地的水分供应量的影响，为评估亚洲地区大气水资源分布、来源变化以及空气污染的影响提供科学依据。

东亚和南亚是全球黑碳排放量最大的两个地区，两地都是著名的季风区，但季风成因有区别。高浓度的黑碳可以通过一系列复杂效应影响区域气候系统和相关的水循环过程。目前，国际上有关黑碳对水循环影响的认识水平还很低，存在很大的不确定性。本项目采用地球系统模式CESM并结合资料分析，研究发现黑碳的地表浓度通常在冬季较大，而在夏季较小。东亚地区的黑碳浓度的高值中心主要位于华北和四川盆地。南亚地区的黑碳高值中心则位于其东北部。中国地区城市站的黑碳浓度（2228–9691 ng/m3）要明显高于郊区站（733–4006 ng/m3）和基准站（300–3615 ng/m3）。模拟结果表明，人为黑碳的有效辐射作用（ERF）在东亚（1.84 W m-2）和南亚（0.95 W m-2）的均值要明显地大于全球平均值（0.16 W m-2），且亚洲地区的人为黑碳的ERF主要由气溶胶-辐射相互作用（ARI）引发。自主开发的大气水成物追踪方法的结果表明，在东亚地区，夏季期间热带印度洋为最主导的水分源区，而其它季节西北太平洋则为最重要的源区。在南亚地区，夏季期间热带印度洋和阿拉伯海为主要的源区，冬季期间局地贡献占比最大（28.5±4.1%）。模拟结果还显示，夏季人为黑碳会使得东亚出现南涝北旱的降水格局，且造成南亚西北部（东北部）的降水显著增加（减少）。人为黑碳主要是通过改变水分传输而非改变局地蒸发来影响两地的夏季降水。结合大气水成物追踪方法发现，人为黑碳导致热带印度洋供应的降水在华北地区有明显的减少，而在南亚西北部有明显的增加。与总降水不同，热带印度洋供应的降水在东亚地区对人为黑碳的ARI作用显著响应。除ARI以外的作用则会显著减少南亚南部的热带印度洋供应的降水。过程分析显示，人为黑碳在东亚地区影响西南季风相关的水分供应主要是通过平流、深对流和云宏观物理这3个过程来实现的；而在南亚地区则还需要考虑浅对流和垂直扩散过程中的变化。本项目的研究成果为评估亚洲地区水资源分布、来源变化以及黑碳气候效应提供了科学依据。