人为气溶胶强迫对东亚夏季对流层上层温度及季风环流的影响机制研究

Anthropogenic aerosol forcing is likely the most important contributor to the interdecadal weakening of the East Asian summer monsoon (EASM) circulation during the second half of the 20th century. The previous general conclusion was that the increases in anthropogenic aerosol emissions decrease the land-sea surface thermal contrast, thus weakening the EASM. However, those studies have overlooked the role of the effect of ocean response to aerosol forcing on upper-tropospheric thermodynamic structure in driving the change of the EASM circulation. In this proposal, we will investigate the impact of anthropogenic aerosol forcing on summer upper-tropospheric temperature over East Asia as well as its relation with the change of the EASM circulation using the coupled historical multi-model ensemble simulations and simulations with fixed sea surface temperature from the Coupled Model Intercomparison Program phase 5 and an aerosol/atmospheric chemistry-climate online coupled model, in combination with the reanalysis and radiosonde data. In particular, we will reveal the physical mechanisms of the effects of ocean response to aerosol forcing on tropospheric temperature and the EASM, The implementing of this project has significant implications for a further understanding on the mechanism of the EASM change.

人为气溶胶强迫可能是20世纪下半叶东亚夏季风年代际尺度减弱最重要的贡献因子。究其原因，以往研究普遍认为人为气溶胶排放增加导致东亚季风区海-陆表面热力对比减弱，从而减弱了东亚夏季风。但是，这些研究忽略了海洋对气溶胶强迫的慢响应对对流层上层热力结构的影响在气溶胶强迫驱动季风环流变化中所起的作用。本项目拟利用新一代全球气候模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project phase 5, CMIP5）中多模式开展的海-气耦合历史模拟和固定气候态海温的模拟结果以及一个气溶胶/大气化学-气候双向耦合模式，并结合再分析和探空观测数据，研究人为气溶胶强迫对东亚夏季对流层上层温度的影响及其与季风环流变化之间的联系，特别是揭示海洋对气溶胶强迫的慢响应影响对流层温度和季风环流的物理机制。本项目对于深入认识东亚夏季风变化的机理具有重要的意义。

东亚季风异常造成的气象灾害会给区域社会经济带来严重影响。理解季风的变化机理、准确预测季风的变化是科学界关注的焦点问题。以往研究普遍认为，亚洲气溶胶排放增加会减弱海-陆表面热力对比，造成东亚夏季风环流减弱。但是，持续增加的亚洲气溶胶无法解释东亚夏季风的年代际变化特征。本项目综合利用国际耦合模式比较计划集合模拟数据和单个全球气溶胶/大气化学-气候耦合模式开展的模拟试验，结合再分析和观测数据，评估了气溶胶强迫对东亚夏季对流层上层温度变化的贡献，并从对流层上层温度变化的角度分析了气溶胶强迫对东亚夏季风的影响机制，得到的重要结果如下：. 1）1951-2001年夏季东亚（90°E–130°E, 30°N–45°N）对流层上层平均温度趋势为-0.2 °C per decade。对流层上层异常冷却造成东亚副热带高空急流中心位置南移，从而在中国东部对流层低层形成异常的反气旋性环流，最终导致东亚夏季风环流减弱。东亚夏季对流层上层温度变化呈现出明显的年代间差异，即：1950-1970年代表现为明显的下降趋势，1970年代之后趋势不明显。. 2）总的人为气溶胶强迫造成1951-2001年夏季东亚对流层上层平均的温度趋势为-0.14 °C per decade，主导了观测中该时期的对流层上层大气冷却。全球硫酸盐气溶胶含量空间分布的变化（1950-1980年欧美和亚洲硫酸盐排放同时增加；而1980年之后欧美减少，亚洲持续增加）对不同年代间东亚夏季对流层上层温度趋势的差异起到了主要作用。. 3）气候对气溶胶强迫的快响应主导了东亚夏季风环流减弱和中国东部降水减少。快响应下东亚夏季中纬度对流层上层异常冷却，改变了上层的环流结构，最终导致东亚夏季风环流减弱。但是，海洋对气溶胶强迫的慢响应部分抵消了东亚夏季风环流的减弱。气溶胶强迫引起的海-陆热力对比变化进一步证实了快响应在驱动东亚夏季风的减弱中起到了关键性的作用。此外，欧洲地区人为气溶胶增加造成的北半球中纬度对流层上层强的向东冷平流及其引起的东亚局地大气热传输的变化主导了快响应中夏季东亚中纬度对流层上层的冷却和东亚夏季风的减弱。. 本项目的开展较全面地揭示了气溶胶强迫如何作用于东亚夏季风的变化，为认识东亚夏季风年代际变化的机理提供了新见解，对更准确地预测未来季风变化具有重要意义。