沙尘气溶胶对于东亚冬季风直接辐射效应的数值模拟外文翻译资料

 2022-12-08 15:42:46

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沙尘气溶胶对于东亚冬季风直接辐射效应的数值模拟

孙辉，刘晓东

由沙尘气溶胶引起的东亚冬季风的变化是通过使用区域气候模式(RegCM4/Dust)来研究的。过去十年内（2000年至2009年）进行了关于沙尘耦合和非耦合实验。耦合的RegCM4模式捕捉到位于塔克拉玛干沙漠、内蒙古西部和北部新疆的三个沙尘混合比中心，并且最大值出现在冬季其数值超过500mu;g/kg。由沙尘引起的地面总辐射变化是负值，其中心值为-8Wmminus;2 ，在冬季能导致表面温度冷却1.5℃。除青藏高原外，在中国北方，沙尘引起大气顶部辐射改变也是负值，且在中国中部能达到-5Wm-2。沙尘的冷却效应增加了陆地和海洋之间海平面气压的梯度、冷冲击频率、东亚急流强度并增强了东亚冬季风。干而冷的风弥漫在东亚大部分地区，抑制大规模的沉淀，最终导致在中国北方和长江流域中部降水减少百分之10至百分之30。

  1. 引言

气溶胶是重要的大气污染物[1]，包括硫酸盐粒子、黑碳粒子、有机碳粒子、人类活动造成的硝酸盐粒子，沙尘粒子，海盐粒子及火山灰产生的粒子[2]。在过去的几十年中,东亚地区人为气溶胶的含量随着人类活动的增强而增多[3]。人为气溶胶通过直接和间接方式影响全球气候变化[4、5]。随着东亚荒漠化的发展[6],,作为自然气溶胶的一种，大气沙尘其周期和对气候的影响得到了广泛的关注。

沙尘气溶胶主要来源于强沙尘暴中干旱和半干旱沙漠。因为有塔克拉玛和戈壁沙漠[7]因而东亚是一个主要的沙尘源区。东亚发生的沙尘暴与蒙古气旋和冷空气的发展是密切相关的，且经常发生在春天[8]。近年来,许多一般野外活动研究这些过程,包括东亚对流层气溶胶和区域气候(EAST-AIRC)影响的研究[9],大气辐射测量移动设备在中国的使命(AMF-China)和对流层的东亚研究气溶胶:国际区域实验(EAST-AIRE)[10]。这些观测提供了理解沙尘气溶胶粒子的属性、运输及他们产生的气候影响的依据[9 - 11]。此外,远程测量平台如“激光雷达和红外探路者卫星观察(CALIPSO)提供了三维的沙尘分布[12]。然而,上述研究方法不能完全满足理解沙尘对气候影响的需求,因为很难在真实大气中将沙尘气溶胶的影响与其他因素影响完全分开。因此,许多学者已经开始使用模式来研究沙尘气溶胶气候效应(13 - 15)。

许多先前的研究已模拟过沙尘暴的发生过程[16]沙尘对,太阳辐射的直接辐射效应(19、20),粒子通过作为云凝结核对水汽的产生的间接影响(CCN),从而改变云的结构和性能(21日22)。带有沙尘对气候影响的敬意,目前的模拟工作主要集中在东亚夏季季风上(EASM)。这是使用了粗分辨率全球气候模型(GCMs)(23、24),但在区域尺度上其影响仍然不确定，因为东亚沙尘浓度被全球大气环流模型系统低估了(25、26)。这种情况在最近几年通过发展区域气候模式已经有了改进。例如,Zhang et al[27]使用RegCM3 /Dust模式模拟沙尘气溶胶对东亚气候的影响,他们的结果表明,春季东亚沙尘源区，区域沙尘引起的辐射变化达到-25 W m - 2且引起表面冷却1℃。关于太阳的模拟[28]表明沙尘削弱了东亚夏季风,导致中国东部和南部的降水减少。

东亚冬季风是北半球冬季最重要的一个循环系统[29]。它的异常会影响蒙古高压和阿留申低压[30]但通过改变哈德利环流位置和强度来延伸他们的影响,因而导致澳大利亚的夏季风被影响[31],也通过改变东亚副热带急流，造成北美出现异常天气[32]。与此同时,一些记录在远古地层中的黄土(33、34)和海洋珊瑚沉积物[35]显示东亚沙尘周期与东亚冬季风的进化和变异有重大关系。迄今为止,大多数研究使用气象站观测来确定沙尘风暴频率，或再分析数据(36、37)来调查东亚沙尘气溶胶和东亚冬季风变化情况之间的关系。传统观测技术不能用于研究沙尘气溶胶对东亚冬季风、冬季降雨及温度的影响。除了一些观察性的研究外，模拟工作主要集中于东亚夏季风，而关于东亚冬季风的模拟工作非常少见(36,38)。粗分辨率GCM（最大公约数）诊断冬季沙尘气溶胶辐射效应的工作是由米勒和特根完成的[39],尽管他们的工作并没有调查沙尘对东亚冬季风及冬季降水的影响。在本论文中我们将使用RegCM4 /Dust模式对东亚进行长积分段模拟来在究沙尘气溶胶对东亚冬季风和冬季降水的影响。首先,我们通过观察验证模拟的东亚冬季气候，然后我们分析沙尘气溶胶在东亚冬季的分布。最后,我们研究沙尘气溶胶对东亚冬季风的影响来填补该领域的空白。

  1. 数值模式和实验设计

2.1.数值模式。

所选的模式是由ICTP开发的RegCM4模式。由于其成熟稳定,操作简单被广泛应用于研究区域气候和环境变化,特别是对亚洲气溶胶气候效应的模拟(27,40,41)。RegCM4是一个有sigma;坐标系统的流体静力学模式带[28]。在保留RegCM3的基本核心的同时,新模块补充进了RegCM4,包括一个新的表面土地模块,社区的地表模型V3.5(CLM3.5)且成功地耦合海洋模块[42]。RegCM4内的耦合沙尘模块是基于沙尘产生模型(DPM)Marticorena和Bergametti[43]Alfaro Gomes[44],包括沙尘排放、运输、干燥及湿沉积、光学和辐射特性(27,45)。

在沙尘模块中沙尘大小谱的范围为0.01到20.0 mu;m包括四个移动式容器(或模式):细粒子(0.01 - -1.0 mu;m),积聚粒子(1.0 - -2.5mu;m),粗粒子(2.5 - -5.0mu;m),巨核粒子 (5.0 - -20.0 mu;m)[45]。RegCM4采用辐射8-Eddington对放射流量进行计算，光学频谱范围为0.2到4.5 mu;m包括18波长带[27]。一个在可见波长范围内在0.35和0.64mu;m之间,七个波长在紫外线范围内在0.2和0.35mu;m之间,剩下的在红外波段。沙尘西南方向的辐射效应是使用一个不对称因子计算的，单一的散射反照率(SSA)和质量消光系数(Kexc)都是基于米氏理论[27]。SW窗沙尘的折射率是从气溶胶和云的光学特性(OPAC)数据库中得出的,表1给出了沙尘在可见波段(0.35 - -0.64 mu;m)光学特性。

在长波（LW）域，沙尘的影响占引入参数化的基尔的沙尘辐射率[47]。长波沙尘辐射率按照下式计算。式中D = 1.66是一个扩散系数因子,b(z)是对于给定层的沙尘含量(g m - 2),klWabs(m2g-1)是基于米氏理论计算的质量吸收系数，对于任意尺寸的相关长波谱窗容器和长波折射率指数都与wang等人的理论一致。

2.2实验设计和观测数据。

我们在此论文中描述了两个实验。在控制实验中,沙尘模块处于关闭状态(标签:没有沙尘)。另一个涉及RegCM4模式的实验中加上了沙尘模块。二者是在1999年12月1日至2009年12月31日这段时间进行试验的。第一个月是自旋向上模型，所被分析的数据是从2000年1月1日到2009年12月31日取得的。这是按照Sun等人的实验协议进行的[28],虽然他们只研究了沙尘对东亚夏季风的影响,而在本文中我们用同样的输出关注于东亚冬季风。上述两个实验用到了先前所述的SST，来自于国家海洋和大气管理局(NOAA) [49]，且没有与ROMS模块耦合。

模式的水平分辨度是50公里。域中心在(北35.0度,东105.00 度)东西向有160网格域，在南北向有95个。该模型域覆盖东亚、南亚和西太平洋(图1(a))。在我们的模型中沙尘来源包括塔克拉玛干沙漠、内蒙古西部和北疆，如图1所示。模型是在带有18垂直力层的标准配置下运行的，最大高度10 hPa。模型初始和横向边界条件来自于环境预测的国家中心和能源部门(NCEP-DOE)大气模型相互比较的项目(AMIP-II)再分析[51]。默认的土地利用类型是从全球土地覆盖特征(GLCC)数据中得到的[52]。

本研究中的的一些观测数据是用于与模拟结果进行比较。带有高分别率（0.5度*0.5度）的月均表面空气温度和降水的数据是由气候研究单位(CRU)、东安格利亚大学所提供的。NCEP-DOE重分析(2.50度x 2.5度)是用于验证SLP,也就是用RegCM4模拟的 850 hPa和200 hPa高度的风域。在美国宇航局的地球观测系统的Terra卫星上的多角度成像光谱仪(MISR)级别3从2000年到2009年的月均气溶胶光学厚度(AOD)被用来验证RegCM4 /Dust模拟沙尘气溶胶分布。此外,气溶胶机器人网络(AERONET)的月均气溶胶光学厚度被用于评估模拟的年际和季节沙尘气溶胶光学厚度变化的模型。

  1. 模拟的结果

3.1验证

3.1.1.基本气候学模型

SLP,表面风,850 hPa大气环流,东亚副热带急流代表东亚冬季风主要特征[54],我们是第一次使用NCEP-DOE再分析(图2)验证上述变量。与NCEP-DOE重分析相比RegCM4很好的模拟了西伯利亚高原的中心位置，仅对1 - 2 Pa的模拟有偏差。RegCM4 也很好的捕捉了东亚冬季风突出的表面特征,也就是,强烈的东亚沿岸西北风[55](图2(a)和2(b))。在冬天,东亚冬季风最突出的特征是西北风或低对流层的北风。这些都被RegCM4（图2c和2d）很好的捕捉到了，除了中国中南部的强西北风没捕捉到外。另一方面，对于东亚副热带急流的强度和位置模拟与NCEP-DOE的重分析相符合；也就是说，东亚副热带急流强度达到65m/s（U 风组成成分）轴线朝北30度（图2e和2f）上述验证显示模型合理的模拟了东亚冬天气候。

3.1.2模拟沙尘大气气溶胶和多角度成像观测大气气溶胶的对比

在图3中展现了在2000年制2009年，多角度成像观测大气气溶胶和RegCM4/Dust模拟沙尘气溶胶的季节性气候分布。模式模拟和卫星观测都捕捉到了沙尘气溶胶的季节性演化，在中国西部春夏季增长、秋冬季减少。模型捕捉的是塔克拉玛干沙漠,戈壁沙漠,北疆的最大沙尘气溶胶量。值得一提的是多角度成像检索包括所有类型的气溶胶,但模型只描述了沙尘气溶胶。因此，以上对比可能会有一些局限性。实际上多角度成像恢复埃指数,也就是指与气溶胶内粒子的平均尺寸逆相关的那个指数,可用于区分沙尘和污染气溶胶和评估模型的性能。粒子越大指数越小。如图3所示,塔克拉玛干沙漠和戈壁在春天,秋天,冬天的指数较小,这与RegCM4在这些季节模拟的高气溶胶含量所得结果是一致的。在这俩个沙漠中，夏天的指数比剩下三个季节的指数要高，所以模型可能高估了夏天的沙尘气溶胶量。

此外,我们在原位置进行了从全球气溶胶探测网观测到的月均气溶胶含量和在大连（北43.6度，东104.4度）的模型模拟数据。这是唯一一个对连续气溶胶值领域有兴趣的，可使用的，超过十年的一个网站。比较显示此网站上气溶胶的季节、年际变化被RegCM4/Dust模式（图4）很好的捕捉了。

3.2沙尘混合比

沙尘的水平和垂直分布直接决定了它的气候影响，所以我们在分析沙尘气候影响之前要讨论模拟的沙尘分布。耦合的RegCM4模拟了中国北部三个DMR最大的中心（图5（a).他们在塔克拉玛干沙漠，北疆和内蒙古西部，这些地方的DMR含量大于500ug kg-1。查克等人模拟了撒哈拉沙漠一次沙尘暴中的沙尘混合比,发现它的含量可达450ugkg-1.我们的模拟值和他们的模拟值是相近的。CLP和南部的沙尘混合比同样也要高一点，沙尘混合比含量要大于300ugkg-1,因为这些区域受到强西北风和冬季频繁的寒流影响（图2d和9a)

沙尘混合比垂直剖面（图5b）显示沙尘被强西向和上升动作带向下游，与Shi和Liu的模拟是一致的。塔克拉玛干沙漠的上升动作比下流区域要强，沙尘含量达到300hPa且有强对流活动。冬季，尘暴在内蒙古西部频繁爆发且伴有蒙古气旋。这个区域的扩散条件比比塔克拉玛干沙漠的要强，沙尘混合比数值也要高。

3.3沙尘对于东亚冬季气候的影响

3.3.1沙尘直接辐射作用

图6显示耦合的RegCM4模拟的辐射变化，这个变化是冬季在TOA（短波SW长波LW)晴空下近十年的平均沙尘所诱导的。冬季模拟表面短波的变化是在三个关键沙漠区中最强的。短波的改变在塔克拉玛干沙漠中心可达25Wm-2（图6a）。表面的长波辐射显示出与塔克拉玛干沙漠大的正异常并且达到16Wm-2（图6c)这是由于沙尘引起的表面冷却所导致的。（图7d)。在东亚沙尘引起的表面总辐射改变量达到了负数为-8Wm-2，比塔克拉玛干沙漠，北疆，内蒙古西部，CLP，和CLP南部都要多（图6e）。模拟的RCM总表面辐射改变量比米勒和特根的模拟要大，他们俩用GCM给出冬季总表面辐射改变量的范围是从-5到5Wm-2。

图6显示的是冬季沙尘引起晴空下TOA和SW辐射改变是同样为负，且其中心位于中国中北部下游区域，这里的表面沙尘集中度是最高的。TOA的长波改变的量级是比在表面要小，因为沙尘对于长波的吸收。除了TP外，沙尘诱导TOA总辐射改变也是负值。改变明显的地区处在中国中部和内蒙古西部，因为这几个地方有高密度的沙尘集中度（图6f)。那儿的总辐射改变量是最高的且量值超过-5Wm-2。沙尘引起TP的TOA总辐射改变量为正值且达到5Wm-2，与米

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