黑碳气溶胶对印度季风的影响外文翻译资料

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黑碳气溶胶对印度季风的影响

GERALD A. MEEHL,JULIE M. ARBLASTER，*和WILLIAM D. COLLINS国家大气研究中心，Boulder, Colorado

（原稿已于2006年11月17日收到，最终表格为2007年5月25日）

摘要

分析了20世纪仅随时间变化的黑碳气溶胶在全球分布，利用全球耦合气候模型中的六元模拟系统，研究了黑碳（BC）气溶胶对印度季风的影响。根据之前的研究记录，黑碳气溶胶增加了南亚对流层下层的热量，并减少了在旱季到达地表的太阳辐射。3-4-5月（MAM）季风前月经向对流层温度梯度的增加，特别是青藏高原高热源地区和南部地区之间的经向对流层温度梯度的增加，有利于印度MAM降水量的增加。随着季风来临，孟加拉湾、阿拉伯海和印度延伸到喜马拉雅山脉的区域地表温度降低，印度上空的季风降雨量减少，青藏高原上空的季风降雨量略有增加。由于黑碳气溶胶效应，中国的降水量普遍减少。如观测所示，在模式模拟中，黑碳气溶胶导致纬向海温梯度减弱，这在大气环流模式(CCSM3)的多次强迫实验中也有体现，该模型包括自然作用和人为强迫(包括黑碳气溶胶）。实验中黑碳气溶胶和随之减弱的纬向海温梯度，与印度北部和青藏高原MAM期间降水量的增加有关，观察结果显示，印度西南部、孟加拉湾、缅甸、泰国和马来西亚的降水有所减少。在夏季风季节，模型试验表明，黑碳气溶胶可能有利于印度、孟加拉国、缅甸和泰国部分地区的降水量有下降趋势。通过对来自多次强迫试验单一系综的综合分析表明，中国南方降水增加的趋势似乎与西北太平洋表面温度变化的自然变率有关。

1.介绍

建模研究表明，黑碳气溶胶可以影响亚洲季风(例如Menon et al. 2002;Ramanathan et al.2005)。这些黑碳气溶胶构成了亚洲上空大气棕色云(ABC)的重要组成部分。(Ramanathan and Crutzen 2003)。本研究考虑的黑碳是指化石燃料和生物质燃烧产生的烟尘(Collins et al. 2002)。这些黑碳气溶胶吸收和反射太阳辐射，从而加热对流层下部并冷却地表（Meywerk and Ramanathan 1999）。ABC对长波辐射的影响主要是由天然气溶胶造成的，而对人为的黑碳则不明显(Ramanathan et al. 2001)。Lau等人(2006)曾指出，这种ABC气溶胶可以与青藏高原上自然形成的粉尘结合，在季风前几个月加剧高温热源，从而提高经向温度并有利于增加印度在季前的降水量。然而，他们的实验是用一个固定的海面温度(SSTs)模型进行的。Ramanathan et al. (2005), 利用交互式海洋全球耦合的气候模式，并且只在印度地区指定黑碳气溶胶，表明黑碳气溶胶确实可以增加季前降雨，但实际上可以减少印度夏季季风降雨的一部分原因是海洋耦合的影响和北印度洋的气候变冷。此外，黑碳气溶胶的影响可能超出其最大浓度的区域，可能影响热带太平洋的降水和海温(Wang 2007)。

Chung et al. (2002) 使用具有固定海温和特定的ABC气溶胶（仅在南亚上空）的大气模型，对干燥月份（11月至5月）分析表明，它们的作用是减少地表的太阳辐射，使地面冷却；吸收对流层低层的辐射，产生热量；增大经向温度梯度和季前降水（该实验不适用于夏季风季节）。 Menon et al. (2002) 也使用了具有固定海温的气候模型，并在夏季季风季节混合显示了印度降水量的增加和减少，这是由于相对黑暗的ABC气溶胶（特别是在亚洲上空），代表了高比例的黑碳，使得印度洋北部和中国北部的降水量减少，而中国南部的降水量增加。 Chung and Ramanathan (2006) 进行了敏感性实验，结果显示，二十世纪下半叶观察到孟加拉湾、阿拉伯海和印度洋之间的经向海温梯度减弱（可能是由于高黑碳含量的ABC气溶胶的增加引起的）导致印度季风降雨减少。尽管黑碳气溶胶的全球净效应对温室气体引起的温度变化没有显著影响，但在大气模式与包括BC气溶胶在内的非动态平板海洋的实验中，注意到印度、中国部分地区和西非地区有显着区域降温(Jones et al. 2005)。如果仅仅是最近观测到的温室气体增加的影响了印度季风，季风季节的降雨量就应该增加。（e.g., Meehl et al. 2000a) 据观察，印度季风降水正在减少，这一事实表明，正如以上研究所述，气溶胶可能发挥了作用。

20世纪全球耦合气候模式的实验，大气环流模式，第3版(CCSM3; model documented by Collins et al. 2006) 包括自然作用和人为强迫，以及反射和吸收黑碳气溶胶全球和季节的变化分布，这些气溶胶在二十世纪由于全球人口增长而随时间尺度变化 (Meehl et al. 2006a)。在之前的另一个模型[平行气候模型(PCM)]的实验中Meehl et al. (2004)，记录了气候系统对人为因素(温室气体，硫酸盐气溶胶的直接影响，臭氧)和自然因素(火山，太阳)的作用及其各种组合的反应。20世纪后半叶观测到的全球平均变暖只有在人为因素的推动下才能发生。对于二十世纪大气环流模式的实验(Meehl et al. 2006b) 有和PCM中类似的人为作用和自然强迫，但是也包括BC气溶胶(以及规定的矿物粉尘和海盐的季节和空间变化分布，但是没有时间趋势)。随后，进行了20世纪的模拟，其中只改变黑碳气溶胶（因为它们在多次强迫模拟中被指定）。在这里，我们将这些实验与对照组进行比较，以确定多次强迫模拟实验响应中的黑碳气溶胶作用。

因此，本文的目的是确定包括黑碳气溶胶在内的20世纪气候模拟对气候系统的影响。虽然在CCSM3中黑碳时间和空间变化分布在全球范围内，但我们在此重点关注亚洲季风区域，因为黑碳气溶胶的影响在该区域可能是显著的(如上所述)。

2. 模型和实验的描述

本文使用的CCSM3由Collins et al. (2006)描述。我们分析了20世纪CCSM3 T85版本的模拟结果，大气中的网格点大约每隔1.4°纬度和经度，垂直方向为26级，顶部两个混合层中点为3.54和7.39hPa。海洋是平行海洋计划（POP）的一个版本，标称经纬度分辨率为1°（赤道热带1/2°），垂直分辨率为40级，Gent-McWilliams和K剖面参数化（KPP）混合。弹性-粘性-塑性（EVP）动态和热力学海冰组件是社区海冰模型4(CSIM4; all described in Collins et al. 2006)。 CCSM3中没有使用磁通量调节。CCSM3模拟代表了南亚季风许多区域和季节性方面(Meehl et al. 2006b)。

图1所示。黑碳光学深度的季节分布:(a) DJF， (b) MAM， (c) JJA， (d) 9 - 11月(SON)。这种模式是根据全球平均人口按时间顺序缩小的。

CCSM3用于工业化前(1870)对照试验，作为20世纪模拟的初始状态(Meehl et al. 2006a)。本文分析了一个由五个系综组成的二十世纪多次强迫模拟系统。20世纪的模拟是从1870年对照试验的不同时间开始，且被分成20年，第一个系综在360年从对照试验中分支出来。Meehl et al. (2006a)描述了自然(火山和太阳能)和人为(温室气体，直接硫酸盐，黑碳和臭氧)的强迫。如上文所述，CCSM3二十世纪的模拟包括BC气溶胶在全球随时间和空间变化的分布。如今的分布是由Collins (2001) and Rasch et al. (2001)描述的三维同化模式产生的。简而言之，气溶胶同化系统由大气化学、输运模型(MATCH)和气溶胶光学深度的卫星反演同化组成。MATCH版本4使用国家环境预测中心-国家大气研究中心（NCEP-NCAR）在T63分辨率下重新分析。卫星对气溶胶光学深度的估计来自国家海洋和大气管理局（NOAA）探路者II数据集。黑碳的来源基于化石燃料和生物质燃烧产生的气溶胶(Collins et al. 2002)。这些气溶胶被视为外部混合物。对于ABC，如果将气溶胶颗粒作为各种气溶胶种类的均质内部混合物处理，则短波气溶胶函数变化小于10％(Ramanathan et al. 2001)。包括MATCH在内的一系列气溶胶模型模拟了东亚ABC1的吸收光学深度和虚拟折射率，与气溶胶机器人网络（AERONET）表面观测（Kinneetal.2006）相比具有合理的保真度(Kinneetal.2006)。由MATCH在太平洋上空制作的ABC垂直剖面与飞机观测结果非常一致(Clarke et al. 2001)，尽管该模型没有重现印度洋上空上升气溶胶羽流的频率(Rasch et al. 2001)。

BC气溶胶是黑碳和有机碳的混合物，既能吸收又能反射太阳辐射。虽然对云量的半直接影响得到了处理，但不包括BC气溶胶对云反照率和云寿命的间接影响(Ackerman et al. 2000)。在20世纪的多次强迫气候模拟中，也包括了由三维同化产生的矿物粉尘和海盐的气候月固定浓度(即没有时间趋势)全球分布(Collins 2001; Rasch et al. 2001)。

随后，用CCSM3进行了一个由六个系综组成的二十世纪气候模拟，其中只有BC气溶胶在二十世纪期间发生变化。这些模拟从1870年对照实验的起点开始分支，间隔了20年，BC气溶胶的模式(从现在的排放模式)作为全球人口的函数从1870年的值到1999年增加的分布，如图1所示。BC分布随季节有显著的地理差异。注意12月- 2月(DJF)和6月- 8月(JJA)在热带南美洲、非洲、南亚、印度尼西亚和澳大利亚的差异。相应的降雨量差异通常表明BC浓度较大的地区降雨量减少，特别是JJA的西非季风(未显示)。BC在南亚有有趣的季节差异(图1)，特别是在旱季[DJF和3 - 5月(MAM)季节]值很大，在夏季季风季节(JJA)值急剧下降。这些季节性的变化在接下来的分析中是很重要的。对于此处要分析的模型模拟，因为所有其他强迫都保持在1870年的值，所以BC模拟与1870对照试验之间的差异量化了BC单独对气候系统的影响。如果适用，差异将计算为1980 - 99年期间的系综平均值(BC气溶胶实验减去1870年对照试验的可比周期)。

图2所示，(a) 1999年可见光中BC光学深度的季节循环，除以点亮该列的时间部分(因为夜间值记录为零)(见图1标题中关于缩放到其他年的注释)，在印度扇区平均为70°到100°E；(b)与(a)相同，但矿物灰尘，在整个实验中保持恒定；（c）与（a）相同，但用于来自代表性系综的硫酸盐气溶胶。

3. BC气溶胶对印度季风的影响

如上所述，在南亚地区，BC有着有趣的季节变化。图2a显示了1999年BC气溶胶的季节周期随月份的变化关系，在印度经度区域平均为70°至100°E。最大值出现在从10月到5月的整个旱季，纬度从大约10°到25°N，最低值出现在6月至9月雨季(季风期间下雨)。）。相比之下，尘埃气溶胶季节周期几乎与BC相反（图2b），最大负荷在3月至8月稍高纬度（约20°-30°N）。回想一下在这些实验中，图1b中的尘负荷在整个实验过程中都是恒定的，但是BC气溶胶的浓度随着20世纪人口的增长而增加(以同样的模式)。这些硫酸盐气溶胶的季节循环类似于尘埃，季风季节的最大值接近20°N(未显示)。硫酸盐气溶胶的辐射强迫影响南亚全年(e.g.,Meehletal. 2000b)。将在后面讨论硫酸盐气溶胶对碳气溶胶可能产生的影响。

例如，Lau et al. (2006)已经指出了BC和尘埃季节性周期之间的相互作用。他们注意到在季风前几个月中黑碳对改变加热垂直和经向分布的重要性。图3为黑碳实验减去对照试验的短波升温速率差。注意，图中和后面的点划线表示系综平均信号除以系综标准差大于1.0的区域。是模型响应一致性的度量，以方便物理意义的解释(e.g., Cubasch et al. 2001)。在3月、4月和5月期间，黑碳的作用是使青藏高原南部约700百帕以下的对流层温度升高。

图3所示，印度地区70°到100°E的平均纬度高度剖面，由于BC气溶胶产生的太阳加热率（k day 1），计算在1870年工业前控制周期(A)3月、(B)4月、 (C)5月和(D)6月减去6个系综平均BC气溶胶实验(1980-99年)相应的时间周期的差异。点划线表示系综平均信号除以系综标准差大于1.0的区域。受地形阻挡的压力水平数据表现为白色区域，随着季风低压槽在5月和6月建立，向南延伸到印度以上。

到6月，当黑碳气溶胶载荷减小时(图2a)，相应的加热也减小。随着对流层下部的加热，地表的净太阳辐射减少。系综平均面积的地区5°-25°N,70°-90°E,陆点只在印度地区, 表明MAM季风前季地面的太阳净辐射减少了-6.5 W平方米（大气顶部的净太阳减少仅为-1.0 W平方米，表明地表太阳辐射变化约85%是由于BC气溶胶的吸收所致。）这种地表净太阳辐射的减少大约是1960年至2000年印度地表观测站观测到的减少量的一半(Ramanathan et al. 2005, their Fig. 2a) 虽然部分观测到的变暗也可能是由于硫酸盐气溶胶，这意味着黑碳的强迫作用可能被低估，部分原因是在模型中缺乏黑碳气溶胶的间接影响。这一点将在讨论多次增强实验解释时重新讨论，并与后面的观察结果进行比较。如果将5°-25°N、60°-95°E区域的海洋点也包括在内，则MAM季节大气顶部净太阳的变化是-0.5 W 平方米（大气顶部净辐射通量的总变化为-0.8W 平方米）而地表太阳辐射的减少为-4.1 W平方米。长波加热速率(未显示)随垂直温度廓线的变化而变化，但这些变化是ABC的短波效应造成的，如引言所述。

因此，在季风前几个月青藏高原以南印度地区的地表温度有所下降(图4)， 5月份全部系综（图中用点划线表示）的最大降幅约为1°C（图4c）。地表温度的持续下降延伸至阿拉伯海和孟加拉湾，幅度较小。因此，海洋和大气的动态

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