卞建春 嚴(yán)仁嫦,2 陳洪濱

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049

亞洲夏季風(fēng)是低層污染物進(jìn)入平流層的重要途徑

卞建春1嚴(yán)仁嫦1,2陳洪濱1

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049

夏季亞洲季風(fēng)區(qū)是對(duì)流層低層水汽和污染物進(jìn)入全球平流層的一個(gè)重要通道,自然或人為污染物通過(guò)該通道進(jìn)入平流層后對(duì)臭氧層的破壞以及全球氣候環(huán)境的影響,成為目前國(guó)際科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。早先觀點(diǎn)認(rèn)為:夏季青藏高原是對(duì)流層低空物質(zhì)向平流層輸送的一個(gè)重要渠道。然而,越來(lái)越多的觀測(cè)表明:包括青藏高原在內(nèi)的整個(gè)亞洲夏季風(fēng)通過(guò)強(qiáng)對(duì)流的快速輸送以及大尺度輸送過(guò)程可以把低層大氣物質(zhì)輸送到全球平流層。在地面物質(zhì)進(jìn)入平流層的過(guò)程中有兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程,一是垂直快速輸送的對(duì)流活動(dòng),這對(duì)于短壽命化學(xué)成分非常重要,二是緩慢的大尺度反氣旋輸送和限制作用。但是,目前對(duì)于亞洲季風(fēng)區(qū)不同源區(qū)的貢獻(xiàn)還有很大的爭(zhēng)議。

亞洲夏季風(fēng) 進(jìn)入平流層通道 亞洲污染物 氣候環(huán)境效應(yīng)

1 引言

亞洲是目前世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū),也是世界人口最集中的地區(qū)。一方面,亞洲季風(fēng)的異常尤其是大旱大澇等災(zāi)害性重大事件對(duì)亞洲經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響是亞洲地區(qū)以及世界關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn);另一方面,經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所帶來(lái)的區(qū)域氣候環(huán)境問(wèn)題以及對(duì)全球氣候環(huán)境的可能影響成為科學(xué)界關(guān)注的一個(gè)重要課題。已有研究初步表明,亞洲夏季風(fēng)區(qū)是對(duì)流層低層水汽和污染物進(jìn)入平流層的一個(gè)重要通道,其中青藏高原由于高大地形的作用因而在其中具有非常重要的作用 (Randel et al.,2010;陳斌等,2010)。由于亞洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展產(chǎn)生了大量污染物,這些污染物通過(guò)該通道進(jìn)入平流層后對(duì)臭氧層的破壞以及全球氣候環(huán)境的影響,成為目前國(guó)際科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將綜述亞洲夏季風(fēng)在對(duì)流層污染物向全球平流層輸送過(guò)程和作用以及可能存在的氣候環(huán)境效應(yīng)。

2 早先觀點(diǎn):夏季青藏高原是對(duì)流層低空物質(zhì)向平流層輸送的一個(gè)重要渠道

1994年,周秀驥等 (1995)分析衛(wèi)星觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)每年6～9月青藏高原上空存在一個(gè)明顯的閉合臭氧低值中心,比同緯度地區(qū)低7%～11%,稱(chēng)為“夏季青藏高原臭氧低谷”。他們推測(cè):“根據(jù)早年青藏高原氣象學(xué)已有的研究結(jié)果,夏季青藏高原上空被熱力作用產(chǎn)生的南亞高壓所控制,高壓內(nèi)基本是對(duì)流活動(dòng)。而且青藏高原氣象學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)表明,夏季青藏高原基本為輻合區(qū)。依據(jù)局地環(huán)流的這些特點(diǎn),認(rèn)為青藏高原夏季是對(duì)流層低空物質(zhì)向平流層輸送的一個(gè)重要渠道。青藏高原周?chē)鷶?shù)百公里范圍的低空污染物有可能在夏季向青藏高原輻合,在高原上升到平流層底部,然后再向四周輻散。因此,對(duì)流層低濃度臭氧向平流層輸送以及低空污染物在平流層引起的物理化學(xué)過(guò)程,都可能是引起臭氧總量異常降低的原因”(周秀驥等,1995)。

根據(jù)平流層氣溶膠和氣體試驗(yàn)衛(wèi)星 (SAGE I&II)觀測(cè)分析:與同緯度非山區(qū)相比較,青藏高原上空臭氧濃度在15.5～20.5 km高度偏低,最大差異在16.5 km附近 (Zou and Gao,1997)。1996年和1998年夏季在青藏高原上空開(kāi)展的臭氧探空觀測(cè)也表明,與同緯度其他站點(diǎn)相比較,青藏高原上空對(duì)流層頂附近臭氧濃度偏低 (石廣玉等,2000;鄭向東等,2000)。后來(lái),更長(zhǎng)時(shí)間序列的鹵素掩星試驗(yàn)衛(wèi)星 (HALOE)和SA GE II衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)一步證實(shí),青藏高原上空臭氧含量在12～22 km高度比同緯度帶其他地區(qū)明顯偏低 (周任君和陳月娟,2005;林偉立和姚波,2005)。同時(shí)還注意到,與青藏高原相似,伊朗高原上空臭氧濃度在這層大氣中也明顯偏低 (周任君和陳月娟,2005)。但是這一結(jié)果并未引起大家的足夠關(guān)注,沒(méi)有意識(shí)到整個(gè)亞洲夏季風(fēng)在青藏高原臭氧低谷形成中的作用,也使國(guó)內(nèi)學(xué)者錯(cuò)失了認(rèn)識(shí)整個(gè)亞洲夏季風(fēng)在對(duì)流層物質(zhì)向全球平流層輸送的重要性的先機(jī)。

根據(jù)再分析資料和青藏高原附近探空資料分析表明:夏季在對(duì)流層中低層,青藏高原及鄰近地區(qū)為較強(qiáng)的輻合區(qū),青藏高原上空整個(gè)對(duì)流層都是上升氣流,且與南側(cè)的孟加拉灣強(qiáng)上升區(qū)連成一片,組成巨大的季風(fēng)垂直環(huán)流的上升支 (卞建春等,1997)。平流層—對(duì)流層質(zhì)量交換通量的診斷分析也表明:每年夏季青藏高原與南側(cè)的孟加拉灣北部上空對(duì)流層大氣穿越對(duì)流層頂向平流層輸送 (叢春華等,2001)。后來(lái)的研究進(jìn)一步指出,這一大片穿越對(duì)流層頂向平流層的質(zhì)量輸送主要來(lái)自垂直輸送項(xiàng)的貢獻(xiàn) (樊文璇等,2008),即對(duì)應(yīng)于季風(fēng)垂直環(huán)流的上升支,位于南亞高壓控制區(qū)域的東南部。

這些研究進(jìn)一步證實(shí)了上述推測(cè),即:青藏高原夏季是對(duì)流層低空物質(zhì)向平流層輸送的一個(gè)重要渠道 (周秀驥等,2004)。

3 新觀點(diǎn):亞洲夏季風(fēng)是對(duì)流層污染物進(jìn)入全球平流層的一個(gè)重要通道

這些前期工作只關(guān)注青藏高原局地環(huán)流,而忽視了整個(gè)亞洲夏季風(fēng)環(huán)流在其中的作用。近期衛(wèi)星觀測(cè)和數(shù)值模擬表明:亞洲夏季風(fēng)是對(duì)流層污染物進(jìn)入全球平流層的一個(gè)重要通道 (Randel et al.,2010)。而青藏高原只是整個(gè)亞洲夏季風(fēng)區(qū)的一個(gè)區(qū)域 (Bian et al.,2010)。

微波臨邊探測(cè)器 (MLS)衛(wèi)星臭氧垂直分布觀測(cè)表明:與同緯度地區(qū)相比,上對(duì)流層/下平流層(U TLS)臭氧濃度不僅在青藏高原上空偏低,而且在南亞高壓控制的整個(gè)區(qū)域都明顯偏低 (Park et al.,2007)。圖1給出了2005～2009年夏季100 hPa高度MLS衛(wèi)星觀測(cè)臭氧濃度分布,很明顯南亞高壓控制的整個(gè)區(qū)域是臭氧濃度低值區(qū)。由于伊朗高原與青藏高原都在南亞高壓控制區(qū)域之內(nèi),因此這兩個(gè)高原在U TLS區(qū)域臭氧濃度都明顯低于同緯度其他地區(qū) (周任君和陳月娟,2005)。最新研究表明:夏季青藏高原臭氧低谷的形成有兩個(gè)原因,一是整個(gè)亞洲季風(fēng)區(qū)U TLS臭氧濃度低于同緯度地區(qū),二是青藏高原大地形造成空氣柱的部分缺失 (Bian et al.,2010)。臭氧總量衛(wèi)星觀測(cè)表明,盡管夏季伊朗高原上空也是一個(gè)臭氧總量低值區(qū) (周任君和陳月娟,2005),但是明顯不如青藏高原上空臭氧總量低谷顯著,因?yàn)榍嗖馗咴叽蟮匦卧斐筛蠛穸鹊目諝庵笔А?/p>

衛(wèi)星觀測(cè)還表明:夏季南亞高壓控制區(qū)域還是水汽、CO、CH4等對(duì)流層示蹤物的閉合大值區(qū)域(Jackson et al.,1998;Park et al.,2004;Li et al.,2005)。圖2給出了2005～2009年夏季100 hPa高度MLS衛(wèi)星觀測(cè)CO和水汽濃度分布,南亞高壓對(duì)應(yīng)于大值區(qū)域。數(shù)值模擬表明:熱帶下平流層水汽濃度在北半球夏季比冬季大60%,而夏季輸送到全球熱帶平流層水汽總量的大約75%發(fā)生在亞洲季風(fēng)區(qū) (Gettelman et al.,2004)。全球三維化學(xué)輸送模式和排放表明:SO2、CO、HCN等能夠到達(dá)U TLS的污染物絕大多數(shù)與夏季亞洲季風(fēng)區(qū)有關(guān)(Park et al.,2009;Randel et al.,2010)。

根據(jù)經(jīng)典的全球?qū)α鲗印搅鲗淤|(zhì)量交換圖像,對(duì)流層空氣由熱帶地區(qū)跨越對(duì)流層頂進(jìn)入平流層,然后在Brewer-Dobson全球環(huán)流控制下,向極地方向和向中緯度對(duì)流層輸送,也就是說(shuō)熱帶地區(qū)是對(duì)流層空氣進(jìn)入全球平流層的主要通道。但是由于熱帶地區(qū)下墊面主要是海洋,對(duì)流層空氣比較清潔,由此進(jìn)入全球平流層的對(duì)流層污染物貢獻(xiàn)較小,而在亞洲季風(fēng)區(qū),由于中國(guó)、印度以及東南亞國(guó)家工農(nóng)業(yè)發(fā)展比較迅速,對(duì)流層污染物比較嚴(yán)重,由此進(jìn)入全球平流層的對(duì)流層污染物貢獻(xiàn)顯著(Randel et al.,2010)。因此,在對(duì)流層污染物進(jìn)入全球平流層大氣過(guò)程中,亞洲夏季風(fēng)是一個(gè)極為重要的途徑。

4 亞洲夏季風(fēng)輸送機(jī)制之爭(zhēng)

根據(jù)夏季亞洲季風(fēng)區(qū)U TLS大氣成分的分布特征,提出兩個(gè)主要輸送機(jī)制,但是目前對(duì)于它們的認(rèn)識(shí)還很粗淺。一個(gè)機(jī)制是濕對(duì)流活動(dòng)的快速輸送,深對(duì)流能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)將邊界層污染物輸送到對(duì)流主出流 (main outflow)高度,這對(duì)于短壽命化學(xué)成分的輸送尤其重要。但是,目前對(duì)于亞洲季風(fēng)區(qū)對(duì)流活動(dòng)的分布尤其是主出流高度的認(rèn)識(shí),具有很大的不確定性,尤其是對(duì)流輸送在對(duì)流層頂附近的作用具有很大爭(zhēng)議 (Fu et al.,2006;Park et al.,2008)。另一個(gè)機(jī)制是南亞高壓內(nèi)大尺度反氣旋的緩慢垂直輸送和快速水平混合過(guò)程。軌跡模式分析表明:U TLS區(qū)域強(qiáng)大的南亞高壓使得該區(qū)域內(nèi)的空氣在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)停留在反氣旋控制中,無(wú)法擴(kuò)散到反氣旋外面。造成反氣旋中心對(duì)應(yīng)于臭氧、水汽、CO等的極值中心 (Li et al.,2005;Randel and Park,2006;Park et al.,2007,2008;Konopka et al.,2010)。

目前看法比較一致的觀點(diǎn)是,整個(gè)夏季亞洲季風(fēng)區(qū)是對(duì)流層低層大氣成分進(jìn)入平流層的一個(gè)重要通道,但是對(duì)于亞洲季風(fēng)區(qū)不同區(qū)域排放源各自貢獻(xiàn)的認(rèn)識(shí)還存在很大的爭(zhēng)議?；诔粞跖c相關(guān)化學(xué)成分模式 (MOZART-4),Park et al.(2009)通過(guò)標(biāo)簽 (TAG)技術(shù)考察不同污染源區(qū)對(duì)U TLS區(qū)域CO分布的作用,結(jié)果表明:盡管東亞地區(qū)是地面CO最大的排放源區(qū),但是南亞排放源才是亞洲季風(fēng)區(qū)U TLS區(qū)域CO分布的最重要原因。然而,Larmaque et al.(2011)①Larmaque J F,Solomon S,Portmann RW,et al.2011.Recent increase in stratospheric aerosol:Origin and influence on ozone depletion.Submitted to Geophysical Research Letters.利用美國(guó)大氣研究中心(NCAR)通用大氣模式 (CAM)模擬地面SO2排放對(duì)U TLS區(qū)域硫酸鹽氣溶膠分布的影響,他們的模擬結(jié)果表明:中國(guó)煤炭燃燒排放的SO2是夏季亞洲季風(fēng)區(qū)U TLS區(qū)域硫酸鹽氣溶膠分布的最重要來(lái)源。CO和SO2這兩個(gè)大氣成分在大氣中將經(jīng)歷不同的化學(xué)過(guò)程,CO幾乎是不溶于水的,主要受動(dòng)力輸送過(guò)程的控制;而SO2是水溶性的,還受到雨水過(guò)程的影響。盡管如此,由于目前對(duì)夏季亞洲季風(fēng)區(qū)低層大氣成分向上輸送機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足,因而對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)不同區(qū)域排放源貢獻(xiàn)的認(rèn)識(shí)還存在很大分歧。

5 亞洲夏季風(fēng)輸送污染物對(duì)全球氣候環(huán)境變化的影響

圖1 夏季 (6～8月)100 hPa高度臭氧濃度 (彩色陰影)分布 (資料來(lái)自2005～2009年MLS衛(wèi)星觀測(cè))。等值線為100 hPa位勢(shì)高度 (單位:gpm)Fig.1 Summertime(Jun-Jul-Aug)ozone concentration distribution at 100 hPa from Microwave Limb Sounder(MLS)measurements during 2005-2009(color shading).Contour:potential height(gpm)at 100 hPa

圖2 同圖1,但為 (a)CO和 (b)水汽濃度分布Fig.2 Same as Fig.1,but fo r(a)CO concentration and(b)w ater vapo rconcentration

衛(wèi)星觀測(cè)和地基觀測(cè)表明過(guò)去十年平流層氣溶膠有增加趨勢(shì) (Hofmann et al.,2009),觀測(cè)和模式模擬結(jié)果分析認(rèn)為北半球平流層氣溶膠的增加主要源于中國(guó)二氧化硫的人為排放 (Larmarque et al.,2011①Larmaque J F,Solomon S,Portmann RW,et al.2011.Recent increase in stratospheric aerosol:Origin and influence on ozone depletion.Submitted to Geophysical Research Letters.)。在1990至2005年間,中國(guó)由于煤炭燃燒的增加導(dǎo)致二氧化硫人為排放增加了70%,在全球總量的比重從1990年的15%增加至2005年的30%(在此期間全球二氧化硫人為排放降低20%)。此外,二氧化硫人為排放量進(jìn)入平流層的比例依賴(lài)于地理位置,尤其是與亞洲季風(fēng)的關(guān)系,使得中國(guó)排放權(quán)重更大。事實(shí)上,盡管中國(guó)之外的地區(qū)當(dāng)前SO2排放量也很顯著 (尤其是美國(guó)),但是全球三維化學(xué)/輸送模式和排放表明:能夠到達(dá)上對(duì)流層以及下平流層的硫酸鹽氣溶膠絕大多數(shù)與夏季亞洲季風(fēng)區(qū)有關(guān)。平流層氣溶膠的增加能夠解釋過(guò)去十年北半球中緯度下平流層臭氧損耗的20%,因而抵消了臭氧層可能出現(xiàn)恢復(fù) (蒙特利爾公約實(shí)施的效果)的很大一部分。在未來(lái)數(shù)十年如果二氧化硫仍以目前速率排放,將持續(xù)顯著阻礙未來(lái)臭氧層的恢復(fù)。然而另有觀點(diǎn)認(rèn)為,近十年來(lái)熱帶地區(qū)中等強(qiáng)度火山噴發(fā)的增多是全球平流層氣溶膠增加的驅(qū)動(dòng)因素 (Vernier et al.,2011)。

衛(wèi)星資料分析還表明 (Su et al.,2011),夏季亞洲污染物能夠增加進(jìn)入平流層的水汽輸送。Su et al.(2011)發(fā)現(xiàn)與清潔的卷云相比較,在對(duì)流層頂附近污染區(qū)卷云冰晶粒子具有較小的有效半徑、較高的溫度和比濕。Su et al.(2011)認(rèn)為氣溶膠冰核的增加造成卷云中冰晶粒子半徑變小,沉降速度變慢,因而在空中停留時(shí)間更長(zhǎng),輻射加熱使得對(duì)流層頂附近溫度變高,因而這里有較大的蒸發(fā)和上升,從而進(jìn)入平流層的水汽通量增強(qiáng)。因此,亞洲夏季風(fēng)對(duì)底層污染物向U TLS區(qū)域的輸送,對(duì)于平流層水汽具有顯著的影響,進(jìn)而影響臭氧化學(xué)和全球輻射收支。

6 結(jié)語(yǔ)

早先的研究認(rèn)為,夏季青藏高原是對(duì)流層低空物質(zhì)向平流層輸送的一個(gè)重要渠道 (周秀驥等,2004)。但越來(lái)越多的衛(wèi)星觀測(cè)顯示,夏季南亞高壓控制區(qū)是平流層示蹤物臭氧的低值區(qū),也是對(duì)流層示蹤物如CO、水汽、CH4等的大值區(qū)。衛(wèi)星觀測(cè)和數(shù)值模擬研究表明,亞洲夏季風(fēng)區(qū)是對(duì)流層污染物進(jìn)入全球平流層的一個(gè)重要通道,而青藏高原只是其中的一個(gè)區(qū)域。由于亞洲季風(fēng)區(qū)是目前世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū),也是世界人口最集中的地區(qū),是全球最重要的污染源地區(qū),因此在對(duì)流層污染物進(jìn)入全球平流層大氣過(guò)程中,亞洲夏季風(fēng)可能是一個(gè)極為重要的途徑。亞洲夏季風(fēng)對(duì)污染物向全球平流層的輸送,將對(duì)全球平流層大氣成分的收支產(chǎn)生重要的影響,也會(huì)通過(guò)臭氧化學(xué)和輻射過(guò)程影響全球平流層氣候環(huán)境。

目前,關(guān)于亞洲夏季風(fēng)對(duì)低層污染物向全球平流層輸送機(jī)制尚存在很大的爭(zhēng)議,主要涉及到兩個(gè)完全不同尺度的輸送過(guò)程:一個(gè)是快速的對(duì)流輸送過(guò)程,另一個(gè)則是緩慢的大氣尺度上升輸送運(yùn)動(dòng)。過(guò)去的研究主要依賴(lài)于衛(wèi)星觀測(cè)和數(shù)值模擬,而缺乏亞洲季風(fēng)區(qū)的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)亞洲夏季風(fēng)的大氣成分分布和變化的細(xì)節(jié),從而分析輸送機(jī)理,需要更多開(kāi)展亞洲季風(fēng)區(qū)U TLS區(qū)域大氣成分的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),包括氣球探空和飛機(jī)觀測(cè)。

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Tropospheric Pollutant Transport to the Stratosphere by Asian Summer Monsoon

BIAN Jianchun1,YAN Renchang1,2,and CHEN Hongbin1

1KeyLaboratoryofMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentObservation,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049

Asia is currently the fastest grow ing economy region and is also themost concentrated population area in the wo rld,and consequently,regional and potential global climate and environment issues caused by Asian rapid economic development,become an important topic of concern in the scientific community.O riginally,it was assumed that the Tibetan Plateau is a key region for the tropospheric air into the stratosphere in summer.However,recent satellite observations and numerical simulations suggested that the Asian summer monsoon is an important pathway for lower tropospheric water vapor and pollutions into the global stratosphere.These chemical mass will have important effect on the regional and global climate and environment through chemical and radiative processes in the stratosphere.

Asian summermonsoon,pathway to the stratosphere,Asian pollutant,climate and environmental effect

1006-9895(2011)05-0897-06

P421

A

卞建春,嚴(yán)仁嫦,陳洪濱.2011.亞洲夏季風(fēng)是低層污染物進(jìn)入平流層的重要途徑 [J].大氣科學(xué),35(5):897-902.Bian Jianchun,Yan Renchang,Chen Hongbin.2011.Tropospheric pollutant transport to the stratosphere by Asian summer monsoon[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):897-902.

2010-10-08,2011-01-25收修定稿

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目2010CB428602,國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40830102、40775030

卞建春,男,1969出生,研究員,主要從事平流層大氣研究。E-mail:bjc@mail.iap.ac.cn