王東東1 朱彬1 江志紅2 楊修群3

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硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)進(jìn)程的影響

王東東朱彬江志紅楊修群

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044;2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044;3南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210093

本文利用全球氣候—大氣化學(xué)模式CAM5并結(jié)合NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）1950～2009年再分析資料，討論硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)、發(fā)展和結(jié)束進(jìn)程的影響。模擬結(jié)果表明：硫酸鹽氣溶膠通過直接輻射效應(yīng)引起東亞大陸大部分地區(qū)近地面降溫，進(jìn)而降低了中緯度東亞大陸與西太平洋之間的緯向熱力對(duì)比，延遲春初、提早夏末海陸緯向熱力差異逆轉(zhuǎn)時(shí)間，由此引發(fā)東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間延后了4候左右，結(jié)束時(shí)間提前了3候左右；減小的海陸熱力差異導(dǎo)致東亞大陸偏南風(fēng)減弱、東亞季風(fēng)減弱以及季風(fēng)降水的區(qū)域調(diào)整。我們通過NCEP/NCAR再分析資料分析亦發(fā)現(xiàn)，1980年以后中緯度東亞大陸與西太平洋之間的緯向熱力差異逆轉(zhuǎn)時(shí)間比1980年以前在春初延遲、夏末提前，導(dǎo)致了副熱帶季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間比1980年之前延后，結(jié)束時(shí)間提前，東亞大陸偏南風(fēng)減弱，副熱帶夏季風(fēng)系統(tǒng)性減弱，硫酸鹽直接輻射效應(yīng)可能是造成這一結(jié)果的原因之一。以往的觀測和模擬都表明，由于人為活動(dòng)的增加，導(dǎo)致1980年后東亞大陸硫酸鹽氣溶膠負(fù)荷較之前大幅增加，而東亞夏季風(fēng)減弱，本文的研究進(jìn)一步確認(rèn)了兩者間關(guān)系。

東亞副熱帶季風(fēng) 硫酸鹽氣溶膠 直接效應(yīng)

1 引言

IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）第四次評(píng)估報(bào)告（Forster et al.，2007）給季風(fēng)下的定義是：季風(fēng)是熱帶和副熱帶地區(qū)地面風(fēng)和對(duì)應(yīng)降水的季節(jié)反轉(zhuǎn)，是大陸尺度的陸地與鄰近海洋之間加熱差異引起的。亞洲是世界上最大的季風(fēng)區(qū)之一，Zhu et al.（1986）明確提出了東亞季風(fēng)系統(tǒng)分為南海熱帶季風(fēng)與副熱帶季風(fēng)。何金海等（2008）指出東亞地區(qū)特殊的海陸分布不僅形成了這一地區(qū)巨大的經(jīng)向海陸熱力差異，同時(shí)也形成了東亞大陸與西太平洋之間的緯向海陸熱力差異，從而造成了東亞季風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性，其突出表現(xiàn)之一就是既有熱帶季風(fēng)系統(tǒng)又有副熱帶季風(fēng)系統(tǒng)。何金海等（2007）、祁莉等（2007）和趙平等（2008）進(jìn)一步區(qū)分了東亞副熱帶季風(fēng)與熱帶季風(fēng)的本質(zhì)和機(jī)制，提出了熱帶季風(fēng)的建立時(shí)間取決于經(jīng)向海陸熱力差異的逆轉(zhuǎn)，而東亞副熱帶季風(fēng)則更依賴于緯向海陸熱力差異的逆轉(zhuǎn)。東亞熱帶季風(fēng)與副熱帶季風(fēng)之間存在相互作用，并直接影響我國大范圍的旱澇。自20世紀(jì)70年代末，東亞熱帶夏季風(fēng)和副熱帶季風(fēng)開始呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，并觀測到降水帶的南移（Xu，2001；Yu et al.，2004；楊修群等，2005；趙平和周秀驥，2006；Ding et al.，2008，2009）。

隨著城市化進(jìn)程的加快，社會(huì)工業(yè)化程度加深，人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響也越來越大。隨著工業(yè)化的發(fā)展，大量的SO排放到大氣中造成嚴(yán)重污染。中國總SO排放從20世紀(jì)50年代到21世紀(jì)初增加了5倍多，大部分增加發(fā)生在20世紀(jì)70年代之后（Lefohn et al.，1999；Streets et al.，2008）。大氣中的SO經(jīng)過一系列的氧化反應(yīng)生成硫酸鹽氣溶膠，作為典型的人為散射性氣溶膠，硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)可直接對(duì)入射短波輻射進(jìn)行散射和反射，減少到達(dá)地表的短波輻射，使大氣和地表降溫。許多研究者就硫酸鹽氣溶膠對(duì)東亞季風(fēng)的影響進(jìn)行了研究，Xu（2001）基于統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為從上世紀(jì)90年代末中國夏季的氣候異?，F(xiàn)象是由于工業(yè)化排放的硫酸鹽氣溶膠顯著減少了太陽輻射，陸地氣溫的降低使海陸溫差減小，導(dǎo)致夏季風(fēng)偏弱所造成的。Ramanathan et al.（2001，2005）指出由于氣溶膠造成到達(dá)地面的太陽輻射減少，使熱帶水循環(huán)減弱，導(dǎo)致亞洲季風(fēng)減弱。Menon et al.（2002）發(fā)現(xiàn)黑碳?xì)馊苣z吸收太陽輻射加熱大氣，并增強(qiáng)中國南部對(duì)流，使中國南部季風(fēng)降水增加，北部減少。Gu et al.（2006）發(fā)現(xiàn)因?yàn)榱蛩猁}氣溶膠輻射效應(yīng)，7月長江流域降水減少而在中國南部沿海降水增加，Menon et al.（2002）所假設(shè)的單次散射反照率0.85與中國觀測的0.90不一致，說明中國區(qū)域氣溶膠以散射特性為主的，因此他認(rèn)為這種降水型分布可能是中國區(qū)域各種氣溶膠綜合作用的結(jié)果。Liu et al.（2009）、孫家仁和劉煜（2008a，2008b）對(duì)綜合氣溶膠直接效應(yīng)的模擬發(fā)現(xiàn)，中國區(qū)域的硫酸鹽和黑碳的綜合效應(yīng)使得中國內(nèi)陸普遍降溫，中國地區(qū)季風(fēng)減弱，降水減少，并發(fā)現(xiàn)綜合氣溶膠作用以散射特性為主。Guo et al.（2013）研究表明，硫酸鹽氣溶膠可以導(dǎo)致海陸熱力差異減弱從而減弱環(huán)流，從太平洋和印度洋輸送來的水汽都減少。Jiang et al.（2013）發(fā)現(xiàn)硫酸鹽和有機(jī)碳?xì)馊苣z導(dǎo)致的地表降溫增加了大氣穩(wěn)定度，抑制了對(duì)流降水，減少的海陸熱力差異減弱了東亞夏季風(fēng)。

目前氣溶膠輻射效應(yīng)對(duì)季風(fēng)影響的研究主要還是針對(duì)東亞熱帶季風(fēng)，并且通常是討論整體季風(fēng)變化，或是對(duì)夏季風(fēng)降水變化的研究，而對(duì)于東亞季風(fēng)的爆發(fā)，發(fā)展和結(jié)束進(jìn)程有哪些作用還不是很清楚，特別是對(duì)副熱帶季風(fēng)的影響研究較少。因此本文利用美國國家大氣研究中心（NCAR）開發(fā)的第五代公共大氣環(huán)流模式（CAM5）結(jié)合美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國國家大氣研究中心（NCEP/ NCAR）1950～2009年再分析資料研究硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)的爆發(fā)、發(fā)展和結(jié)束進(jìn)程的影響。

2 模式介紹和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中使用NCAR最新發(fā)布的CAM5模式（Neale et al.，2010）。化學(xué)和氣溶膠機(jī)制選用MOZART機(jī)制（Emmons et al.，2010），該機(jī)制詳細(xì)描述了對(duì)流層大氣化學(xué)過程和氣溶膠過程，包含了主要的氣溶膠物種：硫酸鹽、黑碳、有機(jī)碳、硝酸鹽、沙塵和海鹽。輻射機(jī)制為基于大氣環(huán)流模式的快速輻射傳輸機(jī)制（RRTMG）（Iacono et al.，2008），機(jī)制將氣溶膠分為14類進(jìn)行輻射計(jì)算，包含每類氣溶膠的吸濕特性以及在不同長短波波段和不同相對(duì)濕度下的吸收、散射、消光、單次散射反照率和不對(duì)稱因子等輻射特性，可以很好地模擬各種氣溶膠的直接輻射效應(yīng)；并且，機(jī)制還包含氣體、水汽和云的輻射計(jì)算?；瘜W(xué)和氣溶膠排放源來自于Lamarque et al.（2010）的IPCC AR5排放清單。層狀云微物理機(jī)制是一個(gè)雙參數(shù)化方案，可預(yù)報(bào)水云和冰云的質(zhì)量和數(shù)量混合比（Morrison and Gettelman，2008；Gettelman et al.，2010）。氣溶膠通過云滴活化過程影響層云微物理，在云滴活化的參數(shù)化公式中，云滴活化通過次網(wǎng)格垂直速度、氣溶膠的粒徑分布和垂直平均吸濕性的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)（Abdul-Razzak and Ghan，2000）。濕邊界層湍流機(jī)制是基于Bretherton and Park（2009）的機(jī)制。液態(tài)云宏觀物理過程由Park等給出。這些機(jī)制使得模式可以很好的模擬氣溶膠的直接、半直接和間接效應(yīng)。

為研究硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞季風(fēng)氣候的影響，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)是在不影響氣溶膠間接效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過關(guān)閉模式中氣溶膠直接輻射過程來體現(xiàn)直接輻射效應(yīng)的作用。我們?cè)O(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn)，其中控制試驗(yàn)為包含全部氣溶膠的直、間接輻射過程的控制試驗(yàn)，記作有硫酸鹽直接輻射效應(yīng)試驗(yàn)（With），另外一個(gè)試驗(yàn)是關(guān)閉硫酸鹽氣溶膠直接輻射過程，保留硫酸鹽氣溶膠的間接輻射過程，其他條件與控制試驗(yàn)相同，記作無硫酸鹽直接輻射效應(yīng)試驗(yàn)（Without）。使用With與Without試驗(yàn)差值結(jié)果來表示硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應(yīng)，模式積分11年，第一年為模式穩(wěn)定時(shí)間，取后十年結(jié)果平均值進(jìn)行分析。

根據(jù)上述提到的20世紀(jì)70年代末開始的東亞夏季風(fēng)減弱，雨帶南移的情況，本文還使用NCEP/ NCAR的再分析資料來重現(xiàn)過去幾十年里東亞氣候，特別是東亞季風(fēng)的變化，以及研究其與硫酸鹽氣溶膠負(fù)荷之間的關(guān)系。

NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集采用了當(dāng)今最先進(jìn)的全球資料同化系統(tǒng)和完善的數(shù)據(jù)庫，對(duì)各種來源（地面、船舶、無線電探空、測風(fēng)氣球、飛機(jī)、衛(wèi)星等）的觀測資料進(jìn)行質(zhì)量控制和同化處理，獲得了一套完整的再分析資料集，廣泛用于氣候診斷分析、東亞季風(fēng)、水分循環(huán)等各個(gè)方面的研究（Kalnay et al.,1996）。本研究使用1950～2009年的溫度、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)再分析資料設(shè)計(jì)了一組對(duì)比，取1950～1979年30年每5天的候平均結(jié)果，代表1980年以前硫酸鹽氣溶膠濃度較低情況下的氣候態(tài)，記為BF1980；取1980～2009年30年每5天的候平均結(jié)果，代表1980年以后硫酸鹽氣溶膠負(fù)荷較高情況下的氣候態(tài)，記為AF1980，用這組對(duì)比結(jié)果來研究東亞季風(fēng)的變化情況。

模式采用有線差分動(dòng)力框架，水平分辨率為1.9°×2.5°，垂直分層30層，采用s–p混合坐標(biāo)，模擬過程所采用的時(shí)間步長為30 min。為了在研究氣溶膠直接輻射效應(yīng)中避免海洋表面溫度變化對(duì)結(jié)果的影響，模式使用指定月平均氣候態(tài)海表溫度和海冰來進(jìn)行模擬。

3 結(jié)果分析

已有很多研究者使用了不同的觀測數(shù)據(jù)對(duì)CAM5模式模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，包括氣溶膠和云（Gettelman et al.，2010；Liu et al.，2012；李鑫和劉煜，2013）。本文首先檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)東亞季風(fēng)的模擬能力，結(jié)果表明CAM5模式可以獲取亞洲夏季風(fēng)環(huán)流及其相關(guān)雨帶的主要特征：南亞和東南亞低層盛行西風(fēng)，東亞低層盛行西南風(fēng)，并且從海洋向東北亞存在一個(gè)向北的水汽輸送，與鄒松佐等（2012），Jiang et al.（2013）等人驗(yàn)證結(jié)果一致，CAM5模式在模擬東亞季風(fēng)降水上與其他大氣環(huán)流模式結(jié)果相似，區(qū)域分布比較一致，但還存在一定的偏差（圖略）（Kang et al.，2002；Adler et al.，2003；Li et al.，2010）。

3.1 硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)

圖1為模擬的硫酸鹽氣溶膠在可見光波段的光學(xué)厚度年平均值及其沿105°～120°E時(shí)間—緯度剖面圖。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)硫酸鹽氣溶膠光學(xué)厚度主要分布在東亞地區(qū)的陸地及鄰近海洋上，以及印度半島和中南半島上，最大值出現(xiàn)在中國中部30°N附近的四川盆地地區(qū)，東亞大陸有著較高的硫酸鹽氣溶膠負(fù)荷。在時(shí)間序列圖（圖1b）上可以看出，冬春季硫酸鹽氣溶膠主要分布在20°～35°N范圍內(nèi)，在30°N附近的中國南方和四川盆地地區(qū)持續(xù)較高，春季達(dá)到最大，光學(xué)厚度達(dá)到0.9左右，從18候左右主要受華南前汛期的降水影響，光學(xué)厚度降低維持在0.6左右；進(jìn)入夏季之后，由于東亞夏季風(fēng)的作用，低層以西南氣流為主，把氣溶膠向北輸送，光學(xué)厚度高值區(qū)北移至35°～40°N之間，在華北地區(qū)出現(xiàn)髙值中心。在初夏第30候左右開始，東亞熱帶夏季風(fēng)開始爆發(fā)，30°N附近的中國大陸地區(qū)雨季爆發(fā)，降水對(duì)氣溶膠有明顯的清除作用。在仲夏時(shí)（7～8月）降水減少，濕清除作用減弱，在充足水汽的情況下硫酸鹽氣溶膠吸濕增長，氣溶膠持續(xù)積累，光學(xué)厚度增加。CAM5模式模擬的硫酸鹽氣溶膠柱濃度、光學(xué)厚度的分布和季節(jié)變化特征與其他模式結(jié)果基本一致，模擬值處于各模式結(jié)果（柱濃度：20～60 mg m，光學(xué)厚度：0.5～1.2）中間值（吳澗等，2005；Verma et al., 2006；王體健等，2010；Wang et al., 2010；吉振明等，2010；吳蓬萍和韓志偉，2011；Pozzoli et al., 2011；Déandreis et al., 2012）。需要指出，模擬值與模式的分辨率相關(guān)，一般高分辨率模式模擬結(jié)果偏高，反之偏低。本文應(yīng)用的CAM5模式的化學(xué)機(jī)制選用MOZART模塊，有評(píng)估認(rèn)為其中硫的液相氧化較快，導(dǎo)致夏季硫酸鹽氣溶膠模擬結(jié)果偏高（李鑫和劉煜，2013）。

圖1 硫酸鹽氣溶膠在可見光波段的光學(xué)厚度的（a）年平均值和（b）沿105°～120°E時(shí)間—緯度剖面

硫酸鹽氣溶膠為典型的散射性氣溶膠，減少了到達(dá)地表的太陽輻射。中國大陸地區(qū)夏季高濃度的硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)太陽輻射有著很大程度的減少。圖2為硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)引起的地表凈短波輻射通量、總云量、地表加熱項(xiàng)和地表溫度沿105°～120°E時(shí)間—緯度剖面圖。從圖2a中可以看到，由于光學(xué)厚度和總云量隨時(shí)間的變化，地表凈短波輻射通量的差值也有相應(yīng)的變化，這個(gè)變化是硫酸鹽氣溶膠散射太陽輻射以及其直接輻射效應(yīng)引起的云量變化反饋所導(dǎo)致的結(jié)果。冬春季主要表現(xiàn)為20°～30°N范圍內(nèi)的負(fù)輻射通量，夏季負(fù)輻射通量隨氣溶膠的北移而北移，在20°～40°N范圍內(nèi)產(chǎn)生了負(fù)輻射通量。在冬、春季還存在正的地表凈短波輻射通量，這主要是受云量減少的影響，特別是在18候開始，在整個(gè)中國中東部有著正的輻射通量變化。圖2b中等值線圖為地表加熱項(xiàng)隨時(shí)間的變化，地表加熱項(xiàng)由地表凈輻射通量、潛熱通量和感熱通量組成。受硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)的影響，在20°N以北的陸地上普遍為負(fù)通量，因此導(dǎo)致105°～120°E平均地表溫度在20°N以北陸地上普遍存在降溫。

圖2 硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)引起的（a）地表凈短波輻射通量（填色，單位：W m?2）和總云量百分比（等值線，單位：%）、（b）地表溫度（填色，單位：K）和地表加熱項(xiàng)（等值線，單位：W m?2）沿105°～120°E的時(shí)間—緯度剖面

圖3 副熱帶地區(qū)（27.5°～32.5°N，110°～140°E）平均經(jīng)向風(fēng)隨時(shí)間變化（單位：m s?1）

3.2 硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)進(jìn)程的影響

目前已有很多研究指出了東亞熱帶季風(fēng)與副熱帶季風(fēng)的區(qū)別與聯(lián)系，何金海等（2007）和祁莉等（2007）分析發(fā)現(xiàn)東亞副熱帶夏季風(fēng)建立早于熱帶夏季風(fēng)，于3月中旬開始建立。熱帶夏季風(fēng)的建立時(shí)間取決于經(jīng)向海陸熱力差異轉(zhuǎn)向，而東亞副熱帶夏季風(fēng)則依賴于緯向海陸熱力差異的逆轉(zhuǎn)。副熱帶夏季風(fēng)的建立以偏南風(fēng)的建立為特征，而熱帶夏季風(fēng)的建立以偏東風(fēng)向偏西風(fēng)的轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣?。趙平等（2007，2008）指出經(jīng)向風(fēng)的高、低層垂直切變以及相對(duì)應(yīng)的低層南風(fēng)加強(qiáng)在很大程度上是由東亞—西太平洋副熱帶的緯向熱力差異變化引起的。

根據(jù)上述提出的基于緯向海陸熱力差異是形成東亞副熱帶季風(fēng)的基本推動(dòng)力的觀點(diǎn)，副熱帶地區(qū)（27.5°～32.5°N，110°～140°E）從偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)的過程表明了東亞副熱帶夏季風(fēng)的建立，也就是經(jīng)向風(fēng)由負(fù)轉(zhuǎn)正的候數(shù)（≥0 m s），并結(jié)合Wang et al.（2004）中關(guān)于熱帶季風(fēng)爆發(fā)的判斷，經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)正后的未來4候平均風(fēng)速大于0.5 m s的候數(shù)作為副熱帶季風(fēng)爆發(fā)的時(shí)刻，而在偏南風(fēng)轉(zhuǎn)回偏北風(fēng)時(shí)（＜0 m s），定義為副熱帶季風(fēng)結(jié)束。

根據(jù)上述東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)NCEP/NCAR的經(jīng)向風(fēng)再分析資料進(jìn)行分析。從圖3中可得到，1980年以前（BF1980）經(jīng)向風(fēng)在17候左右由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，此時(shí)副熱帶季風(fēng)爆發(fā)，在57候左右風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)換為偏北風(fēng)，副熱帶季風(fēng)結(jié)束。1980年以后（AF1980）的經(jīng)向風(fēng)在20候左右就開始轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，副熱帶季風(fēng)爆發(fā)；54候左右偏南風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，副熱帶季風(fēng)結(jié)束。因此，1980年后的副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后3候左右，而結(jié)束提前了3候左右。

在模擬的有硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)（With）試驗(yàn)結(jié)果中，副熱帶地區(qū)經(jīng)向風(fēng)在20候左右從偏北風(fēng)完全轉(zhuǎn)換為偏南風(fēng)，副熱帶季風(fēng)爆發(fā)；在54候左右偏南風(fēng)轉(zhuǎn)換為偏北風(fēng)，副熱帶季風(fēng)結(jié)束。在無硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)（Without）試驗(yàn)結(jié)果中，在16候左右副熱帶季風(fēng)爆發(fā)，并在57候左右結(jié)束。因此，硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應(yīng)也導(dǎo)致東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后了4候左右，并且提前結(jié)束了3候左右。這個(gè)結(jié)果與NCEP/NCAR再分析資料中BF1980和AF1980的變化相一致，并且模擬的副熱帶季風(fēng)在爆發(fā)和結(jié)束的時(shí)間上，BF1980與Without試驗(yàn)比較一致，而AF1980與With試驗(yàn)結(jié)果比較一致。

在全年中，AF1980的經(jīng)向風(fēng)在偏北風(fēng)時(shí)期與BF1980相差不大，但在轉(zhuǎn)換為偏南風(fēng)后，AF1980的偏南風(fēng)要比BF1980小了0.74 m s左右。也就是說在過去的幾十年里，副熱帶地區(qū)偏南風(fēng)減弱了。而在With與Without試驗(yàn)中也同樣存在這樣的現(xiàn)象，但減少的量級(jí)沒有那么大，為0.14 m s。

從爆發(fā)與結(jié)束時(shí)期的850 hPa風(fēng)場差值和經(jīng)向風(fēng)=0線沿110°～140°E時(shí)間—緯度剖面圖中可以看出，在副熱帶季風(fēng)爆發(fā)階段，經(jīng)向風(fēng)=0線變化緩慢，逐漸向北推進(jìn)；而在結(jié)束時(shí)迅速南撤。圖4a中AF1980的經(jīng)向風(fēng)=0線向北推進(jìn)比BF1980慢，在圖中的差值風(fēng)場主要以偏北風(fēng)差異為主，說明AF1980的經(jīng)向風(fēng)從偏北風(fēng)向偏南風(fēng)的轉(zhuǎn)換和北進(jìn)比BF1980要慢。而在副熱帶季風(fēng)結(jié)束階段（圖4b），AF1980的偏南風(fēng)較早南撤，圖中差值風(fēng)場還是以偏北風(fēng)為主，是由于AF1980偏南風(fēng)提前減弱，并且提前轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)導(dǎo)致的。圖4c的With與Without試驗(yàn)中經(jīng)向風(fēng)的變化與圖4a比較接近，With試驗(yàn)的經(jīng)向風(fēng)的轉(zhuǎn)向和北進(jìn)更慢；在副熱帶季風(fēng)結(jié)束時(shí)（圖4d），With試驗(yàn)經(jīng)向風(fēng)提前反轉(zhuǎn)南撤，但是在經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)換之前風(fēng)場差值為偏南風(fēng)，經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)換之后風(fēng)場差值才轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，這一現(xiàn)象可能與降水和云量的變化引起的華南地表增溫有關(guān)。經(jīng)向風(fēng)的轉(zhuǎn)換（=0線）在爆發(fā)時(shí)的緩慢北進(jìn)和結(jié)束時(shí)的迅速南撤，正符合了副熱帶季風(fēng)漸進(jìn)式建立，撤退迅速的特點(diǎn)（何金海等，2007）。

圖4 東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)（左列）和結(jié)束（右列）（候）時(shí)期（a、b）AF1980與BF1980和（c，d）With與Without試驗(yàn)的850 hPa風(fēng)場差值（單位：m s?1）和經(jīng)向風(fēng)V=0線沿110°~140°E時(shí)間—緯度剖面。圖中實(shí)線分別表示AF1980與With試驗(yàn)，虛線分別表示BF1980與Without試驗(yàn)（圖中只顯示置信度大于90%的部分）

綜上所述，東亞副熱帶季風(fēng)在1980年以后要比1980年之前爆發(fā)延后3候，結(jié)束時(shí)提前3候。并且在副熱帶季風(fēng)爆發(fā)后，副熱帶地區(qū)的偏南風(fēng)減弱，副熱帶季風(fēng)系統(tǒng)性減弱。模擬的With/Without對(duì)照試驗(yàn)中，東亞副熱帶季風(fēng)也受硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)所致而延后爆發(fā)，偏南風(fēng)減弱，提前結(jié)束。因此，硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應(yīng)可能是導(dǎo)致東亞副熱帶季風(fēng)延后爆發(fā)，季風(fēng)減弱和提前結(jié)束的原因之一。

3.3 硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)緯向海陸熱力差異的影響

接下來我們討論硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)副熱帶季風(fēng)影響的可能機(jī)制。何金海等（2007，2008）研究指出了東亞副熱帶季風(fēng)的建立時(shí)間取決于緯向海陸熱力差異的逆轉(zhuǎn)。東亞地區(qū)各緯度基本以120°E附近為緯向的冷暖區(qū)分界線，并且30°N緯度帶為增溫和降壓最快的地區(qū)。本文中選取東西兩側(cè)溫度緯向偏差的高值區(qū)為關(guān)鍵區(qū)，130°～150°E代表西太平洋海洋地區(qū)，105°～120°E代表東亞大陸地區(qū)，得到了30°N緯度帶上850 hPa的緯向海陸熱力差異隨時(shí)間變化圖（圖5）和30°N西太平洋—東亞大陸850 hPa的溫度緯向偏差的逐候變化圖（圖6）。溫度的緯向偏差定義為各經(jīng)度上的溫度與105°～150°E平均溫度之差，來反映海陸冷暖狀況。

圖5 30°N緯度帶上850 hPa的緯向海陸熱力差異的隨時(shí)間變化（單位：K）。海陸熱力差異定義為西太平洋海洋地區(qū)（130°~150°E）平均溫度與東亞大陸地區(qū)（105°～120°E）平均溫度之差

圖6 30°N緯度帶上850 hPa的溫度緯向偏差的逐候變化（單位：K）：（a）BF1980；（b）AF1980；（c）With；（d）Without。溫度的緯向偏差定義為各經(jīng)度上的溫度與105°～150°E平均溫度之差（虛線表示負(fù)值）

從圖5中可以看出整個(gè)850 hPa 30°N緯帶上的西太平洋與中國大陸地區(qū)的緯向海陸熱力差異的季節(jié)逆轉(zhuǎn)過程與東亞副熱帶夏季風(fēng)的建立與發(fā)展的進(jìn)程基本一致：BF1980在30°N緯帶上的緯向 熱力差異在14候前后由正轉(zhuǎn)負(fù)，并在51候前后熱力差異由負(fù)轉(zhuǎn)正。AF1980則在19候前后由正轉(zhuǎn)負(fù)，49候前后再次逆轉(zhuǎn)。相應(yīng)的溫度緯向偏差圖可以看到，BF1980（圖6a）的海洋在16候以前為暖區(qū)，16候以后轉(zhuǎn)為冷區(qū)，51候時(shí)再次轉(zhuǎn)為暖區(qū)，相對(duì)的陸地地區(qū)16候之前為冷區(qū)，16候以后轉(zhuǎn)暖，51候后轉(zhuǎn)冷。AF1980（圖6b）的海洋則在19候由暖轉(zhuǎn)冷，50候逆轉(zhuǎn)，陸地則相反。海陸溫差逆轉(zhuǎn)時(shí)間與副熱帶季風(fēng)的爆發(fā)和結(jié)束時(shí)間比較一致。在海陸熱力差異由正轉(zhuǎn)負(fù)后，AF1980的熱力差異要明顯小于BF1980，這與圖3中得到的偏南風(fēng)減弱的結(jié)果相一致。

在With試驗(yàn)中30°N緯帶上的緯向熱力差異在18候左右由正轉(zhuǎn)負(fù)，在54候左右再次逆轉(zhuǎn)；Without試驗(yàn)中在15候左右開始逆轉(zhuǎn)，56候左右由負(fù)轉(zhuǎn)正。海洋與陸地的冷暖區(qū)轉(zhuǎn)換也相應(yīng)比較一致（圖6c、d）。With與Without試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)造成的中國大陸地區(qū)普遍溫度降低，而海洋上溫度變化不大，導(dǎo)致春季時(shí)陸地增溫變慢，從冷區(qū)向暖區(qū)的轉(zhuǎn)換過程延后，導(dǎo)致了海陸熱力差異逆轉(zhuǎn)延后，副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后；而在副熱帶季風(fēng)結(jié)束時(shí)，由于陸地的降溫導(dǎo)致陸地提前由暖區(qū)轉(zhuǎn)為冷區(qū)，使海陸熱力差異提前轉(zhuǎn)換，副熱帶季風(fēng)提前結(jié)束。在海陸熱力差異由正轉(zhuǎn)負(fù)后，With試驗(yàn)結(jié)果的熱力差異整體上要比Without試驗(yàn)小，與之前偏南風(fēng)減弱的結(jié)果一致。相應(yīng)的30°N緯帶上的500 hPa緯向溫度差也有相似的變化，但在時(shí)間上更早（圖略）。

綜上所述，通過對(duì)1950~2009年NCEP/NCAR再分析資料分析海陸熱力差異的年變化發(fā)現(xiàn)，1980年以后緯向海陸熱力差異由正轉(zhuǎn)負(fù)的時(shí)間延后，由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間提前，從而導(dǎo)致了副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后，結(jié)束提前，并且熱力差異在由正轉(zhuǎn)負(fù)后減 小，導(dǎo)致經(jīng)向偏南風(fēng)的減弱。模擬結(jié)果中，硫酸鹽直接輻射效應(yīng)通過降低陸地溫度從而延后了由正轉(zhuǎn)負(fù)的緯向熱力差異逆轉(zhuǎn)的時(shí)間，并提前了由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間，從而導(dǎo)致了副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后，結(jié)束提前，并由于陸地的降溫使海陸熱力差異由正轉(zhuǎn)負(fù)后減小，經(jīng)向偏南風(fēng)減弱。陳隆勛等（2004）也指出在過去幾十年里全球變暖情景下，氣溶膠輻射作用可以大部分解釋四川及長江中游氣溫變冷帶的存在。NCEP/NCAR再分析資料中海陸熱力差異由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間整體比模擬結(jié)果提前，這可能是由于實(shí)際中海洋溫度是變化的，而模擬結(jié)果中使用的為氣候態(tài)海溫。

3.4 硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)副熱帶季風(fēng)降水的影響

已有研究表明，我國華南地區(qū)降水分為兩個(gè)階段，一個(gè)以鋒面降水為主，另一個(gè)以對(duì)流降水為主，副熱帶季風(fēng)的爆發(fā)對(duì)應(yīng)著華南前汛期降水的開始。陳隆勛等（2000）給出華南前汛期雨季開始期的雨帶主要是冷空氣和副熱帶高壓西側(cè)轉(zhuǎn)向的西南風(fēng)以及南亞地區(qū)冬春副熱帶南支西風(fēng)槽中西風(fēng)匯合而形成的，是副熱帶季風(fēng)雨季開始。何金海等（2008）指出，16候起顯著的來自西太平洋向中國華南地區(qū)水汽輸送帶已經(jīng)形成，正是這一強(qiáng)水汽輸送帶前沿的輻合導(dǎo)致了3 月下旬中國華南—江南地區(qū)降水量的顯著增加。趙平等（2007，2008）指出東亞—西太平洋副熱帶雨帶明顯早于熱帶，副熱帶主要雨帶不是由熱帶直接向北移來的，更大程度上是在副熱帶季風(fēng)發(fā)展過程中局地形成的。隨著經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)換為偏南風(fēng)之后加強(qiáng)和向北移動(dòng)，偏南風(fēng)前方的輻合和上升運(yùn)動(dòng)也加強(qiáng)并向北移動(dòng)，副熱帶降水也明顯加強(qiáng)并向北移動(dòng)。

上述提到，受硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)的影響，東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間延后，結(jié)束時(shí)間提前。那么，副熱帶季風(fēng)雨帶也因此隨著發(fā)生變化。圖7給出了With試驗(yàn)的總降水率和850 hPa風(fēng)場合成圖及With與Without試驗(yàn)差值沿110°～130°E時(shí)間—緯度剖面圖。我們對(duì)比With和Without試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，春初（9候開始）降水均出現(xiàn)較早，而由于With試驗(yàn)的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)換和向北推進(jìn)較慢，因此在春初（13～21候），With試驗(yàn)?zāi)巷L(fēng)分量偏弱，降水位置偏南，降水差值顯示硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)導(dǎo)致春初30°N以南降水增加，而30°N以北降水減少。

在南海季風(fēng)爆發(fā)前（30候左右），Without試驗(yàn)在21候30°N以南的華南地區(qū)開始產(chǎn)生超過6 mmd的降水，而有硫酸鹽氣溶膠試驗(yàn)中超過6 mm d降水出現(xiàn)很晚（26候左右開始）。副熱帶季風(fēng)發(fā)展時(shí)間的變化改變了水汽輸送的發(fā)展，并且由于偏南風(fēng)的減弱，在850 hPa水汽通量圖中（圖8），存在著副熱帶季風(fēng)爆發(fā)的延后，水汽通量減弱的情況，可以說明副熱帶季風(fēng)發(fā)展時(shí)間的變化改變了水汽輸送的發(fā)展。同時(shí)在季風(fēng)爆發(fā)初期（16～21候）也存在季風(fēng)減弱導(dǎo)致的水汽輸送減少。這個(gè)結(jié)果與之前得到的副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后相關(guān)，雨季的延后爆發(fā)導(dǎo)致了With試驗(yàn)在春季的降水減少，相應(yīng)的云量減少，到達(dá)地表的輻射增加，這也解釋了圖2中提到的地表正輻射通量和增溫的結(jié)果。

張慶云和陶詩言（1999）與吳國雄等（2002）研究指出，使用125°～145°E 500 hPa上副高系統(tǒng)中緯向風(fēng)=0的東、西風(fēng)分界線可以較好反映副高脊線位置的連續(xù)變化。南海季風(fēng)爆發(fā)后，副熱帶雨帶向北移動(dòng)，在With試驗(yàn)中，由于海陸溫差的減少而導(dǎo)致偏南風(fēng)減弱，雨帶向北移動(dòng)比Without試驗(yàn)偏南，圖7c中副高脊線的第一次北跳提前，并提前結(jié)束，位置偏南，第二次北跳時(shí)間延后，使得雨帶在華北地區(qū)停留時(shí)間較長，導(dǎo)致仲夏（7～8月）華北地區(qū)降水增加。

到了53候左右，With試驗(yàn)中副高脊線提前南撤，副熱帶季風(fēng)也提前消退，此時(shí)Without試驗(yàn)中副熱帶季風(fēng)以及降水還在維持，因此副熱帶季風(fēng)的提前消退導(dǎo)致了華北地區(qū)降水減少。

圖7（a）With試驗(yàn)總降水率（單位：mm d?1）和850 hPa風(fēng)場（單位：m s?1）及（b）With與Without試驗(yàn)總降水率（單位：mm d?1）和850 hPa風(fēng)場（單位：m s?1）差值沿110°~130°E時(shí)間—緯度剖面。其中，（a）中實(shí)線和（b）中灰色實(shí)線（With試驗(yàn)）、灰色虛線（Without試驗(yàn)）為125°～145°E 500 hPa U=0線

圖8 （a）With試驗(yàn)850 hPa水汽通量和（b）With與Without試驗(yàn)差值沿110°～130°E時(shí)間—緯度剖面（單位：g hPa?1 m?2 s?1）。虛線表示負(fù)值

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用全球氣候—大氣化學(xué)模式CAM5模擬并結(jié)合NCEP/NCAR1950～2009年再分析資料，討論硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)爆發(fā)、發(fā)展和結(jié)束進(jìn)程的影響。主要結(jié)果如下：

（1）硫酸鹽氣溶膠光學(xué)厚度主要分布在東亞地區(qū)的陸地及鄰近海洋上，最大值出現(xiàn)在中國中部30°N附近的四川盆地地區(qū)。夏季受東亞夏季風(fēng)低層西南氣流輸送作用的影響，光學(xué)厚度在華北地區(qū)出現(xiàn)髙值中心。硫酸鹽氣溶膠為典型的散射性氣溶膠，與其引起的云量變化反饋共同導(dǎo)致東亞陸地上負(fù)的地表加熱項(xiàng)，其直接輻射效應(yīng)引起東亞大部地表降溫。

（2）副熱帶季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間取決于緯向熱力差異的逆轉(zhuǎn)。通過對(duì)1950～2009年NCEP/NCAR再分析資料分析西太平洋與東亞大陸的海陸熱力差異的年變化發(fā)現(xiàn)，1980年后比1980年前緯向海陸熱力差異由正轉(zhuǎn)負(fù)的時(shí)間延后，由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間提前，導(dǎo)致了副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后，結(jié)束提前，并且海陸熱力差異減小，引起東亞大陸偏南風(fēng)減弱，副熱帶夏季風(fēng)系統(tǒng)性減弱。

（3）硫酸鹽直接輻射效應(yīng)通過降低陸地溫度從而延后了由正轉(zhuǎn)負(fù)的緯向熱力差異逆轉(zhuǎn)的時(shí)間，并提前了由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間，從而導(dǎo)致了副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后，結(jié)束提前和偏南風(fēng)的減弱。硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)可能是導(dǎo)致1980年后副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后，結(jié)束提前和偏南風(fēng)減弱的原因之一。

（4）硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)引起的副熱帶季風(fēng)發(fā)展時(shí)間的變化導(dǎo)致了降水的變化。副熱帶季風(fēng)爆發(fā)延后，結(jié)束提前導(dǎo)致了東亞地區(qū)春初和秋季降水的減少。而夏季的降水變化與副熱帶高壓的北跳有關(guān)。

研究中僅討論了硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)的作用，而沒有加入其它重要人為氣溶膠如黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z的作用，并且沒有深入討論氣溶膠的間接效應(yīng)所引起的作用。對(duì)于偏南風(fēng)減弱的機(jī)制討論的還不是很詳細(xì)，關(guān)于熱帶季風(fēng)和夏季風(fēng)降水的變化分析較少，沒有分析氣溶膠效應(yīng)與西太平洋副熱帶高壓“北跳”變化之間的機(jī)制，在今后的工作中，對(duì)上述工作進(jìn)一步展開。

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Direct Effect of Sulfate Aerosols on the Process of the East Asian Subtropical Monsoon

WANG Dongdong, ZHU Bin, JIANG Zhihong, and YANG Xiuqun

1,,210044;2,,210044;3,,210093

The direct effect of sulfate aerosols on the process of the East Asian subtropical monsoon was investigated using the interactive global climate-chemistry model version 5 of the Community Atmosphere Model combined with the NCEP/NCAR reanalysis dataset. The simulation results suggest that the surface temperature in most parts of the East Asian land has decreased, and the zonal thermal difference between the East Asian mid-latitude land and the western Pacific has weakened. The reversal time of the land-sea zonal thermal difference is later/earlier in early spring/late summer, and the onset/retreat times of the subtropical monsoon have been shifted to later/earlier by approximately 3 pentads because of the direct radiation effect of sulfate aerosols. The decreasing land–sea zonal thermal difference has led to the weakening of the south wind over the East Asian land and the East Asian monsoon, and a regional adjustment in monsoon rainfall. The results also imply that the reversal time of the land–sea zonal thermal difference between the East Asian mid-latitude land and the western Pacific after 1980 is later/earlier in early spring/late summer than before 1980 from the analysis of the NCEP/NCAR reanalysis data, leading to a/an later/earlier onset/retreat of the subtropical monsoon, weakening of the south wind over the East Asian land, and weakening of the subtropical monsoon after 1980. The sulfate aerosol direct radiation effect is likely to be one of the causes of this result. Both previous observational and model studies have shown that the sulfate aerosol loading increased markedly in the East Asian land after 1980 as a result of human activity, and the East Asian monsoon weakened. This study further confirms the relationship between them.

East Asian subtropical monsoon, Sulfate aerosol, Direct effect

1006–9895(2014)05–0897–12

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13193

2013–06–11，2014–02–11收修定稿

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目2010CB428505，江蘇省高校自然科學(xué)研究重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目12KJA170003，江蘇省“333”高層次人才培養(yǎng)工程，江蘇省“六大人才高峰”計(jì)劃，江蘇省2011年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目CXLX11_0620

王東東，男，1986年出生，博士研究生，研究方向：大氣化學(xué)與氣候變化。E-mail: donny_dongwang@foxmail.com

朱彬，E-mail: binzhu@nuist.edu.cn