中国人为气溶胶与气候变化相互作用的数值模拟研究

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气溶胶作为主要的大气污染物,可以影响人体健康、大气能见度和生态系统,也可以通过改变地气系统的能量平衡影响气候变化。未来气溶胶浓度的变化不仅受到人为排放的影响,气候变化对其也有重要的作用。所以研究中国地区人为气溶胶和气候变化的相互作用对了解中国区域气候变化,以及未来空气质量的变化有重要意义。  首先本文利用公共地球系统模式NCAR CESM研究了历史时期(1850~2000)和未来(2000~2050)人为气溶胶浓度变化对中国区域气候变化的影响。研究结果显示,1850~2000年总的人为气溶胶、硫酸盐和黑碳在中国东部(20°N~45°N,105°E~122°E)产生的年平均直接辐射强迫分别为-1.8W/m2、-1.7W/m2和+1.3W/m2,有效辐射强迫分别为-8.3W/m2、-7.3W/m2和+1.2W/m2。人为气溶胶导致中国大部分地区夏季降温0.6~0.9℃,华北和西南地区降水减少1.2~2.0mm/day。硫酸盐气溶胶在总的人为气溶胶中起主导作用。相对于2000年,未来RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下2050年气溶胶减少产生的直接辐射强迫分别为0.94W/m2、0.99W/m2和0.79W/m2。未来人为气溶胶浓度减少导致中国夏季增温明显,但对降水变化的影响并不显著。  随后利用CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase5)多模式试验结果评估了当前气候模式对中国东部地区气溶胶有效辐射强迫,以及地表温度对气溶胶辐射强迫响应的模拟水平。研究结果显示,当前气候模式都可以模拟出中国东部气溶胶光学厚度的大值区,但对于重污染地区气溶胶光学厚度的局地特征的模拟还存在偏差。气溶胶有效辐射强迫在中国东部有明显的负值,负的辐射强迫大值区一般出现在中国东南部的沿海地区。不同模式模拟的中国地区气溶胶有效辐射强迫存在较大的差异,多模式平均的中国东部年平均气溶胶有效辐射强迫为-4.14W/m2。负的辐射导致中国东部降温,多模式平均的1850~2005年人为气溶胶增加导致的中国东部年平均地表温度的变化为-1.05℃。  然后利用耦合了CAM-Chem化学模块的气候模式研究了未来2000~2050年排放和气候变化分别对中国东部地区气溶胶浓度的影响。研究结果显示,在RCP8.5情景下2000~2050年中国东部地区SO2、BC、CO、NOx等主要人为污染物排放分别减少74%、55%、22%和12%。人为排放的减少导致PM25、硫酸盐、黑碳和一次有机碳气溶胶地表浓度降低。其中,华北地区PM25浓度减少20μg/m3。受未来NH3排放增加的影响,硝酸铵地表浓度有增加的趋势。未来气候变化对中国东部地区气溶胶地表浓度的影响有明显的季节特征。在冬季,未来气候变化导致华北和东北地区PM25浓度减少2~4μg/m3;在夏季,气候变化导致华东地区PM25浓度减少1~2μg/m3,而东北地区增加1~2μg/m3。PM25浓度的变化主要受硫酸盐气溶胶浓度变化的影响。降水和边界层高度是影响未来气溶胶浓度变化的重要气象因子。  由于单个气候模式模拟的未来区域气候变化有较大的不确定性,还利用ACCMIP(Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project)多模式平均的结果分析了未来气候变化对中国东部地区气溶胶浓度的影响。多模式平均的结果显示,2000~2100年气候变化导致中国大部分地区气溶胶浓度增加。相对于2000年的浓度,模式模拟的2100年硫酸盐、有机碳和黑碳气溶胶年平均浓度在中国北部分别增加28%、21%和9%,而硝酸盐气溶胶在中国东部减少30%。冬季PM25浓度在中国东部减少15%。夏季PM25浓度变化有明显的南北差异,在中国北部地区增加16%,而在长江以南地区减少9%,这可能与模式模拟的未来东亚夏季风环流增强有关。
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