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气溶胶作为一种主要的空气污染物越来越多地影响着我们的生活环境,由气溶胶的直接和间接辐射效应引起的天气气候变化已越来越受到人们的广泛关注,成为了当今气候变化研究的焦点之一。中国地处世界上最大的季风区中,亚洲夏季风对气溶胶分布和传输的影响对空气质量和气候变化具有重要的意义。为此,本文应用由NASA/GEOS的同化气象场资料驱动的全球大气化学传输模式GEOS-CHEM,使用2006版本的最新亚洲人为活动排放资料,研究亚洲夏季风对中国气溶胶分布和传输的影响。
模式模拟的2001年近地面层和对流层整层的PM2.5浓度大值区均在中国东部地区,且冬季浓度最高,夏季浓度最低。中国东部地区区域平均的近地面层各气溶胶(硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、有机碳)浓度也都基本是在夏季浓度最低冬季最高。中国地区5~10月逐候的近地面层PM2.5气溶胶浓度的EOF分析显示,第一特征向量的空间分布型为东部一致型,其相应的时间序列表明中国东部地区为气溶胶浓度夏季显著降低的季节尺度变化;第二特征向量为中国东部地区的西北-东南型偶极型,以东部地区主要的工业区(黄河流域和长江中下游流域)为大值中心,时间变化为月尺度周期:第三特征向量为2周左右的南北偶极型。前三个EOF模态解释了总方差的64%。作为亚洲夏季风的重要组成部分,越赤道气流和季风降水对中国东部地区气溶胶浓度具有重要的影响。结果显示夏季位于40°-65°E,85°-95°E,105°-115°E,120°-135°E的四条主要的越赤道气流通道对亚洲地区气溶胶浓度的影响范围和程度各不相同。后两支越赤道气流能使我国华东和华北大部分地区夏季近地面层气溶胶浓度显著下降。同时,中国东部地区的夏季风降水与近面层气溶胶浓度的季节变化也呈现显著的反相关。通过分析梅雨爆发前后对流层整层气溶胶浓度、夏季风降水和环流以及湿沉降的变化,发现在梅雨爆发的34候左右,由于梅雨雨带的向北推进和持续性降水,使得我国东部地区大范围的湿沉降增加,从而气溶胶浓度在34候出现明显的转折,迅速减少。关掉排放季节变化的敏感性试验显示气溶胶的季节排放并不是影响中国东部地区夏季浓度显著下降的主要因子,而亚洲夏季风的影响更为重要。
在中国东部地区,无论是近地面层还是对流层整层,弱东亚夏季风年(1998)的PM2.5浓度在大部分地区都比强东亚夏季风年(2002)明显偏高,只有在近地面层华南部分地区7月和8月略偏低。经对比分析这两年气象场的差异,发现是降水、风速、温度、越赤道气流等多种因素共同作用的结果。虽然由降水差异引起的湿沉降变化对气溶胶浓度有着重要的影响,但由夏季风强弱所引起的气流强度差异对气溶胶的传输也有着不可忽略的重要作用。而这种传输能够减少上风向气溶胶浓度和增加下风向气溶胶浓度,使得中国东部地区华南和华北的气溶胶浓度变化出现“跷跷板”分布。
通过关掉南亚地区OC排放等一系列敏感性试验研究了春季南亚地区OC排放如何传输到中国和全球对流层大气中,并定量计算了中国和全球中源于南亚地区OC的比例,发现伴随着南亚夏季风到来南亚地区逐渐增强的对流活动,能够将其近地面层的大量OC向上输送到对流层中高层,并在西风气流的作用下逐渐向东传播影响华南地区和中国东部地区。春季南亚地区由于生物量燃烧造成的大量OC排放对中国华南地区近地面层OC质量的贡献率为5-55%,在500hPa,源于南亚的OC排放对中国东部地区、美国和欧洲的贡献率分别是40-80%、40-60%和30-50%。
在排放一致的前提下,分别用弱的南亚夏季风年(1998)和强的南亚季风(2002)的气象场资料驱动GEOS-CHEM研究南亚地区OC排放影响的差异,结果显示,夏季OC的浓度无论在近地面层还是在对流层整层都是1998年比2002年高。同时,夏季南亚地区的OC排放对中国华南地区和西北太平洋地区的贡献率也是1998年明显偏大,这是导致1998年夏季中国等地区OC浓度偏高的主要原因。弱的南亚夏季风使得南亚地区降水偏少,导致湿沉降也偏少,从而OC气溶胶浓度偏高,同时南亚北部偏强的西南气流能将该处偏高的OC更多的向下游地区和国家输送。1998年和2002年的环流差异,从南亚到北太平洋高纬度地区呈现“A-C-A”的异常环流型,有利于南亚地区OC气溶胶的远距离传输。