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气溶胶是影响地球系统能量收支及空气质量的重要大气成分。大气气溶胶的浓度同时决定于化学物质的排放和气象参数。中国地处世界上最大的季风区,且空气质量问题是该地区最严峻的环境问题之一。系统全面地研究东亚季风对中国区域气溶胶浓度及空间分布的影响具有重要的科学意义和现实价值。为此,本文利用由NASA/GEOS再分析气象资料驱动的全球大气化学传输模式GEOS-Chem,研究东亚季风对中国区域气溶胶浓度及分布的影响。
本文在评估了模式对中国区域气溶胶浓度模拟能力的基础上,系统分析了,东亚夏季风、冬季风对区域气溶胶浓度年际(年代际)变化的影响,探讨了不同气象要素对气溶胶浓度的影响及其可能的机制;并对比分析了季风区与非季风区气溶胶浓度年际变化的差异;最后,探讨了在不同排放条件下区域气溶胶浓度的变化特征。研究结果表明:
东亚夏(冬)季风的年际变化对中国区域夏(冬)季近地面气溶胶浓度存在显著的影响,在绝大多数地区表现为负相关;显著的影响区域主要位于中国东部地区,特别是长江流域及其以北的大部分地区。通过对研究时段典型强、弱东亚夏(冬)季风年近地面PM2.5浓度进行合成分析发现,在弱季风年,中国绝大多数地区近地面PM2.5浓度呈现出一致的增加,特别是在长江流域及其以北的大部分地区,浓度变化超过10μg m-3。弱东亚夏(冬)季风年,中国东部(110°-125°E,20°-45°N)区域平均的近地面PM2.5浓度要较强季风年高18%左右。
由于数值试验中人为排放不存在年际变化,因此中国区域强、弱夏(冬)季风年气溶胶浓度的显著差异主要源于外部气象条件的影响。数值试验及一系列分析结果表明,弱夏(冬)季风年中国北方近地面气溶胶浓度显著增加,主要是由于东亚季风环流的减弱不利于气溶胶的向外扩散,且区域异常辐合的存在,有利于气溶胶在北方地区聚集。此外,除了环流的因素,夏季的温度降低也对弱夏季风年气溶胶浓度的增加存在直接贡献;而冬季温度的直接影响则有限。
中国东部地区由于受到东亚季风的影响,夏(冬)季近地面PM2.5浓度的年际变化的相对偏差比美国东部地区高10%左右。此外,中国东部地区近地面PM2.5浓度的年际变化存在明显的地区差异,而美国东部地区无论是冬季还是夏季近地面PM2.5浓度的年际变化均呈现区域一致性。中国东部地区近地面PM2.5浓度比美国东部地区相同季节更高的年际变化,可能与中国东部地区受季风环流的影响下,纬向和经向气流均存在显著的影响;而美国东部地区主要受平直的纬向西风气流的影响有关。
基于利用GEOS-4资料及NCEP/NCAR再分析资料分别计算的东亚季风指数在表征东亚季风强度上的一致性,本文对东亚夏季风的年代际变化对区域气溶胶浓度的影响进行了谨慎合理的探讨。研究表明,即使1948-2010年期间人为排放不增加,由于东亚夏季风年代际减弱所导致的1980-2010季风负位相年中国东部地区气溶胶的浓度也要比1948-1979季风正位相年高出约20%。也就是说,中国东部地区近几十年来较高的气溶胶浓度,部分是由于东亚夏季风的年代际减弱所导致的。更进一步研究结果表明,当气溶胶前体物的排放趋向于稳定时(年排放总量变化幅度＜10%),中国东部地区近地面气溶胶浓度的年际变化将主要受到外部气象因素的影响。