中国东部城市下垫面变化和人为气溶胶排放对东亚季风影响的数值模拟

中国东部城市下垫面变化和人为气溶胶排放对东亚季风影响的数值模拟本文使用美国NCAR大气环流模式CommunityAtmosphereModel(CAM5.1)研究中国东部城市下垫面变化和人为气溶胶排放对东亚季风的影响,评估模式控制试验对东亚地区夏季和冬季气温、降水、环流气候态的模拟情况,在此基础上分别探讨城市下垫面变化/人为气溶胶造成的夏季和冬季气温、降水、地表能量平衡的改变,并深入分析东亚季风变化的详细物理机制。通过不同初值的集合试验以及不同海表温度背景试验增强城市下垫面变化试验结果的可信度,并讨论中国东部城市下垫面变化影响季风的关键区,得到的主要结论如下:(1)通过对比有无城市下垫面的试验结果研究城市下垫面变化对东亚夏季气候的影响,模拟结果表明城市下垫面发展有利于中国夏季东部气温北增南减,降水呈现“南涝北旱”的差值分布。敏感性试验结果表明,中国东部城市群发展导致的拖曳作用减弱对流层低层的西南季风气流,南海辐合上升运动增强,并伴随着潜热、云量、降水的增加以及对流层高层异常辐散,导致其北30°N和50°N出现下沉差值气流,在云量减少、异常干绝热加热率增加以及南风差值气流的平流加热作用共同影响下,中国北方对流层大气出现中心位于蒙古的强大暖性高压异常,东亚西风急流减弱南移,东亚夏季风减弱。(2)基于有无人为气溶胶排放的试验结果研究人为气溶胶排放对东亚夏季气候的影响,模拟结果表明人为气溶胶排放增加带来中国东部地表和对流层气温降低,降水同样呈现“南涝北旱”空间分布。对比人为气溶胶的直接效应和云物理过程对地表气温和短波辐射的影响,北方大气主要受到气溶胶直接辐射效应影响,而南方大气同时受到直接辐射效应和大气环流调整所引发的云量变化的影响,导致地表气温异常中心偏南。分析环流变化的物理机制发现气溶胶辐射效应引起中国东部气温降低,空气在对流层低层堆积,中国东部海平面气压显著上升,导致东亚夏季风环流减弱。(3)利用有无城市下垫面的试验研究其对东亚冬季气候的影响,模拟结果表明城市下垫面发展会引发中国东部广大区域气温增加,同时中国东部降水显著增加,而西部降水变化不明显。分析城市下垫面变化影响冬季风的物理机制,发现中国东部城市群发展造成的增暖导致中国东部大陆和南海的海陆热力对比减小,青藏高原南部至中南半岛的地表平流加热率增加,青藏高原作为高空差值热源通过异常暖平流加热下游中国东部大气,30N°附近对流层位势高度增加,抑制北方冷空气南下,冬季风强度减弱。通过对比有无人为气溶胶的试验研究其对东亚冬季气候的影响,结果表明冬季中国东部绝大部分地区气温下降,而青藏高原南部和东部、蒙古高原气温上升明显。华西和华南地区降水减少,而中国东部降水变化不明显。分析人为气溶胶影响冬季环流的物理机制,发现黑碳气溶胶沉降到青藏高原积雪上之后,会导致青藏高原气温明显增加,配合对流层中层的差值环流形势加热下游大气。中国东部850hPa以上对流层位势高度增加,不利于北方冷空气南下,东亚冬季风减弱。(4)使用不同初值的集合试验和不同海表温度背景试验研究中国东部城市下垫面变化对夏季风影响试验的不确定性,发现两组试验差值场同样表现出长江以北大部分地区气温增加、降水“南涝北旱”的空间分布。这些结论可增强城市下垫面变化试验结果的可信度。研究中国东部城市下垫面变化影响夏季风的关键区,发现30-40°N关键区城市下垫面变