文摘

使用输出从10 CMIP5模型与固定的海洋表面温度,我们研究东亚夏季风的快速响应(EASM)和中国东部夏季降水人为气溶胶。解决这个问题,我们使用两个常用EASM近年指数可以代表纬向和经向热之下,分别。研究结果表明,削弱EASM的概念在响应人为气溶胶的增加是一个健壮的、以及中国东部降水减少。系综平均的降水减少气溶胶是约6.6%相比CTL跑,可以扩大到8.3%不含气溶胶直接影响的实验。对流降水被发现的主要贡献者(> 80%)总降水量的减少。气溶胶的直接和间接影响的组合可以减少到达地球表面的太阳辐射,最终调节大规模EASM循环,抑制中国东部夏季降水。模型之间的不确定性和差异突出交互的复杂性在aerosol-precipitation流程调查EASM现在和未来的变化。

1。介绍

东亚夏季风(EASM)在东亚(对社会经济发展有着巨大的影响1]。EASM经历了的强度弱化趋势自1970年代末以来,有很多努力来预测其变化和底层机制(2]。先前的研究表明EASM受到众多因素的影响,包括海表面温度(SST)在印度和太平洋和青藏高原上的积雪3),土地利用变化(4),和增加温室气体和大气气溶胶的浓度5]。与近年来越来越气溶胶加载在东亚,大气气溶胶的气候效应在这个地区已收到相当大的研究兴趣6]。

人们普遍认识到,气溶胶通过减少太阳辐射影响气候变化的直接影响和交互与云微物理过程(间接影响)6]。近年气溶胶效应可能导致不均匀加热和压力梯度和诱发大规模东亚大气环流和降水的变化。然而,气溶胶间接影响仍被视为是一个人为的不确定因素迫使,有关aerosol-induced辐射强迫和不确定性仍然很大由于气溶胶云相互作用的复杂性7,8]。此外,气溶胶对降水过程的影响更加不确定的;发生相互作用的气溶胶与降水之间不是很清楚(6,9]。

数值模型与改进的技能提供先进的检测由人为气溶胶的气候特性。气候对气溶胶强迫更本地化的土地(10),许多研究人员调查了影响东亚人为气溶胶的气候变化。模型基于NCAR的社区氛围,刘等人。11)报道,一位著名的中国东部降雨量下降由于所有人为气溶胶的影响,和类似的结果也揭示了江et al。12]。歌等。13)指出,人为气溶胶不容忽视的削弱在考虑EASM海气耦合模型。众所周知,气候应对人为气溶胶包括慢速和快速过程(14];调整海洋气溶胶(反应迟缓)发生在时间尺度更长时间比那些参与的气溶胶对辐射的影响(快速响应)8]。我们所知,以往的研究大多是基于一个模型,和快速响应的EASM使用multimodel人为气溶胶研究方法仍然不佳。

与先前的研究相比,我们关注EASM的快速响应和人为气溶胶在中国东部夏季降水。本研究的主要目的是验证是否EASM人为气溶胶的弱化效应是一个健壮的特性。本文的其余部分组织如下。本研究中使用的模拟模型和方法介绍了部分2。人为气溶胶的快速响应影响EASM展示使用耦合模型模拟结果相互比较项目阶段5节(CMIP5)模型3。总结和讨论提供了重要发现的部分4。

2。数据和方法

2.1。模型描述

我们使用仿真结果参与CMIP5从10模型。有两套固定SST实验为每个模型:一个是与自然气溶胶设计仅在公元1850年级别(控制运行;以下CTL运行)和其他人为和自然气溶胶在公元2000年级别(以下气溶胶运行)。气候变化应对人为气溶胶的影响被气溶胶和CTL跑的区别(气溶胶- CTL跑)。为了提取人为气溶胶的影响,其他边界条件,并迫使代理(温室气体浓度、太阳辐射强迫和SST)是固定在公元1850年水平在两个实验。在这些模拟中,八款车型和气溶胶的直接和间接影响,而其他两个模型(BCC-CSM1.1和FGOALS-s2)只考虑气溶胶的直接影响。六个模型模拟气溶胶化学和物理网络,而规定的其他四个模型利用气溶胶字段。模型模拟使用水平64×128的分辨率160×320,从17到23水平与垂直层不同的气氛。这些模型运行30 - 60年来,和30年的模拟是用于我们的分析。尽管这些模型开发硕士耦合模型,模拟的SST是固定的,他们可以在这里被认为是大气模型。 As we focus our assessment on the fast response of the EASM to anthropogenic aerosols, these simulations, excluding the impacts of aerosol-SST interactions, provide us with the means to explore this issue. Detailed information on the atmospheric components, resolutions, aerosol schemes, and the modeling centers responsible for the development of the models is provided in Table1。

所有的模型模拟内插到2.5°×2.5°网格通过双线性插值。整体结果是通过与当量平均10模拟。评估整体性能的气候模型模拟夏季气候学,我们检查平均海平面气压(SLP), 200 hPa纬向风和850 hPa风之间的CTL运行multimodel合奏和ECMWF 40年的再分析数据(ERA40) [15)(请参见图S1在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2015/397395)和计算空间相关系数之间的流通领域提到输出的CTL运行10模型和ERA40(表S1)。发现该模型可以合理繁殖SLP的近年的区别,在200 hPa纬向风的分布,把水分从海洋的南风850 hPa高度。结果表明,东亚环流气候学CTL来看是ERA40可比。

2.2。研究区域

由于近几十年来快速工业化,东亚已成为人为气溶胶的主要排放源之一。图1显示了气候分布的气溶胶光学厚度(AOD)区别两个实验的夏天,和所有与在线气溶胶模型显示类似的大气气溶胶分布在东亚(数字省略)。我们的研究地区位于中国东部,是一个地区有大量大气气溶胶。我们的目标是识别EASM的循环模式和伴随的降水变化对研究地区为了应对人为气溶胶。

2.3。选择东亚夏季风指数(EASMI)

自EASM包括热带,亚热带,和情理之中,很难衡量其强度由于其复杂的时空结构(16]。基于这样一种观念,EASM可能由陆地热之下,我们使用两个季风指数定义为郭17和由汉族和王18郭](以下指数和汉族指数,分别地。)。郭指数是由该地区夏季海平面气压差的总和(10°-50°N, 110°-160°E),代表了东西方热对比。汉族指数被定义为之间的纬向风垂直切变850 hPa和200 hPa平均值(20°-40°N, 110°-140°E)的重要性,强调南北热对比(19]。

3所示。结果

3.1。人为气溶胶的削弱EASM效应

我们与模拟计算EASMI使用郭和汉族指数从10模型。季风指数来自所有表中所示的模型2是气候的意思,没有标准化。EASM变异受到人为气溶胶的强度估计的原始值。根据定义,郭小(大)的负面价值指数(汉指数)意味着一个更小的纬向(经向)热对比和差异反映了EASM走弱。从表2,削弱增加人为气溶胶的EASM是明显的变化在几乎所有的模型中,除了IPSL-CM5A-LR。此外,为了测试两者的区别模拟的意义,学生的以及采用。结果表明,削弱了整体的变化意味着由于人为气溶胶的影响是显著的的水平。有趣的是,大多数模型反映了削弱变化的显示意义水平,基于实验的直接和间接影响(IPSL-CM5A-LR除外),而这两个指标在实验中直接影响只有通过显著性检验,这意味着间接效应可能会发挥更重要的作用在EASM的循环。实验中直接和间接气溶胶的影响,重要的测试EASMI不显示任何明确区分规定的实验和在线气溶胶方案。因此,从东西和南北热对比观点,削弱EASM由于人为气溶胶是一个明显的特性。

3.2。在中国东部夏季降水的变化

降水是季风气候的主要机制之一。中国东部夏季降水在很大程度上导致了EASM的强度(1]。从地区夏季降水平均,我们发现气溶胶的降水是CTL相比减少了跑在所有的模型。降水减少的范围从0.01到0.89毫米/天,和系综均值表明减少大约0.34毫米/天,6.6%的细胞毒性t淋巴细胞(图运行2)。指出,降水略有减少气溶胶直接影响的实验,被BCC-CSM1.1和FGOALS-s2约0.01毫米/天。这个结果可能意味着气溶胶间接影响的重要性。降水可以下降了8.3%在实验中没有BCC-CSM1.1和FGOALS-s2。此外,也存在很多不确定性和aerosol-induced降水变化的差异以及气溶胶直接和间接影响的八款车型,可能由于aerosol-precipitation过程的复杂的相互作用20.]。

沉淀可分为对流降水和大规模模拟降水的产生机制模型。对流降水减少的范围从0.016到0.73毫米/天的气溶胶相比CTL跑,和减少大规模降水相对较少(表3)。相比之下,有相当比例的减少(82.4%)是由于平均对流降水的变化,而只有17.6%的减少归因于大规模降水的变化。对流降水和大规模降水中压抑的实验与气溶胶直接和间接影响,而直接影响的实验只显示大规模降水的增加。简而言之,超过80%的降水量的减少主要是由于对流降水。

3.3。改变大气环流

基于上述分析,我们知道EASM可以削弱了人为气溶胶的影响和诱导中国东部降水减少。EASM是亚热带季风性;低空风反向主要来自南方(21]。但模型表示相关的循环的区别吗?图3显示了multimodel合奏意味着循环的差异。很明显,越来越多的人为气溶胶导致东亚大陆表面温度的降低,导致减少近年的热对比度和东西方的压力梯度。降低了南风随后减弱,从而抑制水蒸气从海洋的通道。总之,中国东部降水的减少密切相关的削弱EASM引起人为气溶胶的影响。人为气溶胶削弱季风环流近年通过减少热对比和横向压力梯度,削弱了南风,和抑制海洋的水汽通量到东亚,从而减少降雨在中国东部。这个结果证实了刘的发现等。6]。

在夏天,中国东部主要是在850 hPa南风,将从海洋带来了湿气。研究如何减少降水影响区域流通在中国东部,我们计算区域平均含湿量和水分通量变量的值在850 hPa和比较结果之间的气溶胶和细胞毒性t淋巴细胞(表运行运行4)。特定的湿度降低除了BCC-CSM1.1和FGOALS-s2几乎所有的模型。所有的模型显然表明减少水蒸气转移研究地区人为气溶胶的效果。几乎所有的模型表明抑制收敛,水汽通量的削弱,一个稳定的大气,降水量的减少。总之,基于我们的分析大规模流通体制和水分通量,我们可以得出结论,近年不均匀冷却降低了经向梯度加热,减少向北lower-tropospheric水分运输和导致中国东部降水的减少。

3.4。Aerosol-Induced辐射强迫和表面温度变化

气溶胶可以扰乱地球的能量平衡通过散射和吸收阳光和通过修改云,因此导致气候变化(8]。为了说明人为气溶胶和EASM降水之间的联系,我们计算区域平均温度和辐射强迫在中国东部。

一般来说,表面温度降低了气溶胶效应在中国东部,除了MRI-CGCM3模型。减少范围从0.1到0.3 K, 10的平均冷却模型为0.15 K(图4(一))。陆地表面温度的降低可以减少近年热对比,另一方面可提高低层大气的稳定和抑制空气对流另一方面,从而抑制降水(11]。

模型产生表面短波气溶胶的辐射强迫(RF)估计−4.2 (−7.8−3.0)W / m²,而长波射频估计气溶胶的W + 0.5 (+ 0.1 + 1.2) / m²部分抵消了短波射频(图的变化4 (b))。短波(长波)辐射通常倾向于冷(暖)地球表面。指出,短波辐射导致的总辐射比长波辐射更重要的是,和冷却效果的表面温度在中国东部主要是因为短波辐射。总表面短波射频,可以进一步区分为直接或间接的部分。图4 (c)表明的系综均值表面直接(间接)射频是−3.9 W / m²(−1.2 W / m²),不同从7.2−−0.9 W / m²(−4.5到0.5 W / m²),大多数间接RFs -除了CSIRO-Mk3.6.0模型。射频的值显示出较大的差异在所有的模型中,这可以归因于复杂的aerosol-cloud-radiation交互。

总之,直接和间接射频影响短波和长波辐射效应,导致中国东部的冷却,近年的诱导减少热之下,从而削弱中国东部降水EASM和。

4所示。结论和讨论

通过分析模拟从10 CMIP5模型,我们发现的削弱影响EASM和减少在中国东部降水增加人为气溶胶是健壮的。人为气溶胶的直接和间接影响的组合可以减少表面总辐射强迫和酷的东亚大陆。随后,近年的减少热梯度对比和SLP可以调节大规模的经向环流,减少水分运输到中国东部,最终抑制沉淀在这个地区。存在的弱化趋势EASM和中国东部降水的减少自1970年代末(2,22),在这段时间,气溶胶浓度开始在东亚迅速增加;因此,结果表明,人为气溶胶的影响可能在推动削弱EASM[发挥不可忽视的作用6]。我们的研究结果证实,人为气溶胶的增加会导致削弱EASM和中国东部降水减少。

EASM的强度的削弱和减少伴随的降水更重要的实验,考虑气溶胶的直接和间接影响,而不是只气溶胶直接影响。系综平均的降水减少气溶胶运行大约0.34毫米/天(6.6%)相比,CTL运行,可以扩大和减少8.3%除了直接影响的实验。这可能表明一个重要的角色在EASM气溶胶间接影响的发行量和当地降水。此外,超过80%的降水可能归因于对流降水减少,这是与郭等人的研究结果一致。23]。

然而,我们还发现大aerosol-induced夏季降水的空间分布之间的差异在10模型,尽管共同特征,降水减少人为气溶胶在华东(图S2)。可能是模拟降水的不确定性和差异是由于aerosol-precipitation流程和模型的复杂性限制在代表中国东部降水的特点。有潜力巨大改进的参数化aerosol-cloud-precipitation交互,以及模型技能模拟降水分布在中国东部。

最后,重要的是要注意,我们专注于人为气溶胶的快速组件在这项研究中,没有注意风场变化的反应迟缓。Ganguly et al。14]指出反应迟缓的重要性为季风和降水气溶胶。EASM的反应迟缓和降水在东中国人为气溶胶也需要充分与multimodel模拟探索未来。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是共同支持中国国家基础研究计划(2011 cb403406),中国科学院战略重点研究项目(XDA05110101)和中国国家自然科学基金(41105071和41105071)。

补充材料