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中国沙漠, 2022, 42(3): 127-138 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00026

东亚沙尘气候效应对地面温度日较差影响的数值模拟

陈思宇,, 贯雅雯, 赵丹, 娄高僮, 陈渔

兰州大学 大气科学学院/半干旱气候变化教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000

Influence of dust aerosol on land surface diurnal temperature range over East Asia Simulated with the WRF-Chem model

Chen Siyu,, Guan Yawen, Zhao Dan, Lou Gaotong, Chen Yu

College of Atmospheric Sciences / Ministry of Education Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

收稿日期: 2021-11-25   修回日期: 2022-03-24  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42175106.  91837103
中国博士后科学基金项目.  2020M681156
中央高校基本科研业务费专项资金科研创新团队建设项目.  lzujbky-2020-ct03

Received: 2021-11-25   Revised: 2022-03-24  

作者简介 About authors

陈思宇(1984—),女,上海人,教授,主要从事沙尘物理过程、大气环境与气候变化相互作用等研究E-mail:chensiyu@lzu.edu.cn , E-mail:chensiyu@lzu.edu.cn

摘要

地面温度日较差(DTR)作为重要天气和气候指标,反映昼夜温差极值,比平均气温对地表辐射收支的变化更敏感,对环境变化和气候异常具有重要参考价值。沙尘气溶胶的气候效应是影响岩石圈-大气-海洋系统的重要因子,但目前的研究较少涉及沙尘气溶胶对DTR的影响机制。基于WRF-Chem模式(Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry)揭示2002—2005年沙尘气溶胶气候效应对东亚地面温度日较差的影响。结果表明:WRF-Chem模式可以很好体现东亚气象场和沙尘气溶胶的时空分布特征。沙尘气候效应导致东亚大陆大部分地区DTR减小,沙尘直接辐射效应在其中起决定性作用。在白天,沙尘直接辐射强迫加热大气、冷却地表,减小地面总净辐射而降低日最高温度,导致DTR减小。在中国青藏高原和东北部地区,沙尘气溶胶间接效应占主导地位,导致青藏高原地区积雪覆盖减少,东北地区云水含量减小,间接导致DTR增大。

关键词: 东亚沙尘 ; WRF-Chem模式 ; 沙尘质量收支 ; 沙尘传输 ; 沙尘直接效应 ; 沙尘气候效应

Abstract

As an important synoptic and climate index, diurnal temperature range (DTR) reflects the extreme temperature difference between day and night. Compared with average temperature, DTR is more sensitive to changes in surface radiation budget and has important reference value for environmental changes and climate anomalies. The physical process of dust aerosol and its climatic effect are important factors affecting the lithosphere-atmosphere-ocean system, but the influence of dust climate effects on DTR has not been studied. The study reveals the climatic impact of dust aerosol on DTR over East Asia during 2002-2005 based on the WRF-Chem model (Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry). The results show that the WRF-Chem model can well reproduce the spatial-temporal distributions of meteorological field and dust aerosol over East Asia. The dust climate effect dominated by direct radiative forcing leads to the decrease of DTR in most parts of East Asia continent. During daytime, the direct radiative effect induced by dust heats the atmosphere and cools the surface, contributing to net surface radiation-cutting, thus further the decrease of the maximum Temperature and DTR. In contrast, an opposite variation tendency of DTR, primarily regulated by dust indirect effect, occurred over the Tibet Plateau and the northeast of China due to reduction of snow cover and liquid water path, respectively.

Keywords: dust aerosol over East Asia ; WRF-Chem model ; dust mass budget ; dust transport ; direct radiative forcing induced by dust ; dust climate effect

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本文引用格式

陈思宇, 贯雅雯, 赵丹, 娄高僮, 陈渔. 东亚沙尘气候效应对地面温度日较差影响的数值模拟. 中国沙漠[J], 2022, 42(3): 127-138 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00026

Chen Siyu, Guan Yawen, Zhao Dan, Lou Gaotong, Chen Yu. Influence of dust aerosol on land surface diurnal temperature range over East Asia Simulated with the WRF-Chem model. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(3): 127-138 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00026

0 引言

地面温度日较差(Diurnal Temperature Range,DTR)作为表征气候重要指标,可以反映温度变化幅度,对环境变化和气候异常具有重要参考价值。19世纪以来,全球特别是北半球陆地最低温度较最高温度显著地升高,由于日夜增暖的不对称性,全球大部分地区DTR降低1-3。近年来,很多研究学者着力于探究DTR变化规律及其产生原因,现已取得很大进展。Kukla等4的研究表明,总云量增加可能是导致DTR减小的主要原因。Karl等1也认为,美国秋季的DTR和云量有很强相关性。在加拿大中纬度地区和澳大利亚,DTR和云量、降水均存在很强相关性5。Zhou等6分析了1979—1998年中国测站资料中地面温度变化趋势,发现中国工业区DTR下降最严重,可能与城市化效应和土地利用改变有关。

GCM数值试验也表明,CO2浓度增加伴随着云量、土壤湿度和雪盖增加,会很大程度上减小DTR7-8。辐射-对流模式模拟结果表明,短波辐射强迫对DTR改变起决定性作用,长波辐射强迫则主要贡献于日平均温度变化。水汽因吸收近红外太阳辐射特性可减小DTR。CO2和污染性气溶胶加倍后,也会对DTR产生较大影响9。Xue等10发现1960—2014年中国北部平原地区DTR呈现冬高夏低的特征,冬季和夏季DTR的差异在多云条件下比晴空时更为显著,DTR年递减率也与日照时长和比湿年递减率有0.25和0.23的弱相关性。

气溶胶对云和降水的改变主要来自于气溶胶辐射效应11-13或气溶胶微物理效应14-16的独立或综合影响。气溶胶是否影响DTR?其理论机制是什么?目前已有研究进行了一些探讨。比如,Price等17分析地中海东部塞浦路斯岛两个测站的长期温度数据,初步认为DTR的减小可能与云量、城市化效应和对流层气溶胶增加有关。Huang等18进一步利用区域气候模式模拟了人为气溶胶间接效应对中国东部DTR的影响,指出人为气溶胶可以通过间接效应影响云量,进而改变DTR。此外,也有研究者认为东亚、印度和东南亚地区的DTR减小与大气边界层稳定度增加和空气污染加剧有关19-20。大气气溶胶含量和云量增加均能导致日最低温度(Minimum Diurnal Temperature,Tmin)增加和日最高温度(Maximum Diurnal Temperature,Tmax)减小,从而导致DTR减小。相对湿度和DTR可能也存在联系,相对湿度可解释夏季欧洲约90%的DTR变化20。湿度增加和地面短波辐射收入减低与DTR减小趋势相符合。值得指出,1973—2012年中国东部大气能见度降低,气溶胶含量和云量的变化共同导致地面辐射净收入减少,减小大气边界层高度的日变化以及DTR,导致大气污染物的湍流混合减弱,空气污染加重,形成正反馈进一步导致DTR减少19。然而,目前关于气溶胶影响DTR的研究,有些给出了理论假设,有些仅单纯从气溶胶直接或间接效应的角度揭示了其对DTR的影响机制,缺乏系统性探讨。此外,气溶胶的种类多样,目前并未区分气溶胶类型开展进一步的研究。

沙尘气溶胶作为主要的吸收性气溶胶,是影响地球系统能量平衡的重要因素,能够通过散射和吸收太阳辐射直接影响地球辐射收支21-23以及影响云凝结核和冰核来改变云反照率和寿命,间接影响降水1824-25。由于在大气中作用机制复杂且在不同时空尺度上数量和属性差异巨大,沙尘一直是全球气候变化研究中的不确定因素。东亚沙尘的起沙量大、分布范围广,据估算每年约600 Tg沙尘被释放到大气,其中约30%重新沉降到沙漠,20%传输到中国内陆,剩余50%被远距离向东输送到韩国、日本等地,如此时空规模的气溶胶粒子会对区域乃至全球气候与环境产生重大影响26-28。东亚沙尘气溶胶释放、传输、直接辐射强迫及气候效应是当今大气科学和国际气候变化研究中的前沿和焦点问题。近年有研究证明,2006年春季沙尘气溶胶导致东亚地区整体地面约0.21 ℃的明显降温,而洋面温度变化不明显,这改变了海陆间热力差异,进而影响东亚季风环流28。然而,沙尘气候效应是否显著影响DTR?其机制是什么?本文基于卫星遥感和WRF-Chem模式探讨2002—2005年沙尘气溶胶对东亚气候的影响,重点探究沙尘直接和间接辐射效应对东亚DTR的作用机制。该研究对深入认识气溶胶气候效应,理解未来土地利用或土地政策变化对大气污染的影响及制定相应治理对策都具有重要的科学意义。

1 模式和数据

1.1 WRF-Chem模式

WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)作为新一代中尺度数值预报模式和同化系统,适用于不同天气尺度(从几百米到几千米)的数值模拟,具有多重动力核心、三维变分资料同化系统及可扩充、高效率等诸多优点。WRF-Chem模式(Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry, WRF-Chem)是当今国际上发展较成熟的空气质量模式,在WRF模式基础上加入气相化学机制、光解方案、气溶胶机制等各种参数化方案,考虑气溶胶排放、形成及输送(包括平流、扩散和对流过程)、干湿沉降等过程,也考虑气相化学、气溶胶形成、辐射和光分解率、气溶胶参数化和光分解等化学过程。与其他模式相比,WRF-Chem优越性在于实现气象模式与化学模式在时间和空间分辨率上完全在线耦合,能很好地反映气象场与气溶胶的相互作用29

目前,WRF-Chem模式主要采用的气溶胶模块是MADE/SORGRAM(Modal Aerosol Dynamics Model for Europe and Secondary Organic Aerosol Model, MADE/SORGAM)和MOSAIC(Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry,MOASIC),两者分别耦合RAM2(Regional Acid Deposition Model 2, RAM2)和CAM-Z(Carbon Bond Mechanism,CAM-Z)光化学反应机制。其中MADE/SORGAM气溶胶模块采用3个对数正态分布模态,即爱根核模(Aitken)、积聚模(accumulation)和粗模(coarse),来描述整个气溶胶粒子尺度分布。在数值试验中人为和自然气溶胶均被考虑在内。

相较其他全球或区域沙尘模式,WRF-Chem模式拥有多种气溶胶模块和起沙参数化方案,气象模式与化学传输模式在时间和空间分辨率上完全耦合,真正实现在线传输,在沙尘气溶胶模拟方面具有很大优越性29-30。目前,起沙参数化方案主要分成较为简化的经验参数化方案与较为复杂的、根据起沙物理过程构建的参数化方案。本文的数值试验中采用GOCART(Georgia Institute of Technology-Goddard Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation and Transport Model,GOCART)经验参数化方案31。其根据垂直沙尘通量和风速经验公式,直接计算各个粒径起沙通量G(μg·m-2·s-1),体现出良好的起沙模拟能力,目前已被广泛应用到全球、区域沙尘过程模拟中:

G=CSspu10m2(u10m-ut)

式中:C是起沙因子,为高度可调经验常数,一般通过卫星反演的气溶胶产品进行调整,在本文中我们使用起沙因子均等于1;S是风蚀度指数,表示起沙网格面积在单位网格面积所占分数;sp 是各档沙尘质量比例;u10m为地面10 m水平风速;ut 为地面10 m临界风速。

1.2 数值试验设置

数值试验采用的气溶胶模块是MADE/SORGAM,其耦合RAM2光化学反应机制。气溶胶辐射反馈过程被快速辐射传输模块(Rapid Radiative Trasnfer Model,RRTMG)32-33 耦合,同时考虑长短波辐射反馈。气溶胶光学特性描述详见Fast等34和Barnard等35的研究。

数值模式中沙尘释放过程采用GOCART起沙参数化方案36。沙尘释放时粒子尺度分布以两个对数正态分布模态进行描述(分别为积聚模和粗模),对应质量分数分别为15%和85%。在积聚模态中,体积中值直径(dpgv)为2.91 μm,标准偏差(σg)为2.20;在粗模态中,dpgv为6.91 μm,σg为1.73。此外,在数值实验中CO、NO x 、SO2、挥发性有机化合物(VOCs)、黑碳(BC)、有机碳(OC)等人为气溶胶也均被考虑在内。

本实验中WRF-Chem模式水平分辨率36 km,从地面至100 hPa共设35个垂直层。模式模拟格点数为150×200。模式积分初始场采用NCEP National Center for Environmental Prediction final analysis 2, NCEP2)再分析资料,水平分辨率1°×1°,时间间隔6 h。模拟时间从2001年12月10日至2005年12月31日,为减少模式初边界条件不稳定性,分析部分仅选取2002年1月1日到2005年12月31日模拟时段沙尘模拟结果。本文所使用的参数化方案选择与Chen等26和康丽泰等37的研究基本相同。结果表明,该试验设置可以很好地模拟东亚气溶胶特别是沙尘的时空演变特征,为沙尘气候效应的研究提供科学基础。数值模式中本试验使用YSU(Yonsei University Planetary Boundary Scheme)边界层方案38、Noah陆面过程方案39、Morrison 2-moment微物理方案40、Kain-Fritsch积云参数化方案41及RRTMG长波和短波辐射反馈方案。本文共进行两组实验,包括考虑全部模拟区域中沙尘气溶胶释放、传输和沉降等过程的控制实验(CTRL)和不考虑沙尘气溶胶的敏感性试验(NODUST),两组实验相减即得沙尘气溶胶对东亚气候影响。

此外,作为目前应用最广泛的区域空气污染模型,WRF-Chem模式对气溶胶间接效应的模拟结果较好,迄今为止很多研究都基于该模式开展了相关研究,系统探讨了沙尘气溶胶-云-降水相互作用。比如,WRF-Chem模拟表明,2008年9月25日和2003年1月28—29日东地中海的沙尘颗粒作为巨凝结核对降水形成的影响较为微弱,沙尘气溶胶导致的降水总量变化不明显,但当沙尘随地形抬升时促进云内冰晶的形成,可导致局部降雨增强,且该研究发现沙尘对云凝结核的贡献可能只对暖相云有显著意义42。利用WRF-Chem模式还发现,内华达山脉的沙尘气溶胶作为云凝结核可抑制迎风坡云水资源转化,导致更多云滴进入背风坡,从而使得高海拔地区降水总量和积雪量增加43

1.3 MODIS

中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)为搭载在Terra和Aqua卫星上的重要传感器44。MODIS扫描宽度2 330 km,1—2 d的观测即可覆盖全球, 提供0.412—14.24 μm波段,即可见光、近红外和红外电磁波谱范围内36个离散光谱通道的全球遥感观测资料。基于谱覆盖范围宽广、高空间分辨率和高分光谱分辨率等优点,MODIS提供陆地、云、气溶胶等反演产品,其中1—10 km空间分辨率气溶胶产品可用于气溶胶模型建立、大气污染动态分析及空气质量监测等45-46。MODIS AOD(光学厚度)产品主要采用Dark Target(DT)和Deep-Blue(DB)算法,DT在如森林和农田等植被覆盖率较大区,比DB具有较高整体反演精度。在沙漠、戈壁等亮背景表面,蓝光波段地表反照率较小,DB方法通过蓝光通道模拟计算地表反照率后反演AOD可有效减少反演误差47。本文主要采用Deep-Blue下AOD产品同东亚模拟结果进行对比验证。

2 结果与分析

2.1 不同季节东亚沙尘的水平分布特征

东亚沙尘气溶胶分布具有明显的时空差异。为验证模式的模拟效果,本文通过MODIS卫星观测及模式模拟的550 nm AOD进行对比验证。WRF-Chem模式较准确地再现东亚气溶胶空间分布特征及季节变化规律,季节内分布形态及数值仍存在差别(图1)。春季大值中心位于塔克拉玛干沙漠、四川盆地和华北平原附近;夏季除沙尘源区和四川盆地,中国东部也成为大值中心;秋冬季东亚整体AOD大幅减弱,大值中心区域保持不变;冬季研究区域AOD均呈现季节最小值。人为污染物使中国东部AOD大于塔克拉玛干沙漠。然而,与MODIS结果相比,数值模拟的AOD在印度和中国东部地区偏低,这是由于数值模式中排放清单的误差导致的。由于本文重点探讨的是沙尘气溶胶的气候效应,所以人为气溶胶排放的误差不在本文的讨论范畴。

图1

图1   MODIS卫星反演(第一行)和模式模拟(第二行)东亚2002—2005年不同季节550 nm AOD

Fig.1   Seasonal mean AOD at 550 nm from 2002 to 2005 based on MODIS retrievals (top panel) and WRF-Chem simulation (bottom)


2.2 沙尘对东亚地面温度以及地面温度日较差影响

总体而言,沙尘气溶胶对中国大部分地区地面气温有降温效果(图2)。其中,塔克拉玛干沙漠至戈壁,降温最高可达2.8 ℃;其次为四川盆地向东至长江中下游,降温最高达2.1 ℃。从季节分布特征上来看,春季塔克拉玛干沙漠和蒙古部分地区降温幅度最大,大值中心一直延伸至山东半岛。夏季降温区自北向南推进,到达四川盆地,并延伸至长江中下游地区。秋季降温区集中在塔克拉玛干沙漠和四川盆地等地,大值区相对集中。冬季降温大值区自蒙古向南延伸至华中。沙尘气候效应在日本、韩国等地对地面气温影响基本为负。值得注意的是,沙尘气候效应会导致中国部分地区(如青藏高原)及印度北部地面温度升高。在青藏高原,秋冬季地面增温最大,最高达1.8 ℃;夏季地面增温最小,仅高原北坡出现增温区。印度北部夏季地面增温最大,最高达1.9 ℃,秋季次之,而春冬季沙尘使该地区地面温度下降,温度响应与夏秋季截然相反。

图2

图2   WRF-Chem模拟的2002—2005年不同季节沙尘气候效应导致地面温度的改变

Fig.2   Change of land surface temperature induced by dust aerosol in four seasons during 2002-2005 simulated by the WRF-Chem model


从图35可看出,沙尘气溶胶对Tmax影响远高于对Tmin影响。从图3可发现,Tmax下降超过0.8 ℃的大值区与沙尘AOD大于0.2的大值区相对应。Tmax下降区在四季分布特征一致,数值大小较接近,Tmax增温区的四季分布差异较大。夏季Tmax上升区最显著,分布最广泛,大值区主要在中国青藏高原、东北部、淮河流域、华南及印度东北部。秋季Tmax上升区数值较小,主要分散在中国青藏高原及东北部、华中、华南等少部分区域。春冬季Tmax上升区集中分布在青藏高原。此外,沙尘对Tmin影响范围较大,强度较弱,数值总体偏小且季节变化不显著。Tmin影响区与Tmax影响区差异较大的区域主要分布在春冬季青藏高原和秋季中国东北部(图4)。

图3

图3   WRF-Chem模拟的2002—2005年不同季节沙尘气候效应导致日最高地面温度的改变量

Fig.3   Change of maximum diurnal land surface temperature induced by dust aerosol in four seasons during 2002-2005 simulated by the WRF-Chem model


图4

图4   WRF-Chem模拟的2002—2005年不同季节沙尘气候效应导致日最低地面温度的改变量

Fig.4   Change of minimum diurnal land surface temperature induced by dust aerosol in four seasons during 2002-2005 simulated by the WRF-Chem model


图5

图5   WRF-Chem模拟的2002—2005年不同季节沙尘气候效应导致地面温度日较差的改变量

Fig.5   Change of diurnal land surface temperature range induced by dust aerosol in four seasons during 2002-2005 simulated by the WRF-Chem model


沙尘对DTR与Tmax影响区基本一致,说明沙尘对DTR改变主要是通过改变Tmax导致的。从图5可以看到,沙尘导致东亚大陆大部分地区DTR减小,但在中国东北部、青藏高原、华南以及印度东北部DTR呈现增加。从区域平均上来看,春季沙尘对东亚内陆DTR影响最大,TmaxTmin、DTR分别降低0.5、0.2、0.3 ℃;冬季沙尘对DTR影响最小,TmaxTmin、DTR分别降低0.4、0.1、0.3 ℃(图6)。夏季沙尘对地面DTR影响最显著,年平均TmaxTmin及DTR的改变量除改变幅度偏小(图7)外,皆与图35中夏季相似。除山东半岛及四川盆地,Tmax降温大值区主要位于塔克拉玛干沙漠、戈壁和辽东半岛,地区平均降温约0.5 ℃。对于平均降温不到0.2 ℃的Tmin,降温区在中国西北分布范围较广。而DTR区域平均增加约0.3 ℃,其正向变化大值区同Tmax降温大值区分布十分近似。总体而言,沙尘导致东亚内陆大部分地区地面温度降低,但季节差异并不显著,其DTR变化量空间分布特征在四季较类似,故本文在后续分析中只集中讨论年平均DTR对沙尘气溶胶的响应机制,不再分季节对DTR变化展开讨论。

图6

图6   WRF-Chem模式模拟的2002—2005年沙尘气候效应对不同季节东亚内陆地面日最高温度、日最低温度以及地面温度日较差改变量

Fig.6   Change of maximum diurnal temperature, minimum diurnal temperature, diurnal temperature range induced by dust aerosol in four seasons during 2002-2005 simulated by the WRF-Chem model


图7

图7   WRF-Chem模拟的2002—2005年沙尘气候效应对东亚地面日最高温度(A)、日最低温度(B)以及地面温度日较差(C)影响

Fig.7   The influence of dust aerosol on maximum diurnal temperature (A), minimum diurnal temperature (B), diurnal temperature range (C) over East Asia from 2002 to 2005 simulated by the WRF-Chem model


2.3 东亚沙尘直接辐射强迫对DTR的影响机制

总体而言,沙尘直接辐射强迫冷却地表、加热大气,是造成中国内陆大部分地区DTR减小的主要原因(图8)。具体而言,白天沙尘短波辐射强迫起绝对主导作用,沙尘吸收和散射太阳辐射导致到达地面的短波辐射通量减少,产生负辐射强迫,绝对值是长波的4倍左右。除黄土高原及长江中下游地区,地面短波辐射强迫的大值区主要位于塔克拉玛干沙漠、戈壁和辽东半岛内,强迫值最高可达-30 W·m-2。沙尘在地面产生正的长波辐射强迫,高值中心在塔克拉玛干沙漠、戈壁和辽东半岛南部,近似数值分别为6.5、6.5 W·m-2和7.5 W·m-2。由于上述短波辐射强迫强于长波辐射强迫,沙尘导致地面短波辐射的净收入减少远大于地面长波辐射的净收入增加幅度,使地面净辐射通量下降约-21 W·m-2,导致Tmax降低。夜间沙尘对地表的净辐射强迫显著小于白天,沙尘对地表长波辐射强迫在塔克拉玛干沙漠、戈壁和辽东半岛南部与白天十分近似,均数值较弱。综上所述,DTR在亚洲内陆大部分地区降低主要因沙尘气溶胶对地表短波辐射强迫远大于长波导致。

图8

图8   WRF-Chem模拟的2002—2005年沙尘气溶胶地面短波(SW)、长波(LW)以及净辐射强迫(NET,SW+LW)在白天(第一行)和夜晚(第二行)空间分布

Fig.8   The spatial distribution of shortwave (SW), longwave (LW) and net (NET, SW+LW) radiative forcing in day time (top panel) and at night (bottom), simulated by WRF-Chem in East Asia during 2002-2005


2.4 东亚沙尘气候效应对DTR的影响机制

沙尘气候效应可导致青藏高原地区以及中国东北部DTR增大,这可能与沙尘直接和间接效应综合影响有关。图9给出沙尘对以下各要素改变量之间交叉相关系数:DTR和Tmax相关系数可达0.68,和Tmin相关系数仅为-0.15。云水含量(LWP)和积雪当量改变与DTR改变紧密相连,相关系数分别可达 -0.70和-0.61(图9),说明沙尘气候效应可通过改变东亚云量和积雪当量,间接影响DTR。此外,沙尘对降水和土壤湿度改变与DTR改变关联性较弱,且未通过显著性检验,说明在此次数值试验中这些气象要素对DTR影响不大。

图9

图9   WRF-Chem模拟的沙尘对云水含量(LWP)、积雪当量(SNOW)、土壤湿度(SM)、 降水量(PREP)、地面日最高温度(Tmax)、日最低温度(Tmin)以及地面温度日较差(DTR)改变量之间的交叉相关系数

Fig.9   The cross-correlation coefficients between the change of dinurnal temperature range (DTR) and influential factors, listed as follow: liquid water path (LWP), snow cover (SNOW), soil moisture (SW), precipitation (PREP), surface maximum diurnal temperature (Tmax) and surface minimum diurnal temperature, simulated by the WRF-Chem model


图10所示,沙尘间接效应有效影响了云的微物理特性以及积雪当量。影响LWP的因素包括云滴数浓度和云滴有效半径等云参数。在中国东北部,沙尘气溶胶浓度增加,沙尘颗粒可作为云凝结核对云滴形成有促进作用,减小CER,增大云滴数浓度,LWP的减小最高可达-8 g·m-2。LWP是云反照率的决定性因素。LWP含量减少,对太阳辐射的散射、反射作用减弱,导致到达地面的短波辐射增加;另一方面,LWP减少降低云反照率,减弱云造成的大气逆辐射,导致地面有效辐射增加。前者作用大于后者,使Tmax增加幅度大于Tmin,从而导致中国东北部DTR增加。

图10

图10   WRF-Chem模拟的2002—2005年平均沙尘气候效应对云水含量、积雪当量变化量的影响

Fig.10   The influence of dust aerosol on liquid water path and snow cover over East Asia from 2002 to 2005 based on the WRF-Chem model


此外,青藏高原是除极地以外拥有冰川量最多的地区,高原积雪一直被认为是调节亚洲水分循环和季风气候的重要因子48。在欧亚大陆积雪覆盖地区中,高原积雪中吸收性气溶胶引起的地表辐射强迫最为显著,可超过20 W·m-2[49。沉降到积雪中的黑碳和沙尘气溶胶会显著加速冰雪融化,改变高原地表能量收支,间接对区域气候和水分循环产生重要影响50。从本研究的模拟结果来看,尽管高原沙尘气溶胶浓度较低,但沙尘气溶胶对高原积雪的影响十分显著,可加速青藏高原积雪融化,减少积雪量,同时产生两个效应:地面反照率降低,在白天地面吸收的短波辐射增加;积雪对地表的热阻隔作用减弱,即积雪对地面向上长波辐射的抑制作用减弱,地面有效辐射增加。与LWP相似,上述效应中前者作用强于后者,使Tmax增大幅度大于Tmin,同样导致DTR增加。

在2004年8—9月,青藏高原积雪当量变化与DTR呈现显著负相关性,积雪当量标准化值由1.0降低至0.8,DTR标准化值由-1.4升高至2.0。同期中国东北地区的LWP变化与DTR负相关性也十分明显,LWP标准化值由-1.0降低至-1.5,DTR标准化值自1.0升高至3.5(图11)。DTR标准化值变化幅度远大于积雪当量和LWP的标准化值变化幅度,较直观地体现出DTR在东北地区同云量、在青藏高原地区同积雪当量较强的负相关性,在夏季尤为显著,还体现出DTR对积雪当量较LWP更强的敏感性。

图11

图11   WRF-Chem模拟的2002-2005年沙尘气候效应在中国东北地区(48°—55°N, 118°—135°E,A)和青藏高原(26°—40°N, 73°—105°E,B)导致的日最高温度(橙色线)、日最低温度(绿色线)、地面温度日较差(红色线)以及云水含量(蓝色线,A)和积雪当量(蓝色线,B)月变化的区域平均标准化序列

Fig.11   The normalization of monthly variations of liquid water path (blue line in A), snow cover (blue line in B), maximum diurnal temperature (orange line), minimum diurnal temperature (green line) and dinurnal temperature range (red line) in the northeast of China (A) and the Tibetan Plateau (B)from 2002 to 2005 simulated by the WRF-Chem model


3 结论

1950年以来,全球特别是北半球陆地TmaxTmin均呈现增长趋势,主要因Tmin显著变暖导致DTR减小。云量、降水、水汽、温室气体等大尺度气候变化对DTR有重要影响,而迄今尚未有研究关注沙尘对DTR的影响。

数值试验表明,沙尘导致东亚内陆大部分地区地面温度降低,降幅最高可达1.3 ℃。沙尘对DTR改变主要为Tmax显著下降所导致。春季沙尘对东亚内陆DTR影响最大,TmaxTmin、DTR分别降低0.5、0.1、0.4 ℃。冬季沙尘对DTR影响最小,TmaxTmin、DTR分别降低0.4、0.1、0.3 ℃。沙尘对DTR的改变主要由地表净辐射通量改变引起。从沙尘对地面辐射强迫空间分布特征可发现,沙尘短波辐射强迫起主导作用。白天沙尘导致地面短波辐射收入减少远强于地面有效辐射减少,使地面净辐射通量减小而明显降低Tmax。对于东亚内陆大部分地区,沙尘直接辐射强迫效应是导致DTR减小的关键因素。

尽管沙尘气溶胶在有些区域比如青藏高原的浓度确实较低,但是这些地区沙尘气溶胶辐射效应对气候的影响机制更为复杂。本研究表明,沙尘间接辐射效应可通过改变云微物理特性和雪盖间接导致中国青藏高原和东北地区DTR的增加。其中,夏季Tmax上升最为显著,分布也最广泛,大值区域主要在青藏高原、中国东北部、淮河流域、华南及印度东北部。秋季Tmax上升区数值较小,主要分散于青藏高原及中国东北部、华中、华南等少部分区域。春、冬季Tmax上升区则集中分布在青藏高原。为进一步探究DTR增长原因,我们进一步分析东亚气象因子变化量与DTR改变相关性。研究表明,LWP减少大值区与DTR增长区基本一致,原因是云量减少增加地面接受短波辐射的同时也使地面有效辐射增加,使Tmax升高程度大于Tmin,从而有效增大DTR。同时,沉降在积雪上的沙尘吸收太阳辐射可加速青藏高原及中国东北部分积雪融化,主要通过减弱青藏高原地面反照率增加地表辐射净收入,增大青藏高原DTR。

需要指出,目前化学模式对气溶胶第二间接效应(云水含量的影响)还存在一定的误差,会对本文的研究结果造成一定的不确定性。此外,该研究的数值试验没有考虑沙尘作为冰核对云微物理特性以及DTR的影响,可能低估沙尘间接辐射效应对DTR的影响。在以后研究工作中,我们将进一步结合激光雷达等观测手段,弥补这些不足之处。

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