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针对当前使用的大部分区域气候模式对气溶胶气候效应的考虑过于简单,不能准确反映日益增长的人为排放气溶胶量对局地气候的影响这一不足之处,将目前国际上较为先进、应用较为广泛并已在线耦合了多种气溶胶物种传输模块的最新版本的区域气候模式RegCM3进行改进,加入气溶胶浓度对云滴数以及云滴半径的影响,建立能够同时考虑气溶胶对辐射传输的直接效应和通过改变云微物理特征引起的间接气候效应的区域气候-化学耦合模式RegCM3-AER。文中首先讨论气溶胶辐射强迫效应对东亚地区2001年气温、降水等要素季节变化及日变化模拟的影响,然后利用改进后的区域气候.化学耦合模式对1990~1999年东亚地区夏季气候进行模拟,探讨气溶胶的直接气候效应和间接气候效应对东亚夏季季风气候的影响,全文所得结论如下:
(1)通过对区域气候模式RegCM3对东亚区域气候的模拟能力的检验,发现该模式能够较好地模拟出东亚夏季风环流场的演变特征,但对汛期降水的模拟还存在相当的不确定性,且模拟误差有北方大于南方、西部大于东部的分布特点。利用集合方法分析不同积云对流参数化方案对降水模拟不确定性的结果表明,和其他方案相比,选择Anthes-Kuo方案能够有效地降低模式对华南、江淮流域以及东北等地区汛期降水模拟的不确定性,因此在以后的工作中,均采用Anthes-Kuo方案。
(2)通过评估区域气候-化学耦合模式中气溶胶传输模块对东亚地区二氧化硫、硫酸盐、黑碳、有机碳以及沙尘这5种大气中主要气溶胶成分的空间分布以及季节演变特征的模拟能力发现,耦合模式能够较好地模拟出各类气溶胶物种水平和垂直分布特征及季节差异。对四川和华北这两个硫化物气溶胶高含量地区的模拟结果与实际观测较为一致;模拟含碳气溶胶的富集区主要位于热带低纬度地区以及我国华南和江淮流域,且有机碳含量较黑碳气溶胶的含量更为显著;对我国沙尘天气主要沙源区以及传输路径的模拟也与实况观测较为符合。
(3)分析气溶胶的辐射强迫对2001年气温、降水等气象要素的季节变化特征模拟的影响发现,考虑气溶胶对辐射传输的影响后,对降水模拟有一定的影响,而对气温的模拟影响显著。在降水、气温差异偏大的区域,气溶胶柱含量较大。在我国新疆、华北以及我国东部部分地区,考虑气溶胶辐射效应后模拟的气温明显低于控制试验。对辐射通量的分析也发现,气溶胶试验与不考虑气溶胶的控制试验模拟的地面净短波辐射和净长波辐射差异也较大,最大差异出现在夏季7月份。由于两个试验的差异由气溶胶引起,因此对两个模式之间的差值场进行了进一步的分析,结果表明两个试验模拟的降水差与辐射差的空间相关为负,而2m气温差与辐射差的空间相关为正,在夏季这种相关关系尤其显著。
(4)分析气溶胶对气象要素的日变化特征模拟的影响发现,在模式中考虑气溶胶可以不同程度改变气温、降水以及辐射的日变化特征和强度。选择两个试验模拟的中国境内降水、气温差异较大的区域作为关键区,可分为5个区,分别为新疆、蒙古、华北、西南以及东南区域。日变化分析结果表明我国北方地区气溶胶引起的白天降温幅度要大于夜间降温幅度。对降水的分析发现,两个模式都能够较好地模拟出西南地区的夜雨和东南地区降水的日变化特征,但模拟结果之间的差异存在日变化。
(5)通过分析气溶胶的直接气候效应对上世纪90年代夏季气候的影响发现,在区域气候模式中只引入气溶胶的直接辐射强迫对模式的降水模拟影响较小,气溶胶的直接辐射强迫对华南和华北气候特征的改变主要表现在对气温的改变。受北方地区含量较高的沙尘气溶胶的影响,华北气温出现显著降低,降温幅度达到1~2℃,而华南地区虽然硫酸盐和含碳气溶胶的含量较高,但由于夏季云量较多,气溶胶对辐射输送的影响远比不上云量对到达地表的短波辐射的影响,这是气溶胶试验与控制试验模拟的地表气温差异在该地区较小的主要原因。
(6)加入考虑气溶胶对云滴半径以及云滴数大小关系的间接气候效应后对夏季平均降水的模拟影响显著。与不考虑气溶胶效应的控制试验结果以及直接气候效应试验结果相比,气溶胶的间接效应使云微物理特征发生改变,对华南、江淮流域以及东北等云量较多地区的辐射传输影响显著,使这些地区地表气温降低。气溶胶对云滴数及半径的改变也使华南降水有所增加而华北降水有所减小,加剧了我国南涝北旱的气候变化趋势。