中国大气气溶胶与季风相互作用研究进展外文翻译资料

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中国大气气溶胶与季风相互作用研究进展

摘要: 关于气溶胶与亚洲季风气候之间的相互作用的科学问题在第33届“科技前沿论坛”所提出，该项目由中国科学院地球科学系资助。该问题的主要结论都总结在本文中。东亚季风会直接影响气溶胶的输送，为持续性的雾霾天气的发生和发展提供了良好的背景环流。气溶胶输送和分布的空间特征还受季节、东亚季风的年际和年代际尺度的影响。季风区的高湿度也影响到气溶胶光学和辐射特性。观察分析表明：我国气溶胶的物理性质和降水显著影响可能抑制局部轻、中降水，增强东南沿海地区强降水。然而，这种模式背后的具体机制仍需进一步探索。东亚季风的年代际变化强烈地影响着气溶胶浓度及其空间分布。近几十年来减弱的季风环流可能有助于增加区域气溶胶浓度。中国空气污染物的大幅增加可能会减少海陆之间的温度差，有利于减弱季风环流的强度。关于气溶胶和季风未来的研究，这个论坛提出了的建设性的建议，同时关键的不确定性问题也得到了讨论了。

关键词: 气溶胶 ；季风；相互作用；雾霾

1引言

从上世纪80年代以来，气候变化一直是世界各国政府和人民都十分关注的问题。一方面，气候变化受自然因素影响，包括地球轨道参数，太阳活动，火山爆发，和内部气候振荡。另一方面，气候也受人为活动的影响，如温室气体（GHG）、气溶胶和土地利用方式。目前，许多地区遭受洪水或干旱，极端高温或低温，高频率降水，和其他自然灾害。这些危害不仅影响人们的生活，而且危及全球经济和社会的可持续发展。在众多的影响因素中，最大的不确定性来自于气溶胶。因此，气溶胶是近年来倍受关注的科学问题（IPCC，2013）。气溶胶是悬浮在空气中的液体或固体颗粒。大气气溶胶来自直接排放（原源）或气体粒子转换过程（二次来源）。气溶胶的主要来源包括燃烧，灰尘，和生物量的排放量，以及它的二次形成多相化学的成核与生长过程（张等人，2004；张，2010；张等，2012，2015）。例如，许多气溶胶种类产生于人为活动，如煤燃烧，车辆的排放量，以及住宅烹饪。原发性和二次气溶胶进行物理和化学老化，云过程的相互作用，和长期运输（张，2008）。

气溶胶在地球气候系统中扮演着重要角色，通过大气辐射，云物理，水文循环过程（IPCC，2013）。气溶胶和辐射之间的相互作用或气溶胶的直接作用来改变辐射预算，是气溶胶吸收和散射太阳辐射的机理。（李等，2004；福斯特等，2007；迈尔等，2013）。气溶胶和云的相互作用，或气溶胶的间接影响，通过改变云的微物理特性和寿命，产生辐射和降水的变化（Ramanathan 等.，2001；罗森菲尔德，2000；罗森菲尔德等，2008；李等.，2011A；陶等.，2012）。当液固含水量不变时，气溶胶数浓度的增加会增加云滴的数浓度，而使云滴的尺寸变得更小，这减少了多云的地区太阳辐射，被称为“第一气溶胶的间接效应”（Twomey，1977）。气溶胶的增加，可以抑制降雨和延长云的寿命，导致更强的云反照率的影响。这就是所谓的“第二气溶胶的间接效应”（Albrecht，1989；阿克曼等，1995）。黄等（2006）指出，白天空气温度范围由于气溶胶的间接影响，下降了0.7°C。上述的气溶胶效应很可能在大气环流的反馈作用下加剧。这对研究人员来说是一个具有挑战性的任务，需要发现观测的气溶胶的影响，模拟他们，并了解他们的机制。总体而言，如果气溶胶数量增加，云颗粒大小趋于减少，以及降雨引起的暖云被抑制（Albrecht，1989；罗森菲尔德，2000）。另一方面，气溶胶推迟降雨的发生和使云向大气中更高发展。转换的云相释放潜热和触发对流，造成进一步的云的发展和更多降雨(Andreae, 2004; Lin et al., 2006; Koren et al., 2008; Rosenfeld et al., 2008; Li et al., 2011a).最终气溶胶对云和降水微物理过程的影响取决于特定的动力和热力条件(Khain et al.,2008; Fan et al., 2009).

大量的气溶胶产生的原因是自前工业时代以来的人为活动。在过去几十年来，随着中国，印度和其他蓬勃发展的国家经济的快速增长，人为活动产生的气溶胶数量迅速增加。观测结果（张等，2012，2013）表示，气溶胶质量浓度在中国东部城市非常高，仅仅低于一些南亚城市在世界范围内。而且，一些人为的物种（例如，硫酸盐，有机碳，黑碳，硝酸盐）组成的总气溶胶的大部分。气溶胶多的地区不仅会导致严重环境问题，而且会威胁人类健康，但它也对天气和气候产生影响通过如上所述的气溶胶-辐射-云的相互作用机制。

中国是一个主要的季风气候区。温度，降水和大气环流在这个区域有明显的季节变化。他们的变化不同时间尺度对区域的影响有直接影响降水和温度的变化。因此，中国一直是全球气候变化的关键地区研究。季风环流有直接影响大气中的物质，如水蒸气和雨滴。大气气溶胶过程也受到影响流通，以及他们如何改变时间的影响受季风环流的变化。因为这个，气溶胶与东部的相互作用研究亚洲季风（EAM）已成为当前的热点话题大气环境与气候变化研究。

关于气溶胶和季风相互作用的研究在中国科学院地球科学系资助的第三十三次“前沿科技论坛”上进行了回顾和总结，并汇集了国内外研究的科学家们共同分享了他们对这一课题的见解。本文重点研究了当前环境气溶胶污染的重要性和紧迫性及其对中国气候的影响，并对其有关气溶胶和国内外EAM地区天气气候之间的相互作用的研究进展进行了回顾。本文不仅仅做了一个全面的回顾，还总结了论坛上提出的报告，包括之后的讨论。

2 中国气溶胶与季风气候的特征

与长寿命和空间均匀的温室气体相比，对流层气溶胶在大气中寿命短，还有较强的时空特征。中国是世界上人口数量最多的国家，此外也是目前北半球人为活动产生气溶胶数量最大的国家。在过去的三十年里，中国的经济发展迅速增长，这对区域环境和自然资源都有很大的压力。中国能源消费主要依赖于煤炭。在中国北方的冬季供暖产生大量的硫酸盐，硝酸盐，和碳排放（张强等人，2009）。中国东部的农业产业广泛，导致许多气溶胶的排放量前体物主要是铵。在中亚地区，包括中国西北部的干旱地区，矿物粉尘向东向下游输送，总气溶胶中大部分都是沙尘气溶胶。（黄等，2008a，2014）上述提到的工业、农业和自然活动对中国大气气溶胶的分布和气候效应有着深刻的影响。

为了调查中国的气候影响，许多大的野外活动已经进行了。自2001年起，中国气溶胶网络和国际气溶胶特性实验—亚洲气溶胶观测实验已经在持续地进行（张等，2002，2003）。对流层气溶胶的东亚研究：在2005和2008进行的国际区域试验（EAST-AIRE）是（李宗谦et al.，2007a，2007b，2011A）和其他现有的观测协调项目。一些既定的气溶胶观测网络包括中国太阳分光观测网由中国科学院和大学马里兰州（新等，2006，2007）共同成立的中国气象管理观测大气网络（cawnet）（张X Y等人2008a，2008b，，2013），中国气溶胶遥感网络（车等，2009）和操作网站的气溶胶观测。连续观测的气溶胶，云，和辐射已在一些的大型网站，如北京，香河，太湖，和榆中（李宗谦et al.，2007a；黄等人，2008b；范X H et al.，2013）。此外，有几个已完成或正在进行的国家基本研究计划的中国运动，例如，“大气气溶胶及其气候效应”，“气溶胶云辐射反馈和亚洲季风的相互作用的研究“，”云和气溶胶的观测和模拟及其气候效应“，”大气污染物的物理和化学特征及其与气候系统的相互作用“，“年代际尺度的全球和中国的大气成分和气候变化及其相互作用“，”中国东部沿海城市带的气候效应及其对策“。许多国家和部门的项目尽全力在观察气溶胶和研究其区域的影响，例如，2013年， “气溶胶”的项目的数量已经增加至40个。这说明气溶胶的研究已成为中国气候研究的新方向。通过这些综合性实验，中国科学家获得了大量的气溶胶数据集，为研究气溶胶气候提供了良好的基础。基于观测，揭示了中国大气气溶胶的组成和时空特征。观测结果表明，东部大城市的一些气溶胶质量浓度只比南亚低。图1显示了矿物，硫酸盐，有机碳，硝酸盐，铵，和黑碳气溶胶分别占35%，16%，15%，7%，5%，和3%，其总颗粒直径大部分都小于10毫米（PM10），导致散射冷气候效应（张，2012）。有机气溶胶在中国比在欧洲和北美有更高的比例。在中国城市和农村地区，二次气溶胶的比例分别约为55%和60%。其他气溶胶除了矿物气溶胶之外，成分也类似于中国北方和长江、珠江三角洲（珠三角）的城市，（张，2008，张，等，2012）。严重的空气污染在中国还体现在卫星反演气溶胶光学厚度（AOD）。最近的卫星数据显示，高值区主要分布在华北平原、四川盆地、中部、长江和珠江三角洲地区。在冬季，AOD在华北和长江中下游是远远大于其他地区（罗等人，2014）。此外，在中国东部的AOD比在欧洲和北美地区大得多（Shindell等人，2013）。结果进一步表明，AOD的高度可以达到2–3km，细模态粒子占主导地位（Li et al.，2009；夏et al.，2013）。高浓度的气溶胶也落后于中国东部城市经常发生的雾霾的事件（马等，2012，Sun等，2014）。因此，应更多的关注，气溶胶的问题。气溶胶具有明显的区域特征的时空特征。它们的化学和微观物理特性也强烈地影响当地的排放量和环境因素。对于人口稠密和重工业的北京和天津的特大城市地区，70%的气溶胶在内部混合了二或三种其他气溶胶类型（李和邵，2009）。气溶胶的溶解点移后早期混合，但其吸湿能力减弱（施等，2012）。

EAM系统不仅仅是一个在东亚区域不同季节演变的循环系统，而是一个涉及海洋、陆面过程、雪和冰，以及青藏高原的气候系统（Huang et al.，2007；Wu et al.，2012）。许多自然因素和人为因素都会对其产生影响。季风区是世界上应对气候变化最脆弱的地区之一。在东亚社会发展中，频繁的气候灾害（如干旱、洪水、严重的寒冷、严重的热浪，极端情况等），已经对人类的生命和财产造成了严重的破坏。例如，在中国，每年由于这些灾害，粮食损失可以达到约200times;108公斤，经济损失达2000亿元，（黄，2004）。

图1中国气溶胶的化学种类德尔年平均质量浓度（图中的中位数）和它们的PM10比例（圆圈）。参考张，等，2012。

3 气溶胶对中国气候和气候的影响

许多研究已经解决了气溶胶对东亚季风气候的影响，特别是在南亚（例如，刘和基姆，2006；bollasina et al.，2011）。然而，由于影响季风气候因素的复杂性，在长期模拟气候变化对中国的气候模式仍有许多困难的。目前的研究主要集中在对测量影响的定量分析和基于气候模型的数值模拟（Menon et al.，2002；Li L J et al.，2007；牛et al.，2010；Li H M et al.，2010；宋等人，2014），但尚未得出明确的结论。以量化的气溶胶对中国的天气和气候的影响是一个巨大的挑战。这项研究简要回顾了国内外有关的研究，从天气和气候的两个方面，指出了一些被广泛接受的结果。

3.1气溶胶对区域气象系统的影响

以前的研究已经表明，云和降水与气溶胶浓度，特别是全年中被气溶胶污染的地区气溶胶浓度有关。基于在南部大平原地区收集长期观察（SGP）网站中的气溶胶和云数据，Li et al（2011A）分析了在不同气象条件下气溶胶对云和降水的影响。在湿（干）地区和季节，气溶胶的排放量可以增强（抑制）云的发展，从而增加（减少）降水的频率和强度，从而诱导更多的洪水（干旱）（图2）和3）。这个结论是通过分析全球卫星数据进一步证实（牛和Li，2012），这表明该结论并不局限于新加坡的网站，还可以应用到世界其他地区，尤其是热带地区。对于深混合相云，云顶温度有显著的负相关，与气溶胶的增加有关，但对于均匀的液体云，没有发现显着的相关性，（牛和李，2012）。丁等人（2013）分析了基于长江三角洲地区的观测证据和区域模型，在和六月的2012。他们发现污染气溶胶的存在会导致太阳能辐射减少，感热，和表面温度，导致当地短期降雨过程的变化。此外，直接和间接影响的气溶胶之间的竞争已被证明影响云和降水（范等，2008）。

最近的研究基于观测表明，气溶胶含量的增加对云物理特征的改变与雷暴活动起着的重要的作用。中国已使用从陆地观测站的长期观测的数据集中调查发现山西省大气气溶胶对降水和雷暴有影响。从这个数据，杨等人。（2013A）发现，气溶胶微物理效应可以减少地形降水。当空气中有更多的污染时，在平原上气溶胶对小雨的抑制作用更强，在关中平原地区雷暴的频率降低（Yang et al.，2013A，2013B）。然而，在中国的东南部，有更多的地形降水是由于空气污染的增加所致（Yang和Li，2014）。这些相反的原因，是因为增加空气污染水平可能在问题中区域的气溶胶类型占主导地位。例如，中国西北地区的矿物和黑色碳气溶胶的浓度比中国西北高。因此，辐射和热效应在中国西北地区占主导地位，而深层对流的增强云，由于云反照率效应占主导地位在中国东南。

图2云厚度的变化与云凝结核浓度（CCN）在（a）和（b）夏季四季。（参考李等人，2011A）。

图3（a）降雨频率的变化与（b）云凝结核浓度雨率分布（CCN）。参考李等人，2011A。

在一些污染严重的地区，可以发现气溶胶对局部云物理过程、降水和雷电的影响。从2000到2006的一个七年的降水分析、闪电、和能见度的数据已经使用到中国珠三角地区（Wang et al.，2011）。累计降雨（gt;每天25毫米）和雷击频率与能见度呈负相关，与AOD和闪电的空间分布是一致的（Wang et al.，2011）。天气研

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