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1 中国科学: 地球科学 评 述 2015 年 第 45 卷 第 11 期: 1609 ~ 1627 中国科学 杂志社 SCIENCE CHINA PRESS earth.scichina.com 中国科学院学部 科学与技术前沿论坛 季风和气溶胶相互作用 气溶胶与东亚季风相互影响的研究进展 吴国雄 *, 李占清, 符淙斌, 张小曳, ZHANG RenYi, ④ ①⑥ ②⑥ ① ① ① 张人禾, 周天军, 李建平, 李剑东, 周德刚, 武亮, ① ① ① 周连童, 何编, 黄荣辉 ① ②⑥ ③ ④ ⑤ ① 中国科学院大气物理研究所, 北京 ; ② 北京师范大学全球变化研究院, 北京 ; ③ 南京大学大气科学学院, 南京 ; ④ 中国气象科学研究院, 北京 ; ⑤ Department of Atmospheric Sciences, Texas A & M University, Texas 77843, USA; ⑥ 全球变化研究协同创新中心, 北京 * 联系人, gxwu@lasg.iap.ac.cn; 联系人, lijd@mail.iap.ac.cn 联系人, zhoudg@mail.iap.ac.cn 联系人, hrh@mail.iap.ac.cn 收稿日期: ; 接受日期: ; 网络版发表日期: 中国科学院第 33 次科学与技术前沿论坛(编号: L )和国家重点基础研究发展计划项目(编号: 2013CB430201)资助 摘要 中国科学院地学部在第 33 次科学与技术前沿论坛对气溶胶与季风相互作用进 行了深入讨论和评估. 本文综述了在此次论坛上所报告的国际和中国气溶胶与东亚季 风相互作用有关的研究进展. 研究表明: (1) 东亚季风能影响气溶胶的输送, 特别是可 以为由气溶胶引起的持续性强 雾-霾天气过程的生成和发展提供适宜的大气环流背景 关键词 气溶胶 季风 相互作用 雾-霾 场, 东亚季风还在季节 年际 年代际等多时间尺度上影响气溶胶的输送和空间分布特 征, 季风区域的高水汽特征还可能影响气溶胶的光学及辐射效应; (2) 已有证据表明气 溶胶对于中国部分区域云的物理特征和降水有明显影响, 在东南沿海地区, 增加气溶 胶的含量可能会抑制轻型和中度降水, 对强降水可能有强化作用, 但是此问题极为复 杂, 值得深入研究; (3) 东亚夏季风活动的年际变化对中国区域气溶胶浓度和空间分布 有明显影响, 而且近几十年季风的减弱很可能利于区域气溶胶浓度增加. 同时期, 中国 大气污染排放量的显著增加很可能减小了海陆温差和纬向差异, 也不利于季风的增强. 此外, 文章对未来加强季风与气溶胶相互作用的研究给出了部分参考建议, 还指出气 溶胶对于东亚季风环流影响研究的不确定性. 中文引用格式: 英文引用格式: 吴国雄, 李占清, 符淙斌, 张小曳, Zhang R Y, 张人禾, 周天军, 李建平, 李剑东, 周德刚, 武亮, 周连童, 何编, 黄荣辉 气溶胶与东 亚季风相互影响的研究进展. 中国科学: 地球科学, 45: Wu G X, Li Z Q, Fu C B, Zhang X Y, Zhang R Y, Zhang R H, Zhou T J, Li J P, Li J D, Zhou D G, Wu L, Zhou L T, He B, Huang R H Advances in studying interactions between aerosols and monsoon in China. Science China: Earth Sciences, doi: /s z

2 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 从 20 世 纪 80 年 代 以 来, 全 球 气 候 变 化 不 仅 已 成 为 世 界 各 国 政 府 和 民 众 关 心 的 重 大 科 学 和 社 会 问 题, 而 且 是 政 府 间 气 候 变 化 外 交 谈 判 中 的 热 点 议 题. 气 候 变 化 一 方 面 受 地 球 轨 道 参 数 太 阳 活 动 火 山 爆 发 气 候 系 统 内 部 振 荡 等 自 然 因 子 的 影 响, 另 一 方 面 也 日 益 受 到 温 室 气 体 气 溶 胶 和 土 地 利 用 变 化 等 人 类 活 动 的 影 响. 全 球 很 多 地 区 已 经 遭 受 气 候 变 化 引 发 的 旱 涝 严 寒 酷 暑 极 端 降 水 频 发 等 自 然 灾 害, 这 不 仅 直 接 影 响 大 众 的 生 活, 也 影 响 到 各 国 经 济 社 会 的 可 持 续 发 展. 在 气 候 变 化 的 影 响 因 子 中, 气 溶 胶 在 其 中 作 用 的 不 确 定 性 最 大, 正 受 到 越 来 越 多 的 关 注 (IPCC, 2013). 气 溶 胶 是 悬 浮 于 大 气 中 的 固 体 和 液 体 颗 粒 物 的 总 称. 大 气 气 溶 胶 来 自 直 接 排 放 ( 一 次 源 ) 或 者 通 过 大 气 中 的 气 - 粒 转 化 过 程 形 成 ( 二 次 源 ). 气 溶 胶 的 一 次 来 源 包 括 燃 烧 排 放 扬 尘 以 及 植 被 排 放, 而 其 二 次 形 成 则 包 括 涉 及 多 相 化 学 过 程 的 成 核 与 增 长 (Zhang 等, 2004; Zhang R Y, 2010; Zhang R Y 等, 2012). 一 次 和 二 次 气 溶 胶 在 大 气 中 还 会 经 历 物 理 与 化 学 老 化, 参 与 云 过 程, 以 及 进 行 长 距 离 传 输 等 (Zhang R Y 等, 2008). 比 如, 大 气 中 颗 粒 物 很 多 成 分 源 自 化 石 燃 料 燃 烧 汽 车 尾 气 排 放 和 居 民 日 常 生 活 等 人 类 活 动. 研 究 已 表 明 气 溶 胶 会 通 过 大 气 辐 射 云 物 理 和 降 水 过 程 影 响 地 球 气 候, 是 非 常 重 要 的 气 候 强 迫 因 子 (IPCC, 2013). 气 溶 胶 通 过 反 射 和 吸 收 太 阳 辐 射 改 变 气 候 称 之 为 气 溶 胶 - 辐 射 相 互 作 用 或 直 接 气 候 效 应 (Forster 等, 2007; Myhre 等, 2013), 气 溶 胶 通 过 改 变 云 的 微 物 理 特 征 和 生 命 周 期 从 而 改 变 辐 射 和 降 水 通 称 为 气 溶 胶 - 云 相 互 作 用 或 间 接 气 候 效 应 (Ramanathan 等, 2001; Rosenfeld, 2000; Rosenfeld 等, 2008; Li 等, 2011a; Tao 等, 2012). 在 云 水 含 量 一 定 的 情 况 下, 增 加 气 溶 胶 粒 子 使 云 滴 数 量 增 多 但 云 滴 平 均 体 积 减 小 了, 这 会 显 著 地 减 少 有 云 地 区 到 达 地 面 的 辐 射, 称 为 第 一 间 接 效 应 (Twomey, 1977), 并 且 还 能 够 抑 制 降 水 的 形 成 从 而 延 长 云 的 生 命 期, 导 致 更 多 的 短 波 辐 射 被 云 反 射 掉, 称 为 第 二 间 接 效 应 (Albrecht, 1989; Ackerman 等, 1995). 例 如, Huang 等 (2006) 指 出 由 于 气 溶 胶 的 间 接 作 用, 东 亚 地 区 的 气 温 日 较 差 减 少 了 0.7. 这 些 效 应 都 可 能 通 过 大 气 环 流 的 反 馈 作 用 而 放 大 其 影 响 程 度. 要 从 观 测 资 料 中 发 现 影 响 线 索 并 通 过 数 值 模 式 的 验 证 和 理 清 具 体 的 机 理 一 直 是 本 领 域 最 棘 手 也 是 最 热 门 的 科 学 问 题. 总 体 上, 由 于 气 溶 胶 的 增 加 使 云 滴 粒 子 体 积 减 小 而 数 目 增 多, 从 而 抑 制 暖 云 降 水 的 发 展 (Albrecht, 1989; Rosenfeld, 2000); 另 一 方 面, 气 溶 胶 推 迟 降 水 的 发 生 会 使 得 云 向 更 高 的 高 度 发 展, 与 此 伴 随 的 云 粒 子 相 态 变 化 会 释 放 潜 热, 进 一 步 激 发 对 流 和 云 的 垂 直 发 展, 产 生 更 多 的 降 水 (Andreae 等, 2004; Lin 等, 2006; Koren 等, 2008; Rosenfeld 等, 2008; Li 等, 2011a). 气 溶 胶 对 云 和 降 水 的 最 终 作 用 随 具 体 的 微 物 理 动 力 和 热 力 等 几 方 面 情 况 而 变 化 (Khain 等, 2008; Fan 等, 2009). 自 工 业 革 命 以 来, 人 类 活 动 已 经 产 生 了 大 量 气 溶 胶, 并 在 很 大 程 度 上 改 变 了 其 成 分 和 空 间 分 布. 过 去 数 十 年 来, 中 国 和 印 度 等 发 展 中 国 家 随 着 经 济 和 人 口 的 快 速 发 展, 人 为 气 溶 胶 含 量 迅 速 增 加. 近 期 观 测 显 示 (Zhang X Y 等, 2012; 张 小 曳 等, 2013), 中 国 东 部 区 域 气 溶 胶 的 浓 度 在 全 球 仅 次 于 南 亚 城 市, 而 且 一 些 主 要 人 为 源 为 主 的 气 溶 胶 ( 例 如, 硫 酸 盐 有 机 碳 硝 酸 盐 和 黑 碳 等 ) 占 有 很 大 比 重. 高 浓 度 的 区 域 气 溶 胶 不 仅 造 成 了 严 重 的 环 境 问 题, 直 接 威 胁 公 众 的 健 康, 而 且 通 过 如 前 所 述 的 与 辐 射 和 云 的 相 互 作 用 对 大 气 环 境 天 气 与 气 候 产 生 不 同 程 度 的 影 响. 同 时, 中 国 所 在 的 东 亚 是 一 个 主 要 季 风 气 候 区, 温 度 降 水 和 大 气 环 流 等 气 候 特 征 具 有 明 显 的 季 节 变 化 特 征, 其 不 同 时 间 尺 度 的 变 化 直 接 关 系 到 区 域 的 降 水 和 温 度 变 化, 是 长 期 以 来 全 球 气 候 变 化 研 究 的 关 键 区 域. 事 实 上, 水 汽 和 云 滴 等 大 气 物 质 的 输 送 亦 会 受 季 风 环 流 的 直 接 影 响. 由 此, 气 溶 胶 的 生 成 排 放 和 输 送 等 过 程 也 会 受 大 气 环 流 因 子 的 影 响, 其 时 间 变 化 特 征 显 著 地 受 季 风 环 流 变 化 的 影 响. 正 因 为 如 此, 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 作 用 研 究 已 成 为 当 前 大 气 环 境 和 气 候 变 化 研 究 的 热 点 问 题, 引 起 学 术 界 广 泛 关 注. 为 此, 中 国 科 学 院 地 学 部 在 第 33 次 科 学 与 技 术 前 沿 论 坛 对 气 溶 胶 与 季 风 相 互 作 用 研 究 进 行 了 回 顾 和 总 结. 气 溶 胶 与 季 风 两 者 相 互 作 用 的 气 候 效 应 有 较 长 期 的 研 究 历 史, 已 有 的 许 多 研 究 对 有 些 问 题 比 文 中 内 容 要 深 入 和 广 泛. 本 文 着 眼 于 当 前 中 国 气 溶 胶 环 境 污 染 及 气 候 影 响 问 题 的 重 要 性 和 紧 迫 性, 主 要 侧 重 于 回 顾 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 区 天 气 和 气 候 相 互 作 用 方 面 的 研 究. 需 要 指 出 的 是, 此 文 并 不 是 一 个 关 于 这 方 面 研 究 的 全 面 综 述, 而 主 要 围 绕 研 讨 会 的 报 告 和 讨 论 总 结, 希 望 能 为 国 家 有 关 部 门 制 定 环 境 和 气 候 长 期 科 学 研 究 规 划 提 供 有 益 参 考. 1610

3 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 1 中 国 区 域 的 气 溶 胶 和 季 风 气 候 特 征 与 温 室 气 体 长 效 和 空 间 分 布 相 对 均 匀 的 特 征 有 所 不 同, 对 流 层 气 溶 胶 在 大 气 中 的 存 留 时 间 短, 具 有 很 强 的 区 域 分 布 和 时 间 变 化 特 征. 中 国 是 世 界 上 人 口 最 多 国 家, 人 类 活 动 导 致 的 气 溶 胶 分 布 面 积 在 北 半 球 也 是 最 大 的, 过 去 30 多 年 经 济 发 展 速 度 虽 然 居 于 世 界 前 列, 但 也 给 区 域 环 境 和 自 然 资 源 带 来 巨 大 压 力. 中 国 很 多 地 区 的 能 源 消 耗 目 前 仍 以 燃 煤 为 主, 加 之 北 方 冬 季 供 暖 影 响, 由 此 会 产 生 大 量 的 硫 酸 盐 硝 酸 盐 有 机 碳 和 黑 碳 气 溶 胶 排 放 (Zhang Q 等, 2009). 在 中 国 东 部 大 范 围 的 农 业 生 产 活 动 也 会 带 来 以 氨 气 为 主 的 气 溶 胶 前 体 物 排 放. 另 外, 中 亚 干 旱 区 ( 包 括 中 国 西 北 干 旱 区 ) 的 很 多 沙 漠 源 区 通 过 矿 物 质 的 向 下 游 地 区 输 送, 引 起 中 国 东 部 的 矿 物 气 溶 胶 ( 如 沙 尘 ) 在 气 溶 胶 中 占 有 很 大 比 重 (Huang 等, 2008a, 2014). 上 述 工 农 业 生 产 的 和 自 然 产 生 的 气 溶 胶 共 同 制 约 中 国 气 溶 胶, 影 响 包 括 中 国 区 域 在 内 的 东 亚 区 域 环 境 和 气 候. 为 研 究 中 国 气 溶 胶 及 其 气 候 效 应, 中 国 已 进 行 了 多 次 大 型 科 学 试 验 与 研 究 计 划 年 中 国 气 溶 胶 网 络 化 观 测 就 与 国 际 ACE-Asia 计 划 连 接 开 展 了 气 溶 胶 及 其 气 候 影 响 的 观 测 试 验 (Zhang 等, 2002a, 2003) 和 2008 年 先 后 开 展 了 两 次 东 亚 地 区 气 溶 胶 观 测 及 区 域 气 候 影 响 国 际 合 作 试 验 (EAST-AIRE)(Li Z Q 等, 2007a, 2007b, 2011a), 并 和 目 前 已 建 立 的 网 站 观 测 计 划 协 调 一 致. 已 陆 续 建 立 的 观 测 网 站 包 括 : 中 国 科 学 院 的 中 国 地 区 太 阳 分 光 观 测 网 (CSHNET)( 辛 金 元 等, 2006; Xin 等, 2007), 中 国 气 象 局 大 气 成 分 观 测 网 (CAWNET)(Zhang X Y 等, 2008a, 2008b; 张 小 曳 等, 2013), 以 及 气 溶 胶 地 基 遥 感 观 测 网 (CARSNET)(Che 等, 2009) 和 用 于 气 溶 胶 综 合 观 测 的 全 国 站 网 ; 同 时 还 在 一 些 有 代 表 性 的 区 域 站 点 ( 如 北 京 香 河 太 湖 榆 中 等 ) 建 立 了 运 行 至 今 的 气 溶 胶 云 和 辐 射 大 气 综 合 观 测 站 (Li Z Q 等, 2007a; Huang 等, 2008b; 范 学 花 等, 2013). 另 一 方 面, 已 经 有 数 个 完 成 或 在 研 的 与 气 溶 胶 密 切 相 关 的 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目, 如 : 中 国 大 气 气 溶 胶 及 其 气 候 效 应 气 溶 胶 - 云 - 辐 射 反 馈 过 程 及 其 与 亚 洲 季 风 相 互 作 用 的 研 究 云 气 溶 胶 气 候 效 应 的 观 测 与 模 拟 研 究 大 气 污 染 物 的 理 化 特 征 及 其 与 气 候 系 统 相 互 作 用 年 代 际 尺 度 上 全 球 和 中 国 大 气 成 分 与 气 候 的 变 化 及 其 相 互 作 用 和 中 国 东 部 沿 海 城 市 带 的 气 候 效 应 及 其 对 策 研 究 等. 很 多 开 展 的 国 家 科 研 计 划 和 地 区 科 研 计 划 都 有 关 于 气 溶 胶 观 测 及 区 域 气 候 影 响 的 专 题 部 分, 例 如, 2013 年 批 复 的 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 中 以 气 溶 胶 为 题 目 关 键 字 的 多 达 40 项. 这 充 分 表 明 当 前 气 溶 胶 研 究 已 成 为 中 国 气 候 相 关 领 域 的 热 点 方 向. 通 过 这 些 综 合 试 验 和 站 点 观 测, 中 国 科 学 家 已 经 获 取 了 大 量 与 气 溶 胶 有 关 的 综 合 观 测 数 据, 为 研 究 气 溶 胶 的 气 候 效 应 奠 定 了 良 好 的 观 测 基 础. 基 于 这 些 实 测 基 础, 中 国 气 溶 胶 化 学 成 分 及 其 时 空 分 布 特 征 被 陆 续 揭 示 出 来. 中 国 东 部 一 些 大 城 市 的 部 分 气 溶 胶 质 量 浓 度 在 全 球 仅 次 于 南 亚 城 市, 在 中 国 PM 10 质 量 ( 空 气 动 力 学 等 效 直 径 不 超 过 10 m 的 粒 子 总 质 量 ) 浓 度 中 矿 物 气 溶 胶 (~35%), 硫 酸 盐 (~16%) 和 有 机 碳 (~15%) 的 浓 度 均 很 高 ( 图 1), 具 有 相 应 的 散 射 - 冷 却 效 应, 有 同 等 效 应 的 硝 酸 盐 和 铵 类 气 溶 胶 也 分 别 占 到 约 7% 和 5%, 且 具 有 相 对 较 高 的 浓 度 水 平, 黑 碳 占 约 3.5%(Zhang X Y 等, 2012). 值 得 注 意 的 是 中 国 有 机 碳 气 溶 胶 在 碳 气 溶 胶 中 占 比 明 显 高 于 欧 美 区 域, 其 中 二 次 有 机 碳 在 中 国 城 市 和 城 郊 分 别 约 占 55% 和 60%(Zhang X Y 等, 2008a, 2012). 除 矿 物 质 气 溶 胶 而 外, 中 国 华 北 长 三 角 和 珠 三 角 区 域 大 城 市 各 类 气 溶 胶 化 学 成 分 ( 硫 酸 盐 硝 酸 盐 和 碳 类 等 ) 的 质 量 浓 度 水 平 有 相 近 的 特 点 (Zhang Y H 等, 2008; Zhang X Y 等, 2012). 中 国 区 域 高 浓 度 的 气 溶 胶 分 布 已 经 在 卫 星 反 演 的 光 学 厚 度 上 面 有 明 显 体 现. 近 期 卫 星 观 测 分 析 (Luo 等, 2014) 表 明, 中 国 受 人 类 活 动 影 响 的 气 溶 胶 光 学 厚 度 大 值 区 主 要 分 布 于 华 北 平 原 四 川 盆 地 华 中 长 三 角 和 珠 三 角 地 区, 而 且 春 夏 季 华 北 和 长 江 中 下 游 区 域 的 气 溶 胶 光 学 厚 度 强 于 其 他 地 区 ; 此 外, 中 国 东 部 区 域 的 气 溶 胶 光 学 厚 度 明 显 强 于 欧 美 区 域 (Shindell 等, 2013), 这 与 前 文 所 述 的 质 量 浓 度 分 布 特 点 相 一 致. 卫 星 气 溶 胶 反 演 (Li 等, 2009) 资 料 分 析 (Xia 等, 2013) 还 表 明 : 在 华 北 平 原, 卫 星 反 演 的 气 溶 胶 层 厚 度 可 以 达 到 2~3 km, 其 中 受 城 市 和 工 业 活 动 影 响 的 细 粒 子 气 溶 胶 占 有 相 当 高 的 比 率. 同 时, 高 浓 度 的 人 为 源 气 溶 胶 也 是 造 成 近 年 来 中 国 东 部 城 市 雾 - 霾 天 气 的 重 要 原 因 (Ma 等, 2012; Sun 等, 2014), 需 要 特 别 关 注. 气 溶 胶 不 仅 在 成 分 和 空 间 分 布 方 面 有 明 显 区 域 特 征, 而 且 其 化 学 与 微 物 理 特 性 由 于 受 排 放 源 和 大 1611

4 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 少 研 究 探 讨 气 溶 胶 对 于 亚 洲 季 风 气 候 的 影 响, 特 别 是 对 于 南 亚 区 域 的 影 响 (Lau 和 Kim, 2006; Bollasina 等, 2011). 但 由 于 东 亚 季 风 气 候 的 影 响 因 子 极 为 复 杂, 当 前 气 候 模 式 对 于 东 亚 区 域 长 期 气 候 变 化 的 模 拟 仍 存 在 很 多 困 难. 因 此, 气 溶 胶 对 于 东 亚 气 候 影 响 的 研 究 更 多 集 中 于 观 测 定 量 分 析 和 基 于 气 候 模 式 的 数 值 模 拟 研 究 (Menon 等, 2002; Li L J 等, 2007; Niu 等, 2010; Li H M 等, 2010; Song 等, 2014), 尚 无 非 常 明 确 的 结 论. 鉴 于 目 前 量 化 气 溶 胶 对 于 东 亚 天 气 和 气 候 的 影 响 仍 具 有 很 大 挑 战 性, 这 里 从 天 气 和 气 候 两 个 方 面 简 要 回 顾 有 关 研 究, 特 别 是 部 分 获 得 较 广 泛 认 同 的 结 果. 2.1 气 溶 胶 对 局 地 天 气 系 统 的 影 响 图 1 中 国 大 气 气 溶 胶 各 种 化 学 成 分 浓 度 修 改 自 Zhang X Y 等 (2012) 气 环 境 的 影 响 也 具 有 很 强 的 局 地 性. 以 拥 有 京 津 特 大 城 市 和 密 集 区 工 业 的 华 北 为 例, 该 区 域 70% 的 气 溶 胶 与 两 种 或 三 种 其 他 来 源 气 溶 胶 存 在 内 混 合 现 象 (Li 和 Shao, 2009), 经 混 合 后 气 溶 胶 潮 解 点 提 前, 但 其 吸 湿 增 长 能 力 变 小 (Shi 等, 2012). 东 亚 季 风 系 统 不 仅 仅 是 一 个 东 亚 上 空 随 季 节 有 明 显 变 化 的 环 流 系 统, 也 是 一 个 受 海 洋 陆 面 冰 雪 和 高 原 影 响 的 区 域 气 候 系 统 (Huang 等, 2007; Wu 等, 2012), 很 多 自 然 和 人 为 因 子 都 会 对 其 产 生 影 响. 东 亚 季 风 区 是 世 界 上 气 候 最 为 脆 弱 的 区 域 之 一, 旱 涝 严 寒 酷 暑 极 端 降 水 等 自 然 灾 害 频 发, 不 仅 给 东 亚 地 区 的 人 民 生 命 财 产 及 社 会 发 展 带 来 了 严 重 影 响, 如 每 年 造 成 中 国 约 kg 的 粮 食 损 失 和 2000 亿 元 以 上 的 经 济 损 失 ( 黄 荣 辉, 2004), 还 带 来 了 一 系 列 的 社 会 环 境 问 题. 这 是 与 气 候 变 化 的 影 响 分 不 开 的, 其 中, 东 亚 地 区 的 气 溶 胶 变 化 是 影 响 气 候 变 化 的 重 要 因 子 之 一, 为 此, 气 溶 胶 的 变 化 及 其 对 东 亚 季 风 气 候 的 影 响 正 受 到 越 来 越 多 的 关 注. 2 气 溶 胶 对 东 亚 区 域 天 气 和 气 候 的 影 响 气 溶 胶 的 分 布 具 有 很 强 的 区 域 性, 目 前 已 有 不 已 有 一 些 观 测 研 究 表 明 : 在 常 年 受 气 溶 胶 污 染 的 区 域, 云 和 降 水 与 大 气 气 溶 胶 浓 度 有 密 切 的 相 关 关 系. Li 等 (2011a) 利 用 美 国 南 部 大 平 原 (South Great Plains, SGP) 长 期 的 气 溶 胶 和 云 观 测 数 据 研 究 了 各 种 天 气 条 件 下 气 溶 胶 对 云 和 降 水 的 影 响, 结 果 表 明 : 在 湿 润 地 区 或 季 节, 气 溶 胶 浓 度 增 加 会 使 得 云 发 展 更 为 深 厚, 降 水 频 率 和 强 度 都 有 显 著 增 加, 增 大 洪 涝 发 生 的 概 率 ; 相 反, 在 干 燥 的 季 节 或 地 区, 气 溶 胶 则 会 抑 制 云 发 展, 减 小 降 水, 增 加 旱 灾 发 生 的 概 率 ( 图 2 和 3). 利 用 全 球 卫 星 资 料, Niu 和 Li(2012) 进 一 步 发 现 上 述 现 象 不 局 限 于 SGP 地 区, 还 适 用 于 全 球 其 他 区 域, 尤 其 是 热 带 地 区, 发 展 深 厚 的 混 合 云, 其 云 顶 温 度 和 气 溶 胶 含 量 有 显 著 的 负 相 关 关 系 ; 而 水 云 云 顶 温 度 和 气 溶 胶 浓 度 没 有 显 著 关 系. Ding 等 (2013) 通 过 长 江 三 角 洲 地 区 2012 年 5~6 月 份 的 地 基 观 测 和 区 域 模 式 研 究 指 出 : 污 染 气 溶 胶 会 明 显 减 少 地 表 入 射 太 阳 辐 射 地 表 感 热 和 温 度, 进 而 影 响 局 地 短 期 降 水 过 程, 对 区 域 天 气 系 统 有 重 要 影 响. 另 外, 气 溶 胶 的 直 接 与 间 接 效 应 对 云 以 及 降 水 过 程 还 会 产 生 相 反 的 影 响 (Fan 等, 2008). 此 外, 近 期 的 一 些 观 测 研 究 表 明, 增 多 的 气 溶 胶 对 中 国 部 分 区 域 云 物 理 特 性 和 雷 暴 天 气 也 有 所 影 响. Yang 等 (2013a) 利 用 地 面 气 象 站 的 长 期 观 测 资 料, 分 析 了 中 国 西 北 陕 西 地 区 气 溶 胶 对 降 水 和 雷 暴 的 影 响, 结 果 表 明 气 溶 胶 的 微 物 理 效 应 会 显 著 减 少 地 形 云 降 水, 而 且 气 溶 胶 对 平 原 地 区 弱 降 水 的 抑 制 作 用 还 随 着 气 溶 胶 浓 度 的 升 高 而 增 大, 雷 暴 出 现 的 频 率 在 关 中 平 原 地 区 随 着 污 染 浓 度 的 增 加 而 变 少. 但 是, 气 溶 1612

5 中国科学: 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 图 2 气溶胶对四季平均(a)和夏季(b)云厚的影响 修改自 Li 等(2011a) 图3 气溶胶对不同含水量的云的降水频率(a)以及降水量(b)的不同影响 修改自 Li 等(2011a) 胶在东南地区呈现相反的影响: 即随着污染浓度的 增加而地形云降水变多(Yang和Li, 2014). 这些截然 不同的变化趋势可能与气溶胶类型有关, 在西北, 矿 物和黑碳气溶胶浓度要明显高于东南地区, 因此, 在 西北气溶胶的辐射 热力效应占主导, 但在东南地区 相反, 气溶胶由云反照率效应引发的增强深对流云 效应占主导. Yang等(2013b)还发现地面温度的降低 造成低层大气稳定性的增加, 由此引起了气温及对 流活动频率的变化, 表现为较清净的高山站和污染 程度较高的平原站在风速和雷暴等强对流活动方面 的长期变化趋势的差异(图4). 需要指出, 西安-华山 一带也属于夏季风影响的边缘地带. 在部分气溶胶重污染地区, 局地云物理过程 降 水及闪电活动也可能受其影响. 基于中国珠江三角 洲地区2000~2006年7年的降水 闪电和能见度资料分 析(Wang等, 2011), 结果表明, 强降雨(日均降水大于 25 mm)的累计量以及闪电发生频率与同期能见度成 反相关联, 珠江三角洲地区气溶胶光学厚度与闪电 发生的分布也具有显著的一致性. Wang等(2013a)利 用天气模式WRF模拟了珠江三角洲地区2009年3月 的一次中尺度强对流系统, 模拟结果表明, 降水和闪 电潜势指数在有气溶胶污染情形下分别增强了16% 和50%, 气溶胶含量增加会抑制轻型和中度降水, 但 是对强降水有强化作用(图5), 有气溶胶污染条件 1613

6 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 图 4 夏 季 华 县 和 华 山 的 温 差 变 化 趋 势 (a) 西 安 和 华 山 的 风 速 变 化 趋 势 (b) 华 山 风 速 与 能 见 度 的 相 关 关 系 (c) 及 西 安 雷 暴 日 变 化 在 不 同 阶 段 的 变 化 趋 势 (d) (a) 红 色 代 表 日 最 高 气 温, 蓝 色 代 表 日 最 低 气 温, 黑 色 代 表 气 温 日 较 差 ; 修 改 自 Yang 等 (2013b) 更 有 利 于 强 化 对 流 天 气 发 生 (Wang 等, 2013b). 2.2 气 溶 胶 对 区 域 气 候 特 征 的 影 响 从 20 世 纪 60 年 代 至 20 世 纪 末, 中 国 区 域 地 面 入 射 太 阳 辐 射 总 体 下 降 明 显 (Luo 等, 2001; Shi 等, 2008), 但 云 量 变 化 不 明 显 (Qian 等, 2007). Li Z Q 等 (2010) 估 算 的 近 年 来 中 国 区 域 年 均 大 气 层 顶 地 面 及 大 气 中 的 气 溶 胶 辐 射 强 迫 值 分 别 是 0.4, 15 和 15 W m 2, 由 此 可 认 为 中 国 区 域 太 阳 辐 射 变 化 很 可 能 是 大 气 气 溶 胶 的 增 加 引 起 的. 这 也 从 中 国 温 度 变 化 的 趋 势 可 得 到 部 分 印 证, 温 度 在 中 国 整 体 呈 上 升 趋 势, 但 在 东 部 污 染 较 重 地 区, 增 温 幅 度 略 小. 在 中 国, 如 此 强 的 大 气 和 地 面 的 气 溶 胶 辐 射 强 迫 可 以 显 著 改 变 大 气 稳 定 度 和 大 气 环 流, 这 个 推 测 通 过 大 气 环 流 模 式 的 模 拟 得 1614

7 中国科学: 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 6). 针对热带及中纬度等不同气候区的观测分析和云 分辨模式的长期模拟结果, Fan等(2013)发现传统的 气溶胶增强深对流云发展的理论不能完全解释气溶 胶的贡献. 为此, 他们提出了一个能够更完整地解释 新的观测与模拟结果的新理论: 气溶胶的微物理作 用和由气溶胶热力效应的共同影响控制了云的发展, 使云在云量 云顶高度和云厚等方面有系统性的增加 (图7). 模拟结果显示气溶胶的总间接效应对于大气 而言为3~5 W m 2, 对于地面而言为 5~ 8 W m 2. 与 模式模拟结果相对应, 地面温度的长期变化趋势也 表现为显著降低, 而且这一变化与污染程度有密切 关系. He等(2013)的数值试验即表明: 气溶胶的增加 对中国东部夏季变冷有直接贡献. 过去数十年中国 的降水也有明显的变化趋势, 空间上在东部人口稠 密和工农业发达地区表现出明显的 南涝北旱 ; 时 间上也有明显的 小雨变少, 暴雨变多 的趋势. 这些 图5 CR-WRF 模拟的不同污染情形下的降水概览分布 深蓝色代表污染大气, 红色代表清洁大气. 修改自 Wang 等(2013a) 变化的成因可能由多种因素造成, 其中可能也与复 杂的气溶胶和云的相互作用(Li等, 2011b; Qian等, 2009)有关联. 如果这些气候变化与气溶胶有关, 将 到证实(Niu等, 2010): 中国气溶胶的辐射效应对东亚 对中国水资源利用和社会经济可持续发展等产生重 大气环流 气压 温度 湿度和雾产生一系列影响(图 要影响. 图 6 过去 30 年(1976~2006 年)中国雾发生率(a)及其变化(c) 风(b)和冷空气爆发(d)的变化趋势 修改自 Niu 等(2010) 1615

8 吴国雄等: 气溶胶与东亚季风相互影响的研究进展 图7 基于资料和高分辨率模式分析提出的大气污染物影响强风暴系统发展的新理论 红点表示云滴, 浅蓝色点表示雨滴, 蓝色的标记表示冰晶. 在污染环境中, 对流核使得云中出现更多更小粒径的水凝物, 导致云伸展得更大, 层云(砧状云)消散更慢(冰晶的粒径越小, 降落速度越慢); 因此, 在风暴成熟阶段的云量更大, 云顶更高, 且变得更厚. 图取自 Fan 等(2013) 2.3 气溶胶对东亚季风和全球大气环流的影响 气溶胶对气候及大气环流有重要影响, 这已被 大量研究所证实, 其对于东亚季风的云物理 温度和 降水气候平均态及其长期变化影响的有关研究也在 逐步展开. 气溶胶对东亚区域的特定影响与本地区的气溶 胶特性 天气 气候 地形等密切相关, 但这些影响 很多受大气环流背景制约, 即与季风有关. 夏季风暖 湿, 强的地面热通量和湿潜能有利于产生强对流, 在 强对流活跃的夏季, 气溶胶很可能会 推波助澜 地 增强对流和降水(Rosenfeld等, 2008, Li等, 2011b); 而 冬季风恰好相反, 气溶胶则会抑制对流和降水. 制约 气溶胶气候效应的另一因素是风切变, 弱风切变有 利于增强气溶胶效应, 反之亦然. 风切变也可能受季 风影响, 同时这两个因素还有可能产生如下所述的 反馈效应: 气溶胶减弱近地面风速, 但上层风速所受 影响很小, 结果造成风切变加强, 强对流发展由此受 到气溶胶抑制, 这样也不利于气溶胶从地面到高层 的传输和扩散, 气溶胶效应(包括辐射效应和微物理 效应)进一步加剧, 风切变随之进一步加大, 更不利 1616 于强对流产生等连锁反应(Fan等, 2009). 诸多研究表明, 东亚夏季风环流自20世纪70年 代末到20世纪末期间减弱, 使得中国东部降水出现 南涝北旱 的异常型(Hu, 1997; Wang, 2001; Yu等, 2004; Yu和Zhou, 2007; 宇如聪等, 2008; Zhou 等, 2009a). Menon 等(2002)研究认为, 黑碳等人为气溶 胶排放增加对这种异常型有贡献; 然而, Meehl等 (2008)指出, 黑碳气溶胶对印度季风的影响比较显 著, 对于东亚季风的影响相对较弱, 观测的东亚季风 变化主要源自内部变率. Zhou等(2008, 2013)研究也 认为, 东亚夏季风环流的减弱, 可能主要受来自与太 平洋年代际变率(PDO)位相转换相联系的热带大洋 增暖的影响: 如图8(a)和(b)所示, 无论东亚夏季风环 流指数的变化, 还是华北降水的变化, 都和PDO的位 相转换存在密切联系. 对应东亚夏季风环流的减弱, 中国东部降水呈现出 南涝北旱 的特征(图8(c)). 此 外, Li H M等(2010)利用观测的SST变化驱动大气环 流模式, 合理地再现了东亚夏季风环流的减弱特征, 并且东亚夏季风环流的这种减弱响应主要受与PDO 正位相对应的热带大洋海温的增暖驱动(图9(a)~(c)); 同时, Li H M等(2010)数值试验结果也显示各种气溶

9 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 图 8 东 亚 夏 季 风 环 流 的 减 弱 及 与 太 平 洋 年 代 际 变 率 (PDO) 位 相 转 换 的 关 系 (a) 基 于 NCEP/NCAR 再 分 析 资 料 的 标 准 化 的 7 月 份 东 亚 夏 季 风 环 流 指 数 ( 柱 状 图, 采 用 郭 其 蕴 (1983) 的 定 义 ); 绿 线 是 PDO 指 数 ( (b) 标 准 化 的 华 北 (35 ~43 N, 110 ~122 E) 区 域 内 23 个 台 站 的 7 月 份 平 均 降 水 量 ( 柱 状 图 ); 绿 线 是 PDO 指 数 ( washington.edu/pdo/pdo.latest); (c) 1951~2012 年 7 月 降 水 的 线 性 趋 势 ( 单 位 mm a 1 ), 绿 色 的 方 格 代 表 华 北 区 域 (35 ~43 N, 110 ~122 E). 修 改 自 Zhou 等 (2013) 胶 的 综 合 作 用 令 夏 季 风 环 流 有 微 弱 的 增 强, 而 不 是 减 弱 ( 图 9(d)), 这 与 Li L J 等 (2007) 基 于 LASG/IAP AGCM 的 气 溶 胶 影 响 试 验 结 果 一 致, 但 都 与 Menon 等 (2002) 利 用 全 球 气 候 模 式 研 究 发 现 黑 碳 气 溶 胶 增 加 有 助 于 中 国 夏 季 南 涝 北 旱 气 候 异 常 的 结 果 有 所 不 同. 一 个 可 能 的 原 因 是 Menon 等 的 模 拟 是 基 于 一 个 重 要 假 定 : 中 国 境 内 的 气 溶 胶 都 是 强 吸 收 型 ( 气 溶 胶 单 散 射 反 射 率 0.85), 但 根 据 卫 星 和 地 面 观 测 推 算, 中 国 的 气 溶 胶 吸 收 特 性 有 很 强 的 时 空 变 化. 平 均 而 言, 气 溶 胶 的 吸 收 特 性 比 他 们 假 定 的 明 显 弱 ( 全 国 平 均 气 溶 胶 单 散 射 反 射 率 为 0.90)(Lee 等, 2010), 根 据 他 们 的 敏 感 性 试 验, 如 果 气 溶 胶 单 散 射 反 射 率 提 高 到 0.90, 模 式 就 不 能 模 拟 出 南 涝 北 旱 的 现 象. Zhang H 等 (2009) 的 数 值 模 拟 研 究 就 显 示, 硫 酸 盐 有 机 碳 和 黑 碳 的 综 合 直 接 气 候 效 应 没 有 贡 献 中 国 的 南 涝 北 旱 ; 并 且, Zhang L 等 (2012) 利 用 更 新 的 排 放 资 料 和 耦 合 有 气 溶 胶 过 程 的 气 候 模 式 研 究 进 一 步 证 实 了 上 述 结 果. 此 外, Zhang H 等 (2012) 和 Wang 等 (2014a) 认 为 当 今 气 溶 胶 的 增 加 减 弱 了 东 亚 季 风 并 抑 制 中 国 北 纬 30 左 右 区 域 对 流 发 展 ( 图 10), 有 助 于 区 域 大 气 稳 定 度 增 强. Jiang 等 (2013) 的 气 候 模 拟 结 果 表 明, 人 为 气 溶 胶 会 抑 制 中 国 华 北 降 水. Song 等 (2014) 利 用 最 新 的 CMIP5 模 式 结 果 与 气 候 资 料, 比 较 了 自 然 强 迫 ( 太 阳 活 动 和 火 山 活 动 ) 和 人 为 强 迫 ( 温 室 气 体 和 气 溶 胶 ) 对 东 亚 夏 季 风 年 代 际 变 化 的 影 响. 观 测 中 的 1958~2001 年 的 东 亚 夏 季 风 的 减 弱 在 全 强 迫 试 验 中 可 以 部 分 再 现, 但 是 响 应 的 强 度 要 远 远 弱 于 观 测 ; 并 且 尽 管 季 风 环 流 的 变 化 呈 减 弱 趋 势, 但 是 模 式 难 以 模 拟 出 南 涝 北 旱 的 降 水 距 平 型 ( 图 11(a) 和 (b)). 分 析 不 同 的 强 迫 试 验 发 现, 气 溶 胶 对 低 层 环 流 的 减 弱 起 着 主 要 作 用, 而 温 室 气 体 有 利 于 低 层 环 流 的 增 强 ( 图 11(d) 和 (f)). 由 于 东 亚 地 区 人 为 污 染 较 为 严 重, 使 得 气 溶 胶 引 起 的 地 表 冷 却 最 为 严 重, 这 样 就 会 导 致 海 陆 温 差 减 弱 和 华 北 高 压 异 常, 从 而 使 得 东 亚 夏 季 风 低 层 环 流 减 弱 ( 图 12). 类 似 的 气 候 模 式 模 拟 结 果 也 显 示, 东 亚 冬 季 寒 潮 爆 发 次 数 的 减 少 和 西 北 盛 行 风 风 速 的 减 弱 也 与 1617

10 吴国雄等: 气溶胶与东亚季风相互影响的研究进展 图 9 不同再分析资料再现的和在不同驱动下模拟的东亚 夏季风环流变化 (a) 基于 NCEP/NCAR 再分析资料的东亚夏季风环流指数(柱状图) 及其线性趋势(点线); (b) 基于 ERA-40 的东亚夏季风环流指数; (c) 全球历史海温驱动下 CAM3 模式模拟的东亚夏季风环流指数; (d) 大 气成分(温室气体和气溶胶)驱动下 CAM3 模拟的东亚夏季风指数. 东 亚夏季风指数被定义为 20 ~40 N 和 110 ~140 E 范围内 850 和 200 hpa 纬向风切变的标准化序列. 该图表明东亚夏季风环流的减弱主要 受与 PDO 相联系的海温异常驱动. 图修改自 Li H M 等(2010) 气溶胶的增加有关(Niu等, 2010). 由以上不尽相同的研究结论可见, 气溶胶对于 东亚季风环流的影响研究还有很大不确定性, 未来 研究有待明确不同种类气溶胶的影响异同, 并克服 模式自身不确定性对科学结论的影响. 此外, 东亚区域气溶胶引起的空气污染不仅能 够有效地影响局部的天气系统, 也能够通过长尺度 的输送与下风向的对流云系统耦合, 从而影响到太 平 洋 上 的 风 暴 系 统 的 发 展 (Zhang 等, 2007; Li 等, 2008). Wang等(2014b)等结合嵌套有云分辨率模式的 全球气候模式与观测资料, 认为亚洲(包括东亚)区域 污染物的输送能够增强冬季中纬度太平洋风暴系统, 对于全球大气环流和气候可能有深远影响. 气溶胶排放影响东亚气候的另外一个重要途径 是通过海洋的反馈作用. 例如, 印度洋在过去50年的 持续增暖, 被证明与东亚季风系统的重要成员 西北太平洋副热带高压的年代际西伸直接相关(Zhou 等, 2009b); 而印度洋的增暖, 则受到人为气溶胶排 放的直接影响, 它显著抵消了温室气体增加所引起 的表面海温的增暖幅度, 并且这种作用可能主要通 过 气 溶 胶 的 间 接 效 应 实 现 (Dong等, 2014; Dong和 Zhou, 2014). 3 东亚季风对气溶胶的影响 气象条件会显著影响局地气溶胶的形成 分布 图 10 模拟的气溶胶变化对东亚夏季地表风场的影响 (a) 2000 年气溶胶增加时的模拟(修改自 Zhang H 等(2012)), (b) 未来 RCP4.5 情景下 2000~2100 年的气溶胶减少时的模拟(修改自 Wang 等(2015)1)) 1) Wang Z L, Zhang H, Zhang X Y Projected response of East Asian summer monsoon to future reductions in emissions of anthropogenic aerosols and their precursors. Clim Dyn, accepted 1618

11 中国科学: 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 图 11 观测和不同外强迫试验中 1958~2001 年夏季海平面气压(填色; 单位: hpa (44 a) 1)和 850 hpa 风场(矢量; 单位: m s 1 (44 a) 1)的线性趋势 (a) 观测, (b) 全强迫试验, (c) 人为强迫试验, (d) 温室气体强迫试验, (e) 自然强迫试验, (f) 气溶胶强迫试验. 图(a)和(b)中的绿色方框代表华 北地区(32 ~42 N, 105 ~122 E). 打点区域表示降水趋势通过了 90%的显著性检验. 数值模拟试验是 CMIP5 的 17 个耦合模式的集合结果. 图 修改自 Song 等(2014) 维持与变化, 东亚季风环流强弱变化则会直接影响 大范围气溶胶的输送和存留时间. 3.1 冬季风环流对气溶胶分布的影响 高含量的气溶胶已经给中国带来了严重的雾-霾 污染问题, 而且随着过去数十年气溶胶排放的增加, 和20世纪70, 80年代相比, 中国很多地区进入2000年 之后霾出现日数明显增多(吴兑等, 2010). 有研究分 析了1980年代以来中国霾在中国东部不同区域日益 严重导致的能见度下降与气溶胶及其前体气体的排 放 人口密度等的联系, 指出人类活动导致的排放增 加主导了中国东部地区霾的日益频发(Zhang X Y等, 2012). 但是除了与增强的气溶胶排放有关外, 中国 霾日益严重的显现还可能与同期东亚季风环流的变 1619

12 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 图 12 中 国 东 部 1958~2001 年 夏 季 地 表 气 温 线 性 趋 势 和 华 北 地 区 的 海 平 面 气 压 趋 势 的 散 点 图 分 布 (a) 及 观 测 和 不 同 外 强 迫 试 验 中 中 国 东 部 地 区 地 表 气 温 趋 势 (b) (a) 中 国 东 部 (28 ~38 N, 105 ~122 E), 华 北 地 区 (32 ~42 N, 105 ~122 E); (b) 东 亚 夏 季 风 区 (0 ~50 N, 90 ~160 E) 平 均 地 表 气 温 趋 势 已 经 被 扣 除. 数 值 模 拟 试 验 是 CMIP5 的 17 个 耦 合 模 式 的 集 合 结 果. 修 改 自 Song 等 (2014) 化 有 紧 密 联 系. 近 年 来 华 北 地 区 冬 季 重 雾 - 霾 事 件 都 与 弱 的 冬 季 风 环 流 有 关. Zhao 等 (2013) 和 张 小 曳 等 (2013) 的 观 测 分 析 表 明, 强 的 局 地 气 溶 胶 通 过 减 弱 入 射 地 表 太 阳 辐 射, 会 增 强 区 域 大 气 层 结 稳 定 度, 有 利 于 气 溶 胶 不 断 积 聚 凝 结 和 增 长, 而 弱 的 东 亚 冬 季 风 非 常 不 利 于 华 北 局 地 气 溶 胶 的 向 外 输 送, 直 接 导 致 华 北 地 区 强 雾 - 霾 天 气 的 持 续. 张 人 禾 等 (2014) 诊 断 分 析 了 2013 年 1 月 发 生 在 中 国 东 部 的 大 范 围 持 续 性 强 雾 - 霾 天 气 过 程, 其 结 果 表 明, 2013 年 1 月 中 国 东 部 的 东 亚 冬 季 风 明 显 偏 弱, 而 区 域 内 对 流 层 中 低 层 出 现 异 常 南 风, 加 强 了 水 汽 向 中 国 东 部 地 区 的 输 送, 为 雾 - 霾 天 气 的 发 生 提 供 了 有 利 的 水 汽 条 件 ; 此 外, 与 弱 东 亚 冬 季 风 相 联 系 的 高 空 西 风 急 流 的 减 弱, 使 得 水 平 风 垂 直 切 变 变 小, 减 弱 了 天 气 尺 度 扰 动 的 发 展 和 大 气 的 垂 直 混 合, 造 成 大 气 更 加 稳 定, 同 时, 对 流 层 中 低 层 的 异 常 南 风 减 弱 了 雾 - 霾 向 区 域 外 的 输 送, 这 些 季 风 环 流 异 常 有 利 于 雾 - 霾 天 气 在 中 国 东 部 较 大 区 域 内 的 维 持 和 发 展. Li 等 (2015) 利 用 1972~2014 年 中 国 冬 季 雾 - 霾 天 气 的 长 期 观 测 资 料, 发 现 中 国 中 东 部 冬 季 雾 - 霾 天 气 明 显 的 年 际 变 化 与 东 亚 冬 季 风 存 在 显 著 的 联 系, 指 出 东 亚 冬 季 风 的 年 际 变 化 是 造 成 中 国 中 东 部 冬 季 雾 - 霾 天 气 年 际 变 化 的 重 要 原 因, 弱 ( 强 ) 东 亚 冬 季 风 导 致 更 多 ( 少 ) 的 雾 - 霾 天 气. 气 溶 胶 增 加 也 可 改 变 大 气 的 热 力 结 构, 经 过 动 力 响 应 会 影 响 大 气 环 流. Zheng 等 (2014) 的 工 作 继 续 表 明, 在 当 前 气 溶 胶 排 放 条 件 下, 2012~2013 年 冬 季 适 宜 的 大 气 环 流 条 件 是 导 致 华 北 严 重 雾 - 霾 的 主 要 原 因. 同 时, Guo 等 (2014) 利 用 观 测 资 料 分 析 了 北 京 2013 年 典 型 雾 - 霾 时 段 有 机 气 溶 胶 的 演 变 过 程, 发 现 风 速 和 风 向 等 气 象 条 件 是 控 制 局 地 雾 - 霾 事 件 周 期 性 变 化 的 关 键 因 素, 而 冬 季 的 西 北 风 和 东 北 风 对 于 华 北 污 染 区 清 除 有 直 接 贡 献. 上 述 工 作 表 明, 冬 季 风 对 于 局 地 气 溶 胶 的 输 送 持 续 和 清 除 等 过 程 具 有 重 要 影 响. 另 外, 沙 尘 也 是 影 响 中 国 的 重 要 灾 害 性 天 气 之 一. 研 究 显 示, 东 亚 近 地 面 的 冬 季 风 强 度 的 异 常 对 后 期 春 季 沙 尘 频 次 和 日 数 有 重 要 影 响, 并 且, 沙 尘 的 区 域 输 送 受 东 亚 冬 季 风 的 控 制 (Zhang 等, 1993; 张 莉 等, 2005), 并 在 沙 尘 出 现 后 减 弱 海 陆 热 力 差 异 反 馈 使 沙 尘 暴 平 息 (Zhang 等, 2002b). 当 沙 尘 能 够 被 输 送 到 太 平 洋 等 地 区 之 后, 沙 尘 已 被 扬 起 至 自 由 对 流 层, 并 在 西 风 的 携 带 下 输 送, 这 种 穿 越 太 平 洋 的 跨 洲 输 送 模 式 与 全 球 尺 度 的 大 气 环 流 变 化 密 切 相 关 (Zhang 等, 1997). 3.2 夏 季 风 气 候 对 气 溶 胶 的 影 响 东 亚 季 风 作 为 气 候 系 统 的 重 要 组 成 对 气 溶 胶 有 重 要 影 响, 尤 其 是 影 响 其 大 范 围 的 输 送 和 分 布 特 征, 伴 随 季 风 产 生 的 水 汽 输 送 亦 会 对 气 溶 胶 气 候 效 应 有 所 影 响. Liu 等 (2011) 研 究 认 为, 亚 洲 夏 季 风 会 对 中 国 气 溶 胶 分 布 有 所 影 响. Yan 等 (2011) 通 过 模 式 和 资 料 分 析 发 现, 在 地 表 排 放 相 近 的 情 况 下, 弱 夏 季 风 年, 气 溶 胶 大 气 柱 浓 度 和 光 学 厚 度 高 值 区 分 布 偏 于 中 国 南 部, 而 之 后 的 强 季 风 年, 分 布 位 置 则 会 扩 展 到 中 国 北 方. 东 亚 季 风 还 会 伴 随 强 的 水 汽 输 送, 增 强 夏 季 中 国 东 部 区 域 的 大 气 湿 度. Li 等 (2012, 2014) 的 模 拟 研 究 认 为 : 东 亚 地 区 相 对 于 欧 美 地 区 较 强 的 夏 季 对 流 层 水 汽 有 助 于 增 强 吸 湿 性 气 溶 胶 ( 如 硫 酸 盐 ) 的 吸 湿 增 长, 1620

13 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 进 而 会 增 强 其 光 学 厚 度 和 对 应 的 直 接 辐 射 强 迫, 表 明 东 亚 的 气 溶 胶 辐 射 效 应 不 仅 与 气 溶 胶 含 量 有 关, 还 与 区 域 内 的 水 汽 特 征 紧 密 联 系 在 一 起. 此 外, 季 风 对 气 溶 胶 的 影 响 表 现 在 季 节 年 际 年 代 际 等 多 时 间 尺 度 上, 这 方 面 的 研 究 尚 在 起 步 阶 段. Zhang L 等 (2010a) 利 用 全 球 三 维 大 气 化 学 传 输 模 式 (GEOS-Chem), 研 究 了 亚 洲 夏 季 风 不 同 系 统 和 夏 季 风 强 弱 对 东 亚 气 溶 胶 浓 度 的 季 节 和 年 际 变 化 的 影 响. 他 们 的 研 究 结 果 表 明 : 季 风 的 季 节 变 化 对 气 溶 胶 浓 度 的 季 节 变 化 有 重 要 作 用, 夏 季 风 对 气 溶 胶 浓 度 的 影 响 大 于 气 溶 胶 季 节 排 放 变 化 的 影 响, 导 致 东 亚 地 区 气 溶 胶 浓 度 呈 现 冬 季 高 夏 季 低 的 特 征, 这 是 中 国 东 部 和 美 国 东 部 两 个 地 区 气 溶 胶 浓 度 季 节 变 化 正 好 相 反 的 原 因. 同 时 指 出 : 东 亚 夏 季 风 与 中 国 东 部 气 溶 胶 呈 反 相 年 际 变 化, 在 弱 夏 季 风 年 (1998 年 ) 气 溶 胶 浓 度 比 强 夏 季 风 年 (2002 年 ) 显 著 偏 高, 且 与 季 风 风 场 有 关 的 气 溶 胶 通 量 输 送 比 季 风 降 水 导 致 的 气 溶 胶 湿 沉 降 的 作 用 强. Zhang L 等 (2010b) 的 研 究 表 明 : 在 春 季 中 国 东 部 地 区 700 hpa 以 上 大 气 中 有 约 50%~70% 的 有 机 碳 是 源 于 南 亚 地 区 大 量 生 物 质 燃 烧 引 起 的 有 机 碳 排 放, 伴 随 着 南 亚 夏 季 风 的 输 送 作 用, 南 亚 近 地 面 大 量 的 污 染 物 向 上 输 送 到 大 气 中 高 层, 并 在 环 流 的 作 用 下 除 了 影 响 中 国 东 部 地 区 以 外, 甚 至 会 影 响 到 北 美 地 区 (Wang 等, 2014a, 2014b). 对 于 中 国 近 几 十 年 来 气 溶 胶 浓 度 的 增 加, 前 人 的 研 究 常 归 咎 于 经 济 高 速 发 展 带 来 的 人 为 排 放 的 增 加, 但 近 期 研 究 发 现 季 风 的 年 代 际 变 化 对 气 溶 胶 浓 度 也 有 显 著 影 响. Zhu 等 (2012) 利 用 大 气 化 学 传 输 模 式 GEOS-Chem 模 拟 研 究 证 实, 近 几 十 年 来 中 国 东 部 地 区 较 高 的 气 溶 胶 浓 度, 部 分 是 由 东 亚 夏 季 风 年 代 际 减 弱 所 导 致 的. 他 们 的 结 果 表 明 : 在 过 去 60 年 间 即 使 人 为 排 放 不 增 加 的 情 况 下, 由 于 东 亚 夏 季 风 的 年 代 际 减 弱 所 导 致 的 弱 东 亚 夏 季 风 年 中 国 东 部 地 区 气 溶 胶 的 浓 度 也 要 较 强 东 亚 夏 季 风 年 高 出 约 20%( 图 13). 可 见, 近 几 十 年 东 亚 夏 季 风 的 减 弱 对 中 国 区 域 气 溶 胶 浓 度 的 增 加 有 贡 献, 这 为 重 新 认 识 中 国 区 域 的 高 气 溶 胶 浓 度 特 征 提 供 了 一 个 新 的 视 角 (Chin, 2012). 4 应 对 措 施 和 进 一 步 研 究 建 议 综 上 所 述, 季 风 与 空 气 污 染 ( 气 溶 胶 ) 相 互 作 用 是 目 前 大 气 科 学 和 全 球 气 候 变 化 研 究 中 的 一 个 重 大 前 沿 科 学 问 题. 污 染 物 向 大 气 中 的 排 放 无 疑 是 产 生 大 气 污 染 的 前 提, 但 大 气 污 染 的 形 成 区 域 以 及 污 染 的 程 度 与 气 象 条 件 密 切 相 关 ( 穆 穆 和 张 人 禾, 2014). 季 风 与 气 溶 胶 之 间 存 在 强 的 相 互 作 用, 但 由 于 观 测 资 料 和 模 式 发 展 的 限 制, 目 前 对 空 气 污 染 ( 气 溶 胶 )- 亚 洲 季 风 气 候 相 互 作 用 的 认 识 还 存 在 较 大 不 确 定 性. 要 减 少 这 种 不 确 定 性 必 须 开 展 进 一 步 的 研 究. (1) 要 深 入 了 解 气 溶 胶 的 物 理 化 学 特 性 及 生 成 过 程. 尤 其 包 括 气 溶 胶 的 生 长 以 及 转 化, 气 溶 胶 的 光 学 性 质, 以 及 其 作 为 云 凝 结 核 (CCN) 和 冰 核 (IN) 的 属 性 特 征. 穆 穆 和 张 人 禾 (2014) 基 于 2013 年 1 月 中 国 东 部 持 续 性 强 雾 - 霾 天 气 的 研 究, 提 出 了 从 气 象 角 度 应 对 雾 - 霾 天 气 的 一 些 对 策 : 根 据 天 气 预 报 的 结 果 开 展 雾 - 霾 预 报 ; 制 定 区 域 大 气 污 染 控 制 方 案 时 要 充 分 考 虑 气 象 预 报 结 果, 以 提 高 大 气 污 染 控 制 的 科 学 性 和 有 效 性. 目 前 还 比 较 缺 乏 对 东 亚 各 类 气 溶 胶 的 物 理 / 化 学 性 质 及 它 们 对 云 - 辐 射 影 响 的 长 时 间 观 测 和 试 验 数 据, 尤 其 是 综 合 观 测 试 验. 为 此, 需 要 进 一 步 加 强 季 风 区 各 类 气 溶 胶 物 理 / 化 学 过 程 的 基 础 研 究 ( 观 测 和 试 验 研 究 ). 建 议 在 中 国 加 强 大 气 气 溶 胶 - 云 - 辐 射 等 大 气 气 象 要 素 的 地 基 飞 机 遥 感 大 型 集 成 观 测 试 验 : 1) 综 合 利 用 主 被 动 遥 感 技 术 和 采 样 分 析 技 术 手 段, 获 得 典 型 地 区 气 溶 胶 物 理 光 学 及 化 学 特 性 云 凝 结 核 特 性 云 滴 谱 及 时 空 匹 配 的 大 气 环 境 参 数 综 合 数 据 集. 2) 不 同 类 型 的 气 溶 胶 转 化 为 云 凝 结 核 的 机 理 气 图 13 东 亚 夏 季 风 指 数 标 准 化 时 间 序 列 与 模 拟 的 1986~2006 年 中 国 东 部 地 区 夏 季 平 均 的 近 地 面 PM 2.5 浓 度 绿 色 柱 状 图 表 示 用 NCEP/NCAR 再 分 析 资 料 计 算 的 1948~2010 年 的 东 亚 夏 季 风 指 数 (EASMI-NCEP); 红 色 柱 状 图 表 示 用 GEOS-4 再 分 析 资 料 计 算 的 1986~2006 年 的 东 亚 夏 季 风 指 数 (EASMI-GEOS); 虚 线 表 示 东 亚 夏 季 指 数 的 9 年 滤 波 曲 线. 由 图 可 见, 中 国 东 部 地 区 (110 ~125 E, 28 ~45 N) 夏 季 平 均 气 溶 胶 浓 度 与 东 亚 夏 季 风 强 度 呈 现 显 著 的 反 位 相 变 化 ( 相 关 系 数 为 0.65, 通 过 了 95% 显 著 性 检 验 ). 修 改 自 Zhu 等 (2012) 1621

14 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 溶 胶 的 吸 湿 性 增 长 成 核 能 力 和 速 率 ; 气 溶 胶 谱 分 布 廓 线 的 多 波 长 激 光 雷 达 系 统 和 气 球 采 样 观 测 系 统, 云 底 气 溶 胶 浓 度 及 尺 度 谱 ; 发 展 适 用 于 中 国 地 区 的 气 溶 胶 谱 分 布 和 云 凝 结 核 谱 的 参 数 化 方 案, 改 进 气 候 模 式. 3) 开 发 各 种 尖 端 观 测 方 法 ( 包 括 地 面 遥 感 卫 星 遥 感, 飞 机 观 测 和 系 留 气 球 ), 并 结 合 历 史 资 料, 得 到 中 国 云 宏 微 观 特 征 的 数 据 资 料, 包 括 云 量 云 顶 高 度 ( 温 度 气 压 ) 云 的 分 层 结 构 云 底 高 度 云 粒 子 的 相 态 云 水 含 量 过 冷 水 含 量 云 水 光 学 厚 度 云 滴 有 效 半 径 等 参 数. (2) 加 强 季 风 与 气 溶 胶 相 互 作 用 的 数 值 模 拟 研 究. 尽 管 当 前 关 于 季 风 与 气 溶 胶 相 互 作 用 大 部 分 结 果 主 要 基 于 数 值 模 拟, 然 而, 不 同 结 果 之 间 有 很 大 差 异 乃 至 存 在 彼 此 矛 盾 之 处. 模 式 自 身 的 不 确 定 性 也 是 研 究 重 点 之 一, 因 为 不 同 的 模 式 对 温 室 气 体 和 气 溶 胶 等 外 强 迫 的 响 应 彼 此 存 在 差 异, 特 别 是 在 对 气 溶 胶 所 有 间 接 气 候 效 应 考 虑 的 完 整 程 度 气 溶 胶 - 云 - 气 候 相 互 作 用 双 向 耦 合 的 模 拟 能 力 等 方 面, 模 式 间 的 差 异 很 大, 直 接 影 响 到 模 拟 结 果 的 可 信 度. 因 此, 需 要 加 强 季 风 与 气 溶 胶 相 互 作 用 的 数 值 模 拟 研 究, 完 善 气 候 模 式 与 大 气 化 学 模 式 的 耦 合 以 及 气 溶 胶 过 程, 特 别 是 要 加 强 东 亚 季 风 气 候 与 气 溶 胶 等 空 气 污 染 相 互 作 用 的 双 向 耦 合 模 拟 试 验. 此 外, 模 式 研 发 工 作 需 要 兼 顾 不 同 尺 度 不 同 精 细 度, 包 括 空 间 尺 度 为 米 量 级 的 大 涡 模 式 公 里 级 的 云 解 析 模 式 局 地 的 单 柱 模 式, 到 全 球 气 候 模 式. (3) 加 强 大 气 物 理 - 大 气 化 学 - 季 风 气 候 动 力 学 之 间 的 ( 综 合 或 者 交 叉 ) 研 究. 未 来 需 要 进 一 步 加 强 利 用 包 括 气 溶 胶 间 接 直 接 和 半 直 接 效 应 的 全 球 和 区 域 气 候 模 式, 开 展 对 于 过 去 不 同 时 期 亚 洲 季 风 气 候 的 影 响 及 其 反 馈 研 究, 特 别 是 对 季 风 降 水 影 响 的 研 究, 同 时 借 助 中 尺 度 模 式 对 气 溶 胶 - 降 水 相 互 作 用 的 长 期 性 作 定 量 评 价. 此 外, 还 有 待 定 量 估 算 自 然 变 率 和 外 强 迫 变 化 对 东 亚 季 风 长 期 变 化 的 贡 献. 气 溶 胶 通 过 大 气 辐 射 和 云 物 理 过 程 相 互 作 用 对 季 风 季 节 内 振 荡 活 跃 期 与 中 断 期 位 相 转 换 也 有 影 响. 除 了 季 节 内 尺 度, 季 风 - 气 溶 胶 相 互 作 用 应 该 还 体 现 在 季 节 年 际 年 代 际 等 不 同 时 间 尺 度 上. 在 气 候 模 式 中 如 何 更 好 地 描 述 季 风 - 气 溶 胶 相 互 作 用 及 其 影 响 是 未 来 需 要 深 入 研 究 的 一 个 重 要 问 题. 到 目 前, 研 究 主 要 集 中 在 气 溶 胶 对 大 气 环 流 和 气 象 要 素 的 影 响, 关 于 季 风 环 流 和 降 水 等 大 气 变 量 对 气 溶 胶 的 影 响 研 究 相 对 薄 弱. 气 溶 胶 和 季 风 的 相 互 作 用 是 双 向 的, 它 们 之 间 的 关 系 错 综 复 杂 相 互 渗 透, 有 关 它 们 彼 此 相 互 作 用 的 研 究 还 很 少. 区 分 排 放 和 大 气 条 件 对 气 溶 胶 污 染 相 对 贡 献 的 研 究 还 很 少, 值 得 进 一 步 研 究. 还 有 必 要 使 用 多 尺 度 建 模 框 架 (MMF) 的 方 法 实 现 云 解 析 模 块 对 全 球 气 候 模 式 中 云 参 数 化 方 案 的 替 代, 来 进 一 步 解 析 亚 格 子 尺 度 云 的 动 力 和 微 物 理 变 化. 另 外, 也 可 以 使 用 模 式 嵌 套 的 方 法 去 评 估 气 溶 胶 - 季 风 的 相 互 作 用, 即 首 先 使 用 包 含 精 确 微 物 理 方 案 的 云 解 析 WRF 模 式 进 行 区 域 性 和 季 节 性 的 模 拟 从 而 计 算 出 气 溶 胶 引 起 的 绝 热 强 迫, 然 后 再 将 得 到 的 绝 热 强 迫 加 入 到 全 球 气 候 模 式 当 中. 只 有 通 过 开 展 大 气 物 理 - 大 气 化 学 - 季 风 气 候 动 力 学 之 间 的 综 合 交 叉 研 究, 我 们 才 有 望 取 得 突 破. 致 谢 感 谢 美 国 宇 航 局 加 州 理 工 学 院 空 气 推 进 实 验 室 的 王 元, 美 国 科 罗 拉 多 大 学 波 尔 得 分 校 机 械 工 程 系 的 张 丽, 北 京 师 范 大 学 全 球 变 化 研 究 院 的 杨 新 和 张 芳, 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 廖 宏 朱 建 磊 宋 丰 飞 林 壬 萍 钱 诚 陈 晓 龙 和 德 国 马 普 气 象 研 究 所 李 红 梅 等 人 在 本 文 的 编 写 中 提 供 的 帮 助. 参 考 文 献 范 学 花, 陈 洪 滨, 夏 祥 鳌 中 国 大 气 气 溶 胶 辐 射 特 性 参 数 的 观 测 与 研 究 进 展. 大 气 科 学, 37: 郭 其 蕴 东 亚 夏 季 风 强 度 指 数 及 其 变 化 的 分 析. 地 理 学 报, 38: 黄 荣 辉 中 国 重 大 气 候 灾 害 的 形 成 机 理 和 预 测 理 论 研 究 综 述. 中 国 基 础 研 究, 6: 6 16 穆 穆, 张 人 禾 应 对 雾 霾 天 气 : 气 象 科 学 与 技 术 大 有 可 为. 中 国 科 学 : 地 球 科 学, 44: 1 2 吴 兑, 吴 晓 京, 李 菲, 谭 浩 波, 陈 静, 曹 治 强, 孙 弦, 陈 欢 欢, 李 海 燕 中 国 大 陆 1951~2005 年 霾 的 时 空 变 化. 气 象 学 报, 68: 辛 金 元, 王 跃 思, 李 占 清, 王 普 才, 王 式 功, 温 天 雪, 孙 扬 中 国 地 区 太 阳 分 光 辐 射 观 测 网 的 建 立 和 仪 器 定 标. 环 境 科 学, 27:

15 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 宇 如 聪, 周 天 军, 李 建, 辛 晓 歌 中 国 东 部 气 候 年 代 际 变 化 三 维 特 征 的 研 究 进 展. 大 气 科 学, 32: 张 莉, 丁 一 汇, 任 国 玉 我 国 北 方 沙 尘 天 气 演 变 趋 势 及 其 气 候 成 因 分 析. 应 用 气 象 学 报, 16: 张 人 禾, 李 强, 张 若 楠 年 1 月 中 国 东 部 持 续 性 强 雾 霾 天 气 产 生 的 气 象 条 件 分 析. 中 国 科 学 : 地 球 科 学, 2014, 44: 张 小 曳, 孙 俊 英, 王 亚 强, 李 卫 军, 张 蔷, 王 炜 罡, 权 建 农, 曹 国 良, 王 继 志, 杨 元 琴, 张 养 梅 我 国 雾 - 霾 成 因 及 其 治 理 的 思 考. 科 学 通 报, 58: Ackerman A S, Toon O B, Hobbs P V A model for particle microphysics, turbulent mixing, and radiative transfer in the stratocumulus-topped marine boundary layer and comparisons with measurements. J Atmos Sci, 52: Albrecht B Aerosols, cloud microphysics, and fractional cloudiness. Science, 245: Andreae M O, Rosenfeld D, Artaxo P, Costa A A, Frank G P, Longo K M, Silva-Dias M A F Smoking rain clouds over the Amazon. Science, 303: Bollasina M A, Ming Y, Ramaswamy V Anthropogenic aerosols and the weakening of the South Asian summer monsoon. Science, 334: Che H Z, Zhang X Y, Chen H B, Damiri B, Goloub P, Li Z Q, Zhang X C, Wei Y, Zhou H G, Dong F, Li D P, Zhou T M Instrument calibration and aerosol optical depth validation of the China Aerosol Remote Sensing Network. J Geophys Res, 114: D03206, doi: /2008JD Chin M Dirtier air from a weaker monsoon. Nat Geosci, 5: Ding A J, Fu C B, Yang X Q, Sun J N, Petäjä T, Kerminen V M, Wang T, Xie Y, Herrmann E, Zheng L F, Nie W, Liu Q, Wei X L, Kulmala M Intense atmospheric pollution modifies weather: A case of mixed biomass burning wither fossil fuel combustion pollution in the eastern China. Atmos Chem Phys, 13: Dong L, Zhou T J The Indian Ocean sea surface temperature warming simulated by CMIP5 models during the 20th century: Competing forcing roles of GHGs and anthropogenic aerosols. J Clim, 27: Dong L, Zhou T J, Wu B Indian Ocean warming during simulated by a climate system model and its mechanism. Clim Dyn, 42: Fan J W, Zhang R Y, Tao W K, Mohr K I Effects of aerosol optical properties on deep convective clouds and radiative forcing. J Geophys Res, 113: D08209, doi: /2007JD Fan J W, Yuan T L, Comstock J M, Ghan S, Khain A, Leung L R, Li Z Q, Martins V J, Ovchinnikov M Dominant role by vertical wind shear in regulating aerosol effects on deep convective clouds. J Geophys Res, 114: D22206, doi: /2009JD Fan J W, Leung L R, Rosenfeld D, Chen Q, Li Z Q, Zhang J Q, Yan H R Microphysical effects determine macrophysical response for aerosol impact on deep convective clouds. Proc Natl Acad Sci USA, 110, doi: /pnas Forster P, Ramaswamy V, Artaxo P, Berntsen T, Betts R, Fahey D W, Haywood J, Lean J, Lowe D C, Myhre G, Nganga J, Prinn R, Raga G, Schulz M, Van Dorland R Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press Guo S, Hu M, Zamora M L, Peng J F, Shang D J, Zheng J, Du Z F, Wu Z J, Shao M, Zeng L M, Molina M J, Zhang R Y Elucidating severe urban haze formation in China. Proc Natl Acad Sci USA, 111: He B, Bao Q, Li J D, Wu G X, Liu Y M, Wang X C, Sun Z B Influences of external forcing changes on the summer cooling trend over East Asia. Clim Change, 117: Hu Z Z Interdecadal variability of summer climate over East Asia and its association with 500-hPa height and global sea surface temperature. J Geophys Res, 102: Huang J P, Minnis R, Chen B, Huang Z W, Liu Z Y, Zhao Q Y, Yi Y H, Ayers J K. 2008a. Long-range transport and vertical structure of Asian dust from CALIPSO and surface measurements during PACDEX. J Geophys Res, 113: D23212, doi: /2008JD Huang J P, Zhang W, Zuo J Q, Bi J R, Shi J S, Wang X, Chang Z L, Huang Z W, Yang S, Zhang B D, Wang G Y, Feng G H, Yuan J Y, Zhang L, Zuo H C, Wang S G, Fu C B, Chou J F. 2008b. An overview of the semi-arid climate and environment research observatory over the Loess Plateau. Adv Atmos Sci, 25: Huang J P, Wang T H, Wang W C, Li Z Q, Yan H R Climate effect of dust aerosols over East Asian arid and semi-arid regions. J Geophys Res, 119: Huang R H, Chen J L, Huang G Characteristics and variations of the East Asian monsoon system and its impacts on climate disasters in China. Adv Atmos Sci, 24: Huang Y, Dickinson R E, Chameides W L Impact of aerosol indirect effect on surface temperature over East Asia. Proc Natl Acad Sci 1623

16 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 USA, 103: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Climate Change 2013 The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press Jiang Y Q, Liu X H, Yang X Q, Wang M H A numerical study of the effect of different aerosol types on East Asian summer clouds and precipitation. Atmos Environ, 70: Khain A P, BenMoshe N, Pokrovsky A Factors determining the impact of aerosols on surface precipitation from clouds: An attempt at classification. J Atmos Sci, 65: Koren I, Martins J V, Remer L A, Afargan H Smoke invigoration versus inhibition of clouds over the Amazon. Science, 321: Lau K M, Kim M K Asian summer monsoon anomalies induced by aerosol direct forcing: The role of the Tibetan Plateau. Clim Dyn, 26: Lee K H, Li Z Q, Wong M S, Xin J Y, Wang Y S, Hao W M, Zhao F S Aerosol single scattering albedo estimated across China from a combination of ground and satellite measurements. J Geophys Res, 112: D22S15, doi: /2007JD Li G H, Wang Y, Lee K H, Diao Y W, Zhang R Y Increased winter precipitation over the North Pacific from to inferred from the global precipitation climatology project. Geophys Res Lett, 35: L13821, doi: /2008GL Li H M, Dai A G, Zhou T J, Lu J Responses of East Asian summer monsoon to historical SST and atmospheric forcing during Clim Dyn, 34: Li J D, Sun Z A, Liu Y M, Li J N, Wang W C, Wu G X A study on sulfate optical properties and direct radiative forcing using the LASG-IAP general circulation model. Adv Atmos Sci, 29: Li J D, Wang W C, Sun Z A, Wu G X, Liao H, Liu Y M Decadal variation of East Asian radiative forcing due to anthropogenic aerosols during and the role of atmospheric moisture. Clim Res, 61: Li L J, Wang B, Zhou T J Contributions of natural and anthropogenic forcings to the summer cooling over eastern China: An AGCM study. Geophys Res Lett, 34: L18807, doi: /2007GL Li Q, Zhang R H, Wang Y Interannual variation of the wintertime fog-haze days across central and eastern China and its relation with East Asian winter monsoon. Int J Climatol, doi: /joc.4350 Li W J, Shao L Y Transmission electron microscopy study of aerosol particles from the brown hazes in northern China. J Geophys Res, 114: D09302, doi: /2008JD Li Z Q, Chen H, Cribb M, Dickerson R, Holben B, Li C, Lu D, Luo Y, Maring H, Shi G, Tsay S C, Wang P, Wang Y, Xia X, Zheng Y, Yuan T, Zhao F. 2007a. Preface to special section on East Asian Study of Tropospheric Aerosols: An International Regional Experiment (EAST-AIRE). J Geophys Res, 112: D22S00, doi: /2007JD Li Z Q, Niu F, Lee K H, Xin J Y, Hao W M, Nordgren B, Wang Y S, Wang P C. 2007b. Validation and understanding of Moderate Resolution Imaging Specteroradiometer aerosol products (C5) using ground-based measurements from the handheld Sun photometer network in China. J Geophys Res, 112: D22S07, doi: /2007JD Li Z Q, Zhao X P, Kahn R, Mishchenko M, Remer L, Lee K H, Wang M, Laszlo I, Nakajima T, Maring H Uncertainties in satellite remote sensing of aerosols and impact on monitoring its long-term trend: A review and perspective. Ann Geophys, 27: 1 16 Li Z Q, Lee K H, Wang Y S, Xin J Y, Hao W M First observation-based estimates of cloud-free aerosol radiative forcing across China. J Geophys Res, 115: D00K18, doi: /2009JD Li Z Q, Niu F, Fan J W, Liu Y G, Rosenfeld D, Ding Y N. 2011a. The long-term impacts of aerosols on the vertical development of clouds and precipitation. Nat Geosci, 4: Li Z Q, Li C, Chen H, Tsay S C, Holben B, Huang J, Li B, Maring H, Qian Y, Shi G, Xia X, Yin Y, Zheng Y, Zhuang G. 2011b. East Asian Studies of Tropospheric Aerosols and their Impact on Regional Climate (EAST-AIRC): An overview. J Geophys Res, 116: D00K34, doi: /2010JD Lin J C, Matsui T, Pielke R A, Kummerow C Effects of biomass-burning-derived aerosols on precipitation and clouds in the Amazon Basin: A satellite-based empirical study. J Geophys Res, 111: D19204 Liu X D, Yan L B, Yang P, Yin Z Y, North G R Influence of Indian summer monsoon on aerosol loading in East Asia. J Appl Meteor Climat, 50: Luo Y F, Lu D R, Zhou X J, Li W L, He Q Characteristics of the spatial distribution and yearly variation of aerosol optical depth over China in last 30 years. J Geophys Res, 106: Luo Y X, Zheng X B, Zhao T L, Chen J A climatology of aerosol optical depth over China from recent 10 years of MODIS remote sensing 1624

17 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 data. Int J Climatol, 34: Ma J Z, Xu X B, Zhao C S, Yan P A review of atmospheric chemistry research in China: Photochemical smog, haze pollution, and gas-aerosol interactions. Adv Atmos Sci, 29: Meehl G A, Arblaster J M, Collins W D Effects of black carbon aerosols on the Indian monsoon. J Clim, 21: Menon S, Hansen J E, Nazarenko L, Luo Y F Climate effects of black carbon aerosols in China and India. Science, 297: Myhre G, Shindell D, Bréon F M, Collins W, Fuglestvedt J, Huang J P, Koch D, Lamarque J F, Lee D, Mendoza B, Nakajima T, Robock A, Stephens G, Takemura T, Zhang H Anthropogenic and natural radiative forcing. In: Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al., eds. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press Niu F, Li Z Q, Li C, Lee K H, Wang M Y Increase of wintertime fog in China: Potential impacts of weakening of the Eastern Asian monsoon circulation and increasing aerosol loading. J Geophys Res, 115: D00k20, doi: /2009JD Niu F, Li Z Q Systematic variations of cloud top temperature and precipitation rate with aerosols over the global tropics. Atmos Chem Phys, 12: Qian Y, Wang W G, Leung L R, Kaiser D P Variability of solar radiation under cloud-free skies in China: The role of aerosols. Geophys Res Lett, 34: L12804, doi: /2006GL Qian Y, Gong D Y, Fan J W, Leung L R, Bennartz R, Chen D L, Wang W G Heavy pollution suppresses light rain in China: Observations and modeling. J Geophys Res, 114: D00K02, doi: /2008JD Ramanathan V C P J, Crutzen P J, Kiehl J T, Rosenfeld D Aerosols, climate, and the hydrological cycle. Science, 294: Rosenfeld D Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution. Science, 287: Rosenfeld D, Lohmann U, Raga G B, O Dowd C D, Kulmala M, Fuzzi S, Reissell A, Andreae M O Flood or drought: How do aerosols affect precipitation? Science, 321: Shi G Y, Hayasaka T, Ohmura A, Chen Z H, Wang B, Zhao J Q, Che H Z, Xu L Data quality assessment and the long-term trend of ground solar radiation in China. J Appl Meteorol, 47: Shi Y J, Ge M F, Wang W G Hygroscopicity of internally mixed aerosol particles containing benzoic acid and inorganic salts. Atmos Environ, 60: 9 17 Shindell D T, Lamarque J F, Schulz M, Flanner M, Jiao C, Chin M, Young P J, Lee Y H, Rotstayn L, Mahowald N, Milly G, Faluvegi G, Balkanski Y, Collins W J, Conley A J, Dalsoren S, Easter R, Ghan S, Horowitz L, Liu X, Myhre G, Nagashima T, Naik V, Rumbold S T, Skeie T, Sudo K, Szopa S, Takemura T, Voulgarakis A, Yoon J H, Lo F Radiative forcing in the ACCMIP historical and future climate simulations. Atmos Chem Phys, 13: Song F F, Zhou T J, Qian Y Responses of East Asian summer monsoon to natural and anthropogenic forcings in the latest 17 CMIP5 models. Geophys Res Lett, 41: Sun Y L, Jiang Q, Wang Z F, Fu P Q, Li J, Yang T, Yin Y Investigation of the sources and evolution processes of severe haze pollution in Beijing in January J Geophys Res, 119, doi: /2014JD Tao W K, Chen J P, Li Z Q, Wang C, Zhang C Impact of aerosols on convective clouds and precipitation. Rev Geophys, 50, doi: /2011RG Twomey S The influence of pollution on the shortwave albedo of clouds. J Atmos Sci, 34: Wang H J The weakening of Asian monsoon circulation after the end of 1970 s. Adv Atmos Sci, 18: Wang Y, Wan Q, Meng W, Liao F, Tan H, Zhang R Long-term impacts of aerosols on precipitation and lightning over the Pearl River Delta megacity area in China. Atmos Chem Phys, 11: Wang Y, Fan J W, Zhang R Y, Leung L R, Franklin C. 2013a. Improving bulk microphysics parameterizations in simulations of aerosol effects. J Geophys Res, 118: Wang Y, Khalizov A, Levy M, Zhang R Y. 2013b. New Directions: Light absorbing aerosols and their atmospheric impacts. Atmos Environ, 81: Wang Y, Zhang R Y, Saravanan R. 2014a. Asian pollution climatically modulates mid-latitude cyclones following hierarchical modelling and observational analysis. Nat Commun, 5: 3098, doi: /ncomms4098 Wang Y, Wang M H, Zhang R Y, Ghan S J, Lin Y, Hu J X, Pan B W, Levy M, Jiang J H, Molina M J. 2014b. Assessing the impacts of anthropogenic aerosols on Pacific storm track using a multi-scale global climate model. Proc Natl Acad Sci USA, 111: , doi: /pnas Wu G X, Guan Y, Liu Y M, Yan J H, Mao J Y Air-sea interaction and formation of the Asian summer monsoon onset vortex over the Bay 1625

18 吴 国 雄 等 : 气 溶 胶 与 东 亚 季 风 相 互 影 响 的 研 究 进 展 of Bengal. Clim Dyn, 38: Xia X A, Chen H B, Philippe G, Zong X M, Zhang W X, Wang P C Climatological aspects of aerosol optical properties in North China Plain based on ground and satellite remote-sensing data. J Quant Spectrosc Ra, 127: Xin J Y, Wang Y S, Li Z Q, Wang P C, Hao W M, Nordgren B L, Wang S G, Liu G R, Wang L L, Wen T X, Sun Y, Hu B Aerosol optical depth (AOD) and Angstrom exponent of aerosols observed by the Chinese Sun Hazemeter Network from August 2004 to September J Geophys Res, 112, doi: /2006JD Yan L B, Liu X D, Yang P, Yin Z, North G R Study of the impact of summer monsoon circulation on spatial distribution of aerosols in east Asia based on numerical simulations. J Appl Meteor Climat, 50: Yang X, Ferrat M, Li Z Q. 2013a. New evidence of orographic precipitation suppression by aerosols in central China. Meteor Atmos Phys, 119: Yang X, Yao Z Y, Li Z Q, Fan T Y. 2013b. Heavy air pollution suppresses summer thunderstorms in central China. J Atmos Sol-Terr Phy, 95-96: Yang X, Li Z Q Increases in thunderstorm activity and relationships with air pollution in southeast China. J Geophys Res, 119: Yu R C, Wang B, Zhou T J Tropospheric cooling and summer monsoon weakening trend over East Asia. Geophys Res Lett, 31: L22212, doi: /2004GL Yu R C, Zhou T J Seasonality and three dimensional structure of the interdecadal change in East Asian monsoon. J Clim, 20: Zhang H, Wang Z L, Guo P W A modeling study of the effects of direct radiative forcing due to carbonaceous aerosol on the climate in East Asia. Adv Atmos Sci, 26: Zhang H, Wang Z L, Wang Z Z, Liu Q X, Gong S L, Zhang X Y, Shen Z P, Lu P, Wei X D, Che H Z, Li L Simulation of direct radiative forcing of aerosols and their effects on east Asian climate using an interactive AGCM-aerosol coupled system. Clim Dyn, 38: Zhang L, Liao H, Li J P. 2010a. Impacts of Asian summer monsoon on seasonal and interannual variations of aerosols over eastern China. J Geophys Res, 115: D00K05, doi: /2009JD Zhang L, Liao H, Li J P. 2010b. Impact of the southeast Asian summer monsoon strength on the outflow of aerosols from South Asia. Ann Geophys, 28: Zhang L, Henze D K, Grell G A, Carmichael G R Assessment of the sources, distribution and climate impacts of black carbon aerosol over Asia using GEOS-Chem and WRF-Chem AGU Fall Meeting Abstracts. San Francisso: AGU Fall Meeting Zhang Q, Streets D G, Carmichael G R, He K B, Huo H, Kannari A, Klimont Z, Park I S, Reddy S, Fu J S, Chen D, Duan L, Lei Y, Wang L T, Yao Z L Asian emissions in 2006 for the NASA INTEX-B mission. Atmos Chem Phys, 9: Zhang R Y, Suh I, Zhao J, Zhang D, Fortner E C, Tie X X, Molina L T, Molina M J Atmospheric new particle formation enhanced by organic acids. Science, 304: Zhang R Y, Li G H, Fan J W, Wu D L, Molina M J Intensification of Pacific storm track linked to Asian pollution. Proc Natl Acad Sci USA, 104: Zhang R Y, Khalizov A F, Pagels J, Zhang D, Xue H X, McMurry P H Variability in morphology, hygroscopic and optical properties of soot aerosols during internal mixing in the atmosphere. Proc Natl Acad Sci USA, 105: Zhang R Y Getting to the critical nucleus of aerosol formation. Science, 328: Zhang R Y, Khalizov A, Wang L, Hu M, Xu W Nucleation and growth of nanoparticles in the atmosphere. Chem Rev, 112: Zhang X Y, Arimoto R, An Z S, Chen T, Zhang G Y, Zhu G H, Wang X F Atmospheric trace elements over source regions for Chinese dust: Concentrations, sources and atmospheric deposition on the Loess Plateau. Atmos Environ, 27: Zhang X Y, Arimoto R, An Z S Dust emission from Chinese desert sources linked to variations in atmospheric circulation. J Geophys Res, 102: Zhang X Y, Cao J J, Li L M, Arimoto R, Cheng Y, Huebert B, Wang D. 2002a. Characterization of atmospheric aerosol over Xian in the South Margin of the Loess Plateau, China. Atmos Environ, 36: Zhang X Y, Lu H Y, Arimoto R, Gong S L. 2002b. Atmospheric dust loadings and their relationship to rapid oscillations of the Asian winter monsoon climate: two 250-kyr loess records. Earth Planet Sci Lett, 202: Zhang X Y, Gong S L, Shen Z X, Mei F M, Xi X X, Liu L C, Zhou Z J, Wang D, Wang Y Q, Cheng Y Characterization of soil dust aerosol in China and itstransport/distribution during 2001 ACE-Asia. 1. Network Observations. J Geophys Res, 108: 4261, doi: / JD Zhang X Y, Wang Y Q, Zhang X C, Guo W, Gong S L. 2008a. Carbonaceous aerosol composition over various regions of China during J Geophys Res, 113: D14111, doi: /12007JD

19 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2015 年 第 45 卷 第 11 期 Zhang X Y, Wang Y Q, Zhang X C, Guo W, Niu T, Gong S L, Yin Y, Zhao P, Jin J L, Yu M. 2008b. Aerosol monitoring at multiple locations in China: Contributions of EC and dust to aerosol light absorption. Tellus Ser B-Chem Phys Meteorol, 60: Zhang X Y, Wang Y Q, Niu T, Zhang X C, Gong S L, Zhang Y M, Sun J Y Atmospheric aerosol compositions in China: Spatial/temporal variability, chemical signature, regional haze distribution and comparisons with global aerosols. Atmos Chem Phys, 11: Zhang Y H, Hu M, Zhong L J, Wiedensohler A, Liu S C, Andreae M O, Wang W, Fan S J Regional integrated experiments on air quality over Pearl River Delta 2004 (PRIDE-PRD2004): Overview. Atmos Environ, 42: Zhao X J, Zhao P S, Xu J, Meng W, Pu W W, Dong F, He D, Shi Q F Analysis of a winter regional haze event and its formation mechanism in the North China Plain. Atmos Chem Phys, 13: Zheng G J, Duan F K, Su H, Ma Y L, Cheng Y, Zheng B, Zhang Q, Huang T, Kimoto T, Chang D, Pöschl U, Cheng Y F, He K B Exploring the severe winter haze in Beijing: The impact of synoptic weather, regional transport and heterogeneous reactions. Atmos Chem Phys, 15: Zhou T J, Yu R C, Li H M, Wang B Ocean forcing to changes in global monsoon precipitation over the recent half-century. J Clim, 21: Zhou T J, Gong D Y, Li J, Li B. 2009a. Detecting and understanding the multi-decadal variability of the East Asian Summer Monsoon? Recent progress and state of affairs. Meteorol Z, 18: Zhou T J, Yu R C, Zhang J, Drange H, Cassou C, Deser C, Hodson D L R, Sanchez-Gomez E, Li J, Keenlyside N, Xin X G, Okumura Y. 2009b. Why the Western Pacific subtropical high has extended westward since the late 1970s. J Clim, 22: Zhou T J, Song F, Lin R, Chen X, Chen X The 2012 North China floods: Explaining an extreme rainfall event in the context of a long-term drying tendency [in Explaining Extreme Events of 2012 from a Climate Perspective ]. Bull Amer Meteor Soc, 94: S1 S74 Zhu J L, Liao H, Li J P Increases in aerosol concentrations over eastern China due to the decadal-scale weakening of the East Asian summer monsoon. Geophys Res Lett, 39: L09809, doi: /2012GL