来源于南亚、东亚地区和青藏高原局地排放的可吸收性气溶胶在青藏高原冰雪上的沉降,会有效地降低高原地表冰雪的反照率,引起局地显著的正辐射强迫(可吸收性气溶胶粒子的冰雪反馈效应)。由于该效应可以加速高原局部气候变暖并影响高原热源和热力结构,进而会调制东亚及南亚地区的夏季风环流系统及其水循环,因此,相关研究已成为亚洲气候环境变化领域的一个研究热点。

沙尘和黑炭等吸收性气溶胶可以沉降在积雪上,使积雪变脏,降低其反照率,同时吸热使雪表增暖,最终促进积雪融化从而改变区域能量分布影响气候,这种效应被称为“融雪剂”效应(snow-darkening
effect)。由于黑炭排放在人类活动中的重要地位,对吸收性气溶胶融雪剂效应的研究主要集中在黑炭上。已有研究(Qian
et al.,
2011)表明,由于黑炭在青藏高原上的沉积,其融雪剂效应导致高原积雪减少,高原热源加强,有利于印度夏季风爆发。但目前,沙尘的融雪剂效应对印度季风作用如何仍不得而知。事实上,沙尘作为自然源气溶胶,其在青藏高原上的沉降量要远大于黑炭。更重要的,在地质历史时期(如冰期-间冰期循环),沙尘被认为是左右气候变化的重要因子之一,其气候效应得到广泛关注。

最近,中国科学院地球环境研究所解小宁副研究员及其合作者,在国家重点研发计划项目“亚洲风尘循环的过程、机制和环境效应”(2016YFA0601900)支持下,利用耦合沙尘循环模块的公用全球气候模式CAM4-BAM,系统研究了青藏高原上沙尘冰雪反馈效应对亚洲内陆干旱气候和沙尘循环过程的影响,取得了一些新的进展。数值模拟结果显示,青藏高原上沙尘冰雪反馈效应可以有效地降低该地区地表反照率,引起高原地表感热通量和潜热通量显著增加,从而使得青藏高原热源增强。高原热源的增强能够导致中国西北地区干旱化加剧和西风环流加强,进而增强亚洲内陆沙尘的排放。因此,青藏高原上沙尘冰雪反馈效应会形成一个显著加强亚洲局地沙尘循环的正反馈效应,而该效应与局地沙尘直接辐射对亚洲沙尘循环的减弱作用完全相反。此外,该研究还讨论了末次冰盛期青藏高原的沙尘冰雪反馈效应,认为LGM时期高原地区范围更广的冰雪覆盖及更旺盛的沙尘循环,导致高原沙尘冰雪辐射强迫对亚洲沙尘循环的正反馈效应可能会更加显著。

鉴于此,中国科学院地球环境研究所石正国研究员及其合作者利用公用气候模式对沙尘融雪剂效应和直接辐射效应对印度夏季风的影响进行了评估,为与已有研究对比,黑炭的融雪剂和直接辐射效应也同样被考虑。模拟结果显示,同前人研究一致,黑炭的融雪剂效应可以增强青藏高原热源从而加强印度夏季风爆发。但对沙尘来说,情况更加复杂。虽然沙尘同黑炭类似,其在青藏高原西部的沉降也可以导致高原西部变暖,但印度夏季风爆发并没有增强。相反的,沙尘的融雪剂效应会显著削弱爆发阶段的印度夏季风环流和降水。这是由于沙尘同黑炭的空间分布不同,在春季的中亚内陆沙尘源区,不但存在大量沙尘沉降,同样也有广泛的积雪分布。因此,沙尘导致的变暖范围不仅涵盖青藏高原西部,还向西延伸至里海附近。变暖中心及范围的扩张显著调制了大气环流形式的响应,来自寒冷干旱中亚大陆的分支增强而来自暖湿印度洋的分支减弱,最终使得印度夏季风降水减少。

该研究成果详见:

对于直接辐射效应来说,沙尘和黑炭都可以增强印度夏季风系统,但二者的差异在于黑炭是通过其吸收性加热青藏高原地表从而增强印度季风,而沙尘则是通过使阿拉伯半岛变暖促进水汽向印度大陆的传输,有利于季风降水形成。同前人研究大都强调青藏高原热力变化在印度夏季风响应中的作用相比,本研究揭示了由沙尘气候效应引发的源区热力变化对季风响应的重要调制,表明吸收性气溶胶对季风的影响和亚洲大气热力变化之间的联系非常复杂,亟待后续工作深入认识。

1, Xie, X.N., X.D. Liu, H.Z. Che, X.X. Xie, H.L. Wang, J.D. Li, Z.G.
Shi, and Y.G. Liu, 2018a, Modeling East Asian dust and its radiative
feedbacks in CAM4-BAM, Journal of Geophysical Research–Atmospheres, 123,
1079–1096, .

该研究发表于杂志《Atmospheric Chemistry and Physics》上(Shi et al. 2019.
Snow-darkening versus direct radiative effects of mineral dust aerosol
on the Indian summer monsoon onset: role of temperature change over dust
sources. Atmos. Chem. Phys., 19,
1605-1622)。论文链接:

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