人類活動所引起的大氣中溫室氣體及氣溶膠含量的增加是造成人類世氣候和環境顯著變化的重要強迫因子。黑碳氣溶膠作為大氣溶膠的重要組成成分，主要產生於化石燃料和生物質燃料燃燒過程。它可直接通過吸收可見光到紅外波段範圍內的太陽輻射加熱大氣，是除溫室氣體以外對引起全球變暖最大的貢獻者。近年來由於人口增長和經濟發展使得亞洲成為世界上黑碳排放的主要源區。觀測和模擬結果都表明黑碳氣溶膠對亞洲區域輻射收支、大氣環流和水循環有重要影響，但由於黑碳氣溶膠複雜的時空特性以及氣溶膠-輻射-雲之間的非線性相互作用，它對亞洲夏季風的影響還存在很大的不確定性，而且人們對其作用機理缺乏深入的認識和理解。
近日，中國科學院地球環境研究所副研究員解小寧等利用降水變化的驅動和響應模式比對計劃（PDRMIP）框架下的9個全球海-氣耦合模式試驗結果，研究了10倍黑碳氣溶膠和2倍CO2對亞洲夏季風和降水的影響，對比分析了黑碳與CO2含量增加引起的區域氣候環境效應的異同。PDRMIP多模式集成結果顯示：1、黑碳氣溶膠和CO2都可以顯著增加亞洲季風區夏季有效降水量，分別增加13.6%以及12.1%。但是，黑碳氣溶膠引起的有效降水量增加在不同模式間存在著更大差異 (圖1)。2、利用水汽收支分析顯示，黑碳氣溶膠引起的亞洲季風區有效降水量增加主要是加強的季風環流引起的動力項增加，而CO2引起的有效降水量增加則是增加的水汽相關的熱力項增加 (圖2a)。(3)從大氣環流角度，黑碳氣溶膠引起的大氣低層季風環流以及向上垂直風速都有著更加明顯的增加，同時伴隨著大氣高層西風急流軸顯著性北移(圖3)。而CO2引起季風環流以及西風急流軸的變化則不顯著。
黑碳氣溶膠及CO2引起亞洲夏季風變化的機制差異主要來源於不同強迫引起的溫度反饋(圖2b)。黑碳氣溶膠的增加直接加熱中緯度對流層上層大氣，增加高層南北海陸熱力梯度，加強季風系統動力環流。而CO2主要加熱赤道對流層上層大氣，使得高層海陸梯度明顯減小，抑制季風系統動力的發展。這種不同強迫下控制機制的差異，將有助於人們理解未來全球變暖以及人為汙染雙重影響下亞洲季風的變化。
該研究得到國家自然科學基金重大項目、中科院戰略性先導科技專項及中科院西部之光等項目資助，相關成果發表在Atmospheric Chemistry and Physics上。
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圖1. 人為黑碳氣溶膠和CO2引起亞洲夏季風有效降水量P-E的變化(單位：mm day-1)。(a, b) 亞洲季風區域即藍色實線區域內空間平均值以及多模式的平均值MMM；(c, d) 多模式平均有效降水變化的空間分布。
圖2. (a) 人為黑碳氣溶膠和CO2引起的水汽收支變化 q budget (mm day-1)，包括夏季有效降水量變化△P-E，熱力項△TH，動力項△DY，以及其餘項△Res。(b) 亞洲與海洋海陸南北梯度的變化 △MLOTG (攝氏度)。
圖3. (a, c, e) 人為黑碳氣溶膠和 (b, d, f)CO2引起的對流層低層以及高層的大氣環流變化，包括850 hPa風矢量(△UV)，500 hPa 垂直風速 (△Omega)，以及200 hPa的西風 (△U200)。
【來源：地球環境研究所】
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