中国东部城市下垫面变化和人为气溶胶排放对东亚季风影响的数值模拟

发布时间：2020-06-01 18:54

【摘要】：本文使用美国NCAR大气环流模式Community Atmosphere Model(CAM5.1)研究中国东部城市下垫面变化和人为气溶胶排放对东亚季风的影响,评估模式控制试验对东亚地区夏季和冬季气温、降水、环流气候态的模拟情况,在此基础上分别探讨城市下垫面变化/人为气溶胶造成的夏季和冬季气温、降水、地表能量平衡的改变,并深入分析东亚季风变化的详细物理机制。通过不同初值的集合试验以及不同海表温度背景试验增强城市下垫面变化试验结果的可信度,并讨论中国东部城市下垫面变化影响季风的关键区,得到的主要结论如下:(1)通过对比有无城市下垫面的试验结果研究城市下垫面变化对东亚夏季气候的影响,模拟结果表明城市下垫面发展有利于中国夏季东部气温北增南减,降水呈现“南涝北旱”的差值分布。敏感性试验结果表明,中国东部城市群发展导致的拖曳作用减弱对流层低层的西南季风气流,南海辐合上升运动增强,并伴随着潜热、云量、降水的增加以及对流层高层异常辐散,导致其北30°N和50°N出现下沉差值气流,在云量减少、异常干绝热加热率增加以及南风差值气流的平流加热作用共同影响下,中国北方对流层大气出现中心位于蒙古的强大暖性高压异常,东亚西风急流减弱南移,东亚夏季风减弱。(2)基于有无人为气溶胶排放的试验结果研究人为气溶胶排放对东亚夏季气候的影响,模拟结果表明人为气溶胶排放增加带来中国东部地表和对流层气温降低,降水同样呈现“南涝北旱”空间分布。对比人为气溶胶的直接效应和云物理过程对地表气温和短波辐射的影响,北方大气主要受到气溶胶直接辐射效应影响,而南方大气同时受到直接辐射效应和大气环流调整所引发的云量变化的影响,导致地表气温异常中心偏南。分析环流变化的物理机制发现气溶胶辐射效应引起中国东部气温降低,空气在对流层低层堆积,中国东部海平面气压显著上升,导致东亚夏季风环流减弱。(3)利用有无城市下垫面的试验研究其对东亚冬季气候的影响,模拟结果表明城市下垫面发展会引发中国东部广大区域气温增加,同时中国东部降水显著增加,而西部降水变化不明显。分析城市下垫面变化影响冬季风的物理机制,发现中国东部城市群发展造成的增暖导致中国东部大陆和南海的海陆热力对比减小,青藏高原南部至中南半岛的地表平流加热率增加,青藏高原作为高空差值热源通过异常暖平流加热下游中国东部大气,30N°附近对流层位势高度增加,抑制北方冷空气南下,冬季风强度减弱。通过对比有无人为气溶胶的试验研究其对东亚冬季气候的影响,结果表明冬季中国东部绝大部分地区气温下降,而青藏高原南部和东部、蒙古高原气温上升明显。华西和华南地区降水减少,而中国东部降水变化不明显。分析人为气溶胶影响冬季环流的物理机制,发现黑碳气溶胶沉降到青藏高原积雪上之后,会导致青藏高原气温明显增加,配合对流层中层的差值环流形势加热下游大气。中国东部850 hPa以上对流层位势高度增加,不利于北方冷空气南下,东亚冬季风减弱。(4)使用不同初值的集合试验和不同海表温度背景试验研究中国东部城市下垫面变化对夏季风影响试验的不确定性,发现两组试验差值场同样表现出长江以北大部分地区气温增加、降水“南涝北旱”的空间分布。这些结论可增强城市下垫面变化试验结果的可信度。研究中国东部城市下垫面变化影响夏季风的关键区,发现30-40°N关键区城市下垫面变化试验气温、降水和环流的差值场和中国东部城市下垫面变化试验的差值场较为一致,说明30-40°N地区是中国东部城市下垫面变化影响东亚夏季风的关键区。
【图文】：

结构分布,陆面模式,子网格,结构分布

热量对大气的加热作用。逡逑图２．１陆面模式子网格城市单位的结构分布逡逑陆面模式网格由多种陆地单元组成以模拟陆地表面的空间不均一性（图２．１）。模式逡逑所需要的全球当前城市类型与结构属性数据集来自Ｊａｃｋｓｏｎｅｔａｌ．邋（２０１０）。城市类型分为逡逑４类：高建筑区、高密度区、中密度区、低密度区，反演自ＬａｎｄＳｃａｎ邋２００４。人口密度逡逑数据集来自人口普查、卫星观测的夜间灯光数据等（Ｄｏｂｓｏｎ邋ｅｔａｌ．，２０００）。逡逑模式给出了全球３３个地区４类城市类型热力（如：热容量、热传导率）、辐射（如：逡逑反照率、排放）、屋顶／墙面／路的形态学（如：建筑物高宽比、屋顶大小、平均建筑高度、逡逑建筑可透水表面的比例）属性（Ｊａｃｋｓｏｎ邋ｅｔａｌ．，２０１０）。参数化方案对屋顶、墙面（阴面、逡逑２３逡逑

示意图,陆面模式,峡谷,示意图

逡逑阳面）、地面（透水、不透水）陆气动量、热量、水汽交换进行合理的模拟（图２．２）。逡逑屋顼逡逑八逡逑．１逦Ｈ逡逑Ｓ＊阳面＊逦画墙Ｓｆ１逡逑逦逦逦逦逦邋Ｖ逡逑．邋二逡逑！ｒｉ＾）ｃｒｖｋ＞ｍ邋＂邋ｌ＾ｒｖｌｏ＾邋透水逡逑Ｃ邋棚邋ｊｗｉ邋Ｆｔｏｒ逡逑？逦Ｗ逦＞逡逑图２．２陆面模式中对城市峡谷的描述示意图逡逑２．３气溶胶参数化方案介绍逡逑ＣＡＭ５．１气溶胶参数化方案包含ＭＯＺＡＲＴ模块，这是一个对流层化学模块，涉及逡逑９８种气体，４０个光化学反应及１６３个气相化学反应（Ｅ＿0ｎｓ，２０１０）。ＭＯＺＡＲＴ采用逡逑的气溶胶分类方案，模拟硫酸盐、黑碳、一次有机碳、二次有机碳、硝酸盐的质量浓度，逡逑几种气溶胶均假设外部混合，，并有各自的物理参数设置。硫酸盐气溶胶由前体物与ｓｏ２逡逑的排放与氧化所产生，黑碳气溶胶与一次有机碳气溶胶则分为疏水与亲水的混合排放，逡逑模式中设置了这两种气溶胶由疏水向亲水的转化率，转化周期为１．６天。二次有机碳气逡逑溶胶的产生是气相化学过程，由甲苯等挥发性有机物氧化所决定。硝酸铵则是由氨气的逡逑排放所决定。逡逑凝结相包括气溶胶、云滴、水凝物、冰粒子
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P425.42

【相似文献】