中国内地和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究.pdf

蔺惠娟,李沐阳,庄炳亮,等.2023.中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究 J.大气科学,47(4):11131130.LINHuijuan,LIMuyang,ZHUANGBingliang,etal.2023.ClimateEffectsofBlackCarbonAerosolfromtheMainlandofChinaandIndiainEastAsiainWinterJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):11131130.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21163中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究蔺惠娟李沐阳庄炳亮陈慧敏魏雯高伊曼王体健李树陈璞珑南京大学大气科学学院,南京 210023摘要黑碳（BC）气溶胶（简称黑碳）对区域和全球气候变化具有重要影响。为了进一步认识亚洲地区黑碳的区域气候效应，本文使用新一代的区域气候化学模式 RegCM4，研究了来自印度和中国大陆的黑碳排放对东亚冬季气候的影响。结果表明：来自中国大陆和印度的黑碳排放可导致东亚地区黑碳的区域平均柱含量、大气顶和地表有效辐射强迫分别变化了+1.78mgm2、+1.98Wm2和2.17Wm2。中国大陆和印度黑碳对东亚气候的影响机制相同。印度黑碳对东亚冬季气候的影响主要通过对大气动力过程的调整来实现，由此造成的散射气溶胶浓度增加可导致该区域 850hPa 附近和地表气温降低，而中国大陆的黑碳还可直接影响东亚气候，其加热效应可导致该区域大部分地区 850hPa 附近的气层变暖。由于中国大陆黑碳在东亚地区占主导，其在影响东亚区域气候变化方面发挥着更重要的作用。总体而言，两地总的黑碳会造成 850hPa 高度附近云量减少和气温升高；地表日照时数减少，气温、感热通量和地表蒸发量下降；边界层高度降低和散射气溶胶的柱含量上升。研究结果还进一步反映了东亚冬季气候对不同排放黑碳的响应表现出了一定的非线性。关键词黑碳气溶胶中国大陆印度RegCM4 模式气候效应文章编号1006-9895(2023)04-1113-18中图分类号P40文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21163Climate Effects of Black Carbon Aerosol from the Mainland of Chinaand India in East Asia in WinterLINHuijuan,LIMuyang,ZHUANGBingliang,CHENHuimin,WEIWen,GAOYiman,WANGTijian,LIShu,andCHENPulongSchool of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210023AbstractAerosolscontainingblackcarbon(BC)haveasignificantimpactonregionalandglobalclimatechange.Thelatest version of the regional climate and chemistry model RegCM4 is used to explore the direct influence of BCemissionsfromIndiaandmainlandChinaonEastAsianclimateinwintertodeterminethedirectimpactofaerosolsinAsianregions.TheresultsdemonstratethatthetotalBCcolumnburden,aswellasthetopandbottomofatmosphericand收稿日期2021-08-30；网络预出版日期2022-02-24作者简介蔺惠娟，女，1996 年出生，硕士研究生，主要从事黑碳气溶胶气候效应方面研究。E-mail:通讯作者庄炳亮，E-mail:资助项目国家重点研究发展计划项目 2019YFA0606803，国家自然科学基金项目 42075099、41675143、42077192、41621005，中央高校基本科研业务费专项资金项目 0207-14380169Funded byNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(Grant2019YFA0606803),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants42075099,41675143,42077192,41621005),FundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(Grant0207-14380169)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023surfaceeffectiveradiativeforcing,are1.78mgm2,+1.98Wm2and2.17Wm2,respectively,inEastAsia.ThewaysinwhichthemechanismsoftheChinesemainlandandIndianBCaffectregionalclimatechangediffer.TheIndianBCwillhaveanimpactontheEastAsianwinterclimatebyalteringthedynamicprocessesoftheatmosphere,resultinginacoolingeffectatlowerlayerswithincreasingscatteringaerosolloadings.Incontrast,theBCfromthemainlandofChinacanhaveanimmediateimpactontheEastAsianclimate.Itssolarradiationabsorptioncanproduceawarmingeffectat850hPainmostpartsofEastAsia.Furthermore,becauseofitshigherloadingsinthisregion,BCfromthemainlandofChinamayhaveasignificantlylargerimpactonEastAsianwinterclimatechangesthanIndianBC.Ingeneral,theChinesemainlandandIndianBCswillreducecloudcoverandincreaseairtemperaturenear850hPa,aswellasinducedecreasesinsunshineduration,airtemperature,sensibleheatflux,andsurfaceevaporation.Asaresult,theboundarylayerheightfallsandscatteringaerosolloadingsrise.ThefindingsalsoindicatethatthedirectresponseoftheEastAsianwinterclimatetovariousBCemissionsisnonlinear.KeywordsBlackcarbonaerosol,China,India,RegCM4model,Climateeffects 1 引言黑碳气溶胶（简称黑碳）是悬浮在大气中的黑色碳质颗粒物，它是由含碳物质的不完全燃烧生成并排放到大气中的无定形碳颗粒物（Menonetal.,2002）。新生黑碳极少数溶于水，但由于表面的多孔隙等特殊结构，能够很好的吸附大气中的污染气体，并在其表面发生光氧化、光化学和非均相反应，生成可溶于水的盐。因此，新生黑碳在大气中停留一段时间后，具有亲水性，能够参与云的微物理过程。在光吸收特性上，黑碳具有从紫外到红外的宽广吸收波段，特别在短波波段，消光系数可达到10m2g1，单次散射反照率（SSA）一般小于 0.3，说明黑碳对太阳短波辐射有很强的吸收能力。基于黑碳上述的物理特性，导致其可通过多种途径影响区域或者全球气候变化，包括黑碳的直接效应（Forster et al.,2007）、第 一 和 第 二 间 接 效 应（Twomey,1974;Penneretal.,2001）、半直接效应（Chuang et al.,2002）和 冰 雪 反 照 率 效 应（RamanathanandCarmichael,2008）。此外，由于黑碳粒径尺度小，影响太阳辐射后可造成大气能见度的降低，并引起灰霾污染（ChameidesandBergin,2002）。此前的研究已表明，尽管与散射性气溶胶相比，黑碳的浓度要小一个数量级，但是黑碳能够强烈吸收太阳辐射，在气候变化中有着与散射气溶胶同样重要的作用（Bondetal.,2013;IPCC,2013b;Zhuangetal.,2014;Lietal.,2016a）。在大气层顶，黑碳可以通过吸收太阳短波辐射产生正的直接辐射强迫，加上黑碳在全球分布不均匀性，不同区域产生的直接辐射强迫的差距较大。多模式估算的全球平均黑碳直接辐射强迫为+0.71Wm2（Bondetal.,2013）。对北半球冬季和夏季而言，在对流层顶，黑碳气溶胶的全球辐射强迫的平均值分别为 0.085Wm2和0.155Wm2，在地面则分别为0.37Wm2和0.63W/m2（张华等,2008）。在晴空条件下，中国东部城市地区的黑碳直接辐射强迫约为+4.5Wm2，其中冬季白天大气顶辐射强迫约为+7.2Wm2（Zhuangetal.,2014）。中国平均直接辐射强迫大约为+1.22Wm2，其中冬季最强，在四川盆地可高达 811Wm2（Lietal.,2016a）。黑碳引起的辐射强迫会影响大气的热力结构和水循环，进而改变区域甚至全球的气候（Bollasinaetal.,2008;Zhuangetal.,2013）。一般来说，由于生物质和用于取暖的化石燃料的燃烧，秋、冬季是一年中黑碳含量最高的季节，特别是在冬季，黑碳会加重中国特大城市的颗粒物污染，造成极为恶劣的天气（Dingetal.,2016）。前人对冬季黑碳的影响研究主要集中在黑碳对空气污染事件的作用上，包括分析黑碳的来源和空间分布、演化特征，以及对污染个例的模拟等。黑碳与边界层的相互作用的研究表明了黑碳可通过改变大气稳定度，加剧大城市的雾霾污染水平（Dingetal.,2016;Lietal.,2017b;Louetal.,2019）。在黑碳与东亚冬季风的相互影响方面，发现了黑碳气溶胶不利于冬季风环流的发展，并在不同的季风强弱年表现出一定的差异（Maoetal.,2017;Zhuangetal.,2018;Louetal.,2019）。亚洲是黑碳气溶胶的主要排放区域，来自亚洲的黑碳甚至可以对欧洲和北极造成显著的影响（Liuetal.,2015）。在中国地区的观测表明，地表黑碳浓度年平均值在城市站点约为 11.2gm3，在农村站点约为 3.6gm3（Zhangetal.,2008）。模大气科学47卷1114ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47拟的中国近地层黑碳浓度具有明显的季节变化，在华北平原和四川盆地，冬季超过 9gm3，在夏季约为 15gm3（Lietal.,2016a）。印度全国黑碳排放量在亚洲国家中排名第二，黑碳浓度在其中也存在显著的空间和时间变化，在印度北部全年黑碳浓度都比较高，尤其在冬季，北部工业城市观测的黑碳浓度日均值介于 620gm3之间，在清晨甚至超过 50gm3（Tripathietal.,2005）。位于印度北部的印度恒河平原，污染极为严重，这里的黑碳对于该地区的气候产生了重大影响（Gautametal.,2011;Laletal.,2013）。关于中国大陆和印度地区黑碳对东亚气候的影响的认识还存在一定的不足，两地黑碳排放也具有不同的时空变化，引起的辐射强迫和相关的气候效应也可能不同，因此有必要针对两个地区的黑碳气溶胶，研究它们对东亚气候的不同影响。本文将使用新一代的区域气候化学模式 RegCM4，首先量化中国大陆和印度排放黑碳气溶胶引起的冬季东亚地区黑碳气溶胶浓度、辐射强迫等的大小及差异；在此基础上，进一步揭示来自这个两个地区的黑碳气溶胶影响东亚大气环境和气候变化的主要机理，并定量评估它们的不同影响。2 研究方法介绍区域气候模式（RegCM）是由意大利国际理论物理中心（AbdulSalamInternationalCenterforTheoreticalPhysics，简称 ICTP）开发，已被广泛用于东亚地区的气候变化研究之中，包括用它进行东亚地区气候变化、极端气候事件、及气溶胶效应等方面的模拟（QianandGiorgi,1999;Guetal.,2012）。比如，Zhuangetal.（2018）利用 RegCM4模拟黑碳气溶胶的增暖效应和东亚季风的相互作用，Zhuangetal.（2019）用它来研究夏季亚洲地区居民、工业、电力和交通运输排放的黑碳气溶胶的直接气候效应，以及 Chenetal.（2020）用它来模拟夏季中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚气候的影响。RegCM4 是一个流体静力学、可压缩的，采用 sigma-p 垂直坐标的气候模式，RegCM4 运行在Arakawa-B 网格上，其中风和热力学变量在水平上是交错的。其采用时间分割显式积分方案，首先将两种最快的重力模式从模式解中分离出来，然后用较小的时间步长进行积分。RegCM 的动力学核心本质上等同于 NCAR/宾夕法尼亚州立大学中尺度模式MM5 的流体静力学版本（Grelletal.,1994）。相比之前的版本，RegCM4 包含了新的地表、行星边界层和海气通量方案，以及混合对流和环形热带结构，并对原有的辐射传输和边界层方案进行了修改（Giorgietal.,2012）。在 RegCM3 中，气溶胶辐射强迫是基于气溶胶模块产生的三维场，只包含短波光谱的散射和吸收（Giorgietal.,2002），在RegCM4 中，增加了红外光谱的贡献。气溶胶的直接辐射效应由其特定的消光系数、单次散射反照率和不对称因子决定。RegCM4 中关于气溶胶直接效应的计算是基于 CCM3 辐射传输方案（Kiehletal.,1996），其中太阳光谱被分为19 个光谱区间，并且使用 delta-Eddington 近似（Josephetal.,1976）来计算太阳辐射通量。对于给定的类型和质量的气溶胶，可以在其中计算与波长相关的气溶胶光学厚度 i()，如含碳气溶胶的光学厚度可以根据以下公式进行计算（Kasten,1969）：i()=Mii(1RH)i，（1）其中，i 是四种气溶胶（亲水性黑碳和有机碳，疏水性黑碳和有机碳）的下标。对于疏水性含碳气溶胶，系数 i=0。对于亲水性黑碳和有机碳，系数i分别为 0.25 和 0.2。Mi是气溶胶 i 的质量，是波长，i是气溶胶 i 在波长为 时质量消光系数（单位：m2g1），RH 是相对湿度。对应硫酸盐气溶胶，其光学厚度由以下公式进行计算（KiehlandBriegleb,1993;Kiehletal.,2000）：i()=Mii,0ei,1+i,2/(RH+i,3)+i,4/(RH+i,5)，（2）为了估算气溶胶的间接效应，采用经验的参数化方案来计算云滴数浓度（Nc）、有效半径（reff）和从云水到雨水的自动转换率（P）。云滴数浓度由以下公式计算（GultepeandIsaac,1999）：Nc=162log10(Na)273(海洋)298log10(Na)595(陆地)，（3）其中，Na是亲水性气溶胶的数浓度，由下式表示：Na=jSjNj，（4）式中，Nj中的 j 可分别代表黑碳、有机碳、硫酸盐、海盐和硝酸盐气溶胶，Sj分别指气溶胶 j 的可溶部4期蔺惠娟等：中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究No.4LINHuijuanetal.ClimateEffectsofBlackCarbonAerosolfromtheMainlandofChinaandIndia.1115分。对于硫酸盐、海盐和硝酸盐气溶胶，S=1；对于化石燃料和生物质燃烧造成的黑碳气溶胶，S 分别为 0.6 和 0.8；对于有机碳气溶胶，S=0.8。云滴有效半径 reff可以根据下列公式进行计算（Martinetal.,1994）：reff=3L/(4wkNc)1/3，（5）其中，L 是云中液态水含量，w是水的密度，对于大陆和海洋云，k 分别设置为 0.67 和 0.8。对于给定的 Nc和 reff，云水的自动转换率可以表示为（ChenandCotton,1987;LiouandOu,1989;BoucherandLohmann,1995）P=CI,autq2I/W(qI/wNc)1/3H(reffrec)，（6）其中，CI,aut是为常数；是空气的密度；qI为云内液态水混合比（单位：kgkg1）；H(x)是海维赛函数；rec是自动转换开始的临界云滴半径。本文研究所模拟的主要区域如图 1 所示，模拟区域的中心点为（29.5N，106.0E），模式的分辨率为 60km60km，垂直范围从地表到 50hPa，共有 18 层。模拟采用的排放清单为清华大学（http:/www.meicmodel.org2019-10-01）发布的亚洲地区 2010 年人为污染物的排放清单（Lietal.,2017a）。2010 年全年中国黑碳排放量占亚洲地区的 50%，印度黑碳排放量占 29%。模拟过程中的初始和边界条件数据来自美国国家环境预报中心（NCEP）的再分析资料（NNPR2；http:/clima-dods.ictp.it/data/regcm4/NNRP2/2019-10-01），海 温资料来自美国国家海洋大气局（NOAA）最优插值海表温度数据集中的周平均海温数据（OISST；https:/psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html2019-10-01）。所有试验均使用同一套随时间变化的海温场资料，以排除海温对黑碳气候效应的影响。气溶胶的初始和边界条件来自全球化学传输模式的臭氧及相关化学示踪剂模式（MOZART）的气候态化学数据（Horowitzetal.,2003）。数值积分时间是从 1995 年 11 月至 2007 年 2 月，积分过程中固定使用 2010 年的排放清单，设定第一年的积分为预积分时间，本文仅分析冬季（12 月、1月和 2 月）的模拟结果。为分别分析来自中国大陆和印度地区的黑碳气溶胶对东亚冬季气候所造成的不同影响，并探究两地总黑碳对东亚冬季气候的综合影响，共开展了四次数值试验，具体如表 1 所示。本文还采用了双侧的独立样本 t 检验来对敏感性试验和控制试验的结果差异进行显著性检验，使用的数据为冬季季节平均数据，采取的计算公式如下所示：t=(X1X2)/(s21+s22)/n，（7）其中，n 为样本数目，X1、X2为样本平均数，S12、S22为样本方差，自由度 2n2。3 研究结果与讨论 3.1 黑碳气溶胶的浓度图 2a、b 和 c 分别显示了中国大陆地区、印度地区以及中国大陆和印度地区排放黑碳气溶胶的柱含量空间分布。对于中国大陆排放的黑碳，其柱含量的最大值位于四川盆地，超过了 8.0mgm2，其次位于京津冀地区以及中国中部地区，柱含量大多介于 3.26.4mgm2之间。印度黑碳主要分布在接近喜马拉雅山脉南侧的地区，大值区位于恒河平原地区，该地区柱含量可达 5.6mgm2。黑碳的空间分布与排放清单基本一致（图 1）。在输送过程的影响下（图 2b），印度排放的黑碳气溶胶也可图1冬季多年（19962006 年）的黑碳气溶胶排放空间分布，单位：mgm2d1Fig.1Spatial distributions of black carbon aerosol emissions overwinters(19962006),units:mgm2d1大气科学47卷1116ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47以在一定程度上影响东亚地区黑碳气溶胶柱含量的大小。为了分别研究不同区域内黑碳气溶胶的浓度大小，分别计算了中国华北地区（3045N，108120E）、华南地区（2030N，110120E）、西南地区（2535N，100110E）及整个东亚地区（2050N，100130E）的黑碳平均柱含量（表 2）。结果表明在中国大陆地区排放的黑碳对西南地区的浓度贡献最大，平均值达到了3.29mgm2，大约是东亚地区平均值的 2 倍。其次是中国华北地区，平均值达到了 2.93mgm2。即使是三个区域中最小的中国华南地区，柱浓度的平均值也达到了 2.02mgm2。三个地区的黑碳柱含量均高于东亚地区的平均值 1.60mgm2。相比较而言，印度地区排放的黑碳对中国大陆地区黑碳浓度的影响相对较小，在上述划定的三个区域中，印度黑碳对我国西南地区的影响较大，其平均柱含量为 0.32mgm2。3.2 黑碳气溶胶的加热率和有效辐射强迫黑碳对太阳短波辐射具有很强的吸收作用，从而可加热低层大气，造成近地面短波加热率的升高（Jacobson,2002）。在图 3 中也可以明显看出黑碳的浓度对短波加热率有着极为显著的影响，特别是在黑碳浓度的大值区域，短波加热率有明显的增加。在图 3a 中，中国大陆地区排放的黑碳造成了中国南部以及中南半岛大部分地区的短波加热率增加，特别是在中国四川盆地地区，短波加热率增大了 0.36Kd1以上。在图 3b 中，印度地区黑碳的排放同样显著升高了当地的短波加热率，特别是在恒河平原地区，短波加热率增大了 0.40Kd1以上。印度地区排放的黑碳对中国地区和东亚地区的短波加热率的影响较之中国排放的黑碳要小 1 个量级以上，其对东亚地区大气短波加热率的影响主要分布在中上层大气中。如表 2 所示，在中国大陆黑碳的影响下，短波加热率变化最为明显的区域是中国西南地区，区域平均值可达 0.15Kd1，大约是东亚图2冬季多年（19962006 年）（a）中国大陆黑碳排放、（b）印度黑碳排放以及（c）中国大陆和印度总的黑碳排放产生的黑碳柱含量（单位：mgm2）分布叠加控制试验的 780hPa 附近流场（黑色箭头，单位：ms1）Fig.2Blackcarboncolumnburden(units:mgm2)distributionsfrom(a)Chineseblackcarbonemissions,(b)Indianblackcarbonemissions,and(c)ChineseandIndianblackcarbonemissions,superimposedwindfields(blackarrows,units:ms1)near780hPafromcontroltrialsoverwinters(19962006)表 1 研究中的数值试验设置Table 1 The numerical experiment setup序号试验类型气候效应试验1控制试验考虑了整个模拟区域内黑碳的直接效应和散射气溶胶的直接和间接效应试验2敏感性试验同试验1，但将中国大陆黑碳气溶胶的排放设置为零试验3敏感性试验同试验1，但将印度黑碳气溶胶的排放设置为零试验4敏感性试验同试验1，但同时将中国大陆和印度黑碳气溶胶的排放设置为零4期蔺惠娟等：中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究No.4LINHuijuanetal.ClimateEffectsofBlackCarbonAerosolfromtheMainlandofChinaandIndia.1117地区短波加热率变化的 3 倍。其次是华南地区，变化的平均值为 0.08Kd1，变化相对较小的区域是华北地区，平均值为 0.06Kd1，较为接近其在东亚地区的平均值 0.05Kd1。相比较而言，印度地区的黑碳对我国大部分地区短波加热率的影响普遍较小，最大约为 0.01Kd1。黑碳气溶胶通过吸收太阳辐射改变了地气系统的辐射能量平衡，从而可引起大气顶和地表净辐射通量的变化。本文将讨论其对有效辐射强迫的影响，即在保持全球平均近地面气温不变或者部分地表状况不变的情况下（海温与海冰密度不变），允许大气温度、水汽、云等对大气顶净辐射通量的变化进图3（a）中国大陆、（b）印度黑碳以及（c）中国大陆和印度的黑碳所造成的 850hPa 附近冬季多年（19962006 年）短波加热率（单位：Kd1）变化。黑点部分表示通过 90%的 t 检验的显著区域Fig.3Changesinshortwaveradiationheatingrate(SWHR;units:Kd1)near850hPafor(a)Chineseblackcarbon,(b)Indianblackcarbon,and(c)ChineseandIndianblackcarbonoverwinters(19962006).TheblackdotsindicatetheStudentst-test90%confidencelevel表 2 中国华北（3045N，108120E）、华南（2030N，110120E）、西南（2535N，100110E）及东亚地区（2050N，100130E）黑碳气溶胶柱含量、短波加热率、大气顶有效辐射强迫、地表有效辐射强迫冬季多年（19962006）区域平均变化值Table 2 Regional winter mean changes in black carbon column burden,near-surface shortwave heating rates (SWHR),Effective radiative forcing at the top of the atmosphere (TOA)and at the surface (SRF)in northern China (3045N,108120E),southeastern China(2030N,110120E),southwestern China(2535N,100110E),East Asia(2050N,100130E)over winters(19962006)冬季区域平均变化值黑碳气溶胶柱含量/mgm2850hPa附近短波加热率/Kd1大气顶有效辐射强迫/Wm2地表有效辐射强迫/Wm2华北地区中国黑碳2.930.061.833.08印度黑碳0.180.041020.690.10中国和印度黑碳3.150.062.613.34华南地区中国黑碳2.020.082.522.61印度黑碳0.150.171020.430.21中国和印度黑碳2.240.092.683.27西南地区中国黑碳3.290.152.862.93印度黑碳0.320.561020.920.31中国和印度黑碳3.700.174.193.26东亚地区中国黑碳1.600.051.471.88印度黑碳0.150.151020.400.23中国和印度黑碳1.780.061.982.17大气科学47卷1118ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47行调整（IPCC,2013a）。从图 4 可以看出，黑碳引起了大气顶正的有效辐射强迫和地表面负的有效辐射强迫，总黑碳造成的冬季有效辐射强迫在中国西南地区和印度恒河平原地区最为显著。在图 4a、d 中，中国大陆地区排放的黑碳引起的大气顶正的有效辐射强迫和地表负的有效辐射强迫在中国西南地区最强，该地部分地区的地表强迫可以达到7.5Wm2。其次是中国中、东部大部分地区，地表强迫可达到5Wm2，大气顶的强迫可以达到+3.0Wm2。此外，中国大陆地区排放的黑碳同样会引起中南半岛、朝鲜半岛和日本及其附近海域相当强的正的大气顶有效辐射强迫和负的地表有效辐射强迫。在图 4b 中可以看出，虽然印度黑碳对中国地区黑碳浓度的影响较小，但通过输送过程到达中国地区的黑碳（图 2b）同样能够在大气顶产生一定的正的有效辐射强迫，在部分地区最大可超过+1Wm2。较之大气顶，印度黑碳引起的东亚地区地表有效辐射强迫以负的为主，但其影响相对较小。相比之下，印度黑碳在东亚地区产生的辐射强迫较之本地黑碳产生的辐射强迫弱很多。在表 2 的区域平均值统计中，发现受中国大陆和印度黑碳的共同影响，大气顶有效辐射强迫最强的区域是我国西南地区，区域平均值为+4.19Wm2，其中中国大陆黑碳的影响为+2.86Wm2，占其中的 68%以上，印度黑碳的影响为+0.92Wm2。其次是华南地区，区域平均值为+2.68Wm2，其中中国大陆黑碳的影响为+2.52Wm2，印度黑碳的影响为+0.43Wm2。大气顶有效辐射强迫相对较弱的图4（a、d）中国大陆、（b、e）印度以及（c、f）中国大陆和印度的黑碳气溶胶引起的冬季多年（19962006 年）大气顶（第一行）和地表（第二行）的有效辐射强迫（单位：Wm2）。黑点部分表示通过 90%的 t 检验的显著区域Fig.4Effectiveradiativeforcing(units:Wm2)atthetopoftheatmosphere(TOA,topline)andatthesurface(SRF,bottomline)byblackcarbonaerosols,including(a,d)Chineseblackcarbon,(b,e)Indianblackcarbon,and(c,f)ChineseandIndianblackcarbonoverwinters(19962006).TheblackdotsindicatetheStudentst-test90%confidencelevel4期蔺惠娟等：中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究No.4LINHuijuanetal.ClimateEffectsofBlackCarbonAerosolfromtheMainlandofChinaandIndia.1119区域是我国的华北地区，区域平均值为+2.61Wm2，其中中国大陆黑碳的影响为+1.83Wm2，占其中的 70%，印度黑碳的影响为+0.69Wm2。地表有效辐射强迫最明显的区域是华北地区，区域平均值为3.34Wm2，其中中国大陆黑碳的影响为3.08Wm2，占比 92%，印度黑碳的影响为0.10Wm2。其次是华南地区，区域平均值为3.27Wm2，其中中国大陆黑碳的影响为2.61Wm2，占比 80%，印度黑碳的影响为0.21Wm2。相对较小的区域是我国西南地区，区域平均值为3.26Wm2，其中中国大陆地区黑碳的影响为2.93Wm2，占其中的 90.0%，印度黑碳的影响为0.31Wm2。整体来看，无论在大气顶还是在地表，对东亚地区冬季有效辐射强迫的贡献，中国大陆地区的黑碳远大于印度的黑碳。前人已对东亚地区的黑碳辐射强迫做了很多的研究。在晴空条件下，不同研究的年平均直接辐射强迫变化较大，介于+0.32 和+1.46Wm2之间，主要差异来自排放清单的不确定性（Wuetal.,2008;Zhuangetal.,2013;Lietal.,2016b）。在晴空条件下，中国东部城市地区的吸收性气溶胶直接辐射强迫约为+4.5Wm2，其中冬季白天的辐射强迫约为+7.2Wm2（Zhuangetal.,2014）。中国地区平均的黑碳直接辐射强迫约为+1.22Wm2，其中冬季的四川盆地其辐射强迫值超过了 8Wm2（Lietal.,2016a）。冬季我国华南、华北和东亚地区大气顶的直接辐射强迫分别为+2.45、+1.52、+1.36Wm2，地表的分别为1.00、1.36、0.88Wm2（Zhuangetal.,2018）。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了 6.5Wm2和 5.8Wm2（廖礼等,2015）。总体而言，本研究的有效辐射强迫在量级上与之前的研究结果大体相符。3.3 黑碳气溶胶引起的区域气候效应3.3.1850hPa 云与气温的响应图 5 显示了不同地区黑碳气溶胶引起的冬季东亚地区 850hPa 附近气层云量的变化。由图可见，无论是哪个地区排放的黑碳气溶胶，都可引起东亚绝大部分地区 850hPa 附近的云量减少。在图 5a中，中国大陆地区排放的黑碳引起的东亚大部分地区 850hPa 附近云量的减少量约在 0.5%左右，然而在四川盆地地区，云量的减少量可达 1.5%以上。此外，中国大陆排放的黑碳也可引起长江三角洲地区 850hPa 附近云量增加，部分地区增加量可达1.0%。对比图 5a 中云量变化的空间分布和图 3a 中的短波加热率变化的空间分布图可见，云量的变化和短波加热率的变化在空间分布上具有较好的对应关系，表明中国大陆排放的黑碳气溶胶引起的东亚大部分地区云的减少可能很大程度上受黑碳气溶胶半直接效应的影响。此外，由黑碳气溶胶引起的大气动力过程的改变，导致长江流域以北至华北平原地区水汽含量下降（图 6a），也不利于云的形成，而在我国西南地区水汽增加，利于云的形成，从而可部分抵消该地区黑碳气溶胶半直接效应对云量减图5同图 3，但为 850hPa 附近冬季多年（19962006 年）云量的变化Fig.5SameasFig.3,butforchangesincloudfractionnear850hPaoverwinters(19962006)大气科学47卷1120ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47少的影响。而在长江三角洲，气流辐合（图 6a）利于该地区水汽的积累，对云量的影响可能超过了黑碳半直接效应的影响，从而使得该地区云量有所增加。图 5b 中显示，印度地区排放的黑碳引起我国华中、华南、华北部分地区 850hPa 附近云量的减少，减少量在 0.5%左右。同时引起中国云南、海南岛部分地区等 850hPa 附近云量的增加，最大增量可达到了 1.5%以上。由图 3 可知，印度排放的黑碳气溶胶对东亚地区的短波加热率贡献相对较小，其半直接效应并没有中国大陆排放的黑碳显著，因此该地区的云量变化更可能源于印度黑碳通过大气动力过程的调整导致东亚地区的水汽含量变化所致（如图 6b），东亚地区云量的变化与水汽含量的变化在空间上具有很好的对应关系。从表 3 的统计结果可见，中国大陆排放的黑碳气溶胶可造成我国华北、华南、西南、东亚地区850hPa 附近云量减少，其中变化量最大的是西南地区，区域平均云量减少了 0.79%，其次是华南地区，减少量为 0.31%，较小的是华北地区，减少量为 0.24%，这三个地区的减少量均大于东亚地区平均减少量 0.20%。印度黑碳会引起我国华北、西南、东亚地区 850hPa 附近云量的减少和华南地区850hPa 附近云量的增加。在中国和印度黑碳的共同作用下，四个区域的云量均以减少为主。黑碳气溶胶对低层大气气温的影响可见图 7。图 7a 中中国大陆排放的黑碳主要引起东亚绝大部分地区 850hPa 附近气温的升高，升高区域包括我国华南以及中国南部海域和中南半岛和孟加拉湾等地，升高的温度在 0.06K 左右。其还引起了四川盆地等地区 850hPa 附近气温的降低（约 0.03K 左右）。850hPa 附近气温的变化一方面与黑碳引起的短波加热率增大有关（图 3），短波加热率的增加利于该气层大气温度上升。然而黑碳气溶胶引起的近地表较强的冷却效应（图 4）、云量和气溶胶反馈引起的地表温度变化等也可在一定程度上向上影响近地层大气气温的响应。综合各种因素的影响，从冬季 850hPa