中国和印度的黑碳气溶胶的气候效应

Science2002Vol297SurabiMenon等中国和印度黑碳气溶胶的气候效应最近几十年，有一种趋势，在中国南方洪水灾害增加而北方干旱增加。并且中国和印度在世界正在变暖的时候正在缓慢降温。我们使用了一个全球气候模型发现这些趋势可能是气溶胶的贡献。我们发现如果大气气溶胶中包换了大量吸收性的黑碳，那么降雨和温度在模型中的变化能够和那些观察到的结果作比较，同观测到的结果有一致性。吸收性的气溶胶加热空气，改变区域大气稳定和垂直运动，并且影响有显著区域气候效应的大尺度的环流和水文循环。中国正在遭受日益增长的沙尘暴威胁，一般归结于土地开垦、过度放牧和森林破坏。从北部中国来的漂浮的灰尘吸附着有毒的污染物，关系到中国、日本、韩国的公共健康，甚至部分气溶胶到达了美国。最近这些灰尘导致中国官方考虑花费数百万人民币在下一个十年中增加森林和绿化带来抵抗沙尘暴。这些措施也许会有部分效果。但是，我们认为观测到的增加的南方洪水和北部干旱的趋势，自从950A.D开似乎的降雨改变，也许有另一个不同寻常的解释：人为造成的吸收性气溶胶改变了区域大气循环并增加了气候改变。如果我们的解释是正确的，减少人为产生的黑碳气溶胶，不仅能让人类健康受益，还能减少洪水和干旱以及沙尘暴的威胁。相似的情况也可以推理到印度和相邻区域例如阿富汗，它们也有类似的问题。大气气溶胶，是细小的空气颗粒悬浮物，主要包括硫酸盐、硝酸盐、炭质（有机碳和黑碳）微粒、海盐和矿灰。黑碳（Blackcarbon）BC是特别需要注意的，因为它吸收阳光，加热空气，并且加剧全球变暖，和其他反射阳光导致全球冷却的气溶胶不同。BC的排放，是煤不完全燃烧、柴油发动机、生物质燃料和野外生物的燃烧导致，在中国和印度非常巨大因为低温房屋常常烧煤和生物质燃料。可以合理的预计认为的气溶胶可能导致中国和印度的气候变化，不仅因为吸收性的BC也因为反射性的气溶胶，例如硫酸盐，减少阳光到达地面所以造成地方性的降温。研究中国和印度数十年来的温度，和世界大多数地方不同，只有微小的变暖；并且在某些季节变得更冷，特别是夏天气溶胶效应最厉害的时候。气溶胶引起的气候效应十分复杂，因为气溶胶能直接影响云的特性，除此之外还影响辐射的特性。这里我们报道气溶胶在中国和印度区域的气候模拟。我们用的是GoddardInstituteForSpaceStudies（GISS）SI200012-layer气候模型，这个明星曾犹豫研究一些强迫全球气候变化的预计原因。Figure1显示了季节性自主的增加的气溶胶光深度Δτaer（0.55μm）被用于我们的气候模型试验。关于中国，我们用Δτaer（0.55μm）来等同于过去在1990年代测量过的τaer（0.75μm）。关于印度和印度洋，Δτaer在我们的试验中从化学搬运模型并吸收卫星测量法。结果辐射强迫在顶端大气和表面为约+6Wm-2和-17Wm-2，各自的，关于印度和印度洋，可以和预计值相比较。我们做两个首要的实验。实验A，我们增加Fig.1中的气溶胶的气溶胶反照率（SSA）=0.85，这是代表印度洋实验（IndianOceanExperimentINDOEX）和在中国的工业区域的量度。我们得出相对“黑”的气溶胶包括一定量的BC，剩下的基本上是硫酸盐。在实验B中，我们移出BC，这样SSA=1；这样气溶胶变“白”。在A和B中，海洋表面温度（seasurfacetemperatureSST），温室气体，和其他强迫力一起被固定在相同的值上作为控制运行，这样气溶胶是唯一的强迫因素。两个实验各运行120年。Figure2A显示模拟的夏天表面空气温度（TS）变化。气溶胶在SSA=0.85使得中国冷0.5到1K（到达地面辐射减少的结果）但是全球大部分地方变暖（因为BC加热了对流层）。因为长时间的模型运行，中国变冷和其他很多遥远的地方变暖是有高度关系的（＞99%），建立在Student’sttest（fig.S2)。在模拟中中国的50年来的变冷比观测到的冷却要大（Fig2B），这个时期是大多数气溶胶增长可能发生的时期。这个在预期中，因为这个模拟没有包括增加的温室气体的影响。中国和印度的BC吸收造成显著的变暖（＞0.5K）在西撒哈拉和西-中加拿大地区，尽管SST是不变的。因为气溶胶在中国和印度区域是不变的，那么这个这个距离上的变暖似乎因为变暖的中国和印度对流层空气，动态驱动到世界其他地方，那里的变暖的对流层可以减少对流和辐射散热表明的冷却。和观测结果一致，中南部美国不会发生这种变暖，那里观测到的变冷趋势被认为是热带太平洋变暖的驱动力。实验B，纯的硫酸盐气溶胶，导致全球变冷（Fig2A），如同预计的一样。但是中国变冷的程度比实验A的要小。这种不同是BC加热空气的结果，因此增加地方的对流，降水和表面冷却，我们接下来要举例说明。硫酸盐气溶胶在降低全球温度上效率比较低，当SST被固定的时候。反射性的气溶胶只有在反馈调剂起作用的情况下才有显著效果，例如海冰覆盖被考虑在内。Figure3显示模拟的夏天降雨的改变。气溶胶SSA=0.85强迫南方中国降雨的增长和印度还有阿富汗等Δτaer很大的地方。有一个宽的减少降水的带，在增加降水的南方，有一个稍弱的减少降雨的带在北方。较大的降雨改变，~0.5mm/dayor5cmfortheseason，是可以和观测到的近几十年来的趋势做比较的。相比之下，实验B中降水的改变很小，和观测结果想违背。进一步说，温室气体的模拟也同样影响气候模型，但是如果没有BC气溶胶吸收，将会强迫中国变暖，北方降水增多和南方降水减少，和所有观测相反。如果能够再现区域气候的模式，那么气候变化模拟就是有意义的。GISS模型复制了大规模的循环和亚洲季风的联系，例如西南季风从印度洋和南中国海带来水分给东部中国，上层西风带和青藏高原为中心的反气旋，强烈的南部高原东风带；但是其他模型中没有复制西太平洋的西北面风。同样的在大多数模型中，米有准确复制区域的降水模式和季节更替，但是这些不应该阻止模型产生有意义的大规模变化，相对工业污染严重的中国到遥远的全球区域。实验A和B中循环的改变是如此不同。A实验中屈服较强的高能级水平的青藏高原的从西向北和从东向南，对比B实验中气旋是弱的和西风朝向高原南方。我们没有真实情景的长期数据来表明长时间的去向来找出吸收性气溶胶A和白的气溶胶B间的区别。小小的BC为什么能扮演气候循环中如此重要的角色不仅仅是减少了地表的辐射更因为加热了空气并作用于温度梯度界面，蒸发、热对流，大气稳定，然后对流加强。对流的改变，反过来说，也改变了大尺度的环流。图FIG4阐释了东经90到130度之间温度的垂直变化刨面。增加气溶胶的区域有上升的趋势，对比南方增加的沉降和北方的减少。作为对我们实验的解释的核实，我们做了另外一个相关的实验。在实验C中，我们仅仅包括了BC的增加，这样，硫酸盐和其他气溶胶水平是受控的。实验C的结果和A相似，说明大量A中的Δτaer被排除，只有BC是导致这一结果的原因，也是C中Ts和降雨改变的原因（FIG4）另一个实验D被用来检查观测到的中国Ts和降水的改变，和中国附近海洋温度变化的相关性是否比气溶胶的改变的更大。在实验D中，SST和海冰异常被增加到了控制变量中来观测过去的50年来的变化的契合度。结果是中国的气候变化比实验A来的小，降水改变和温度改变和观测相反。在模拟晕的变化的时候和实验A有不一致的地方。当气溶胶增加的时候模型中云的覆盖增加。全球上云的覆盖应该是变少的，特别是空气变暖的区域，被认为是因为吸收性气溶胶的不完全直接效应影响全球的云量。我们无法验证的全球性的影响，因为在世界的其他地区和全球云量的信息的准确度有限，但是，我们可以比较在大的变化上和中国和印度洋的观测和模拟的区别。模拟上，实验A中中国的云量是增加的，这和实际上中国1951-1994年南方几乎云量没有变化北方减少了约1-3%的事实是相反的。观测长期的云量变化是很困难的，而昼夜TS变化的振幅可以指示出中国云量的增加。然而，可以表明出实验A中的云量增加是从来没有在最近几十年中出现过的。在印度洋上，我们模拟底层云的数量增加，这和1952-1996观测结果一致。这和信风积云如果考虑煤灰的影响在印度洋上减少是相反的。可以表明的是印度洋上增加的云可能和SST的增加有关，这将导致蒸发量的增加和BC加热效应的最低值。然而在我们的模型中，增加的云量是和气溶胶的垂直加热相关的，和中国的变化的情景相似。我们相信，我们的主要结论不依赖于不确定的自然性云的改变。为了测试这个假说，我们执行了实验E，和实验A有相同的气溶胶，但是云量是固定的。这个实验在总体质量上和A相当，但是变冷和降水增加超过了中国。我们得出结论，吸收性的气溶胶可以对区域性气候起有影响；我们认为过去几十年中中国的降水南多北少的趋势，可能和BC气溶胶的增加有关，尽管我们没有考虑土地利用和水资源政策也对观测到的干旱有贡献。报告没有显示出印度有大尺度的明显变化趋势，但是我们推测增加的黑碳气溶胶能够对北部例如阿富汗地区的气候有影响。我们明星的粗略和印度气溶胶数据的缺失使得难以弄出一个和中国一样的结果。黑碳气溶胶对区域性气候的影响，如果能被以后的研究确定的话，又多了一个理由来减少这种空气污染物。黑碳也能够促进全球变暖，煤灰气溶胶包含黑的和有机碳，是一种和空气污染紧密联系的致癌物质。关于这种气溶胶的特性对气候和健康的影响，需要更多的研究。但是有很多的证据说明黑碳气溶胶扮演了一个不光彩的角色。