中国人为硫酸盐气溶胶对美国中西部地区干旱的影响外文翻译资料

 2022-11-11 14:43:10

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中国人为硫酸盐气溶胶对美国中西部地区干旱的影响

Sang-Wook Yeh,Rokjin J.Park,Minjoong J.Kim,Jaein I.Jeongamp;Chang-Keun Song

在最近的几十年，美国的中西部发生的干旱严重影响了粮食生产、水供应、生态系统的健康和媒介传播疾病的传播。前人的研究表明太平洋自然海温强迫是美国降水偏少的主要驱动力。我们在这里证明了中国的气溶胶强迫能够改变东亚的区域水循环，从而可能通过太平洋上空的大气遥相关作用减少美国中西部的降水量。我们的模型试验表明，海温强迫和中国区域硫酸盐强迫的增加在调节美国中西部降水，特别是其长期变化方面起着类似的作用。结果表明，中国的区域空气质量法规对东亚和美国的水循环有重要的影响。

在过去的几十年，美国中西部经历了异常的低降水量（补充图S1A），并且干旱严重影响了该地区的经济。先前的研究表明，太平洋的自然海温强迫例如拉尼娜冷却和太平洋年代际震荡可能是造成美国雨量亏缺的原因。此外，其他结果也证明美国干湿的几十年与太平洋大气环流的变化有关，这也与全球海洋中的海温模式有关。而且，东亚和北美之间环流异常的反复遥相关模式意味着东亚存在导致美国持续干旱的其他因素。在这项研究中，我们尤其关注，东亚地区在过去几十年里区域气溶胶强迫的增加，这主要是由于中国人为排放量的增加所导致的，中国正经历着自2000年以来的最高增长率。

已知大气气溶胶通过直接吸收和散射太阳辐射来影响区域天气气象，这种现象称为气溶胶强迫。气溶胶强迫增加改变了区域水循环，例如中国在某些季节降水量的增加或减少。随后，中国的降水和环流变化可能会通过调节大气环流对下风区域产生一些影响。在这项研究中，我们探讨这种可能的关系，特别关注中国气溶胶强迫显著增加前后中国和美国中西部地区长期平均降水量的变化。

我们用月气候预测中心合并分析降水（CMAP）和美国国家环境预报中心（NCEP）/能源部（DOE）再分析资料Ⅱ（RA2）来研究观测到的全球环流模式变化与降水量变化趋势。我们还使用大气环流模型（AGCM）和全球三维大气化学模型（GEOS-Chem）中的硫酸盐气溶胶浓度，该模型由现代研究与应用回顾分析、美国国家航空航天局的同化气象学（MERRA NASA）驱动来探究自然海表温度强迫和人为气溶胶强迫的相对贡献。

图1（A）NCEP / DOE RA2在500 hPa下的位势高度异常与中国东南部（105°E-120°E，20°N-35°N）观测到的平均降水量的时间序列。 等高线间隔为1.5米/毫米/天。 矢量表示850 hPa的回归风。 （B）与（A）相同，但对于美国的回归降水异常，（B）中的单位是无量纲的。 等高线间隔为0.05。 （A）和（B）中的阴影表示高于90％置信水平的统计显著性。 网格分析和显示系统（GrADS，http：//cola.iges.org）用于创建图1中的地图和图。

图1是NCEP RA2北半球500hPa位势高度异常和850hPa风场异常以及美国CMAP降水异常的回归模式。两者都是通过对1985-2010年中国东南部（105°E-120°E，20°N-35°N）降水观测的时间序列进行回归而得到的。注意在计算回归系数前，我们除去图1中所有变量的趋势。回归后的位势高度异常显示出连接中国东南部和美国中西部夏季降水变化的带状拉长的大气遥相关模式（图1A）。发现在美国中西部存在异常高的水平面高度。值得注意的是，在MERRA再分析数据中也显示了类似的结果（补充图S2）。如图1所示，环流模式很可能与美国中西部降水量低于正常降水量有关。因此，中国东南部的异常降水与美国中西部的异常降水在年际尺度上通过太平洋大气遥相关而联系在一起，没有明显的趋势。要注意，中国东南部和美国中西部地区降水变性相关系数为-0.43，在90％置信水平下具有显著的统计学意义。

图2（A）1985 - 2010年CMAP观测的线性趋势。 阴影表示80％置信水平下的统计显着性。 轮廓间隔为0.03毫米/天/年。(B）1985-1994至2001-2010夏季降水量的差值。 阴影表示90％置信水平下的统计显着性。（C）CMAP数据集中夏季中国东南部（105°E-120°E，20°N-35°N）平均异常降水的时间序列。 图2B，C中的单位是mm /天。 GrADS（http://cola.iges.org）用于创建图2中的地图和绘图。

另外，CMAP观测得到的中国东南部地区1985-2010年夏季降水总量变化趋势明显（图2A）。虽然中国东南部地区线性降水趋势在80％的水平上不显著，但1985-1994至2001-2010年，中国东南部（东北部）夏季降水增加（减少）明显（图2B）。此外，还发现了美国中西部1985-2010年的降水呈负趋势（补充图S1B）。因此，我们认为美国中西部地区降水的减少与中国东南部降水的长期增长有关。换言之，中国东南部高于正常的降水（图2C）频繁发生与美国低于正常降水的频繁发生有关（图1B），导致美国近几十年来的平均降水量的减少。以往的研究表明，中国东南部过去几十年的降水量的增加可能与热带太平洋海温强迫有关。我们进一步探讨2001-2010年中国中部和东南部地区显著不同的人为硫酸盐气溶胶强迫的可能作用（见图3D）。

图3 GEOS-Chem模拟的硫酸盐气溶胶分布。（A）GEOS-Chem从1985年至2010年从地表模拟到1.4公里高度的硫酸盐气溶胶柱负荷的平均分布。（B）与（A）相同，但适用于北方夏季（6月至7月至8月）。（C）中国东南部（105°E—120°E、20°N°35°N、黑线）、中欧（45°E—55°E、10°N°30°N、绿色）和美国中东部（90°W-110°W，110°N - N°N，黄色）的硫酸盐气溶胶柱的时间序列（约1.4公里）。（D）1985年至2010年夏季中，中国中部和东南部平均异常硫酸盐气溶胶的时间序列。 GrADS（http://cola.iges.org）用于创建图3中的地图和图表。

图3A是模拟的硫酸盐气溶胶柱负荷的平均分布，它代表1985-2010年从地表到1.4公里的人为排放量。硫酸盐气溶胶主要存在于对流层低层；因此，从地面起的整体高度的变化对目前的结果几乎没有影响。硫酸盐气溶胶柱浓度在北半球中纬度地区的大陆较高。最高值出现在美国中东部、中欧和中国东部，在北半球夏季（6-7-8月）的平均硫酸盐负荷中也有类似的空间分布（图3B）。 然而，夏季的硫酸盐负荷的长期趋势是不同的。虽然美国中东部（90°W-70°W，30°N-45°N）和中欧（10°E-30°E，40°N-55°N）的硫酸盐负荷逐渐减少，但中国东南部的硫酸盐负荷在1985-2010年间有所增加（图3C、D）。特别是在过去的十年中，由于化石燃料使用的增加，中国在2000年初期出现了急剧的增长（图3D）。中国大气气溶胶强迫的急剧增加影响了地表温度、区域垂直运动和大气环流，并可能引起东南部降水的变化（见补充图S3和S4）。

为了进一步探讨硫酸盐气溶胶增加和海温强迫对中国东南部地区持续降水变化的影响，我们利用由CESM大气组分组成的CAM 5.1.1进行了三组集成模式实验（http://www.cesm.ucar.edu/models/cesm1.0/cam/）。 第一组包括1985-2010年，没有亚洲二氧化硫排放的全球历史海温的模型模拟（以下成为海温运行）。第二类包括模式运行，该模式以1985-2010年，有亚洲随时间变化的二氧化硫排放量的气候月平均海温为基准（以下称为二氧化硫运行）。最后，我们使用了1985-2010年，历史海温和亚洲随时间变化的二氧化硫排放量模型（以下称为海温-二氧化硫运行）。每组实验是用四个集合成员进行的，集合的平均值在本研究中给出。补充信息中详细解释了模式运行以及海温-二氧化硫运行期间，夏季大气环流及其相关降水变化的一些模拟（补充图S5、S6、S7）。通过直接比较三组结果，我们能够确定中国海温强迫和硫酸盐气溶胶强迫对中国东南部和美国中西部地区降水的变化有影响。

图4（A）在两个时期（即2001-2010减去1985-1994）间的SST运行中模拟的夏季降水量的差异。 等高线间隔为0.2毫米/天/年。 （B）与（A）相同，但用于SO2-运行。 （C）SO2运行期间夏季中国东南部平均异常降水的时间序列。 单位是毫米/天/年。 （D）图4D与图4C相同，是美国中西部（120°W-90°E，30°N-40°N）平均的异常降水。 GrADS（http://cola.iges.org）用于创建图4中的地图和图表。

图4A、B显示了两个时段（即2001-2010年至 1985-1994年）SST运行和二氧化硫运行中分别模拟的夏季降水的差异。中国东南部的SST运行（图4A）和二氧化硫运行（图4B）降水量都有所增加，但其具体结构与观测结果存在差异（见图2B）。例如，观测到的增加比两个模拟显示出更明显的纬向分布。尽管如此，模型结果普遍表明，海温强迫和硫酸盐气溶胶强迫是造成中国东南部两个时期降水变化的主要原因（见补充图S8）。我们特别强调，1985-1994年至2001-2010年，硫酸盐气溶胶的增加有助于中国东南部降水量的增加。也就是说，中国东南部气溶胶强迫的增加影响了二氧化硫运行沿子午方向的温度梯度（补充图S9A）。类似于观测中所示的动态过程，气溶胶引起的温度变化导致在中国东南部有次级环流的产生，并伴随急流减弱、上升运动（补充图S9B），导致降水增加。

中国东南部夏季降水异常平均的时间序列也显示了1990年代中期之前和2000年代初之后SO2运行的显著变化(图4C)。在2000年初以后，中国东南部经常出现异常降水，这让人想起了观测结果（图2C）。同时，中国东南部的降水变化通过SO2运行中的大气遥相关与北美上空降水变化有关。补充图S10A显示了北半球500hPa位势高度异常与SO2运行中中国东南部降水变化的回归模式。SO2运行中的大气遥相关结构与观测(图1A)不同，这可能是由于模型不能正确模拟与降水变化有关的大气环流。在大多数CMIP3和CMIP5模式中，在模拟降水变化和相关的大气环流方面也存在这样的模型缺陷。尽管如此，我们认为太平洋上的波列信号与中国东南部降水的大气遥相关有关。美国中西部地区发现了一个异常的高位势高度，这可能与美国中西部降水减少有关。因此，在二氧化硫运行的2000年代初以后，中国东南部地区高于正常降水的更频繁发生与美国中西部地区低于正常降水的频繁发生有关（图4D）。这导致2000年代初同一地区的平均降水量减少(另见图5C)。

图5 (A)美国1985~1994年和2001-2010年夏季降水量的差异。CMAP数据集在夏季1985—1994和2001—2010之间的差异（2001—2010减1985—1994）。（B），（C）与（A）相同，除了SST-运行SO2-运行，分别运行。 图5A-C中的单位是毫米/天。 GrADS（http://cola.iges.org）用于创建图5中的地图。

我们在SST运行中发现类似的响应，它再现了观察到的美国降雨量的减少（图5B），这与先前的研究一致，在一定程度上为2-4,20-22（补充图S11）。发现美国中西部地区的异常高位势高度与中国东南部降水变化引起的的大气遥相关有关（补充图S10B）。与SO2-run有一些相似之处和不同之处，这表明海温强迫和区域气溶胶强迫的不同作用（见补充信息）。注意，观察SST运行和SO2运行，在两个时期（2001-2010年减去1985-1994年）之间，美国中西部地区降水量的平均变化为-0.13毫米/天，-0.15毫米/天和-0.12毫米/天。因此，我们得出结论，中国硫酸盐气溶胶强迫的增加可能通过扰乱太平洋上空的大气遥相关而影响美国中西部的水文循环，这与海温强迫相当。这一结果具有重要意义，即人为气溶胶强迫的区域变化能够调节远离气溶胶源的区域上的水文循环。然而，还应该注意的是，气溶胶本身有可能在下游平流，并可能影响海温强迫，导致大气环流和降水的变化。由于在所有实验中都规定了边界海温强迫，因此在本研究中不考虑这种影响。

处理方法

模型数据 通过模拟全球化学传输模型（GEOS-Chem），NCAR CAM5（社区大气模型版5）模型和观测，诊断出中国硫酸盐气溶胶强迫的影响。使用MERRA NASA的同化气象数据，从1985 - 2010年的GEOS-Chem模拟中获得硫酸盐气溶胶浓度。 GEOS-Chem已在各地进行了广泛的气溶胶模拟评估，包括亚洲，在那里它可以再现真实的硫酸盐气溶胶强迫，这些强迫因不同的季节和年际时间尺度以及趋势而异。为了研究硫酸盐气溶胶增加对中国的影响，我们使用NCAR CAM5进行三次运行：观测到的SST运行和没有亚洲SO2排放的SST，SO2运行使用年度变化的SO2排放与气候SST， SST-SO2与观测到的SST以及亚洲不同的SO2排放一起运行。每个模型运行通过改变初始条件产生四个不同的集合。因此，我们在1985 - 2010年共进行了12次

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