中国东部大气扩散条件的季节内变化及其未来预估和归因

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大气扩散条件在未来全球增暖场景下的变化对政府制定污染减排政策和公共健康都具有重要意义。在未来RCP8.5排放情景下,温室气体增加和气溶胶减排共同导致全球变暖,但当前研究多关注温室气体增加这一单一强迫因子对中国大气扩散条件的影响,对于气溶胶减排对大气扩散条件影响的研究较为缺乏。本研究基于三组气候模式集合试验:RCP8.5,RCP8.5_fixedaerosol(气溶胶排放固定在2005年,而温室气体排放遵循RCP8.5)和RCP8.5_fixed GHG(温室气体排放固定在2005年,而气溶胶排放遵循RCP8.5),研究了有利于重污染形成的大气扩散条件在RCP8.5未来排放情景下的变化,并进一步探究了气溶胶减排和温室气体增加对大气扩散条件变化的贡献。与以往研究不同的是,本文创新性地关注了中国东部反气旋的季节内变化特别是季节内9-29天低频时间尺度变化,并通过使用波活动通量(Wave Activity Flux:WAF)等中纬度动力学诊断方法研究了反气旋形成的动力学过程及其未来变化。研究发现华北平原污染事件的相对强度在未来情境下会增强,从2006-15年的150%增加到2090-99年的190%。合成分析结果表明污染事件的形成与500h Pa中国东部反气旋距平有关:500h Pa反气旋距平通常伴随着850h Pa南风异常以及东亚大槽的减弱,使得华北平原污染物不易清除。在RCP8.5未来情境下,更强并且持续时间更长的中国东部反气旋距平导致了污染事件强度的增加。通过使用WAF等研究方法,本文发现中国东部反气旋距平的形成和维持与上游季节内低频的波列辐合和中国东部局地斜压反馈有关:两列季节内低频(9-29天)波列分别沿着副热带急流和极锋急流(波导)汇聚于中国东部;海陆热力性质差异造成的背景斜压性使得正压波列辐合形成的反气旋在中国东部停留较长时间,阻滞天气形势得以持续。对于未来情景,季节内北方波列在巴伦支-喀拉海附近增强,北方波列辐合的增强引起了反气旋距平强度的增加;上游更强的波列在中国东部引发了更强的经向热输送,局地斜压正反馈加强,反气旋从背景流中获得更多的能量从而使其持续时间增加。归因结果表明,气溶胶减少引起的气候效应对巴伦支-喀拉海附近的波列和中国东部的反气旋变化起主导作用,而温室气体增加对其影响较小,这可能与气溶胶减排情境下欧洲东部临近巴伦支-喀拉海附近经向温度梯度增强、平均斜压性增强以及瞬变涡旋涡度输送有关:上游波列经过该地区会从背景流中得到能量对下游东亚地区产生影响。目前尚不清楚哪种类型的气溶胶减少(例如吸收或散射气溶胶)会加剧巴伦支-喀拉海附近的背景斜压性,这值得进一步研究。上述研究结果表明,未来气溶胶减排的气候效应会导致中国东部的大气扩散条件恶化,可能部分抵消了减排造成的强霾污染事件的减少。这对政府未来制定更完善的污染减排措施具有重要参考意义。本研究首次从中纬度动力学角度分析理解重污染事件的成因,这对未来大气环境、化学和动力的多学科交叉及未来污染治理均提供了新的研究思路。
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