夏季東亞地區AOD與地面太陽輻射變化的聯系及季風環流異常:季節趨勢影響

孫一,管兆勇,馬奮華,夏陽

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;2.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京210044)

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夏季東亞地區AOD與地面太陽輻射變化的聯系及季風環流異常:季節趨勢影響

孫一1,2,管兆勇1,2,馬奮華2,夏陽1,2

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;2.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京210044)

利用2000—2013年MODIS-Terra衛星產品提供的氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth,AOD)資料及NCEP/NCAR再分析資料集,使用奇異值分解(singular value decomposition,SVD)方法,分析了夏季東亞地區AOD與到達地面太陽輻射(downward solar radiation flux,DSRF)相聯系的主要模態,并分析了其與夏季風變化的關系。夏季多年平均的AOD分布顯示,在東亞地區存在兩個AOD大值區(>0.9),分別位于山東、河南、河北交界處附近以及蘇中部分地區。而在福建、臺灣及其附近洋面上,夏季AOD的值小于0.4。地面太陽輻射總體上呈現出由南往北遞增的分布。比較發現,AOD與地面太陽輻射的氣候分布較為相似。在保留季節趨勢的情況下,運用SVD方法對兩者進行分解,結果表明東亞地區AOD與地面太陽輻射表現出較好的正相關關系。由于相對于年際變化而言,季節趨勢是更為主要的部分,因而這種同相關系可歸因于季風活動的季節性進程。利用SVD1左場時間系數進行相關分析發現:6月(2013年除外),當中國東部氣溶膠AOD大而地面太陽輻射亦大時,在中國東南部以及日本島南部地區,由于氣流輻合增強和存在較強的上升運動,降水偏多,而由于副高位置偏南,使得中國中東部偏北地區水汽供應偏弱,降水偏少。由于地面凈太陽輻射增強,華北部分地區異常增暖。8月,大陸上空AOD為負(時間系數為負),地面太陽輻射減少,北方降水增多而南方降水減少,華北地區有一小范圍的異常降溫。上述結果表明北方氣溶膠明顯偏少時,云量增加,降水將增多,且輻射明顯減弱;說明夏季風的季節進程對氣溶膠、到達地面的太陽輻射變化等具有重要影響。

氣溶膠光學厚度;地面太陽輻射;夏季風;季節趨勢;東亞地區

0 引言

眾所周知,大氣氣溶膠具有顯著的環境效應和氣候效應。其不僅具有污染特性,同時,還與許多其他環境問題密切相關,如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發生等。因此,它對人體健康及大氣能見度有著不可忽視的影響(Park et al.,2003;Janssen et al.,2011;Langridge et al.,2012;劉曉舟等,2013;余永江等,2013)。而氣溶膠的氣候效應則表現為其能夠吸收、散射進入地球大氣的太陽能量,從而改變地氣能量平衡,調節大氣水循環(Ramanathan et al.,2001;Menon et al.,2002)。目前人們的認識是,氣溶膠的氣候效應對天氣氣候的影響仍存在著諸多的不確定性。

亞洲地區正在逐漸成為全球氣溶膠排放的高值區(Remer et al.,2008;鄧學良等,2010),這種可歸因于該地區現代化、城市化等人類活動的重大影響。由于亞洲地區的排放,意味著這一地區的氣溶膠氣候效應將更加突出。而亞洲地區的天氣氣候深受亞洲季風系統的影響,亞洲季風的異常與許多極端天氣氣候事件密切相關(徐淑英,1982),因此,圍繞氣溶膠與亞洲季風之間的關系展開的探索其已成為當前國際學術界的研究熱點之一。更好地理解氣溶膠與亞洲季風之間的關系將有助于人們明確亞洲地區氣溶膠的氣候效應,為季風活動預測提供新的理論依據。

在南亞地區,通過數值模式和觀測資料,諸多學者對南亞地區氣溶膠對印度季風爆發的時間、強度及其對氣溫、降水等產生的影響進行了大量的研究。使用固定海溫作為邊界條件的模式(Menon et al.,2002;Lau et al.,2006)與耦合模式(Ramanathan and Ramana,2005;Chung and Ramanathan,2006;Meehl et al.,2008)的模擬結果存在著一定的分歧。而Lau and Kim(2006)和Bollasina et al.(2008)運用觀測資料研究均表明,春季印度地區高濃度的吸收性氣溶膠使印度季風提前爆發,6、7月印度季風增強,降水增多。Bollasina et al.(2008)還指出5月氣溶膠較多會導致云量和降水的減少,從而導致地面短波輻射增加,地面增溫,這在氣溶膠對季風環流的影響中起到了重要的調節作用。人們也對季風環流對氣溶膠的時空分布影響進行了較為深入的探討(Corrigan et al.,2006;Rahul et al.,2008;Kiran et al.,2009)。

在東亞地區,人們亦嘗試對氣溶膠與季風兩者之間的關系作出解釋。在氣溶膠對季風和降水的影響方面,Menon et al.(2002)利用耦合了海溫的大氣環流模式GISS,對東亞地區吸收性氣溶膠對夏季風的影響進行了模擬,結果表明,中國近50 a來經常發生的“南澇北旱”可能與黑碳氣溶膠有關。孫家仁和劉煜(2008a,2008b)利用GCM CAM3.0模式離線耦合一個氣溶膠同化系統,模擬中國區域散射性氣溶膠及其與吸收性氣溶膠相結合分別對東亞季風產生的影響,結果表明兩種情況下東亞夏季風強度均有減弱。吉振明等(2010)利用區域氣候模式(RegCM3)模擬亞洲地區氣溶膠及其對中國區域氣候的影響,證實了氣溶膠會引起中國內陸地面氣溫降低、降水減少。Zhao et al.(2006)利用觀測降水資料、MODIS資料及氣象探測資料對中國中東部地區氣溶膠對夏季降水的影響進行了研究,結果表明,在過去的40 a里中國中東部地區降水減少與該地區很高的氣溶膠濃度存在相關。其次,在季風對氣溶膠的反作用方面,Bao et al.(2008)使用旋轉主分量方法研究發現東亞地區氣溶膠光學厚度分布和夏季風風場特征是緊密聯系的。Liu et al.(2011)基于觀測資料分析了兩個典型的強弱西南季風年下東亞地區氣溶膠光學厚度的特征,指出西南季風的強度是影響夏季東亞地區氣溶膠空間分布的主要因素。同時,一些模式研究的結果還指出,東亞夏季風的強弱能夠影響氣溶膠的分布、質量濃度及光學厚度(Zhang et al.,2010;Zhu et al.,2012)。

然而,對于東亞地區氣溶膠對季風環流和降水的影響的研究途徑多局限于數值模擬,一個明顯的問題就是不同模式的模擬結果還存在著一些分歧(Menon et al.,2002;孫家仁和劉煜2008a,2008b;吉振明等,2010)。此外,模式模擬常常側重于某一種或者某一類氣溶膠,這樣做的好處是可以區分不同種類氣溶膠分別造成的氣候效應。但是在實際情況下,各種類型的氣溶膠可能同時存在,此時考慮他們的綜合效應對于季風環流和降水的影響更具有現實意義和參考價值。而在季風環流對于氣溶膠的反作用方面,雖然Liu et al.(2011)已嘗試運用觀測資料做了典型個例的分析,但是這樣的結果還需要經過更長時間的實際觀測資料分析進一步證實。

因此,本文將依據東亞地區衛星觀測和再分析資料,運用多種統計分析方法,探討東亞地區氣溶膠與東亞夏季風異常之間的關系。

1 資料與方法

1.1 資料

采用的氣溶膠光學厚度AOD(aerosol optical depth)資料來源于MODIS-Terra衛星產品,對應波長為550 nm,水平分辨率為1°×1°。研究表明,由MODIS提供的AOD數據在東亞地區具有較高的可信度(董海鷹等,2007;Kim et al.,2007;Wang et al.,2007;Zhang and Sun,2010)。選取了GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水資料和CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水資料,水平分辨率均為2.5°×2.5°。還選用了NCEP/NCAR再分析資料集(Kalnay et al.,1996),所用變量包括:月平均的等壓面風場(u、v)、垂直速度(ω)、地面以上2 m處氣溫、近地面處的輻射通量。地面太陽輻射通量指到達近地面的太陽輻射通量,其為正值,當其異常為正時,表示到達地面的太陽輻射增加。地面以上2 m處氣溫及近地面處的輻射通量資料的緯向分辨率為1.875°,經向格點為高斯緯度,其余變量的水平分辨率均為2.5°×2.5°。時間取2000—2013年,夏季定義為6—8月。

1.2 方法

采用的方法主要包括奇異值分解(SVD,singular value decomposition)、相關分析等。需要說明的是,對于夏季,由于目前可獲得的AOD資料序列長度仍然較短,因而文中將6、7、8月均當作不同的樣本,而不采用傳統意義上的季節平均。這樣,14 a中共有42個月,可以構成相對較長的時間序列。需要注意的是,這樣的處理方式在分析年際變化時,6—8月間的季節變化趨勢和部分季節內變化也被部分考慮了進來。

圖1 2000—2013年東亞地區夏季AOD(a,b)和到達地面的太陽輻射通量(d,e;單位:W·m-2)的氣候平均(a,d)和標準差(b,e),以及針對6、7、8月各月分別在AOD(c)和到達地面的太陽輻射通量(f)中扣除該月氣候平均后而組成的包含6、7、8月逐月資料的時間序列的標準差的空間分布Fig.1 Distributions of (a,d)multi-year mean and (b,e)root-mean-square(RMS) values of (a,b)atmospheric optical depth(AOD) and (d,e)downward solar radiation flux(DSRF;W·m-2) at the earth surface in East Asia in summer(June-July-August) during 2000—2013,and RMS values of the time-series of monthly mean (c)AOD and (f)DSRF(W·m-2) after the multi-year mean values for each of June,July and August have been removed

2 AOD與地面的太陽輻射通量的氣候學特征

由MODIS衛星資料得到的夏季(JJA)AOD氣候平均(2000—2013年)顯示,存在兩個AOD大值區,分別位于(Ⅰ)山東、河南、河北交界處附近,(Ⅱ)蘇中部分地區,最大值為0.9(圖1a)。而在福建、臺灣及其附近洋面上,夏季AOD的值小于0.4。同時注意到,在AOD值較大的區域,其年際變化也較大,表明這些地區氣溶膠濃度隨時間變化最大;而在AOD值較小的區域,其方差也較小,即氣溶膠濃度隨時間波動小(圖1b)。因此,在AOD較大的地區,存在一些年份,氣溶膠濃度異常高;而在AOD較小的地區,AOD的年際變化較小,說明這些地區的夏季氣溶膠濃度常年較低,污染較小。

夏季,地面太陽輻射通量總體上呈現出由南往北遞增的分布(圖1d),而其年際變率也是南小北大(圖1f),這既與云量的分布有關,亦可能與氣溶膠影響有關。

注意到,扣除夏季的氣候平均值后的含有6、7、8三個樣本的時間序列的標準差布(圖1c、f)與圖1b和圖1e中所示存在一些差別,共可歸因為6—8月AOD和到達地面的太陽輻射通量的季節趨勢的存在。盡管存在這種差別,但AOD標準差的分布仍較相似,而地面太陽輻射通量標準差分布在中國東部則顯示其變化為南弱北強。

通過比較圖1a、d發現,東亞地區AOD與地面太陽輻射通量兩者存在相似的空間分布。

圖2 AOD(a;左場)和地面太陽輻射通量(b;右場)的SVD分析第一對異類相關型及其對應的標準化時間系數(c)(圖a、b中陰影區表示數值大于0.4;圖c中虛線對應左場、實線對應右場)Fig.2 (a)The left heterogeneous correlations of SVD1 for AOD,(b)the right heterogeneous correlations of SVD1 for DSRF(The values larger than 0.4 in (a) and (b) are shaded),and (c)the normalized time series of coefficients of left(dashed line) and right(solid line) components of SVD1

3 AOD與地面太陽輻射的關系:SVD分析的主要模態及季節趨勢

為了進一步探究東亞地區AOD與到達地面太陽輻射通量之間的關系,利用2000—2013年夏季(JJA)MODIS第三級氣溶膠光學厚度產品與NCEP/NCAR地面太陽輻射通量資料,采用SVD方法,以AOD為左場,地面太陽輻射通量為右場,對兩者進行分解。

SVD第一模態(SVD1)解釋協方差貢獻率達90.12%,左右場展開系數之間的相關為83%。通過蒙特卡洛模擬技術,SVD分析的第一模態通過了95%的顯著性檢驗。與其他模態相比,第一模態表現的AOD與地面太陽輻射通量之間的關系是最重要的。

SVD1的左右異類相關分布以及對應的標準化時間系數可見圖2。可以看出,東亞地區AOD相關分布大多為正異常(圖2a),其最大值為0.7,位于江蘇、安徽兩省中部地區。由此地區向南和向北均遞減,在兩廣地區沿海出現負異常。與AOD變化相關,東亞地區地面的太陽輻射通量均為正異常,總體上由北往南遞減,其相關系數最高為0.7,位于山東、河南、山西、河北交界處附近。但注意到,在西太平洋洋面上有小部分負相關區域。

對比圖2a、b,不難發現,在不濾除季節趨勢的情況下,夏季東亞地區AOD與地面太陽輻射通量存在著較好的正相關關系。由圖2c可知,當時間系數為正值時,總體上東亞地區氣溶膠AOD和地面太陽輻射通量均為正異常;反之亦然。這種同號變化的關系似乎與“陽傘效應”相悖。然而,注意到季節趨勢和月際變化的存在,使AOD與地面太陽輻射兩者的關系可能很大程度上受到夏季季風的季節進程和季節內振蕩的影響。時間系數所顯示的年際變化之外明顯的季節趨勢即說明了這一點。通過計算,得出季節趨勢的方差貢獻率為64.67%,表明相對年際變化而言,季節趨勢是更為主要的部分。也就是說,相對于AOD和地面太陽輻射兩者自身的相互影響,夏季風的季節進程對他們產生的作用更為突出。

那么影響的內在機制又是什么呢?一方面,6—8月東亞地區夏季降水較多,此時大氣層結由春至夏更易于不穩定,有利于氣溶膠的稀釋和擴散,加之雨水的濕清除作用,必然會導致AOD變小(管振宇等,2013)。另一方面,降水增多必然伴隨著云量的增加,因此會使地面太陽輻射通量減少。從而,夏季東亞地區AOD與地面太陽輻射表現出較好的同號變化關系。這與季節趨勢的作用密不可分。

4 東亞地區與AOD相聯系的夏季風異常

前述已經討論了夏季東亞地區AOD和地面太陽輻射兩者之間的關系,明確了季節趨勢影響。這里運用SVD1得到的左場的時間系數進行相關分析,以進一步了解夏季東亞地區與AOD相聯系的季風異常。

4.1 降水和云量

季風活動過程中擴散與輸送條件的變化、降水的濕清除作用和云量對太陽輻射的阻擋可部分解釋圖2a和圖2b中的變化。圖3提供了SVD1左場時間系數與2000—2013年夏季6、7、8三個月(JJA)降水量(GPCP和CMAP兩種資料)、500 hPa垂直速度場(ω)、總云量、水汽通量整層積分及其通量散度的相關系數分布。注意到除了在西太平洋上部分洋面外,其余地區由GPCP資料與CMAP資料的相關系數分布基本一致。

以30°N左右為界,降水場呈現了“南正北負”的相關分布型。即中國華北降水減少時,南方降水增加,其中降水正異常中心位于25°N左右的江南。由于圖2c顯示在8月SVD1的時間系數均為負,故此時對應了8月江南降水減少而華北降水異常增多。

在500 hPa等壓面上,ω場則呈“-+-”的帶狀分布,即中國南方存在上升運動,而在華北地區存在下沉運動。垂直運動與降水的異常分布有著較好的對應。云量的相關分布與由GPCP降水資料得到的相關分布較為一致,也就是說,在降水偏多的地區,云量也偏多;反之亦然。與SVD1對應,300～1 000 hPa水汽通量整層積分及水汽通量散度顯示,夏季西太平洋副熱帶高壓西側的西南氣流提供了良好的水汽輸送條件,在中國南方地區,水汽通量散度為負,水汽積聚,有利于降水的形成。而華北地區,水汽輸送較弱,不利于降水的形成。

進一步分析圖2、3可知,每年的6月(2013年除外),中國南方降水多而北方降水少,此時中國東部氣溶膠AOD大而地面太陽輻射亦大,在8月大陸上空AOD為負(時間系數為負),地面太陽輻射減少,北方降水增多而南方降水減少。這似乎表明北方氣溶膠明顯偏少時,云量將增加,降水將增多,且輻射明顯減弱。這種6月和8月出現的季節趨勢在AOD、輻射、降水上的變化同樣亦適用于年際變化。比如,2003、2007和2008年的6月,SVD1時間系數為正,正異常較大,此時的AOD、降水、輻射的空間分布與通常的6月的分布相同,只是這些年份發生異常的強度更強一些。又如,2000、2012和2013年的8月(圖2c)負異常較大,因而中國東部AOD顯著減少,地面太陽輻射也減弱。

圖3 SVD1左場時間系數與GPCP降水(a)、CMAP降水(b)、500 hPa的ω(c)、總云量(d)、以及水汽通量整層積分(箭矢)及其通量散度(等值線)(e)的相關分布(圖a—d中的紅色虛線包圍區域,表示降水、垂直速度和總云量通過0.05信度的顯著性檢驗;圖e中的灰色陰影表示水汽通量散度通過0.05信度的顯著性檢驗,粗箭矢表示水汽通量通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.3 Correlations of (a)GPCP precipitation,(b)CMAP precipitation,(c) ω at 500 hPa,and (d)total cloud amount with SVD1 left time series(Areas encircled with red dashed lines are for values significant at and above the 95% confidence level);Correlations of the vapor fluxes(arrows),which are integrated vertically from the earth surface up to 300 hPa,and their divergences(contours) with SVD1 left time series(Gray shadings and thick arrows are for values significant at and above the 95% confidence level)

4.2 環流特征

為了進一步探究東亞地區氣溶膠的分布與東亞季風的明確關系,用SVD1左場時間系數與2000—2013年夏季6、7、8月850 hPa風場和渦度場做了相關分析。

當SVD1時間系數為正時,850 hPa上南海和西太平洋上空出現了一個異常的反氣旋式環流(圖4)。由此負渦度區向北,可發現由我國廣西至日本島南部有一狹長的異常正渦度帶。這種由西南向東北的擾動結構類似于EAP型遙相關波列(Huang,1987)。由于這種異常環流,南風到達的緯度偏南,東亞夏季風偏弱。由此,在SVD1第一模態分布型下,時間系數為正時:在中國東南地區以及日本島南部,由于氣流輻合增強和較強的上升運動,降水明顯偏多。而由于副高位置偏南,使得我國中東部偏北地區水汽供應減弱,降水明顯減少。

4.3 地面熱量通量

大氣環流的直接能量來自于下墊面的加熱、水汽相變的潛熱加熱和大氣對輻射的少量吸收。此處給出了SVD1左場時間系數與地上2 m處溫度(圖5)、地面潛熱通量、地面感熱通量、地面凈太陽輻射通量、地面凈長波輻射通量(資料定義凈通量的方向向上。需要注意的是,地面凈太陽輻射通量正異常表明地面吸收的太陽輻射減少,負異常表明地面吸收的太陽輻射增多)的相關系數分布(圖6)。要說明的是,盡管NCEP資料集提供的這些參數均為模式輸出物理量,但同化資料仍可部分反映氣候變量的內在聯系(蔡佳熙等,2009)。

在中國南方(30°N以南)地上2 m處溫度存在大范圍的負異常,在河北、京津、山西地區存在著一個小范圍的正異常區(圖5),這與降水的異常分布(圖3a、b)是緊密聯系的。

通過分析地面熱量通量的異常分布可知,與SVD1相關,時間系數為正時,中國華北地區(30°N以北)地面凈太陽輻射通量為顯著的負異常,夏季華北地區地面吸收的太陽輻射增多,這可能是造成該地溫度異常偏高的重要原因之一。同時,地面凈長波輻射通量和感熱通量的正異常也有利于該地溫度的升高。

圖4 SVD1左場時間系數與850 hPa異常風場(箭矢)和異常渦度(等值線)的相關系數分布(灰色陰影表示渦度通過0.05信度的顯著性檢驗;粗箭矢表示風通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.4 Correlations of anomalous winds(arrows) and vorticities(contours) at 850 hPa with SVD1 left time series(Gray shadings and thick arrows are for anomalous values significant at and above the 95% confidence level)

圖5 SVD1左場時間系數與地面上2 m處溫度異常的相關系數分布(打點區域表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.5 Correlations of air temperature anomalies at 2 m above the earth surface with SVD1 left time series(The stippled areas are for values significant at and above 95% confidence level)

圖6 SVD1左場時間系數與潛熱加熱通量(a)、感熱加熱通量(b)、地面凈短波輻射通量(c)和地面凈長波輻射通量(d)異常的相關系數分布(通量方向向上為正;紅色虛線區域表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.6 Correlations of anomalous (a)latent heat flux,(b)sensible heat flux,(c)net surface solar radiation flux,and (d)net surface long-wave radiation flux with SVD1 left time series(Positive values are defined for upward fluxes from the earth surface into the atmosphere.Areas encircled by the red dashed lines are for values significant at and above the 95% confidence level)

根據前述結果知,每年的6月(除2013年外),中國降水南多北少,中國華北異常偏暖,此時中國東部氣溶膠AOD大而到達地面的太陽輻射亦大。在8月大陸上空AOD為負(時間系數為負),到達地面太陽輻射減少,北方降水增多,華北溫度偏低。

5 結論與討論

1)夏季,東亞地區存在兩個AOD大值區,分別位于(Ⅰ)山東、河南、河北交界處附近,(Ⅱ)蘇中部分地區,最大值為0.9。而在福建、臺灣及其附近洋面上,夏季AOD的值小于0.4。在AOD值較大的區域,其年際變化也較大。到達地面的太陽輻射通量總體上呈現出由南往北遞增的分布,其年際變化也是南小北大。比較發現AOD與地面太陽輻射通量具有相似的空間分布。

2)夏季東亞地區AOD與地面太陽輻射表現出較好的同號變化關系。相對年際變化而言,季節趨勢是更為主要的部分。東亞地區AOD和地面太陽輻射的同號變化關系受到夏季風的季節進程控制。東亞地區氣溶膠變化與夏季風環流關系密切。當我國中東部地區氣溶膠偏多,低緯度地區氣溶膠偏少時:(Ⅰ)南海及西太平洋熱帶地區850 hPa上維持異常反氣旋環流,而沿江所處緯度維持正渦度異常,使東亞夏季風異常偏弱;(Ⅱ)在中國東南部地區以及日本島南部,由于氣壓降低,氣流輻合增強和較強的上升運動,降水明顯偏多。而由于副高位置偏南,使得我國華北地區水汽供應減弱,降水明顯減少。(Ⅲ)在我國東南部地區,由于降水偏多,導致溫度偏低,此時在我國華北地區,由于降水偏少,云量偏少,溫度偏高。

3)每年的6月(2013年除外),中國南方降水多而北方降水少,此時中國東部氣溶膠AOD大而地面太陽輻射亦大,在8月大陸上空AOD為負(時間系數為負),地面太陽輻射減少,北方降水增多而南方降水減少。這似乎表明北方氣溶膠明顯偏少時,云量將增加,降水將增多,且到達地面的太陽輻射明顯減弱。

需要說明的是,這里的分析結果是基于時間序列中含有季節趨勢的情況下獲得的。對于完全的年際變化而言,擬將針對6、7、8月逐月均扣除相應的多年氣候平均值后進行分析,其結果將另文發表。

致謝:南京信息工程大學地球科學部大氣資料服務中心提供了資料服務:NCEP/NCAR再分析資料取自NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center(http://www.cdc.noaa.gov);文中圖形均使用GrADS軟件繪制。

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(責任編輯：張福穎)

Linkage between AOD and surface solar radiation variability in association with East Asian summer monsoon circulation changes:Role of seasonal trends

SUN Yi1,2,GUAN Zhao-yong1,2,MA Fen-hua2,XIA Yang1,2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China)

Based on aerosol optical depth(AOD) data derived from MODIS sensors onboard the Terra satellite and NCEP/NCAR reanalysis data set from 2000 to 2013,the principal modes,which show the linkage between AOD and near surface downward solar radiation flux(DSRF) in East Asia in summer,have been explored with the singular value decomposition(SVD) method.The principal mode of AOD is further examined in association with East Asian summer monsoon.The distribution of summer AOD averaged from 2000 to 2013 shows that there are two high value regions(>0.9) in East Asia.One is in the conjunction part of Shandong,Henan,and Hebei provinces,and another is in central part of Jiangsu province.However,the values in Fujian,Taiwan provinces and their nearby ocean surface are less than 0.4.The DSRF increases from south to north,just like the AOD distribution.By using SVD method,a positive correlation between AOD and DSRF has been found under the influence of seasonal trends.By calculating the variance contributions,this paper confirms that the seasonal trends are more important than interannual variability in determining the in phase variations of AOD and DSRF.Left time coefficients of the leading SVD mode(SVD1) have been used to conduct correlation analysis.Results suggest that,in June(except 2013),when both AOD and DSRF values are high in eastern China,the convergence and ascending motion will be stronger than normal from the southeast China to the south of Japan.As a result,summer precipitation will increase.This is due to a fact that the location of the western Pacific subtropical high in June extends southward,resulting in less precipitation in northern parts of eastern China eventually.An anomalous warmer area appears in North China due to the more net surface solar radiation flux.In August,when AOD anomalies are negative over the land,DSRF is also less than normal.August precipitation will be less(more) than normal in the south(north) of China,along with an anomalous cold area in North China.These changes imply that when the aerosols are less than normal in the northern part of East Asia,the total cloud amount is more than normal,and rain will increase,resulting in the decrease of DSRF there.All of these results indicate that the seasonal evolution of East Asian summer monsoon plays an important role in regulating the variabilities of AOD and DSRF.

aerosol optical depth(AOD);surface solar radiation;summer monsoon;seasonal trend;East Asia

2014-10-11；改回日期：2014-12-23

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2011CB403406);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

管兆勇,博士,教授,研究方向為氣候動力學,guanzy@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141011008.

1674-7097(2015)02-0165-10

P463.1

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141011008

孫一,管兆勇,馬奮華，等.2015.夏季東亞地區AOD與地面太陽輻射變化的聯系及季風環流異常:季節趨勢影響[J].大氣科學學報,38(2):165-174.

Sun Yi,Guan Zhao-yong,Ma Fen-hua,et al.2015.Linkage between AOD and surface solar radiation variability in association with East Asian summer monsoon circulation changes:Role of seasonal trends[J].Trans Atmos Sci,38(2):165-174.(in Chinese).