亞洲夏季風對偶極子型人為氣溶膠排放變化的響應特征與機理

邵志男，王海，鄭小童，韓子文，張晏銘

摘要：利用第六次耦合模式比較計劃中的兩組子試驗，結合線性斜壓模式模擬的結果，研究了近年來亞洲內部出現的東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化調控亞洲夏季風響應的特征及物理機制。對東亞夏季風而言，在考慮海洋-大氣耦合作用的氣候系統總響應中，東亞夏季風環流和降水顯著地加強；在不考慮海洋調控作用的大氣直接響應過程中，東亞人為氣溶膠排放減少導致的陸地升溫使得海陸溫差減弱，進而通過引起東亞陸地上的氣旋式環流異常加強了東亞夏季風環流和降水。對南亞夏季風而言，其在偶極子型人為氣溶膠強迫下呈現出更為復雜的變化特征。在大氣直接響應過程中，人為氣溶膠強迫引起的海陸熱力差異變化導致南亞夏季風環流減弱、降水減少。在考慮海洋-大氣耦合過程的總響應中，南亞夏季風環流表現出微弱增強，同時印度次大陸的南亞夏季風降水也出現增多的異常變化。這表明，局地和海洋-大氣動力耦合過程在區域氣候對人為氣溶膠強迫的響應中扮演著非常重要的角色。此外，通過線性斜壓模式發現，東亞和南亞局地的人為氣溶膠強迫導致的大氣加熱場異常不僅能影響局地的夏季風環流，還可以通過引起大范圍的表面氣壓異常進而調控整個亞洲夏季風環流的變化。

關鍵詞：亞洲夏季風；人為氣溶膠強迫；大氣直接響應；海洋-大氣相互作用；大氣環流

中圖分類號：P467；X513? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：2096-3599（2023）03-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.003

Response of Asian summer monsoon to the dipole pattern of anthropogenic aerosol forcing and its mechanism

SHAO Zhinan1，2， WANG Hai1，2， ZHENG Xiaotong1，2， HAN Ziwen1，2， ZHANG Yanming1，2

（1. Key Laboratory of Physical Oceanography of Ministry of Education， Ocean University of China， Qingdao 266100， China; 2. College of Oceanic and Atmospheric Sciences， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： This study uses two sets of experiments from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6， as well as the idealized results from the Linear Baroclinic Model experiments， to investigate the responses of Asian summer monsoon to the dipole pattern of anthropogenic aerosol forcing in Asia and their physical mechanisms. Since the 21st century， the anthropogenic aerosol emission over South Asia has kept its increasement， while it increases in the first decade and then rapidly decreases over East Asia， and this feature will continue in the future. In the coupled climate system considering both the direct atmospheric responses and the sea surface temperature mediated atmospheric responses， the East Asian summer monsoon （EASM） is strengthened by the intensified and westward shifted western Pacific subtropical high， and the precipitation is intensified as well. In the direct atmospheric responses without considering the coupled ocean-atmosphere interaction processes， the declined East Asian anthropogenic aerosol emissions weaken the land-sea thermal contrast by inducing an anomalous land warming due to their radiative effect， which also strengthens the EASM and precipitation by generating the cyclonic surface pressure anomaly in the East Asian land regions. For the South Asian summer monsoon （SASM）， it shows more complicated responses due to the dipole pattern of anthropogenic aerosol forcing， with weakened SASM and reduced precipitation in the direct atmospheric responses but a gently intensified SASM in the coupled responses with increased precipitation anomalies in the Indian sub-continent. This suggests the important role of the coupled ocean-atmosphere interaction processes in shaping the regional climate responses to anthropogenic aerosol forcing. In addition， by using the Linear Baroclinic Model experiments， it demonstrates that the atmospheric heating anomaly resulted from the anthropogenic aerosol emissions in East Asia and South Asia may not only lead to localized summer monsoon responses， but also can regulate the larger-scale summer monsoon circulation changes by causing the surface pressure anomalies remotely.

Keywords： Asian summer monsoon; anthropogenic aerosol forcing; direct atmospheric response; ocean-atmosphere interaction; atmospheric circulation

引言

自18世紀60年代第一次工業革命以來，化石燃料的大量燃燒向大氣中排放了大量的溫室氣體和氣溶膠，人類活動對地球氣候變化產生了重要的影響。聯合國政府間氣候變化委員會第六次評估報告指出：自工業革命以來（從1750到2019年），溫室氣體排放導致的地球氣候系統輻射強迫的變化約為3.32 W·m-2（3.03～3.61 W·m-2）；人為氣溶膠排放導致的地球氣候系統輻射強迫的變化約為-1.1 W·m-2（-1.7～-0.4 W·m-2），人為氣溶膠的冷效應抵消了約三分之一的溫室氣體暖效應[1]。總的來說，雖然工業革命以來人類活動導致的輻射強迫為正值，更多地體現了溫室氣體的暖效應，但這并不意味著人為氣溶膠的氣候效應不重要。聯合國政府間氣候變化委員會第六次評估報告中同時指出，人為氣溶膠強迫主導了人為要素驅動太陽輻射強迫變化的不確定性[1]。因此，研究人為氣溶膠強迫調控氣候變化的特征及其動力學機制是氣候變化歸因研究領域的重要科學問題，對理解氣候變化的機理、更好地預估未來氣候變化具有重要的理論和現實意義。

亞洲夏季風是亞洲氣候系統的重要組成部分，與東亞、南亞和東南亞總計約40億人口的生活休戚相關。亞洲夏季風系統包含東亞夏季風和南亞夏季風，它們之間既相互獨立、又相互作用[2-4]。東亞和南亞夏季風分別給中國南方（北方）和印度帶來全年40%～50%（60%～70%）和約80%的降水量[5-6]。氣候變化背景下亞洲夏季風的異常響應，很容易給這些區域帶來洪澇或是干旱災害，顯著地影響這些區域的農業以及經濟發展[7]。通過對臺站數據研究表明，1979年以來東亞夏季風環流呈現出減弱的變化趨勢，導致長江流域中下游降水量增加，而華北地區降水減少，表現出所謂的“南澇北旱”降水異常模態[8]。對于南亞地區而言，前人研究也發現，自20世紀50年代以來，觀測的印度北部夏季降水呈現出減少的長期變化趨勢，這也意味著與之相關的南亞夏季風呈現出減弱的變化趨勢[9]。前人研究表明，影響亞洲夏季風和降水異常變化有多種因素[10]，既可以歸因于氣候系統的自然變率，例如厄爾尼諾-南方濤動，太平洋年代際濤動/振蕩等[11-12]；又可以歸因于地球氣候系統外輻射強迫變化，例如溫室氣體強迫[13-14]，人為氣溶膠強迫[15]等。

與溫室氣體在大氣中混合均勻、留存時間長的特征不同，人類活動排放的氣溶膠主要聚集在排放源地附近，其在大氣中的留存時間很短。因此，人為氣溶膠導致的輻射強迫具有顯著的空間不均勻性，其對區域氣候變化的調控作用相較于溫室氣體更為重要[16]。前人從長期變化的角度，對人為氣溶膠強迫下亞洲夏季風的異常響應特征和機理有著深入的研究[15]。對于東亞地區而言，陸地上人類活動排放的氣溶膠會通過散射和反射作用使得陸地溫度降低，進而減小海陸溫差，引起東亞東部和南部地區以及毗鄰的西北太平洋出現顯著的偏北風和東北風異常，最終導致東亞夏季風環流減弱、降水減少[17-18]。也有研究表明，亞洲局地的人為氣溶膠排放可以通過冷卻地表進而增加大氣穩定性，抑制大氣對流活動，并減少對流凝結潛熱的釋放，使得亞洲上空對流層出現冷卻，并最終導致東亞夏季風減弱[19-20]。同樣地，人為氣溶膠強迫對南亞夏季風的異常變化也有重要的調控作用[20]。Ramanathan等 [21]指出，由于氣溶膠粒子的吸收和散射作用削弱了到達地表的太陽輻射，使得南亞地表和北印度洋冷卻，南亞陸地和熱帶印度洋的海陸溫差減小，進而導致南亞夏季風環流減弱、降水減少。此外，氣溶膠粒子還可以通過改變大氣熱力結構來影響南亞夏季風的異常變化。Lau等 [22]指出，聚集在印度北部以及青藏高原的吸收性氣溶膠（如：黑碳氣溶膠）通過對短波輻射的吸收作用，使得大氣對流層中上層的溫度梯度發生改變，從而增強了南亞夏季風降水。更進一步的研究指出：人為氣溶膠強迫下，印度洋海表面溫度出現西北印度洋相對冷-東南印度洋相對暖的空間不均勻分布型，通過局地的“皮葉克尼斯”正反饋機制，則會導致赤道印度洋上空的異常西風以及大氣對流層經向溫度梯度的減弱，進而使得南亞夏季風環流減弱、降水減少[23-24]。

前人的研究揭示局地人為氣溶膠排放變化調控亞洲夏季風長期變化趨勢的特征與物理過程。但對于亞洲而言，近年來其人為氣溶膠排放的空間分布呈現出快速變化的特征[25-26]。自2013年中國頒布實施《大氣污染防治行動計劃》以來，東亞的人為氣溶膠排放迅速減少而南亞的人為氣溶膠排放則保持增長，這也導致亞洲內部出現了新的偶極子型人為氣溶膠排放變化。這樣獨特的亞洲內部偶極子型人為氣溶膠排放變化的特征是未來亞洲氣溶膠排放的長期趨勢，對區域氣候變化格局有重要影響。但是對于這一分布特征引發的亞洲夏季風異常響應，還沒有工作進行深入研究。本文借助第六次耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）中人為氣溶膠單獨強迫歷史模擬、控制海表面溫度的人為氣溶膠單獨強迫大氣響應模擬等試驗，結合線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，LBM）的結果，探究偶極子型人為氣溶膠強迫下東亞和南亞夏季風環流和降水的異常響應特征，并從大氣直接響應和海洋-大氣耦合響應的不同角度解析其內在的物理過程，以期更進一步地完善對人為氣溶膠強迫下亞洲夏季風異常的特征和機理的理解。

1資料與方法

1.1觀測資料

使用美國宇航局的基于云和地球輻射能量系統觀測數據集（Clouds and the Earths Radiant Energy System）中550 nm氣溶膠光學厚度的數據（2001—2020年的水平分辨率為1°×1°的逐月資料）[27-28]來分析觀測的氣溶膠排放變化并與氣候模式資料比較。

1.2 氣候模式資料

使用CMIP6模式集中人為氣溶膠單獨強迫歷史模擬試驗（hist-aer）以評估人為氣溶膠強迫導致的氣候系統總響應，其模擬時間為1850—2020年。該試驗在保持其他模式設置不變的前提下，將溫室氣體、臭氧等其他外輻射強迫變化固定在工業革命前水平保持不變，僅使用基于觀測的、隨時間變化的人為氣溶膠排放單獨強迫歷史氣候變化。此外，還使用CMIP6模式集中工業革命前海溫情景下的氣溶膠單獨強迫歷史模擬試驗（piClim-histaer）以評估人為氣溶膠強迫導致的大氣直接響應過程，其模擬時間同樣為1850—2020年。該試驗與人為氣溶膠單獨強迫歷史模擬試驗最大的區別在于是否將海表面溫度和海冰固定在工業革命前的氣候態保持不變。為了減小不同模式間參數差異帶來的影響，選取6個同時運行以上兩組試驗的氣候模式數據（表1），并通過集合平均和多模式平均的方式消除氣候系統內部變率的影響和模式間差異的影響，以更好地體現人為氣溶膠強迫變化引起的區域氣候異常響應。為了便于比較，所有模式輸出都插值到144（經度）×73（緯度）個網格點（水平分辨率為2.5°），垂向網格點為從1 000 hPa到100 hPa的12個垂直層。

1.3 研究方法

1.3.1 統計與診斷方法

為研究偶極子型人為氣溶膠排放變化引起的亞洲夏季風異常響應，以經面積加權后的東亞（100°～125°E，20°～40°N）和南亞（70°～100°E，10°～30°N）區域平均的550 nm氣溶膠光學厚度在2000—2020年間的變化為依據，選取2009—2014年和2015—2020年兩個時間段對與亞洲夏季風異常變化相關的輻射強迫、對流層低層（850 hPa）風場、表面溫度、表面氣壓和降水等要素進行分析。在以上兩個時間段內，南亞區域平均的人為氣溶膠排放呈持續增長的變化趨勢；而東亞的人為氣溶膠排放在2009—2014年間達到最大值，在2015—2020年間呈現出快速減少的變化趨勢。因此利用2015—2020年平均態與2009—2014年平均態的差值可以清晰地凸顯出東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化特征，從而分析其導致的亞洲夏季風異常響應特征和機理。選取3個月（6—8月）的平均代表亞洲夏季風時期進行分析，并利用Students t-test在95%的顯著性水平上檢驗上述兩個時間段內夏季平均的差值是否存在顯著變化。

在診斷偶極子型人為氣溶膠排放變化引起的輻射強迫異常時，為了全面的考慮人為氣溶膠粒子對短波輻射的散射、反射和吸收作用及其通過與云的相互作用對長波輻射過程的影響，分別計算對大氣對流層頂的凈輻射強迫（，公式（1））和到達地面的短波輻射進行計算。

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，、、分別代表大氣對流層頂進入地球的短波輻射、射出地球的長波輻射和射出地球的短波輻射。

1.3.2 LBM試驗

為了驗證東亞和南亞人為氣溶膠強迫通過不考慮海洋-大氣耦合作用的大氣直接響應過程調控亞洲夏季風異常變化的機理，利用線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，LBM）[29]設計了在東亞和南亞上空分別放置熱強迫的理想化試驗。LBM的建立是為了研究大氣中的線性動力學，該模型簡化了動力學框架，使結果更易于解釋。特別是對于本研究來說，非耦合的純大氣模式對應了氣溶膠的直接效應，有助于驗證本文結論。該模式的水平分辨率為T21（約5.6°水平分辨率），垂直方向使用σ坐標，共20層。為了能夠直觀的研究東亞和南亞夏季風環流對熱強迫的響應，使用“干”模式（不考慮降水過程），并將熱強迫分別設置在東亞（100°～120°E，20°～40°N）和南亞（70°～100°E，20°～30°N）。熱源的中心加熱強度約為 8 K/d，水平位置位于加熱區域的中心，垂直位置位于σ等于0.5的高度。由于是線性大氣模式，因此不同的加熱強度僅改變大氣環流的響應強度，而不會影響其空間分布型。本研究共積分了30 d，并取最后10 d平均結果作為穩定的大氣響應進行分析。

2 偶極子型氣溶膠強迫下的亞洲夏季風異常響應

2.1人為氣溶膠排放的時空變化

由衛星觀測結果可以看到，2015—2020年（東亞人為氣溶膠排放減少期，南亞人為氣溶膠排放升高期）夏季（6、7、8月）均值與2009—2014年（東亞人為氣溶膠排放高值期，南亞人為氣溶膠排放升高期）夏季均值的差展現出了明顯的亞洲偶極子型人為氣溶膠排放變化的空間分布特征（圖1a）。更進一步地，分析了CMIP6人為氣溶膠單獨強迫歷史模擬中的550 nm氣溶膠光學厚度變化并與觀測資料相比較。在CMIP6人為氣溶膠單獨強迫歷史中，同樣看到了東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化空間分布特征（圖1b）。在區域平均的人為氣溶膠排放時間序列（圖1c）中，同時可以看到，觀測的東亞氣溶膠排放峰值出現在2011年，CMIP6氣候模式中的峰值出現在2014年，均呈現出先增加后減少的變化趨勢。而南亞區域平均的人為氣溶膠排放在21世紀則一直保持單調增長的趨勢。

由于觀測中的亞洲夏季風變化會受到氣候系統內部變率、溫室氣體強迫、人為氣溶膠強迫等多種因素的協同影響，因此很難直接從觀測資料中提取出人為氣溶膠強迫引起的亞洲夏季風異常變化的信號。雖然CMIP6人為氣溶膠單獨強迫歷史模擬中人為氣溶膠排放的變化與觀測之間存在一定差異，但其也可以很好地抓住偶極子型人為氣溶膠排放變化的空間特征，因此可以借助該組氣候模式試驗的結果來分析偶極子型氣溶膠強迫下亞洲夏季風異常變化的特征與機理。

2.2不同物理過程主導的亞洲夏季風異常響應

2.2.1 輻射強迫和溫度變化

人為氣溶膠粒子被排放到大氣中之后，可以通過反射、散射、吸收等過程顯著地影響局地的輻射強迫變化，進而通過改變大氣的熱力結構而調控大氣環流的異常響應。在偶極子型人為氣溶膠排放變化的情景下，大氣對流層頂的凈輻射強迫和到達地面的短波輻射均出現了相應的異常響應（圖2）。在CMIP6人為氣溶膠單獨強迫歷史模擬所代表的包含海洋-大氣耦合過程的氣候系統總響應中可以看到，由于東亞地區的人為氣溶膠排放顯著減少（圖1b），進入對流層頂的凈輻射強迫（圖2a）和到達地面的短波輻射（圖2b）均出現顯著的增加。相較而言，同時期南亞地區的人為氣溶膠排放雖然呈增加的趨勢（圖1b），但其對流層頂凈的輻射強迫變化卻很小（圖2a），僅在到達地表的短波輻射變化中表現出一定的負信號（圖2b），體現了氣溶膠排放增加的效應。這可能與黑碳氣溶膠和硫化物氣溶膠在南亞地區對輻射強迫起到的作用不同有關。與硫化物氣溶膠類似的是，黑碳氣溶膠同樣能夠顯著減少到達地面的太陽輻射，進而冷卻地表；但與硫化物氣溶膠不同的是，由于黑碳氣溶膠屬于吸收性氣溶膠，其會加熱對流低層，從而與屬于反射性氣溶膠的硫化物氣溶膠的冷卻效應相抵消，所以造成的結果可能就如圖2a、c所示，進入對流層的凈輻射強迫在南亞表現不明顯，而到達地面的短波輻射顯著減少[21-22]。具體不同種類的氣溶膠對輻射強迫調控的相對貢獻有待未來進行更為細致的研究。

與考慮海洋-大氣耦合過程的氣候系統總響應相比，在不考慮海洋變化貢獻的大氣直接響應中，可以看到，東亞地區的對流層頂凈輻射和到達地面的短波輻射均為顯著的正信號，但是其強度要明顯弱于包含海洋-大氣耦合過程的總響應（圖2b、d）。而在南亞地區，當不考慮海洋-大氣耦合過程的貢獻時，局地人為氣溶膠排放的增加則導致更為明顯的對流層輻射強迫（圖2b）和到達地面的短波輻射減少（圖2d）。兩組試驗結果明顯的差異性說明，通過海洋-大氣耦合相互作用后，人為氣溶膠排放導致的輻射強迫變化與大氣直接響應中的結果不同，這可能是由于輻射強迫-海表面溫度-云三者之間的反饋過程所導致的。在北太平洋中緯度區域，氣溶膠強輻射強迫下北太平洋海表面溫度與云之間存在一個反饋過程：在東亞人為氣溶膠排放增長導致的異常輻射強迫情況下，北半球夏季黑潮延伸體區域會出現一個海表面溫度異常冷卻帶，在其南側存在一個云量增長的大值中心。這主要是由于副熱帶環流減弱、黑潮延伸體南移，而更多的暖濕空氣遇到黑潮延伸體后則會在其南側被抬升形成云，這些云又會導致到達海面的短波輻射減少，進而導致此處海表面溫度進一步降低。這里看到的東亞人為氣溶膠減排情境下的北太平洋輻射強迫異常變化，與上述原理類似，只是符號相反[30]。因此，在探究人為氣溶膠排放導致的氣候系統輻射強迫變化時，不僅應考慮大氣的直接響應過程，更應該從海洋-大氣耦合相互作用的角度全面理解人為氣溶膠排放的輻射強迫效應[31]。

人為氣溶膠排放的變化顯著地影響了到達地面的短波輻射，會影響表面溫度的變化。在海洋-大氣耦合的總響應中可以看到，表面溫度異常變化的空間分布型（圖3a）與到達地面的短波輻射空間分布型（圖2a）高度相似，表現為東亞及西北太平洋由于氣溶膠排放的減少而產生升溫，南亞地區的中南半島和孟加拉灣北部地區由于氣溶膠排放的增加而出現降溫的異常變化。在不考慮海洋-大氣耦合過程的大氣直接響應中（圖3b），東亞氣溶膠排放減少的效應被局限在陸地區域，南亞地區的降溫信號顯著減弱。除東亞陸地區域外，兩組試驗結果差異明顯，特別是在南亞和西北太平洋地區，這再次印證了前人研究中指出的海洋-大氣耦合過程在南亞夏季風對人為氣溶膠強迫響應中所扮演的重要角色[23，31]。

2.2.2 大氣環流變化

通過分析表面氣壓和對流層中下層（850 hPa）風場的變化，探究亞洲夏季風環流對偶極子型人為氣溶膠強迫的響應特征。在考慮海洋-大氣耦合過程的總響應（圖4a）中，東亞夏季風表現出加強的態勢。其中，低壓中心約位于110°E、40°N附近，這與由人為氣溶膠減排導致的大氣升溫中心相匹配。與氣壓場所對應，在850 hPa風場的異常響應中也可以看到，中國北方（中心約位于110°E、40°N）異常氣旋式環流顯著的加強了氣候態的東亞夏季風環流。此外，東亞人為氣溶膠的排放變化通過引起局地大氣對流層的熱力異常，會在大氣中激發出一個自東亞向北太平洋中高緯度地區傳播的大氣遙相關波列，并顯著的導致阿留申低壓的異常響應[32]。由圖4a也可以看到，這樣自東亞陸地到北太平洋中緯度“低壓-高壓-低壓”的異常表面氣壓配置。在考慮海洋-大氣耦合過程的響應中，大氣風場的變化對上層海洋環流具有重要的驅動作用[30]，位于北太平洋中高緯地區的氣旋式環流異常有助于加強黑潮延伸體，使得該區域海面溫度（簡稱“海溫”）異常升高（圖3a）。這樣異常的海溫暖信號，在“風-蒸發-海溫”機制[33]的作用下，又會使得其南側的海溫升高，進而通過局地海氣相互作用過程使得西北太平洋副熱帶高壓加強[34]，最終帶來有利于東亞夏季風的加強的異常環流形勢。而在南亞，南亞夏季風沒有表現出特別明顯的變化，這可能與人為氣溶膠強迫下海洋-大氣耦合過程和大氣直接響應過程對南亞夏季風的調控作用相抵消有關[30]。

值得注意的是，在沒有海洋變化調整的大氣直接響應中，東亞和西北太平洋地區的表面氣壓和850 hPa風場異常與考慮海洋-大氣耦合過程的總響應存在顯著的不同。但對于東亞夏季風而言，其仍然表現出增強的變化趨勢（圖4b）。這主要是因為當海溫不變時，東亞人為氣溶膠排放的減少顯著地增大了東亞陸地和西北太平洋的海陸溫差，進而使得東亞陸地出現異常的低壓環流而西北太平洋區域出現顯著的異常高壓環流，受此影響，東亞夏季風表現為加強的變化特征。在南亞，同樣由于海陸熱力差異的緣故，北印度洋和印度次大陸表現為異常的高壓而赤道印度洋表現為異常的低壓環流，使得南亞夏季風出現減弱的變化特征。下文將利用線性斜壓大氣模式進一步清晰地探究東亞和南亞人為氣溶膠排放通過大氣直接響應過程調控兩地夏季風異常的物理過程。

對比包含海洋-大氣耦合過程的總響應和不考慮海洋變化調整的大氣直接響應的結果來看，在偶極子型人為氣溶膠強迫下，兩種不同的物理過程均會使得東亞夏季風環流加強。對南亞夏季風而言，在總響應中其變化僅表現出非常微弱的加強特征，而在大氣直接響應中則表現為減弱的變化特征，說明造成南亞夏季風會在由海洋變化調整的大氣響應中得到增強。這是因為在有無海氣耦合作用下，氣溶膠的強迫作用是有差異甚至相互抵消導致的。其具體的物理機制不僅可能與局地的海洋-大氣耦合反饋過程有關[35]，還可能與東亞人為氣溶膠強迫減少，導致局地大氣吸收的短波輻射增加，進而增大了南北半球間能量差異，最終使得哈得來環流和南亞夏季風異常加強[31]。

偶極子型人為氣溶膠強迫下復雜的亞洲夏季風環流形勢也必將導致復雜的降水異常。在海洋-大氣耦合的總響應中，在中國南海附近出現的異常高壓中心和反氣旋式環流抑制南海至中國南方降水，使得該區域降水呈減少的變化趨勢（圖5a）。而在北方的沿海地區，由于陸地異常低壓和西北太平洋異常高壓的存在，南向異常氣流在此輻合抬升加劇氣候態的東亞夏季風，使得降水增加。對南亞夏季風降水而言，海洋-大氣耦合過程主導的微弱南亞夏季風環流增強使得印度次大陸北部降水增加而南側減少，赤道印度洋在異常東風的作用下也出現降水異常增加的響應，這可能與大尺度的海洋-大氣動力耦合過程主導的大氣環流異常有關。

在不考慮海洋變化調整的大氣直接響應（圖5b）中，陸地氣溶膠排放導致的熱力異常變化誘發低壓異常（中心位置約為90°E、35°N）偏西，與此同時位于西北太平洋的異常反氣旋式環流無論是強度還是范圍都更大、更偏西，因此中國北方東部沿海地區在異常高壓的作用下出現了降水異常減少。而在陸地低壓和西北太平洋異常高壓導致的南向異常氣流作用下，菲律賓東北至中國東南沿海直到中國北方的中部地區均出現降水異常增加的情況。對南亞夏季風降水而言，在不考慮海洋-大氣耦合過程的直接大氣響應中，與南亞夏季風環流減弱相一致的是，在北印度洋及印度次大陸出現明顯的降水減少，而在熱帶印度洋則出現降水異常增加的變化特征。

東亞和南亞夏季風環流及降水異常在人為氣溶膠強迫下考慮海洋-大氣耦合過程的總響應過程和大氣直接響應過程中的不同變化再次提示人為氣溶膠強迫調控區域氣候變化的復雜動力學機理。前人曾有研究，利用線性分解的方式解析海洋-大氣耦合過程和大氣直接響應過程對人為氣溶膠強迫下亞洲夏季風異常響應的相對貢獻[28]。但是，由于海洋-大氣耦合系統的復雜性，也有研究指出，這樣線性分解的方式僅適用于緯向平均的大氣響應[36-37]，而在如非洲撒哈爾地區的區域氣候對外強迫響應的研究中并不適用[38]。因此，如何更好地解析復雜的海洋-大氣耦合過程在亞洲夏季風對人為氣溶膠強迫響應中所扮演的角色有待未來進行更為深入和精確的探究。

2.3 LBM試驗結果

基于CMIP6不同模式試驗的分析結果，對偶極子型氣溶膠強迫下東亞和南亞夏季風不同的響應特征及其內在的物理過程進行了解析。對東亞夏季風而言，不管是從輻射強迫和溫度的變化，還是從大氣環流和降水的變化來看，都表明偶極子型氣溶膠強迫下東亞夏季風呈現出加強的變化趨勢。對南亞夏季風而言，其在海洋-大氣耦合的總響應和不考慮海洋變化調整的大氣直接響應中表現出的特征存在顯著的差異。除了前文提到的海洋-大氣耦合過程在其中可能扮演的重要作用之外，最近有研究也指出，在不同的人為氣溶膠強迫變化特征作用下的大氣直接響應過程中，東亞和南亞夏季風環流也會存在一定的相互作用，進而導致偶極子型人為氣溶膠強迫復雜的亞洲夏季風響應過程[39]。因此，為了能夠更精確的區分東亞和南亞兩地不同的人為氣溶膠排放變化通過大氣直接響應過程調控亞洲夏季風異常的物理過程，借助LBM設計兩組不同的試驗以區分東亞和南亞人為氣溶膠排放變化對局地和非局地大氣環流異常的調控作用。

分別在東亞（100°～120°E，20°～40°N）和南亞（70°～100°E，20°～30°N）放置相同強度的大氣熱源和冷源強迫以模擬東亞人為氣溶膠排放減少和南亞人為氣溶膠排放增加所導致的輻射強迫變化（圖6色階區域），進而探究二者對大氣環流異常不同的調控作用。在僅有東亞熱源強迫的情況下，亞洲大陸10°N以北的區域出現整體的、大范圍的低壓異常響應（圖6a等值線），并出現從北印度洋和印度次大陸到中南半島以及南海的西風異常響應和沿著中國東南沿海到西北太平洋的西南風異常響應（圖6a矢量）。由此可以發現，東亞人為氣溶膠的減排不僅能通過大氣直接響應過程導致東亞局地的夏季風環流加強，還可以通過引起更大尺度的大氣環流異常進而使得南亞夏季風加強。

對于南亞人為氣溶膠排放增多導致的冷源強迫情況，與東亞不同的是，異常高壓的中心并不是像東亞那樣恰好出現在異常熱源的中心，而是出現在冷源北側的陸地區域（圖6b等值線），這可能是由青藏高原的動力抬升作用導致的[22]。在異常高壓的南側，對流層中低層的風場異常呈現出氣旋式環流的形態，顯著地削弱了南亞夏季風（圖6b矢量）。與此同時，南亞冷源強迫對大氣環流異常的影響也不僅僅局限在南亞地區，大范圍陸地高壓異常的環流形式同樣可以在一定程度上導致東亞夏季風環流減弱。

通過試驗對比發現，對于東亞和南亞夏季風而言，其在人為氣溶膠強迫下的大氣直接響應結果不僅受局地人為氣溶膠排放的影響，還會顯著地受到非局地人為氣溶膠強迫的調控作用。這使得在東亞人為氣溶膠排放減少、南亞人為氣溶膠排放增加的偶極子型氣溶膠強迫下亞洲夏季風的響應物理過程更為復雜。進一步通過線性疊加的方式，評估了同等強度的東亞熱源和南亞冷源通過大氣直接線性響應過程對亞洲夏季風環流異常的調控作用，結果顯示東亞夏季風顯著加強并且南亞夏季風同樣出現微弱的加強（圖6c），說明在同等強度的強迫下，東亞大氣異常加熱場引起的亞洲夏季風環流異常要顯著地強于南亞大氣異常加熱場引起的亞洲夏季風環流異常。

LBM試驗的結果，通過去除大氣非線性動力過程，證實了東亞和南亞夏季風環流對偶極子型人為氣溶膠強迫的穩定線性響應。值得注意的是，無論是觀測結果，還是CMIP6氣候模式的結果，東亞人為氣溶膠排放減少的速度顯著大于南亞人為氣溶膠排放增加的速度，由此導致的輻射強迫異常的強度和范圍在兩地也是不同的（圖2b）。因此，如何更為精確地模擬偶極子型氣溶膠排放導致的輻射強迫異常變化需要借助更為全面的觀測資料進一步分析驗證。此外，LBM試驗的結果（圖6c）與CMIP6模式模擬的大氣直接響應結果（圖4b）之間的差異也包含了非線性大氣動力過程的影響。這些問題都需要在未來的研究中進一步探索評估。

3 結論與討論

利用最新一代CMIP6模式集中不同的人為氣溶膠強迫模擬試驗，分析了東亞和南亞夏季風通過不同的物理過程對近十幾年出現的亞洲內部獨特的偶極子型人為氣溶膠強迫變化的響應。研究發現，無論是在考慮海洋-大氣耦合相互作用的區域氣候總響應中，還是在不考慮海洋-大氣耦合過程的大氣直接響應中，在東亞減少、南亞增加的偶極子型人為氣溶膠排放變化導致的異常大氣輻射強迫調控下，東亞區域地表均出現異常升溫的現象，并且從海平面氣壓、850 hPa風場異常和降水等大氣環流異常場中均可以看到與大氣地表熱力異常相對應的東亞夏季風環流加強、降水異常增多的現象。對南亞夏季風而言，其對偶極子型人為氣溶膠強迫的響應卻更為復雜，在海洋-大氣耦合的總響應和不考慮海洋變化調整的大氣直接響應中表現出的特征存在顯著的差異。在不考慮海洋-大氣耦合過程的大氣直接響應中，偶極子型氣溶膠強迫下南亞夏季風呈現出環流減弱、降水減少的變化趨勢；但在考慮海洋-大氣耦合過程的總響應中，南亞夏季風的異常變化表現出更為復雜的空間形態。這意味著，偶極子型氣溶膠強迫下，大尺度的海洋-大氣動力耦合過程的改變可能對南亞夏季風異常的變化起著更為重要的調控作用。此外，雖然硫化物氣溶膠和黑碳氣溶膠都能夠顯著減少到達地面的太陽輻射，減少海陸熱對比進而減弱南亞夏季風，但考慮到二者對輻射強迫存在不同效應，特別是黑碳氣溶膠在改變大氣穩定性的效應上，也有可能說明南亞夏季風的復雜的空間形態是二者作用相互抵消的結果[21-22，40]。

在此基礎之上，利用LBM試驗進一步探究了東亞、南亞大氣異常加熱場對整個亞洲夏季風環流異常變化的調控作用及其二者的相對貢獻。同時發現，東亞、南亞兩地的大氣異常加熱場除了能引起局地的夏季風環流異常響應外，還可以通過引起更大范圍大氣環流異常進而引發整個亞洲夏季風環流的異常響應。在理想實驗中，東亞人為氣溶膠強迫引起的大氣加熱場異常對整個亞洲夏季風環流異常的調控作用要顯著地強于南亞人為氣溶膠強迫引起的大氣加熱場異常。

本文解析了在偶極子型人為氣溶膠強迫下東亞和南亞夏季風不同的響應特征，通過研究發現，對于東亞夏季風而言，其通過大氣直接響應過程和海洋-大氣耦合過程對偶極子型人為氣溶膠強迫響應的物理過程較為清晰。但值得注意的是，偶極子型氣溶膠強迫下，南亞夏季風異常響應的物理機制有待進一步清晰明確，特別是大氣直接響應過程[41]和海洋-大氣耦合過程對南亞夏季風異常的相對調控作用[31-32]，有待未來的研究進一步揭示。此外，最近也有研究表明，CMIP6氣候模式在模擬人為氣溶膠的氣候效應時對人為氣溶膠的估計存在一定的誤差[42]，因此如何更佳地利用觀測資料約束改進氣候模式對人為氣溶膠氣候效應的模擬，以更好地評估人為氣溶膠強迫的變化對觀測的區域氣候異常的相對貢獻也是未來的重要研究方向。

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