亞洲夏季風是低層污染物進入平流層的重要途徑

卞建春 嚴仁嫦,2 陳洪濱

1 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環境探測重點實驗室,北京 100029

2 中國科學院研究生院,北京 100049

亞洲夏季風是低層污染物進入平流層的重要途徑

卞建春1嚴仁嫦1,2陳洪濱1

1 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環境探測重點實驗室,北京 100029

2 中國科學院研究生院,北京 100049

夏季亞洲季風區是對流層低層水汽和污染物進入全球平流層的一個重要通道,自然或人為污染物通過該通道進入平流層后對臭氧層的破壞以及全球氣候環境的影響,成為目前國際科學界關注的熱點問題。早先觀點認為:夏季青藏高原是對流層低空物質向平流層輸送的一個重要渠道。然而,越來越多的觀測表明:包括青藏高原在內的整個亞洲夏季風通過強對流的快速輸送以及大尺度輸送過程可以把低層大氣物質輸送到全球平流層。在地面物質進入平流層的過程中有兩個關鍵過程,一是垂直快速輸送的對流活動,這對于短壽命化學成分非常重要,二是緩慢的大尺度反氣旋輸送和限制作用。但是,目前對于亞洲季風區不同源區的貢獻還有很大的爭議。

亞洲夏季風 進入平流層通道 亞洲污染物 氣候環境效應

1 引言

亞洲是目前世界上經濟發展最快的地區,也是世界人口最集中的地區。一方面,亞洲季風的異常尤其是大旱大澇等災害性重大事件對亞洲經濟社會的影響是亞洲地區以及世界關注的一個焦點;另一方面,經濟快速發展所帶來的區域氣候環境問題以及對全球氣候環境的可能影響成為科學界關注的一個重要課題。已有研究初步表明,亞洲夏季風區是對流層低層水汽和污染物進入平流層的一個重要通道,其中青藏高原由于高大地形的作用因而在其中具有非常重要的作用 (Randel et al.,2010;陳斌等,2010)。由于亞洲地區經濟快速發展產生了大量污染物,這些污染物通過該通道進入平流層后對臭氧層的破壞以及全球氣候環境的影響,成為目前國際科學界關注的熱點問題。本文將綜述亞洲夏季風在對流層污染物向全球平流層輸送過程和作用以及可能存在的氣候環境效應。

2 早先觀點:夏季青藏高原是對流層低空物質向平流層輸送的一個重要渠道

1994年,周秀驥等 (1995)分析衛星觀測資料,發現每年6～9月青藏高原上空存在一個明顯的閉合臭氧低值中心,比同緯度地區低7%～11%,稱為“夏季青藏高原臭氧低谷”。他們推測:“根據早年青藏高原氣象學已有的研究結果,夏季青藏高原上空被熱力作用產生的南亞高壓所控制,高壓內基本是對流活動。而且青藏高原氣象學綜合實驗表明,夏季青藏高原基本為輻合區。依據局地環流的這些特點,認為青藏高原夏季是對流層低空物質向平流層輸送的一個重要渠道。青藏高原周圍數百公里范圍的低空污染物有可能在夏季向青藏高原輻合,在高原上升到平流層底部,然后再向四周輻散。因此,對流層低濃度臭氧向平流層輸送以及低空污染物在平流層引起的物理化學過程,都可能是引起臭氧總量異常降低的原因”(周秀驥等,1995)。

根據平流層氣溶膠和氣體試驗衛星 (SAGE I&II)觀測分析:與同緯度非山區相比較,青藏高原上空臭氧濃度在15.5～20.5 km高度偏低,最大差異在16.5 km附近 (Zou and Gao,1997)。1996年和1998年夏季在青藏高原上空開展的臭氧探空觀測也表明,與同緯度其他站點相比較,青藏高原上空對流層頂附近臭氧濃度偏低 (石廣玉等,2000;鄭向東等,2000)。后來,更長時間序列的鹵素掩星試驗衛星 (HALOE)和SA GE II衛星觀測資料進一步證實,青藏高原上空臭氧含量在12～22 km高度比同緯度帶其他地區明顯偏低 (周任君和陳月娟,2005;林偉立和姚波,2005)。同時還注意到,與青藏高原相似,伊朗高原上空臭氧濃度在這層大氣中也明顯偏低 (周任君和陳月娟,2005)。但是這一結果并未引起大家的足夠關注,沒有意識到整個亞洲夏季風在青藏高原臭氧低谷形成中的作用,也使國內學者錯失了認識整個亞洲夏季風在對流層物質向全球平流層輸送的重要性的先機。

根據再分析資料和青藏高原附近探空資料分析表明:夏季在對流層中低層,青藏高原及鄰近地區為較強的輻合區,青藏高原上空整個對流層都是上升氣流,且與南側的孟加拉灣強上升區連成一片,組成巨大的季風垂直環流的上升支 (卞建春等,1997)。平流層—對流層質量交換通量的診斷分析也表明:每年夏季青藏高原與南側的孟加拉灣北部上空對流層大氣穿越對流層頂向平流層輸送 (叢春華等,2001)。后來的研究進一步指出,這一大片穿越對流層頂向平流層的質量輸送主要來自垂直輸送項的貢獻 (樊文璇等,2008),即對應于季風垂直環流的上升支,位于南亞高壓控制區域的東南部。

這些研究進一步證實了上述推測,即:青藏高原夏季是對流層低空物質向平流層輸送的一個重要渠道 (周秀驥等,2004)。

3 新觀點:亞洲夏季風是對流層污染物進入全球平流層的一個重要通道

這些前期工作只關注青藏高原局地環流,而忽視了整個亞洲夏季風環流在其中的作用。近期衛星觀測和數值模擬表明:亞洲夏季風是對流層污染物進入全球平流層的一個重要通道 (Randel et al.,2010)。而青藏高原只是整個亞洲夏季風區的一個區域 (Bian et al.,2010)。

微波臨邊探測器 (MLS)衛星臭氧垂直分布觀測表明:與同緯度地區相比,上對流層/下平流層(U TLS)臭氧濃度不僅在青藏高原上空偏低,而且在南亞高壓控制的整個區域都明顯偏低 (Park et al.,2007)。圖1給出了2005～2009年夏季100 hPa高度MLS衛星觀測臭氧濃度分布,很明顯南亞高壓控制的整個區域是臭氧濃度低值區。由于伊朗高原與青藏高原都在南亞高壓控制區域之內,因此這兩個高原在U TLS區域臭氧濃度都明顯低于同緯度其他地區 (周任君和陳月娟,2005)。最新研究表明:夏季青藏高原臭氧低谷的形成有兩個原因,一是整個亞洲季風區U TLS臭氧濃度低于同緯度地區,二是青藏高原大地形造成空氣柱的部分缺失 (Bian et al.,2010)。臭氧總量衛星觀測表明,盡管夏季伊朗高原上空也是一個臭氧總量低值區 (周任君和陳月娟,2005),但是明顯不如青藏高原上空臭氧總量低谷顯著,因為青藏高原高大地形造成更大厚度的空氣柱缺失。

衛星觀測還表明:夏季南亞高壓控制區域還是水汽、CO、CH4等對流層示蹤物的閉合大值區域(Jackson et al.,1998;Park et al.,2004;Li et al.,2005)。圖2給出了2005～2009年夏季100 hPa高度MLS衛星觀測CO和水汽濃度分布,南亞高壓對應于大值區域。數值模擬表明:熱帶下平流層水汽濃度在北半球夏季比冬季大60%,而夏季輸送到全球熱帶平流層水汽總量的大約75%發生在亞洲季風區 (Gettelman et al.,2004)。全球三維化學輸送模式和排放表明:SO2、CO、HCN等能夠到達U TLS的污染物絕大多數與夏季亞洲季風區有關(Park et al.,2009;Randel et al.,2010)。

根據經典的全球對流層—平流層質量交換圖像,對流層空氣由熱帶地區跨越對流層頂進入平流層,然后在Brewer-Dobson全球環流控制下,向極地方向和向中緯度對流層輸送,也就是說熱帶地區是對流層空氣進入全球平流層的主要通道。但是由于熱帶地區下墊面主要是海洋,對流層空氣比較清潔,由此進入全球平流層的對流層污染物貢獻較小,而在亞洲季風區,由于中國、印度以及東南亞國家工農業發展比較迅速,對流層污染物比較嚴重,由此進入全球平流層的對流層污染物貢獻顯著(Randel et al.,2010)。因此,在對流層污染物進入全球平流層大氣過程中,亞洲夏季風是一個極為重要的途徑。

4 亞洲夏季風輸送機制之爭

根據夏季亞洲季風區U TLS大氣成分的分布特征,提出兩個主要輸送機制,但是目前對于它們的認識還很粗淺。一個機制是濕對流活動的快速輸送,深對流能夠在數小時內將邊界層污染物輸送到對流主出流 (main outflow)高度,這對于短壽命化學成分的輸送尤其重要。但是,目前對于亞洲季風區對流活動的分布尤其是主出流高度的認識,具有很大的不確定性,尤其是對流輸送在對流層頂附近的作用具有很大爭議 (Fu et al.,2006;Park et al.,2008)。另一個機制是南亞高壓內大尺度反氣旋的緩慢垂直輸送和快速水平混合過程。軌跡模式分析表明:U TLS區域強大的南亞高壓使得該區域內的空氣在較長時間內停留在反氣旋控制中,無法擴散到反氣旋外面。造成反氣旋中心對應于臭氧、水汽、CO等的極值中心 (Li et al.,2005;Randel and Park,2006;Park et al.,2007,2008;Konopka et al.,2010)。

目前看法比較一致的觀點是,整個夏季亞洲季風區是對流層低層大氣成分進入平流層的一個重要通道,但是對于亞洲季風區不同區域排放源各自貢獻的認識還存在很大的爭議。基于臭氧與相關化學成分模式 (MOZART-4),Park et al.(2009)通過標簽 (TAG)技術考察不同污染源區對U TLS區域CO分布的作用,結果表明:盡管東亞地區是地面CO最大的排放源區,但是南亞排放源才是亞洲季風區U TLS區域CO分布的最重要原因。然而,Larmaque et al.(2011)①Larmaque J F,Solomon S,Portmann RW,et al.2011.Recent increase in stratospheric aerosol:Origin and influence on ozone depletion.Submitted to Geophysical Research Letters.利用美國大氣研究中心(NCAR)通用大氣模式 (CAM)模擬地面SO2排放對U TLS區域硫酸鹽氣溶膠分布的影響,他們的模擬結果表明:中國煤炭燃燒排放的SO2是夏季亞洲季風區U TLS區域硫酸鹽氣溶膠分布的最重要來源。CO和SO2這兩個大氣成分在大氣中將經歷不同的化學過程,CO幾乎是不溶于水的,主要受動力輸送過程的控制;而SO2是水溶性的,還受到雨水過程的影響。盡管如此,由于目前對夏季亞洲季風區低層大氣成分向上輸送機理認識的不足,因而對亞洲季風區不同區域排放源貢獻的認識還存在很大分歧。

5 亞洲夏季風輸送污染物對全球氣候環境變化的影響

圖1 夏季 (6～8月)100 hPa高度臭氧濃度 (彩色陰影)分布 (資料來自2005～2009年MLS衛星觀測)。等值線為100 hPa位勢高度 (單位:gpm)Fig.1 Summertime(Jun-Jul-Aug)ozone concentration distribution at 100 hPa from Microwave Limb Sounder(MLS)measurements during 2005-2009(color shading).Contour:potential height(gpm)at 100 hPa

圖2 同圖1,但為 (a)CO和 (b)水汽濃度分布Fig.2 Same as Fig.1,but fo r(a)CO concentration and(b)w ater vapo rconcentration

衛星觀測和地基觀測表明過去十年平流層氣溶膠有增加趨勢 (Hofmann et al.,2009),觀測和模式模擬結果分析認為北半球平流層氣溶膠的增加主要源于中國二氧化硫的人為排放 (Larmarque et al.,2011①Larmaque J F,Solomon S,Portmann RW,et al.2011.Recent increase in stratospheric aerosol:Origin and influence on ozone depletion.Submitted to Geophysical Research Letters.)。在1990至2005年間,中國由于煤炭燃燒的增加導致二氧化硫人為排放增加了70%,在全球總量的比重從1990年的15%增加至2005年的30%(在此期間全球二氧化硫人為排放降低20%)。此外,二氧化硫人為排放量進入平流層的比例依賴于地理位置,尤其是與亞洲季風的關系,使得中國排放權重更大。事實上,盡管中國之外的地區當前SO2排放量也很顯著 (尤其是美國),但是全球三維化學/輸送模式和排放表明:能夠到達上對流層以及下平流層的硫酸鹽氣溶膠絕大多數與夏季亞洲季風區有關。平流層氣溶膠的增加能夠解釋過去十年北半球中緯度下平流層臭氧損耗的20%,因而抵消了臭氧層可能出現恢復 (蒙特利爾公約實施的效果)的很大一部分。在未來數十年如果二氧化硫仍以目前速率排放,將持續顯著阻礙未來臭氧層的恢復。然而另有觀點認為,近十年來熱帶地區中等強度火山噴發的增多是全球平流層氣溶膠增加的驅動因素 (Vernier et al.,2011)。

衛星資料分析還表明 (Su et al.,2011),夏季亞洲污染物能夠增加進入平流層的水汽輸送。Su et al.(2011)發現與清潔的卷云相比較,在對流層頂附近污染區卷云冰晶粒子具有較小的有效半徑、較高的溫度和比濕。Su et al.(2011)認為氣溶膠冰核的增加造成卷云中冰晶粒子半徑變小,沉降速度變慢,因而在空中停留時間更長,輻射加熱使得對流層頂附近溫度變高,因而這里有較大的蒸發和上升,從而進入平流層的水汽通量增強。因此,亞洲夏季風對底層污染物向U TLS區域的輸送,對于平流層水汽具有顯著的影響,進而影響臭氧化學和全球輻射收支。

6 結語

早先的研究認為,夏季青藏高原是對流層低空物質向平流層輸送的一個重要渠道 (周秀驥等,2004)。但越來越多的衛星觀測顯示,夏季南亞高壓控制區是平流層示蹤物臭氧的低值區,也是對流層示蹤物如CO、水汽、CH4等的大值區。衛星觀測和數值模擬研究表明,亞洲夏季風區是對流層污染物進入全球平流層的一個重要通道,而青藏高原只是其中的一個區域。由于亞洲季風區是目前世界上經濟發展最快的地區,也是世界人口最集中的地區,是全球最重要的污染源地區,因此在對流層污染物進入全球平流層大氣過程中,亞洲夏季風可能是一個極為重要的途徑。亞洲夏季風對污染物向全球平流層的輸送,將對全球平流層大氣成分的收支產生重要的影響,也會通過臭氧化學和輻射過程影響全球平流層氣候環境。

目前,關于亞洲夏季風對低層污染物向全球平流層輸送機制尚存在很大的爭議,主要涉及到兩個完全不同尺度的輸送過程:一個是快速的對流輸送過程,另一個則是緩慢的大氣尺度上升輸送運動。過去的研究主要依賴于衛星觀測和數值模擬,而缺乏亞洲季風區的野外觀測數據。為了進一步認識亞洲夏季風的大氣成分分布和變化的細節,從而分析輸送機理,需要更多開展亞洲季風區U TLS區域大氣成分的現場觀測,包括氣球探空和飛機觀測。

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Tropospheric Pollutant Transport to the Stratosphere by Asian Summer Monsoon

BIAN Jianchun1,YAN Renchang1,2,and CHEN Hongbin1

1KeyLaboratoryofMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentObservation,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049

Asia is currently the fastest grow ing economy region and is also themost concentrated population area in the wo rld,and consequently,regional and potential global climate and environment issues caused by Asian rapid economic development,become an important topic of concern in the scientific community.O riginally,it was assumed that the Tibetan Plateau is a key region for the tropospheric air into the stratosphere in summer.However,recent satellite observations and numerical simulations suggested that the Asian summer monsoon is an important pathway for lower tropospheric water vapor and pollutions into the global stratosphere.These chemical mass will have important effect on the regional and global climate and environment through chemical and radiative processes in the stratosphere.

Asian summermonsoon,pathway to the stratosphere,Asian pollutant,climate and environmental effect

1006-9895(2011)05-0897-06

P421

A

卞建春,嚴仁嫦,陳洪濱.2011.亞洲夏季風是低層污染物進入平流層的重要途徑 [J].大氣科學,35(5):897-902.Bian Jianchun,Yan Renchang,Chen Hongbin.2011.Tropospheric pollutant transport to the stratosphere by Asian summer monsoon[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):897-902.

2010-10-08,2011-01-25收修定稿

國家重點基礎研究發展計劃項目2010CB428602,國家自然科學基金資助項目40830102、40775030

卞建春,男,1969出生,研究員,主要從事平流層大氣研究。E-mail:bjc@mail.iap.ac.cn