南京师范大学环境学院谢旻教授团队EST|大气污染防治行动计划实施前后PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用对东亚夏季风气候的不同影响

2013年《大气污染防治行动计划》实施，东亚地区的PM₂.₅、O₃和CO₂浓度发生显著变化，三者之间的相互作用强度亦随之明显调整，进而改变了其对东亚夏季风（EASM）气候的影响。本研究基于区域气候–化学–生态耦合模式 RegCM-Chem-YIBs，系统分析了2008–2018年PM₂.₅ 、O₃和CO₂之间的相互作用对EASM气候的影响。结果表明，在 2008–2012年，考虑三者之间的相互作用使东亚近地面向下短波辐射通量减少约20–30 W/m²，近地面温度降低约0.5–1 K，从而显著削弱了EASM强度。相比之下，在2014–2018年，华北和东南地区近地面向下短波与长波辐射通量分别增加约2–4 W/m²和2–8 W/m²，导致近地面温度升高约0.5–1 K，进而增强了EASM（图1）。

图1 不同时期PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用对东亚夏季风气候的相反影响

异戊二烯是BVOCs的主要组分。如图2所示，在相互作用影响下，2008–2012年东亚地区异戊二烯浓度整体呈上升趋势，增幅约为8–18 μg/m³。这一变化主要归因于较高的PM₂.₅浓度对植被BVOC排放的促进作用。随着O₃浓度逐年升高，其对植被的氧化损伤效应逐步增强，从而抑制BVOCs排放，导致异戊二烯浓度的增幅逐年减小。近地面PM₂.₅浓度变化趋势与异戊二烯基本一致，整体呈增加趋势，但增幅亦随时间减弱。异戊二烯浓度的显著上升有利于近地面O₃的生成，而PM₂.₅浓度增加通过削弱光化学反应速率对O₃生成产生抑制作用。在两者综合影响下，2008–2012年近地面O₃浓度总体增加约2–4 ppb。相比之下，2014–2018年中国东部地区近地面O₃浓度增加更为显著，增幅约为2–6 ppb。CO₂浓度变化趋势与O₃基本一致。2008–2012年CO₂浓度增加约3–5 ppm；而在2014–2018年，O₃增幅最大的华北地区CO₂浓度最高可增加约6 ppm。

图2 不同时期PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用对东亚地区异戊二烯、PM₂.₅、O₃和CO₂浓度的影响

PM₂.₅、O₃和CO₂浓度变化通过调节大气辐射收支显著影响近地面温度。近地面向下短波辐射通量的空间分布与PM₂.₅浓度变化呈显著负相关关系。2008–2012年，受增加的PM₂.₅浓度影响，东亚地区近地面向下短波辐射通量减少约10–20 W/m²，长波辐射通量减少约2–8 W/m²，导致中国大部分地区近地面温度降低约0.5–1 K。2014–2018年，随着PM₂.₅浓度整体下降，短波辐射通量减弱趋势明显缓解，东亚大部分地区近地面向下短波辐射减少约4–12 W/m²；在华北和西南等PM₂.₅ 显著下降区域，短波辐射通量则相应增加约8 W/m²。同时，伴随短波辐射增强及O₃和CO₂浓度升高，长波辐射通量出现一定幅度的增加。2014–2018年中国中部和南部地区长波辐射通量增加约2–8 W/m²，进而使近地面温度普遍升高约0.5–1 K（图3）。

图3 不同时期PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用对东亚地区地表净向下短波辐射通量、长波辐射通量及近地面温度的影响

图4表明，2008–2012年中国大部分地区的显著降温削弱了海陆热力差异，导致偏北风和偏西风增强约0.2–0.5 m/s。同时，中国西南地区的局地增温（图3g）强化了低层偏南气流。增强的偏南风将水汽输送至更北区域，并与华北地区增强的偏北风在中高纬度地区辐合，进而促进云量增加约6–10%，降水增强约4–8 mm/d。相比之下，2014–2018年中国北部和南部地区出现明显升温，增强了海陆热力差异，进而强化东亚夏季风环流。受此影响，中国东部和东北地区低层偏东风和偏南风增强约0.5–1 m/s。增强的偏南与偏东气流输送更多水汽，导致云量增加约6–12%，降水增强约4–10 m/s。

图4 不同时期PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用对东亚地区850hPa风场、云量及降水的影响

图5表明，在PM₂.₅、O₃和CO₂相互作用的影响下，东亚夏季风指数由2008–2013年以负异常（减弱）为主，逐步转变为2014–2018年以正异常（增强）为主。其主要原因在于：2008–2013年中国东部近地面温度总体呈下降趋势，削弱了海陆热力差异，从而抑制东亚夏季风强度；而2014–2018年近地面增温趋势逐渐显著，增强了海陆热力对比，进而强化东亚夏季风环流。

图5 2008-2018年PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用对东亚夏季风指数的影响

本研究基于区域气候–化学–生态耦合模式，聚焦 2013年前后PM₂.₅、O₃和CO₂浓度显著变化阶段，系统评估了三者之间的相互作用对东亚夏季风气候的综合影响。结果表明，随着污染物与温室气体浓度的显著变化，其相互作用强度亦发生阶段性变化，进而对东亚夏季风强度产生了相反的影响。因此，在开展区域气候预测与情景预估时，必须充分考虑PM₂.₅、O₃和CO₂之间的相互作用。特别是在大气污染物浓度剧烈波动且人为排放调控显著的区域，考虑后才能更准确刻画其对夏季风系统及区域气候演变的综合影响。

马丹阳，博士，南京师范大学厚生师资博士后、江苏省卓越博士后。主要从事空气污染与气候变化研究。主持国家自然科学基金青年基金1项，参与相关国家自然科学基金研究项目3项，在EST、ACP等高水平国际期刊上以第一/通讯作者发表研究论文近10篇，参与发表SCI论文10余篇。

谢旻，南京师范大学环境学院教授、博士生导师，研究方向为环境大气科学，重点关注双碳政策及气候应对、大气污染成因及防控研究中的热点问题，开展数值模拟和机器学习应用、环境遥感及大数据分析的技术研发。主持国家重点研发计划课题、自然科学基金等10余项，参与国家法规空气质量模型技术体系研究和大气环评导则修订等。发表研究论文160余篇，参与3本教材、6部专著的撰写，授权发明专利3项、软著2项。获教育部自然科学奖2项，中国气象局优秀科技成果、环境保护科学技术奖等行业学会奖8项，以及江苏省优秀博士学位论文导师等教学奖10项。入选江苏省333高层次人才培养工程。

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