北京大学物理学院Science Advances｜气溶胶光学性质对哈德雷环流的影响

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2024年11月19日 07:11

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北京大学物理学院大气与海洋科学系李婧和胡永云教授团队等合作者对1980年代以来北半球Hadley环流扩张现象进行了研究，发现北半球气溶胶吸和散射性质随纬度的变化对北半球Hadley环流增宽具有重要贡献。

相关研究成果以“Fractional change of scattering and absorbing aerosols contributes to Northern Hemisphere Hadley Circulation expansion”为题，于2024年11月13日发表在Science Advances。

Hadley环流是全球最主要的大尺度环流系统之一，在该系统中，暖湿空气由热带上升，在副热带地区下沉，对地球不同纬度带之间的能量与物质输送，以及热带和副热带地区的气候起着决定性作用。

自上世纪80年代开始大规模卫星观测以来，南北半球的Hadley环流均有所扩张，导致副热带干旱区向中纬度移动。特别是北半球Hadley环流的扩张对东亚、南亚、欧洲、北美等人口密集区域的气候影响显著。该变化趋势与自然变率和人类活动密切相关。然而，不同因素的相对贡献，以及哪些因素起到主导作用仍不明确。

在所有可能导致Hadley环流变化的因素当中，人为气溶胶因其成分、强迫机制与时空分布的复杂性而具有最大的不确定性。之前的研究只关注了黑碳气溶胶在北半球的加热作用，但黑碳气溶胶的辐射效应必须与散射性气溶胶一同考虑。

本研究聚焦吸收、散射气溶胶相对含量的变化，以气溶胶单次散射反照率参数SSA量化气溶胶吸收性与散射性的相对占比，通过一系列模拟试验分离了80年代以来气溶胶SSA变化对北半球Hadley环流扩张的相对贡献，并将其与气溶胶总体效应、气溶胶光学厚度AOD变化以及温室气体变化的效应进行比较。与温室气体相比，气溶胶强迫试验更能够再现Hadley环流增宽趋势，而且仅SSA变化就贡献了北半球秋季Hadley环流扩张趋势的73%（图1）。

图1- CESM模拟试验和再分析资料给出的1980年代以来北半球秋季哈德雷环流增宽趋势

气溶胶吸收和散射性质随纬度的变化影响了大气热力结构，并进一步导致北半球哈德雷环流扩张。如图2A所示，自80年代初以来，全球的气溶胶在总量变化的同时，散射与吸收性的相对占比也发生了很大变化。

尤其是在北半球中高纬地区，SSA显著下降，标志着吸收性气溶胶的相对占比上升。而在低纬地区，SSA显著上升，说明吸收性气溶胶占比的下降。不同纬度SSA的变化造成了北半球中高纬对流层大气显著增暖（图2 B），而低纬温度稍有下降，从而削弱了中纬度地区的南北温度梯度以及中纬度地区的斜压性，从而导致哈德雷环流向北扩张。

图2- A：1980-2021年北半球秋季气溶胶吸收散射性质SSA的变化趋；B：气溶胶吸收散射性质变化导致的北半球纬向平均温度廓线变化

研究团队进一步比较了全球多模式比较计划CMIP6的气溶胶模拟试验结果。虽然不同CMIP6模式所模拟的SSA变化具有较大的不确定性，但模拟出北半球中高纬SSA显著下降的模式更倾向于模拟出北半球哈德雷环流扩张的信号（图3 A），且该信号亦与南北温度梯度以及中纬度静力稳定度具有较好的相关关系（图3 B&C），进一步支持了SSA变化在哈德雷环流扩张过程中的重要作用。

图3- CMIP6模式气溶胶强迫试验中北半球哈德雷环流扩张趋势与北半球中高纬SSA、中纬度静力稳定度和径向温度梯度趋势的关系

本研究不仅发现了导致哈德雷环流扩张的新因素，也为我们理解气溶胶强迫提供了新的视角，即不仅需要关注气溶胶总量的变化，更要关注气溶胶成分与光学特性的变化。研究同时强调了对表征气溶胶吸收散射性质的SSA这一光学参数进行全球观测的重要性。

本研究主要由国家自然基金委资助（项目号：42425503和42488201）。论文第一作者是博士研究生应同（现为Scripps海洋研究所博士后），李婧和胡永云教授为通讯作者。

全文链接：https://doi.org/10.1126/SCIADV.ADQ9716

本文由论文作者团队供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。

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