自然-通讯 | 研究发现季风前期印度地区黑碳和气候相互作用调控沙尘浓度并影响季风爆发

《自然-通讯》研究发现季风前期印度地区黑碳和气候相互作用调控沙尘浓度并影响季风爆发

作为空气污染的热点区域，季风前期，印度具有大量的黑碳和沙尘。印度的黑碳一方面来自于工业等部门的排放；另一方面，印度在季风前期大量秸秆焚烧贡献了黑碳排放。印度的沙尘主要来自于印度西北部塔尔沙漠排放以及撒哈拉和中东地区的输送。前人研究已经证实黑碳和沙尘气溶胶对印度季风前期和季风期的气候有重大影响。然而，印度的黑碳能否通过与气候的相互作用调控该地区的沙尘浓度，目前尚不清楚。

美国Texas A&M University刘小红教授团队和清华大学王勇研究员团队合作在《自然-通讯》（Nature Communications）上发文，发现了黑碳和气候相互作用可以调控印度季风前期的沙尘，并进一步影响印度夏季风的爆发。基于再分析资料长期统计结果，首次揭示了印度季风前期（4-5月）沙尘与印度北部的黑碳呈现正相关关系，而与印度南部的黑碳呈现负相关关系（图1b）。

图1. 季风前时期（4-5月）污染的相关情况。（a）CALIPSO（2007-2020）资料中去除长期趋势（DOD_DT，蓝色）和去除长期平均（DOD_DM，红色）以及MERRA-2资料中（2007-2021）（DOD_DT，灰色；DOD_DM，紫色）的归一化的沙尘光学厚度（DOD）异常的时间序列；（b）MERRA-2资料中印度北部DU去趋势多年异常（区域平均）与每个网格BC去趋势多年异常的相关系数；（c）TROPOMI NO2浓度异常（2020减去2018-2019平均）；（d）MERRA-2 BC大气柱浓度；（e）CALIPSO DOD（填色）和AERONET 粗颗粒态AOD（圆圈）；（f）550nm MISR AOD（填色）和AERONET AOD（圆圈）2020减去2015-2019平均情况。

基于观测数据和再分析资料，选取2020年印度COVID-19期间（4-5月）进行针对性的分析，他们发现：由于疫情封锁政策，印度北部工业（以及交通等部门）和大型农场秸秆燃烧排放的黑碳大量减少（图1d），这显著降低了大气中的短波加热率（图2a），并增加了青藏高原地区的地表反照率（图2b），降低印度北方的大气温度并激发了对流层中下层的下沉环流（图2c）。在印度南部，由于西北部大型农场停工，劳工南归导致南方个体农场秸秆燃烧排放的黑碳大量增加，加热局地大气（图2c）。南部温暖空气被向南输送的印度北部青藏高原地区下沉堆积的冷空气强迫抬升，生成大量低云（图2d），地表冷却（图2e&f），产生异常高压，触发了东风异常（图2g）。南北黑碳排放差异引起的南北大气加热差异所导致的南北气压梯度力异常也贡献了东风异常（图2g）。由此，减弱的西风减少了来自中东和撒哈拉的沙尘输送和印度当地塔尔沙漠沙尘排放，使得COVID-19期间印度沙尘达到历史同期新低（图1a&e）。他们还揭示了COVID-19时期印度北部黑碳和沙尘的减少进一步延缓了之后印度夏季风的爆发。

图2. BC在COVID-19期间2020年季风前期（4-5月）的气候异常。（a）MERRA-2纬向平均（70°E - 90°E）短波加热速率；（b）MODIS地表反照率；（c）MERRA-2纬向平均（70°E - 90°E）气温（填色）和垂直流场（矢量）；（d）MERRA-2低云覆盖率；（e）CERES地表短波云辐射效应，（f）NOAA/NCEI 2 m气温；（g）MERRA-2 10m风速（填色）和风场（矢量）。所有异常均为2020年情况相对于2015-2019年多年平均值。

由于各观测数据和再分析资料中沙尘浓度受多种因素影响，为了单独分离出黑碳对沙尘的影响信号，他们利用美国NCAR的CESM2地球系统模式，分别设置了基于COVID-19 黑碳排放情况的试验和基于历史黑碳排放外推情况的试验（SSP），通过两者对比分析，模式结果能够很好地证实观测发现的相关现象和机制（图3）。

该研究结果表明，未来印度减排政策将减少印度北部人为排放的黑碳，通过上述黑碳和气候相互作用，局地沙尘也将减少。印度黑碳和沙尘的下降也可能导致未来印度夏季风的减弱。这些研究结果对印度空气污染治理和预测印度季风期降水有着重要的指导意义。

图3. 黑碳-气候相互作用调控沙尘浓度机制。该机制不仅适用于COVID-19情况，也适用于长期统计特征。

研究者信息：

清华大学地学系博士生魏麟懿和美国德克萨斯农工大学陆政博士为论文共同第一作者；清华大学地学系王勇研究员和美国德克萨斯农工大学刘小红教授为论文共同通讯作者。中国科学院大气物理研究所博士生王伟懿和吴成来副研究员、美国德克萨斯农工大学赵曦博士、美国加州大学洛杉矶分校的斯特凡·拉希米博士、清华大学地学系博士生夏雯雯和南京大学蒋益荃副教授为论文合作作者。该研究得到了科技部重点研发项目和国家自然科学基金的支持。

更多信息：

Linyi Wei†, Zheng Lu†, Yong Wang*, Xiaohong Liu*, Weiyi Wang, Chenglai Wu, Xi Zhao, Stefan Rahimi, Wenwen Xia, and Yiquan Jiang, Black Carbon-Climate Interactions Regulate Dust Burdens over India Revealed during COVID-19, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29468-1

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