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近日,清华大学地球系统科学系王勇副教授课题组联合美国德克萨斯农工大学刘小红教授课题组等国内外多个课题组,利用观测数据、长期再分析数据和气候模式模拟等研究手段,对印度季风前期的黑碳气溶胶如何通过与气候的相互作用来调控沙尘浓度并对季风降水影响展开了分析,并特别针对2020年COVID-19时期的情况进行了细致的机理分析。

当前,印度作为全球空气污染热点区域,其黑碳气溶胶浓度远高于全球其他国家。不仅如此,由于其特殊的地貌特征和地理位置,印度地区存在非常严重的沙尘气溶胶污染问题。由于季风降水对印度当地的农业生产和社会活动具有重要影响,因此在探究印度的污染和气候问题时,学者们特别关注印度夏季季风时期的情况。此前研究已证实,印度的黑碳和沙尘气溶胶对其季风前期和季风期的气候有重要影响。季风前期,大气中都会存在大量的黑碳和沙尘气溶胶。印度地区的黑碳一部分来自工业、能源、交通等部门的排放,另一部分来自秸秆焚烧过程;沙尘气溶胶则主要来自西北塔尔沙漠局地起沙过程以及撒哈拉和中东地区沙漠的沙尘远距离输送,受气候要素影响较大。这两种气溶胶对辐射都具有一定的吸收效应,调制大气和地表能量收支,并且通过沉降影响临近青藏高原和喜马拉雅山脉等地的积雪。此前的研究往往关注印度黑碳和沙尘的气候效应,而忽略了两者可能通过气候效应存在协同变化,阻碍了对于控制印度地区污染情况的理解。因此,人为排放产生的黑碳能否通过与气候相互作用调控该地区的自然沙尘浓度,目前还尚不清楚。

针对上述问题,研究组设计了从人为排放黑碳—气候响应—沙尘变化的研究路线。利用长期再分析资料,研究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)。依据上述相关关系,研究组还发现,2020年季风前期(4—5月)印度的黑碳气溶胶配置(图1d)正好对应着历史同期沙尘气溶胶浓度的最低值(图1a&e)。

图1 季风前时期(4-5月)污染的相关情况。


图2黑碳-气候相互作用调控沙尘浓度机制。

研究团队进一步利用观测、再分析资料和地球系统模式CESM2模拟,对2020年印度新冠肺炎疫情期间(4-5月)的污染排放变化及其气候响应情况进行了针对性的机理分析(图2)。由于疫情封锁政策,印度北部工业、能源、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),因此大大降低了大气短波加热率,同时增加了青藏高原地表反照率,降低印度北方大气温度并激发了下沉气流。另外,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。南部温暖空气被向南输送的印度北部青藏高原下沉堆积的冷空气强迫抬升,生成大量低云。地表冷却,产生异常高压,触发了东风异常。由此,减弱的西风减少了来自中东和撒哈拉沙漠的沙尘输送和印度当地塔尔沙漠的沙尘排放,使得新冠疫情肺炎疫情期间印度沙尘达到历史同期新低(图1a&e)。同时期,印度北部黑碳和沙尘的减少也进一步延缓了之后印度夏季风的爆发。

基于上述成果以“基于COVID-19揭示的印度地区黑碳-气候相互作用对沙尘的调控”(Black Carbon-Climate Interactions Regulate Dust Burdens over India Revealed during COVID-19)为题,于2022年4月5日在《自然-通讯》(Nature Communications)期刊在线发表。

清华大学地学系2020级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副教授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。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29468-1

供稿:王勇 魏麟懿

编辑:王佳音

审核:张强

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