作者简介

•第一/通讯作者

姓名：白建辉

机构：独立研究员

研究方向：太阳辐射；大气化学；生物挥发性有机物 (BVOC) 排放；碳平衡；气候变化

•通讯作者

姓名：宗雪梅

机构：中国科学院大气物理研究所

研究方向：大气环境和遥感

•作者

姓名：万晓伟

机构：独立研究员

研究方向：大气物理；大气环境

姓名：Angelo Lupi

机构：意大利国家研究委员会，极地科学研究所

研究方向：气溶胶；地球物理学；大气物理学

姓名：Maurizio Busetto

机构：意大利国家研究委员会，极地科学研究所

研究方向：遥感；环境影响评估；大气污染；大气物理学

• 研究背景

南极是地球上气候变化最为敏感的地区之一。近几十年来，南极气候正在变暖。影响气候变暖的过程比较多，各种过程之间存在着复杂的相互作用。目前，关于南极地区气候变暖的原因还没有形成共识。南极具有地球上最干燥和最洁净的大气环境，它为我们研究气候变化提供了一个非常理想的天然实验室。太阳辐射是地球系统最重要的能量来源，太阳辐射及其变化影响着大气、陆地、植物、海洋等子系统中的物理、化学、生物过程，也影响着地球上的气候和气候变化。因此，全面了解南极地区太阳辐射的传输规律则最为基础和非常必要。

中国科学院大气物理研究所白建辉研究小组和国内外学者合作，基于前期发展的太阳总辐射经验模型，研究了2006-2016年南极Dome C站太阳辐射的长期变化、气温上升及其可能机制。总辐射经验模型基于2008-2011年太阳辐射和气象参数测量数据建立，模型的均方根误差 (Root Mean Square Error, RMSE) 为0.04 MJ m−2 、2.0%。利用2006-2016年实测数据评价模型，模型的RMSE为0.15 MJ m−2 、10.9%，模型表现出较好的模拟能力。将此模型用于计算2018-2021年的总辐射，并和对应的测量数据对比，模型的RMSE为0.15 MJ m−2 、12.5%，模型依然展示出合理的计算结果。因此，将该模型用于研究Dome C站2006-2021年太阳总辐射以及辐射能量对于气温的影响。

• 研究过程与结果

前期的研究表明，2006-2016年，Dome C站总辐射在缓慢下降，气温上升1.80 ℃。这主要是由于大气中吸收成分和散射成分的增加 (增长率分别为1.46%、0.57%)，进而带来损失于大气中的吸收辐射和散射辐射增加 (增长率分别为0.01%、0.39%)，增加的能量中有一部分用于加热大气，造成了气候变暖。

2016年之后，Dome C地区的气候变化也是令人非常感兴趣的，因而对2006-2021年太阳辐射和大气状况做了研究。2006-2021年，地面总辐射的测量值和计算值以每年0.65%、0.76%速率下降；大气中的吸收和散射成分 (利用地面水汽压E和S/G表达) 分别以每年0.63%、0.92%的速率增加；损失于大气中的吸收辐射和散射辐射以每年0.29%、0.79%速率增加；气温依然是上升趋势，增加了0.99 °C (图1-3)。新的研究确认了Dome C站在2006-2021年的增温机制和2006-2016年基本相同：大气中吸收和散射辐射能量的增加，同步伴随着大气中吸收和散射成分的增加。观测数据表明，2010-2021年地面向上的长波辐射以每年2.46%速率上升，从而加热大气、带来气温上升。因此，气温升高的基本机制在南极独特的大气环境下被清晰地揭示出来和进一步确认；减缓南极气候变暖应采取的措施为：减少各种排放源向大气排放所有的气液固态成分，包括人为源和天然源、温室气体和非温室气体；控制通过化学和光化学反应生成新的二次产物。

图1. 全天空条件下，冰穹C站计算和观测的太阳总辐射 (G)、测量的散射辐射 (S) 及散射系数 (S/G) 的年平均值。

图2. 全天空条件下，冰穹C站的气温 (T)、相对湿度 (RH) 及水汽压 (E) 的年平均值。

图3. 全天空条件下，冰穹C站吸收和散射物质造成的总辐射损失 (GLA、GLS) 及大气中总损失 (GL) 的年平均值。

利用经验模型计算了Dome C区域的反照率。2006-2021年，地面和大气顶反照率的计算值和卫星反演值均表现出较为一致的下降趋势 (图4)，它反映出大气和地面吸收性增加的特征以及地面吸收性增加加速冰面融化的物理机制。

图4. 全天空条件下，冰穹C站计算和卫星反演的地表 (surface) 与大气顶反照率 (TOA) 的年平均值。

• 研究总结

太阳总辐射经验模型对于2006-2021年南极Dome C总辐射表现出较好的模拟能力，可用于计算地面总辐射、大气中的吸收和散射辐射、地面和大气顶的反照率，用于研究太阳辐射和大气成分的相互作用。研究表明，2006-2021年，地面总辐射在下降；大气中的吸收和散射成分在增加，伴随大气中的吸收和散射辐射能量增加，进而引起气候变暖；地面和大气顶的反照率都在下降，故大气和地面的吸收性增加，有利于冰面融化；地面向上长波辐射在增加，是引起气候变暖的另一因素。2006-2016、2006-2021年两个时段，Dome C区域气候都在变暖，它们共同揭示和确认了气温上升的基本机制。为了减缓气候变暖，需控制各种来源气液固态成分的排放及大气中的二次产生，温室气体仅仅是其中的一部分。

原文链接：https://www.mdpi.com/2225-1154/14/2/43

•   Climate 期刊介绍

主编：Timothy G. F. Kittel, University of Colorado Boulder, USA

期刊涵盖气候变化检测、地球系统建模、生态系统影响，气候相关的政策与治理等内容。期刊旨在为与气候相关的各个学科的创新研究提供一个开放获取平台。目前期刊已被Scopus、ESCI (Web of Science)、GeoRef、AGRIS等数据库收录。

2024 Impact Factor：3.2

2024 CiteScore：5.7

Time to First Decision：20.8 Days

Acceptance to Publication：3.8 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/climate