《Atmospheric Research》：Impact of boundary layer schemes in RegCM-Chem on East Asian climate and its response to the aerosol-radiation interaction
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气溶胶-辐射相互作用的不确定性源于边界层参数化方案选择，通过对比RegCM-Chem中Holtslag与UW方案发现：UW方案更符合观测的近地表温湿度风速，但导致中东部沿海人为气溶胶浓度升高；Holtslag方案粉尘浓度更高。UW方案因垂直传输更强，导致气溶胶辐射强迫增强1.1 W/m2，显著影响区域气候响应。
曹恒|庄炳良|周一楠|高鹏|胡亚欣|王铁建|李舒|李梦梦|谢敏|刘倩
南京大学大气科学学院，中国南京
摘要
本研究评估了RegCM-Chem模型中的Holtslag（Hol）和华盛顿大学（UW）行星边界层（PBL）方案，以更好地理解东亚地区气溶胶-辐射相互作用（ARIs）的不确定性。这两种方案都能再现气候变量的时空变化，其中UW方案在近地面温度、湿度和风速的模拟上与观测数据更为吻合。与Hol方案相比，UW方案通常产生更高的总云量（高出Hol方案多达10%），同时伴随更低的表面温度、更浅的边界层高度（PBLH）以及中部和东部地区更干燥的地表条件。由于湿清除作用较弱、PBLH较低且辐合较强，UW方案在中部和东部沿海地区产生更高的人为气溶胶浓度。然而，Hol方案由于排放量较大，导致地表尘埃浓度较高。UW方案中增强的垂直输送作用将气溶胶抬升到更高层次，从而增加了气溶胶的垂直浓度和光学厚度。同样，UW方案的气溶胶负荷也更接近观测值或再分析结果。因此，UW方案产生的地表有效辐射强迫（ERF）更强，在中部和东部地区的值达到了-7.86 W/m2，比Hol方案高出约1.1 W/m2。这些气候变量和辐射效应的差异进一步调节了ARIs和区域气候响应。总体而言，Hol方案可能低估了东亚地区对ARIs的气候响应。这些结果强调了边界层参数化选择对可靠区域气候评估和气溶胶影响研究的重要性。
引言
随着经济的快速发展和人口的增长，东亚地区的气候和大气成分发生了深刻变化（You等人，2022年）。面对日益严重的空气污染问题，中国近年来开始实施非常严格的减排政策（Ren等人，2024年）。因此，人为颗粒物浓度显著下降（Hu等人，2024年；Huang等人，2014年；Jia和Zhang，2020年；Qiu等人，2023年；Tseng等人，2024年；Wai等人，2017年）。大气气溶胶由尺寸小于100 μm的固体和液体颗粒组成，包括硫酸盐、矿物尘埃、碳质物质、海盐等（Li等人，2025b年）。东亚被认为是全球主要的尘埃来源地区之一。频繁的沙尘事件增加了区域气溶胶成分和光学特性的空间和时间变异性，从而复杂化了区域气溶胶特征（Cheng等人，2024年；Liu等人，2024年；She等人，2018年；Zhang和Zhou，2015年；Zhang等人，1997年）。气溶胶可以散射和吸收太阳辐射，从而改变垂直温度剖面并影响地球-大气系统的能量平衡。另一方面，它们可以作为云凝结核或冰凝结核，从而改变云的反照率或寿命。所有这些影响都以气溶胶气候效应的形式量化（Li等人，2022年）。沙尘气溶胶还可能进一步影响大气化学过程，甚至地球的生物循环（Schulz等人，2012年；Xiong等人，2020年）。东亚地区的气溶胶浓度仍显著高于全球平均水平，且偶发的颗粒物污染事件持续发生。因此，评估行星边界层（PBL）方案对东亚地区气溶胶直接辐射效应（ARIs）的影响在科学上非常重要，因为它有助于减少区域尺度上气溶胶引起的辐射强迫估计的不确定性。
行星边界层（PBL）是对流层的最低部分，直接受到地球表面的影响，并在小时或更短的时间尺度上对地表强迫作出响应（Spiridonov和?uri?，2021年）。大气物理过程和通量，包括辐射传输、混合、湍流以及热量、水分、气体和动量的传输，都发生在PBL中。由于气溶胶与PBL相互作用，PBL与空气污染密切相关（Huang等人，2021年；Huang等人，2020年；Huang等人，2018年）。PBL中的湍流涡旋控制着动量、热量和质量的垂直通量，即它们将驱动气溶胶积累的污染物限制在接近地表的位置（Trenberth等人，2009年）。这种污染捕获效应受PBL稳定性的调节，直接增强了气溶胶的辐射强迫并抑制了地表能量预算，进而扰动了感热和潜热通量，最终影响全球能量分配。
气溶胶的传输、转化、沉积和辐射效应受到气候变量的显著影响，边界层也可以发挥调节作用（He等人，2019年；Lock等人，2000年；Neggers，2015年）。因此，这是气溶胶辐射强迫和气候效应不确定性产生的一个重要途径。准确估计气溶胶辐射强迫仍然具有挑战性（IPCC，2021年）。一个关键的不确定性可能源于模型中不同物理过程参数化方案的选择，这可能导致模拟气候变量的显著差异（He等人，2019年；Lock等人，2000年；Neggers，2015年），因为模型反馈的可靠性在很大程度上取决于PBL参数化的准确性（Güttler等人，2013年）。PBL参数化的差异也可能导致模拟气溶胶浓度和相关辐射强迫的显著差异。例如，Peng等人（2021年）比较了三种PBL方案，并报告称PBL方案直接影响气溶胶-辐射反馈。除了PBL过程外，最近的研究还表明，PBL与对流参数化之间的相互作用会放大这些不确定性。Li等人（2024年）报告称，不同的PBL和对流方案组合可能导致气溶胶有效辐射强迫（ERF???）相差±12%。相比之下，Christensen等人（2024年）表明，PBL和微物理方案的选择可能导致气溶胶间接效应变化30%。这些研究表明，气溶胶辐射强迫的不确定性不仅来源于PBL驱动的气溶胶分布，还来源于其与对流和云微物理的耦合。因此，有必要量化不同PBL参数化方案下的气溶胶-辐射相互作用不确定性，以改进东亚地区的气候评估。
许多研究对具有不同PBL方案的模型进行了比较分析。Hu等人（2010年）报告称，YSU和ACM2在PBL高度和地表变量方面的偏差小于WRF模型中的MYJ，从而导致污染物扩散模式的差异。Jacob等人（2014年）使用同一模型在EURO-CORDEX框架内评估了多年区域气候模拟。Li等人（2024年）使用WRF-Chem强调了PBL混合系数的变化如何显著影响PM?.?的日变化周期。尽管WRF具有多样的物理参数化选项，但这些研究指出，当测试多种方案组合时，WRF的计算成本限制了长期模拟。除了WRF之外，还通过CORDEX平台上的统一平台测试了区域气候模型RegCM，以便系统地比较各种PBL、对流和地表方案。Giorgi等人（2012年）报告称，在非常稳定的条件下，RegCM中的Holtslag方案倾向于垂直输送过多的热量、水分和动量，这可能导致高纬度地区冬季出现升温偏差。Güttler等人（2013年）发现，与默认的Holtslag方案相比，RegCM中的UW方案对欧洲有冷却效应，这种冷却效应可归因于水汽混合比的垂直湍流混合。Velikou等人（2018年）发现，UW方案可以减少与Holtslag方案相关的湿偏差或干偏差，这一发现后来得到了Kalmár等人（2024年）的证实。
总体而言，之前使用RegCM研究不同PBL参数化效果的研究主要集中在北美和欧洲（Komkoua Mbienda等人，2021年；Lagare等人，2022年）。因此，不同PBL参数化方案对东亚地区气溶胶-辐射相互作用的影响仍不清楚（Chen等人，2025年）。为了量化PBL参数化方案选择的不确定性，并为东亚地区的气候和气溶胶研究提供关键约束，本研究探讨了RegCM-Chem中边界层方案选择（Holtslag和UW）对区域气候和气溶胶直接辐射效应不确定性的影响。第二部分介绍了研究方法和数据，第三部分展示了研究结果，第四部分包括结论和未来工作计划。
区域气候-化学模型（RegCM-Chem）描述
与全球气候模型（GCMs）相比，区域气候模型也被世界各地的研究人员广泛使用，因为它们具有获得高质量模拟的灵活性（Giorgi和Gutowski，2015年）。本研究中使用的区域气候模型（RegCM）最初是在1989年由国家大气研究中心（NCAR）在区域气候研究网络的支持下开发的。它采用σ-压力、欧拉、静力动力学核心（来自
东亚地区气候变量的空间分布
图1表明，RegCM-Chem能够再现东亚气候的关键特征，这一点在之前的研究中也得到了验证（Oh等人，2014年；Qin等人，2023年；Tang等人，2022年）。这里进行了简要比较。结果表明，两种方案都能可靠地再现卫星观测到的地表辐射通量的空间模式，显示出大致相似的分布，仅存在轻微的区域差异。UW方案估计的总云量较高
结论
本研究评估了RegCM-Chem模型中两种行星边界层方案（Holtslag和UW）对东亚地区气溶胶直接辐射效应及相关气候响应的敏感性。通过进行有和没有气溶胶直接效应的配对模拟，利用卫星和再分析数据集验证结果，并比较不同方案之间的差异，本研究全面评估了边界层参数化对气候变量和气溶胶负荷的影响
曹恒：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。庄炳良：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。周一楠：验证、正式分析。高鹏：可视化、验证。胡亚欣：可视化、验证。王铁建：撰写——审稿与编辑。李舒：
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费（2024YFC3711904、42075099、0207-14380169）以及南京大学关键地球物质循环前沿科学中心的支持。
