浅析中国区域黑碳气溶胶的气候效应

    于勇 吴自越

    

    

    摘?要：黑碳气溶胶是当前气候变化和环境研究中的热点问题之一，本文讨论了气溶胶的季节分布特征，探讨了黑碳气溶胶对地面气温和降水的影响及其季节变化特征，对黑碳的减排对策提出了建议。

    关键词：黑碳;气溶胶;气候效应

    1 绪论

    黑碳气溶胶对环境问题的影响研究可以追溯到20世纪50年代，起因在于著名的伦敦烟雾事件，近几十年来，我国的经济的高速发展，对能源的需求量和消耗量持续增加，我国能源结构是以煤和生物燃料为主，而且城市地区机动车保有量大量增加，导致大气中黑碳气溶胶的含量持续增加，虽然黑碳气溶胶占我国大气气溶胶成分中所占比重较小，但是黑碳气溶胶很容易距离扩散输播，影响范围广大，且由于其特殊的光学性质，改变了辐射传输过程的能量分配，从而对气候产生广泛的影响，深入地开展黑碳气溶胶的分布、输送、沉降的规律及其对区域气候的影响，具有重要的科学和决策意义。

    悬浮于大气中的黑碳气溶胶首先降低了大气能见度，直接减少到达地表的太阳辐射，其次黑碳气溶胶本身又强烈吸收太阳辐射，加热了空气，影响温度廓形，加强了云的蒸发，减少了云量，同时黑碳气溶胶作为云凝结核改变了云量，也改变云的生命周期，当黑碳气溶胶层位于云层上或者层下，或者在云层内，对应的增暖效应的辐射传输过程也大不相同，复杂地影响了整个大气圈的水循环及能量循环，而通过干湿沉降和重力沉降，沉降到植物表面的黑碳气溶胶，影响植物的正常光合作用，另外落到地表的黑碳气溶胶改变了地表反照率（如冰雪等的反照率），另外附在冰雪表面的黑碳气溶胶直接影响了辐射传输过程，强烈吸热使得冰雪提前融化而浪费水资源，而农作物需要水的时候得不到广泛灌溉，这些都间接影响了水循环，影响了能量平衡和气候变化，此外黑碳气溶胶通常吸附了其他的有毒物质，通过呼吸作用进入人体，危害人体健康。许多学者使用不同类型的数值模式（如辐射传输模式、全球和区域气候模式等）来研究了包括黑碳气溶胶引起的辐射强迫、对气温和降水的影响等。各个黑碳气溶胶的模式模拟之间的差别较大，如何提高模式的准确性，需要广泛开展黑碳气溶胶浓度观测，黑碳气溶胶光学性质特殊，从可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收，而且传输过程中，黑头气溶胶易参与大气中的光化学反应，黑碳气溶胶的表面总是吸附其他污染物，黑碳气溶胶不再是单一的化学成分，而是一种混合成分，对应的新粒子的光学性质剧烈变化。这些都增加了其对气候影响的不确定性。

    黑碳气溶胶的空间分布主要与当地工业发展和人口密度相關，中国东部地区的黑碳气溶胶的排放密度明显高于西部，西部人口密度低，工业排放量极低。黑碳的减排要从加强控制源头开始，一方面可以推广低碳能源，积极使用无碳的能源，采用天然气或者其他清洁能源，另一方面要提高能源的使用效率，通过集中供暖有利于节约能源，对应的也就减少了排放，除尘技术的发展也将减少黑碳的排放量，在城市，加强排放源头的检测，规范监督企业自律，在农村，春秋收货季节的秸秆燃烧也是黑碳气溶胶的重要排放源，禁止秸秆燃烧室黑碳减排的重要举措，科学地处理秸秆包括制作有机肥和动物饲料。

    2 黑碳气溶胶的季节分布

    黑碳和有机碳气溶胶柱浓度度大值区出现在海拔较低、人口相对密集、工业相对发达的地区，而西北地区，由于人口稀少，工业排放量极低，对应的黑碳气溶胶柱浓度值很小。受到工业源和居民生活源的影响，又加上四川盆地的地形比较特殊，周围多高山、丘陵，地形复杂，污染物的不易扩散和输送，同时地区风场较弱，一年四季中该地区的黑碳气溶胶垂直负荷值都较大。我国东部、南部是柱含量集中区，人类活动对黑碳气溶胶柱浓度的分布会产生较大的影响，是使垂直负荷值增加的主要因素。

    黑碳气溶胶柱浓度的季节变化的特征明显。通常春季柱浓度较大，最大值位于四川盆地和华中地区，黑碳气溶胶柱浓度向西北逐渐递减。这可能是因为，在春季稳定的天气形势以及工业污染和生物质燃烧。夏季，随着对流增强，降水增加，湿沉降的清除作用明显，黑碳气溶胶柱浓度显著减小。

    秋季是收获的季节，农作物的生物质燃烧导致的气溶胶在四季中最高，这使得黑碳气溶胶的柱浓度维持较高的水平，农作物作业区的四川盆地和华中华南地区是高值区。而冬季，黑碳气溶胶处于较高浓度是由于居民取暖的排放增加以及稳定的大气条件等，然而冬季北方的冬季取暖供热主要采用未经排放处理的原煤、蜂窝煤，但北方的柱浓度并不高，这可能是由于中国北方地区冬季的雨雪天气清除了黑碳气溶胶，再加上冬季盛行偏北风。

    夏季的大值区在四个季节中明显偏北，推进到了我国与蒙古边境、东北中部地区，这是由于我国是季风气候，夏季盛行来自太平洋的东南季风和来自印度洋的西南季风，持续地将黑碳气溶胶向北输送，对应的北部浓度升高，而南部浓度降低。而冬季在强劲的冬季风影响下，又退到华北和黄河中上游以南地区。

    3 黑碳气溶胶的气候效应

    运用区域气候模式RegCM3进行数值模拟，通过一系列的敏感性实验来考察黑碳、有机碳气溶胶的直接辐射效应引起的中国区域气候变化。模拟试验结果表明，黑碳气溶胶在全国大部分地区大气顶的产生正的辐射强迫，大值区主要位于四川盆地和华中地区。黑碳气溶胶在增加大气中辐射通量的同时，减少了到达地表的太阳短波辐射，地表处的辐射强迫为负。地表处的量级比大气顶稍大，与气溶胶浓度分布呈现很好的一一对应关系，极大值区位于四川盆地，河南东部以及湖南北部的小部分区域。

    黑碳气溶胶一方面产生直接的辐射强迫，即直接散射和吸收太阳辐射，另一方面又可作为云凝结核，进而改变云的微物理特性和宏观云量，引入黑碳气溶胶气溶胶后，春、夏季平均降水量基本上呈沿纬线带状分布特征，即降水增加地区的南北两侧降水则有所减少，且降水增加的地区与降水减少的地区差不多。秋、冬季平均降水量没有沿纬线带状分布特征，但降水增加的地区与降水减少的地区也差不多。为细致地了解黑碳气溶胶对中国区域降水的影响，将中国境内排放源较集中的地区划分为3个子区域，目的是为了进一步的定量分析。3个子区域分别为：北方（33.4°N-42.4°N，109.3°E-124.3°E）（简称NC）、南方（21.5°N-33.4°N，109.3°E-124.3°E）（简称SC）、四川盆地（27.7°N-32.6°N，105.5°E-109.3°E）（简称SCB）。

    图1给出了黑碳气溶胶对三个子区域的降水影响的月变化图，从该图中可以看出，一年四季中黑碳气溶胶都使得北方雨量增加，四川盆地的雨量也是明显增加，而对南方的影响则是，在1月到4月雨量增加，而5月到12月都是减少的。

    黑碳气溶胶对地面温度的影响受到大气环流等方面的制约。所以，地面温度的变化与黑碳气溶胶柱含量地理分布不吻合，与黑碳气溶胶年平均辐射强迫也不一致，这可能是由于黑碳气溶胶对长波辐射的影响很小。就总体年平均来看，黑碳气溶胶使得东部地区和青藏高原地面气温升高，而北部、西北地区、东北地区、四川盆地等地面气温下降，尤其以四川東南部和贵州交界下降的最明显。

    黑碳气溶胶引起的三个子区域的地面气温季节变化（春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12—2月）。对3个子区域地面气温的影响特征为：南方，冬季使得气温升高，但升温幅度逐渐减小，到夏季则变为降温，到7月达到极值-0.2℃，而后降温作用逐渐减小。到8月中旬又变为逐渐的升温作用，直至冬季。图2中呈明显的v字形曲线。北方和四川盆地则为升温作用，但四川盆地的升温作用更明显。

    4 结语

    使用区域气候模式RegCM3，通过一系列敏感性实验，来考察有、无黑碳和有机碳气溶胶情况的气候效应。结果表明人类活动对黑碳气溶胶柱浓度的分布会产生较大的影响，是使垂直负荷值增加的主要因素。黑碳和有机碳气溶胶柱浓度度大值区出现在海拔较低、人口相对密集、工业相对发达的地区。引入黑碳气溶胶后，在地表产生负的辐射强迫，在大气顶处产生正的辐射强迫。地表辐射强迫大值区位于四川盆地、湖南北部和河南东南部地区，整个东部平原地区都是高值区。虽然气溶胶的辐射强迫主要依赖于其本身的光学性质和在大气中的浓度，太阳高度角和地表反照率对黑碳气溶胶的辐射强迫会产生很大的影响，进而改变地面潜热和感热通量以及地面净长波发射通量。黑碳气溶胶在大气中的分布、输送、沉降的规律非常复杂，而且包含有许多非线性的作用，因此，黑碳气溶胶辐射效应的模拟研究领域仍有很大发展空间。

    参考文献：

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    [2]罗燕，吴涧，王卫国.利用MODIS-GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气胶直接辐射强迫[J].热带气象学报，2006.

    [3]张华，马井会，郑有飞.黑碳气溶胶全球辐射强迫的模拟研究[J].大气科学，2008.

    [4]王志立，郭品文，张华.黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季夏季降水的模拟研究[J].气候与环境研究，2009.