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1、气溶胶气候效应的研究概况摘要：本文以我国主要研究的沙尘、碳、硫酸盐气溶胶为例简要介绍了气溶胶的 特征，来源，影响因素，气候效应及其相关研究，并指出了在研究气溶胶气候效 应方面还存在的挑战。关键词：气溶胶；辐射强迫；气候效应1. 引言近年来，在全球变暖的背景下，我国的部分地区却存在降温现象。资料显示， 四川省在20世纪50年代到80年代间温度降低了 0。48Cu0，Li Xiaowen等认 为四川盆地这四十年来气温的下降趋势可能与该地区硫酸盐气溶胶含量的增加 有关。此外，很多学者在通过模式研究温室气体的气候效应，预测气温变化时， 发现实际值总是比模式计算值偏低。这让他们相信大气中存在一种物质和温
2、室气 体具有相反的辐射强迫。再者，很多研究表明，火山喷发会使得地面气温下降， 这与火山喷发形成的火山尘幕有关。这些现象使得气溶胶气候效应的研究越来越 受到关注。大气气溶胶是指悬浮于大气中的具有一定稳定性的固体和液体颗粒组成的 分散体系，它的粒径范围在0.002-100微米之间。气溶胶在地球大气辐射收支平 衡和全球气候变化中扮演着重要的角色。它通过两种机制对气候变化产生影响。 一种是直接影响，即气溶胶通过散射和吸收太阳辐射以及地面辐射影响地-气系 统的辐射收支平衡。另一种为间接影响，即大量气溶胶作为云凝结核，使单位 体积的云粒子数量增加、云滴半径减小，增加云的短波辐射率和生命时间，从而 影响地-
3、气系统的短波辐射和长波辐射4, 5。大气气溶胶主要指六大类七种气溶胶粒子：沙尘气溶胶，碳气溶胶（黑碳和 有机碳气溶胶），硫酸盐气溶胶，硝酸盐气溶胶，铵盐气溶胶和海盐气溶胶。由 于中国的能源结构是以化石燃料的燃烧为主，加上我国北方干旱、半干旱地区常 出现沙尘天气，因此，我国对气溶胶的研究主要集中在沙尘气溶胶、碳气溶胶和 硫酸盐气溶胶上。2. 气溶胶的特征，来源及其气候效应的研究2.1沙尘、碳、硫酸盐气溶胶特征及其来源:沙尘气溶胶（矿物气溶胶）是对流层大气气溶胶的主要构成成分，据估计，全球每年进入大气的沙尘气溶胶达10-20亿吨，几乎为整个对流层气溶胶的一 半。沙尘气溶胶主要来源于干旱或半干旱地区
4、的风蚀过程（沙尘天气）。因此， 就全国来看，沙尘气溶胶在我国北方干旱半干旱地区浓度相对较高。气溶胶颗粒中的含碳物质包括三类：有机碳（OC），元素碳（EC）和碳酸盐 碳（CC）1。但CC在大气气溶胶中含量很低，其占总碳含量的比例5%们，因此， 绝大多数研究者认为大气气溶胶中的总碳量等于OC和EC之和。黑碳（BC）和 EC在很多文献中是互换使用的。只是其定义的角度不同。通过化学方法获得的 非碳酸盐无机含碳物质成为EC，而通过光学方法获得的则称为BC7。由于BC特 殊的光学特性以及所带来的特殊的气候效应，它已经成为当前气溶胶气候效应研 究中的一个热点话题。IPCC第三次评估报告对黑碳的科学定义为：根
5、据光吸收、 化学反应和/或热稳定性测量定义的一类气溶胶，它主要由烟炱、木炭以及可以 吸收辐射的耐或有机物组成。黑碳气溶胶的来源可分为自然源和人为源两种。自 然源是指火山爆发和森林大火等。它的排放具有区域性和偶然性。人为源是指人 们对煤，石油等化石燃料的燃烧及生物质的燃烧（我国尤以秸秆燃烧为主）。这 类源排放具有长期性和持续性8。硫酸盐气溶胶主要是由大气中的2通过气-粒转化的光化学反应生成。除 了火山喷发以及海洋等自然源外，2主要来自于工业燃料的燃烧以及汽车尾气 的排放。我国是2排放量较大的地区之一，1990年排放量为1762吨，预计2010， 2020年将为2767，3178吨。2.2气溶胶的
6、辐射强迫与气候响应：辐射强迫的定义为大气中某一成分的改变所引起的对流层顶净辐射通量的 变化（以w/ m2为单位）。通常认为，气溶胶辐射强迫主要是在0。1-10微米范 围内。这一范围的气溶胶被称为稳定气溶胶，能在对流层中悬浮超过数十天，在 平流层超过一年。大于这一范围的气溶胶粒子对太阳短波辐射和长波辐射有较强 的吸收作用，但在空中悬浮的时间很短。小于这一范围的气溶胶辐射效应也较小。气溶胶的辐射强迫是双向的。它可以将太阳短波辐射向太空中散射，形成负 的辐射强迫，也可以吸收地面的长波辐射，同温室气体一样，产生正的辐射强迫。最终是正是负与气溶胶成分、天空云状况以及地面反照率等多项因素有关。近年来，人们
7、对硫酸盐气溶胶的研究主要强调其负的辐射强迫作用。据估计， 自工业革命以来的1765至1992年间，硫酸盐气溶胶产生的直接辐射强迫为-0.3 0.9 w/m2，间接辐射强迫约为01.6 w/m2 11-16，均为负值。1995年， Phamm等提出一个新的全球硫循环的三维输送模式，Kiehlw等用此估算硫酸盐 气溶胶直接辐射强迫的大小。得到的结果为全球平均-0.66 w/m2。对于沙尘气溶胶的研究仍有很大的不确定性。2001年IPCC公布的沙尘气溶 胶产生的辐射强迫在-0.6-0.4 w/m2之间，连这一强迫的正负号都没确定.对于黑碳气溶胶，近年的研究表明，它同温室气体一样具有正的辐射强迫作 用
8、。因为它对可见到红外范围的太阳辐射均具有很强的吸收作用go黑碳气溶胶 的吸收系数比其他类型的气溶胶要高23倍如。很多研究者认为，黑碳气溶胶 同温室气体一样,是导致全球变暖的一个重大因素。综上可见，不同种类的气溶胶可能产生正负不同的辐射强迫，从而分别产生 增温降温效应。所以，要深入研究气溶胶造成的气候效应以及应对其所应采取的 行动，需要了解以下方面内容：气溶胶的组成成分；各组成成分的浓度；各成分 分别的辐射强迫值。而这些方面的测量计算都还具有很大的不确定性。首先，气 溶胶在大气中的生命史很短，一个地点的气溶胶浓度会因为大气中的清除、传输 过程而改变。其次，很多气溶胶具有吸附性，且在大气中会发生化
9、学反应改变其 构成，对气溶胶粒子的分离提取存在难度。此外，对气溶胶浓度的测量也还不够 精确。至今，也有研究通过卫星资料反演气溶胶的光学厚度，从而从宏观上研究气 溶胶的总体气温效应，但由于空间分辨率不高，对其研究仍有很大的不准确性。除了对温度的影响外，气溶胶对大气的不均匀加热会促使大气环流和环流的 变化，进而影响区域的气候。另外，大量气溶胶可作为云凝结核，影响云滴大小， 进而影响局地降水量及全球降水分布。近年来，人们对气溶胶气候效应的认识和 研究已经逐步从局地发展到全球，越来越多的科学家相信，气溶胶通过大气输送 过程有可能影响到大范围乃至全球的气候，这就更增加了研究气溶胶气候效应的 迫切性。2.
10、3大气气溶胶的影响因子大气气溶胶能影响局地气候变化，同时，它也会受局地气候的影响。比如， 我国干旱半干旱地区上空沙尘气溶胶浓度明显较高。四川盆地地区冬季大气气溶 胶含量较高，其中一个影响因素就是冬季此地区上空大气基本处于稳定层结状 态，不利于气溶胶粒子的扩散与湿清除go当然也可以说，这些都和地形因素有 很大关联。由于地形影响以及局部地区的工业污染程度影响，大气气溶胶会随地域存在 变化，同时，它也有明显的季节变化和日变化19。例如，北京春季气溶胶浓度高 于夏季2倍，采暖季与非采暖季之比为2倍。冬季采暖多用媒为燃料，排放大量 烟尘，加上干旱、风沙、地面扬尘大而有缺少自然降水的湿沉降。致使气溶胶的
11、浓度较高。日变化则与近地面有大气逆温层的生消有关。通常，清晨68时， 由于地面有逆温层，加上交通频繁，可出现浓度极大值，随后由于空气抬升，使 气溶胶地面浓度降低。在有光化学烟雾的情况下，则可能从早上开始浓度一直抬 升到中午达极大。2.4气溶胶气候效应的研究方法及概况：为研究大气气溶胶的气候效应，研究人员采用了多种方法对大气气溶胶进行 测量。在气溶胶气候效应的研究中，一个关键因子就是气溶胶光学厚度20。探测 气溶胶光学厚度可以采用地基探测方法和卫星遥感方法。地基探测方法主要是使 用太阳分光光度计进行探测。它能较准确的反映气溶胶的信息，但只能获得空间 点上的数据，由于布站零散，不具有连续性，所以不
12、能反映大区域气溶胶的时空 分布。遥感技术具有覆盖面广，信息获取方便等特点，它可以克服地基探测的缺 陷，但也存在反演精度不够，仪器昂贵等不足。如今，利用卫星数据反演水体、 浓密植被等低反射率地区上空的气溶胶光学厚度已达到较高精度，但对于干旱、 半干旱、城市等高反射率地区仍面临很大挑战20。3. 结语在全球变暖的背景下，人们在研究二氧化碳的气候效应的同时，越发体会到 气溶胶气候效应的重要性。大气气溶胶通过直接和间接机制对区域乃至全球气候 产生了重大影响。近年来，人们对气溶胶气候效应的研究取得了长足的发展，但 仍然面临着重大挑战。因为对大气气溶胶的研究具有很多不确定因素。第一，大 气气溶胶的种类繁多
13、，组成复杂。而且不同组分对辐射强迫会产生不同影响，如 黑碳具有正的强迫辐射，而硫酸盐却被认为有负的强迫辐射。第二，大气气溶胶 在大气中的生命史较短，它们在大气中可能会和其他成分发生化学反应，或者通 过湿沉降被清除，这为测量气溶胶浓度及其组分提高了难度。第三，气溶胶会受 到地域、季节和每日时间等多种因素的影响，这使得大气中的气溶胶分布具有很 大的不均匀性，但同时，大气气溶胶又会通过大气输送过程实现一定的均匀性， 这又提出一大难题，大气输送的均匀混合作用到底能够抵消多少气溶胶分布的不 均匀性，在全球范围内，哪些地区混合作用实现得较好，这些又会对气候变化产 生何重影响。第四，科学家采用多种方法对气溶
14、胶进行测量，但均具有一定局限 性。对于地基测量法，其精度高，但不具有时空连续性，如果通过多布站，增加 测量频率，可一定程度上弥补其缺陷，但这需要很长一段时间进行选点布网，并 会耗费大量人力财力。相比之下，卫星遥感探测法有较高效率，所以，人们正积 极发展此种探测法。但在提高空间分辨率上还具有很大挑战。参考文献：1 Mader B T, Schauer J J, Seinfeld J H, et al. Sampling methods used for the collection of partical-phase organic and elemental carbon during ACE
15、-Asia. Atmospheric Environment,2003,37:143514492 Li Xiaowen, Zhou Xiuji, Li Weiliang, et al. The cooling of Sichuan Province in recent 40 years and its probable mechanisms. Acta Meteorologic Sinica,1995,9(1):57683 Sokolik I N, Toon O B. Direct Radiative Forcing by Anthropogenic Airborne Mineral Aero
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