黑碳气溶胶的辐射强迫
人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究
收稿日期:1997-08-28第一作者:男,1962年生,硕士*国家重点科技项目(96-911-01-02B)**任阵海为中国工程院院士人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究*高庆先 任阵海**姜振远(国家环保局气候变化影响研究中心,北京 100012)摘 要 利用建立的大气气溶胶辐射强迫模式,对我国历年大气气溶胶(TS P 和硫酸盐气溶胶)引起的直接辐射强迫进行了计算,并给出其全国分布。
得到了一些有意义的结果:我国大气气溶胶引起的辐射强迫与我国能源,特别是燃煤的消耗量密切相关,随着消耗量的增加,大气气溶胶(T SP 和硫酸盐气溶胶粒子)引起的辐射强迫也增加;指出在利用辐射模式讨论大气气溶胶引起的直接辐射强迫时,不能忽视扬尘和沙尘的作用;我国由于大气气溶胶引起的直接辐射强迫主要集中在工业比较发达的城市或地区,四川盆地由于其特殊的地理位置和气候条件,在该地区因大气气溶胶产生的辐射强迫始终比较大。
关键词 大气气溶胶 辐射强迫 人为排放R esearch on Radiation Forcing C aused by Man -made Emission of Atmosph eric AerosolGAO Qingxian REN Zhenhai JIANG Zheny uan(Center fo r Climate Change Impact Research,N EPA ,Beijing 100012)Abstract T he dir ect radiatio n forcing (RF )caused by atmospher ic aerosol (T SP and sulfate aerosol)over t he years was calculated t hrough using t he built RF model of atmospher ic aerosol,and the g eogr aphic distribution w as also g ot.T he RF had close r elation with t he energy consumption in China,especially with her coal consumption.With the incr ease of coal consumption,the RF also increased.It w as pointed out that fine sand and raise dust can not be ignored when discussing the RF by using RF models.T he high v alues of RF in China were mainly located in those industry-developed regions and cities.T he RF value in Sichuan Basin was larger all the time due to its special g eog raphic and climate condit ions.Keywords Atmospheric aerosol;R adiation forcing;M an-made emission人为排放大气气溶胶的气候效应和环境生态效应是当前环境科学和大气科学界普遍关注的热门课题,已引起各国政府和联合国IPCC 组织的高度重视。
中国和印度的黑碳气溶胶的气候效应
中国和印度的黑碳气溶胶的气候效应Science 2002 Vol 297 Surabi Menon等中国和印度黑碳气溶胶的气候效应最近几十年，有一种趋势，在中国南方洪水灾害增加而北方干旱增加。
并且中国和印度在世界正在变暖的时候正在缓慢降温。
我们使用了一个全球气候模型发现这些趋势可能是气溶胶的贡献。
我们发现如果大气气溶胶中包换了大量吸收性的黑碳，那么降雨和温度在模型中的变化能够和那些观察到的结果作比较，同观测到的结果有一致性。
吸收性的气溶胶加热空气，改变区域大气稳定和垂直运动，并且影响有显著区域气候效应的大尺度的环流和水文循环。
中国正在遭受日益增长的沙尘暴威胁，一般归结于土地开垦、过度放牧和森林破坏。
从北部中国来的漂浮的灰尘吸附着有毒的污染物，关系到中国、日本、韩国的公共健康，甚至部分气溶胶到达了美国。
最近这些灰尘导致中国官方考虑花费数百万人民币在下一个十年中增加森林和绿化带来抵抗沙尘暴。
这些措施也许会有部分效果。
但是，我们认为观测到的增加的南方洪水和北部干旱的趋势，自从950A.D开似乎的降雨改变，也许有另一个不同寻常的解释:人为造成的吸收性气溶胶改变了区域大气循环并增加了气候改变。
如果我们的解释是正确的，减少人为产生的黑碳气溶胶，不仅能让人类健康受益，还能减少洪水和干旱以及沙尘暴的威胁。
相似的情况也可以推理到印度和相邻区域例如阿富汗，它们也有类似的问题。
大气气溶胶，是细小的空气颗粒悬浮物，主要包括硫酸盐、硝酸盐、炭质(有机碳和黑碳)微粒、海盐和矿灰。
黑碳(Black carbon)BC是特别需要注意的，因为它吸收阳光，加热空气，并且加剧全球变暖，和其他反射阳光导致全球冷却的气溶胶不同。
BC的排放，是煤不完全燃烧、柴油发动机、生物质燃料和野外生物的燃烧导致，在中国和印度非常巨大因为低温房屋常常烧煤和生物质燃料。
可以合理的预计认为的气溶胶可能导致中国和印度的气候变化，不仅因为吸收性的BC也因为反射性的气溶胶，例如硫酸盐，减少阳光到达地面所以造成地方性的降温。
半干旱地区黑碳气溶胶变化特征及来源分析
半干旱地区黑碳气溶胶变化特征及来源分析摘要：利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（sacol）多角度吸收分光光度计（maap-5012）黑碳浓度观测数据分析了榆中地区黑碳气溶胶的变化特征。
榆中地区黑碳气溶胶质量浓度的变化范围为0.41μg/m3-6.22μg/m3，最高平均浓度出现在1月，为2.96μg/m3，最低平均浓度都出现在4月，为0.88μg/m3，09:00达到最高值2.08μg/m3，17:00达到最低值1.31μg/m3，20:00达到次峰值1.75μg/m3。
周末黑碳浓度比工作日黑碳浓度要大，秋季黑碳气溶胶浓度在周末小于工作日，其他三个季节黑碳浓度在周末最大。
黑碳气溶胶的可能来源主要是甘肃中部一带，重庆地区，新疆中南部以及印度北部地区。
从四个季节黑碳气溶胶可能来源情况来看，黑碳气溶胶在秋季主要来源地区为甘肃西部、甘肃中部及重庆地区；冬季主要受本地排放影响，没有较远地区的来源；春季主要来源地区为甘肃中部及重庆与贵州交界一带；夏季来源地区主要集中在观测站的东南方向，主要是重庆、湖北以及云贵地区。
关键词：半干旱地区；黑碳气溶胶；潜在源properties of black carbon aerosol and their potential source analysis in semi-arid regionchen lin1, chang nan2, yang guicheng1, zhou tian1（1. key laboratory for semi-arid climate change of the ministry of education, college of atmospheric science,lanzhou university, lanzhou 730000, china2.atmospheric detection college, chengdu university of information technology, chengdu 610225, china)abstract:use the black carbon concentration observation data of multi-angle absorption spectrophotometer (maap-5012) in semi-arid climate and environmental observation stations (sacol) analyzes the black carbon aerosols variation characteristics in yu zhong area. black carbon aerosols concentration range from 0.41ug/m3 to 6.22ug/m3, the highest average concentration appeared in january, for 2.96ug/m3, and the lowest average concentration appeared in april, for 0.88ug/m3. the highest concentration appeared in 09:00 ,for 2.08ug/m3, the lowest concentration appeared in 17:00,for 1.31ug/m3, the second peak appeared in 20:00 ,for 1.75ug/m3. black carbon concentration in weekend higher than working days, and in fall, black carbon aerosols concentration in weekend less than working day, three other seasons black carbon concentration in the weekend is the highest. black carbon aerosols may largely when airflow come from the central area in gansu province, chongqing area, xinjiang and northern india. for the four seasons,black carbon aerosols may sourcesituation, in the autumn black carbon aerosols mainly come from western of gansu, central of gansu and chongqing area. in the winter black carbon aerosols mainly affected by the local emissions;in spring mainly come from central of gansu and chongqing area and border area of guizhou; in summer the mainly source concentrated in the southeast of sacol, including chongqing, hubei and yunnan-guizhou area.key words：semi-arid areas; black carbon aerosol; potential source0引言黑碳气溶胶在大气气溶胶中扮演着重要的作用，大气气溶胶对太阳辐射的吸收作用90%(1)以上都是由黑碳气溶胶造成的。
大气气溶胶课件5-气溶胶辐射效应
盐气溶胶，它们的光学性质主要表现为散射太阳辐射，在大气层顶产生负的辐射强迫；
• 硫酸盐气溶胶具有强的散射性，在大气顶产生明显的负辐射强迫。在全天条件下，硫酸盐
气溶胶的直接辐射强迫几乎覆盖了30°－ 60°N的区城，最大强迫出现在东亚和北美，最
RFatm表示由于气溶胶存在而净增加的能量，如果其为正值，则气溶胶产生净增加辐射通量，
使得大气增温，反之表示净损失而导致大气的冷却降温。由此引起的大气加热作用可以用辐
射加热率来表示，即：
∆
g表示重力加速度，∆为气压差。
4
例题：已知条件如图所示，求气溶胶辐射强迫值(W/m2).
394
1 Rs r
2
atm
2
R p （1-Ac）Tatm
(r
因大气、云和气溶胶的共同作用下，行星反照率为：
R p （1-Ac） T
t 2 Rs
[( r
) Rs ]
1 Rs r
S 为太阳常数， S 则表示大气层顶部
的全球平均入射太阳辐射通量，T 是
意味着
气溶胶上层大气的透过率，T
种扰动，使得地球气候系统辐射能量收支发生变化，这个变化
的辐射通量称为辐射强迫。通常用一段时间内平均的、单位面
积上变化的辐射通量表示（单位为Wm-2）。
RF F F
1
2、瞬时辐射强迫IRF、调整后的辐射强迫ARF、有效辐射强迫ERF
瞬时辐射强迫指在保持地表和大气状态不变的情况下，因外部强迫的引入
② 全天候条件下的黑碳气溶胶，其正辐射强迫范围和辐射强迫值明显大于晴空条
气溶胶变化对大气辐射强迫的影响研究
气溶胶变化对大气辐射强迫的影响研究随着人类活动的增加和工业化进程的发展，大气中的气溶胶排放量也在不断增加。
气溶胶作为大气污染物之一，其对大气辐射强迫的影响备受关注。
那么，气溶胶变化对大气辐射强迫的影响是什么样的呢？本文将从气溶胶的定义、形成原因、组成成分、作用机制等方面，探讨气溶胶变化对大气辐射强迫的影响。
一、气溶胶的定义及形成原因气溶胶是指在大气中悬浮的微小粒子，可分为自然气溶胶和人为气溶胶两类。
自然气溶胶主要来源于大气中的生物、火山喷发、沙尘暴等自然现象，而人为气溶胶则主要来源于工业污染、交通尾气、燃烧排放、农业活动等人类活动。
二、气溶胶的组成成分气溶胶的组成成分非常复杂，主要包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物质、黑碳等。
其中，硫酸盐、硝酸盐、铵盐是气溶胶中非常普遍的成分，其产生的主要原因是大气中混合气体和粒子之间的混合反应。
有机物质则主要来自于生物质燃烧和人类活动所排放的有机物质。
黑碳是指一种炭黑物质，其来源包括车辆尾气、燃煤和生物燃烧等。
三、气溶胶的作用机制气溶胶会对大气的辐射平衡产生重要影响。
气溶胶可散射、吸收和反射来自太阳和地球表面的辐射。
散射是指光线经过大气中的气溶胶时，由于气溶胶的直径比光波长小很多，导致光线的走向被改变，从而形成散射现象。
气溶胶的散射作用可以将地球表面反射上来的辐射散射回去，从而导致大气辐射平衡的变化。
吸收和反射则是指气溶胶在吸收或反射能量时，对大气辐射平衡的影响。
四、气溶胶变化对大气辐射强迫的影响气溶胶的变化对大气辐射平衡会产生显著影响。
当气溶胶浓度增加时，其对散射作用的贡献也会随之增加，从而导致大气辐射平衡向冷面倾斜。
相反，当气溶胶浓度减少时，大气辐射平衡会向暖面倾斜。
然而，气溶胶的影响并不是单一的，它可以与云、水汽一起影响大气辐射平衡。
云和水汽的存在会改变气溶胶的散射和吸收作用，从而影响大气辐射平衡。
因此，准确地评估气溶胶变化对大气辐射强迫的影响需要考虑多个因素的综合作用。
大气黑碳与气溶胶特性的相关性分析
大气黑碳与气溶胶特性的相关性分析近年来，随着全球气候变化问题日益凸显，对大气污染物的研究变得愈发重要。
其中，大气黑碳和气溶胶两者的相互关系备受科学界的关注。
本文将就大气黑碳与气溶胶特性之间的相关性进行分析。
首先，我们来了解一下大气黑碳和气溶胶的定义及特性。
大气黑碳是指一种细小而具有吸光性质的颗粒物质，主要由燃烧过程中生成的不完全燃烧产物所组成。
而气溶胶则是悬浮在空气中的微小颗粒物，通常由固体或液体颗粒组成。
气溶胶的成分及来源多种多样，包括尘土、海盐、有机物以及气候变化中的影响因素等。
大气黑碳和气溶胶之间的关系可以从多个方面进行分析。
首先，它们在大气中的输送情况存在一定的相互作用。
大气黑碳能够吸附在气溶胶表面，从而影响气溶胶的物理和化学特性。
此外，气溶胶中的一些成分也会在大气黑碳的存在下发生变化，进而影响到气溶胶的形成和组成。
因此，了解大气黑碳和气溶胶之间的相互关系对于准确评估大气污染及气候变化的影响具有重要意义。
其次，大气黑碳和气溶胶对气候变化的效应存在一定的相关性。
大气黑碳具有强烈的吸光特性，能够吸收太阳辐射并转化为热能，从而影响地球能量平衡。
而气溶胶则对太阳辐射的反射和散射起到重要作用，影响大气中的辐射传输过程。
因此，大气黑碳和气溶胶的同时存在会增加大气中的吸收和散射作用，从而对气候变化产生一定的影响。
此外，大气黑碳和气溶胶还对空气质量和健康产生一定的影响。
大气黑碳作为一种颗粒物质，能够对空气质量产生直接影响，引发或加剧雾霾等污染现象。
而气溶胶中的一些成分和粒径分布也与空气质量密切相关。
因此，深入了解大气黑碳和气溶胶的相关特性，有助于制定和改进空气质量监测和管理措施，保护人民的健康。
最后，需要指出的是，大气黑碳和气溶胶的相关性研究仍然面临一些挑战和不确定性。
首先，气溶胶的来源众多且复杂，其中大气黑碳的贡献相对较小，难以准确把握。
其次，大气黑碳和气溶胶的时空分布存在一定的不均匀性，需要更多的观测数据和模型研究来揭示其分布规律。
大气气溶胶对辐射强迫作用研究
大气气溶胶对辐射强迫作用研究近年来，大气气溶胶对气候变化的影响成为了科学界研究的重要课题。
大气气溶胶是指在大气中悬浮的微小粒子，其来源包括人类活动和自然源，例如燃烧排放物、沙尘暴、火山喷发等。
这些微小粒子的存在不仅对空气质量和人体健康产生直接的影响，还对大气辐射传输产生了复杂的影响。
辐射强迫是指气溶胶对地球辐射收支的影响量。
大气气溶胶能够散射、吸收和反射太阳辐射，进而改变大气实际辐射向地表的传输。
此外，它们还能够干扰地球辐射向外层空间的辐射传输。
因此，对大气气溶胶的辐射强迫作用的研究不仅对于气候模型的精确参数化具有重要意义，也有助于我们更好地了解全球气候变化的机制。
辐射强迫的研究需要从不同颗粒物的物理特性入手。
气溶胶的主要成分是硫酸盐和有机质，它们对辐射的吸收和散射有着不同的贡献。
硫酸盐是一种典型的散射剂，能够有效地将太阳辐射散射回太空；而有机质则对红外辐射和可见光吸收较强，能够将部分辐射转换为热能并带来温室效应。
此外，气溶胶的光学特性还受到粒子尺寸、体积浓度和复杂的呈现形态的影响。
为了研究气溶胶对辐射强迫的作用，科学家们进行了大量的实验和模拟研究。
他们使用精密的仪器和颗粒物模型，测量并模拟了不同气溶胶在大气中的特性。
其中，气溶胶的光学特性是研究的焦点。
通过实验和数值模拟，科学家们得出了一系列有关气溶胶对不同波长辐射的散射和吸收特性的数据，进一步推导出气溶胶辐射强迫的算法和参数。
辐射强迫研究的结果提示我们，大气气溶胶在气候变化过程中作用重要且复杂。
它们的存在可以减少太阳辐射的到达地表，从而对全球气候产生冷却效应；同时，它们还可以增加大气中的云量和云粒子的分布，从而影响到云的反照率和热力学性质。
这些变化将导致局部和全球尺度上的气温和降水的改变，进一步影响地球的气候系统。
然而，值得注意的是，目前对气溶胶辐射强迫的研究仍然存在一定的不确定性。
首先，气溶胶的成分和复杂的相互作用使得其辐射特性难以精确把握，需要更多的实验和观测数据来验证和调整现有的模型。
气溶胶的影响
气溶胶的影响气候：气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。
一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏；另一方面却能通过微粒散射，漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。
气候变化受到气候系统内部可变化性和外部因子（包括自然因素和人类活动）的共同影响，气溶胶的福幅射强迫效应是其中重要的外部银子之一，但目前对气溶胶气候效应的科学理解水平还相当低。
最近Menon等利用美国GISS气候数值模式得到的模拟结果表明黑炭气溶胶吸收短波辐射，从而产生大气异常加热的直接影响，这种加热引起东亚中部大气的上升运动和南北两侧弃团的下沉，造成了我国东部地区夏季降水“南多北少”的变化趋势。
Xu的工作却指出我国夏季“南涝北旱”的原因是工业排放的硫酸盐气溶胶显著减少了太阳辐射，陆地气温降低，使海陆温差减小，夏季风偏弱，进而造成我国夏季雨带位置偏南，气溶胶的气候效应仍是一个存在较大争议的额科学问题。
东亚是全球硫化物排放较多的地区之一，今年来伴随着经济的高速增长有更多的含硫气体排入大气中，大量生成的硫酸盐气溶胶除了使环境恶化外，还可能对该区域气候造成一定影响，Li等认为中国四川盆地近40年来气温的变冷趋势可能与这一地区硫酸盐气溶胶含量的增加有关。
Qian等利用一个简单的硫酸盐气溶胶辐射模式与区域气候模式（RegCM）耦合，模拟了东亚区域硫酸盐气溶胶的辐射强迫气候效应，发现硫酸盐气溶胶的直接，间接，辐射强迫对屈原气候都有影响，其中间接辐射强迫的作用较大。
……中国东南部气溶胶增加将导致日照时数减少和日照强度降低，进而使夏季这一地区的最高气温降低。
上述研究表明，城市工业发展使大量的工业废气排放至城市大气中，不仅严重地污染了大气环境，而且使空气浑浊度增大，特别是大气中的气溶胶大量增加，其直接和间接的辐射强迫将使得城市太阳辐射强度减弱，进而可能对区域气候产生影响。
导致全球变冷的主要因子使大气气溶胶。
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黑碳的大气层顶辐射强迫
• 黑碳主要通过以下三种途径增加大气 层顶辐射强迫： 1、吸收被地表-大气-云层反射的辐射， 减少行星反照率 2、沉降在雪和海冰表面上降低地表反 照率 3、进入云滴或冰晶内部，降低云反照 率 • 黑碳的大气层顶辐射强迫0.9W/m2， 大概是CO2的55% • 气溶胶的总辐射强迫（BC+Non-BC） 抵消了50%（+-25%）的温室气体辐 射强迫
• 1. V. Ramanathan & G. Carmichael Global and regional climate changes due to black carbon Nature Geoscience 1, 221 - 227 (2008). • 2. Ramanathan, V. et al. Warming trends in Asia amplifi ed by brown cloud solar absorption. Nature 448, 575–578 (2007). • 3. Chung, C., Ramanathan, V., Kim, D., & Podgorny, I. A. Global anthropogenic aerosol direct forcing derived from satellite and ground-based observations. J. Geophys. Res. 110, doi:10.1029/2005JD006356 (2005).
大气褐云的大气辐射强迫
• 3月4-16号（时间段1），气溶 胶主要集中在边界层内。 • 9-29号（时间段2）观测到1km 高度以上来自南亚的传输。 • 时间段2观测到1km以上气溶胶 吸收系数增加了10倍，而边界 层内气溶胶的数量与时间段1 近似相等。 • 时间段2与1相比，AOD（柱平 均吸收和散射光深）增加0.2， AODabs（可见光吸收光深）增 加0.02，导致H（日间平均升 温速率）增加50%。
• 尽管黑碳气溶胶导致地面变 暗，但由于它的大气层顶辐 射强迫为正，最终可能会导 致地面升温。
• 一些区域，地面和大气的辐 射对流耦合强，黑碳自身会 导致地面和大气升温，而大 气褐云会导致二者减温。
模拟得到的南亚区域由GHG和BC导致的大气温度变化 Chung, S. H. & Seinfeld, J. H. J. Geophys. Res 2005
黑碳的辐射强迫效应
黑碳的来源
• 黑碳指的是烟尘的吸收性成分，主要包括元素碳和一些凝聚态的 有机碳。 • 室内来源：使用生物燃料（木材、粪肥、作物残余）烹饪 • 室外来源：化石燃料燃烧（柴油和煤炭），生物质燃烧（森林开 采、燃烧作物残余）
大气褐云 (Atmospheric Brown Clouds)
黑碳的大气辐射强迫
• 黑碳通过吸收反射辐射以及 直接吸收太阳辐射的方式， 显著提高近地面大气的辐射 吸收。 • 一些地区的辐射强迫超过 15w/m2 • 直接观测（无人机数据）
Chung et al J. Geophys. Res 2005 2001至2003年期间， Chung 等人通过结合卫星气溶胶数据，地面气 溶胶观测数据，气溶胶化学传输模型，辐射传输模型的结果，得到 的黑碳大气辐射强迫。单位W/m2（不确定性 +-30%）
Ramanathan et al Nature 2007
Hale Waihona Puke 黑碳的地面辐射强迫• 气溶胶的总地面辐射强迫 （BC+Non-BC）为-4.4w/m2， 使得地表变暗。
• 一些地区变暗的幅度达到 5%-10% • 陆面比海面变暗程度明显
Chung et al J. Geophys. Res 2005
黑碳的地面增温效应
黑碳的辐射强迫特点
• 与硫酸盐、硝酸盐、沙尘等混合，通过大气褐云作用于气候系统。 • 增加大气层顶的辐射通量，改变地面与大气的辐射分布。 • 气候升温效应很强，对全球变暖的作用仅次于CO2。 • 尽管黑碳地面辐射强迫为负，在对流较强的区域仍会导致地面升 温。 • 黑碳辐射强迫的不确定性很大
参考文献