黑碳气溶胶及其气候效应
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。
黑碳气溶胶的气候效应和拓展的研究领域

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气候异常变化和碳黑气溶胶有关

气候异常变化和碳黑气溶胶有关同全球性的气候变暖相比,我国及邻近区域出现了更为特殊的气候异常现象气候的异常和极端变化给人类生活造成了巨大的损害,成为全球关注的焦点问题。
但是,在世界绝大多数地方的气候都在变暖的同时,我国和邻近国家如印度的气候却出现了特殊的变化。
如近几十年来,我国长江中下游一带的平均气温不是增高,而是略有下降,我国的夏季出现了越来越严重的南涝北旱的趋势,多少年来世界各地的科学家一直在寻求我国气候异常变化的原因。
来自国家自然科学基金委的大气物理学家罗云峰博士和其三位美国同事的工作对近年来我国的气候变化提出了一个新的解释。
他们的研究推测,人类活动排放的污染物碳黑气溶胶可能是我国和周边国家气候异常变化的因素之一,他们的研究结果发表在新一期出版的《科学》杂志上。
在正常的情况下,太阳光通过短波辐射穿过大气层给地球升温,同时地球在吸收太阳短波辐射的同时,自身又向外空发射红外长波辐射穿过大气层,因此,在无其它干扰的情况下,地-气系统之间就形成了一种能量的平衡,地球的平均温度保持了相对的稳定,适宜于人类生存。
但是,自工业革命以来,尤其是20世纪50年代以后,人类活动所排放的大量废气改变了大气层的成分,影响了地-气系统间的能量平衡,引起了气候的强制性变化。
当二氧化碳、甲烷和臭氧等气体堆集在大气层里时,这些气体会部分吸收地球向外空发射的红外长波辐射,让热量不能散发出去,就像一个塑料大棚盖在地球的表面,使地球表面温度升高,形成了所谓的“温室效应”。
因此,二氧化碳、甲烷等气体也被称为“温室气体”。
与此同时,大气层中还存在另外一种人类活动排放的物质——气溶胶,它是悬浮在空气中的小颗粒,主要由硫酸盐、硝酸盐、含碳颗粒、海盐和矿物尘埃构成,科学家认为它的作用与温室气体刚好相反。
大气层中气溶胶能反射太阳光,减少了射向地球的太阳短波辐射能量,就像在地球上树了一把阳伞,降低了地球表面的温度,因此,被称之为“阳伞效应”,气溶胶对气候有冷却作用,可局部抵消温室效应。
黑碳气溶胶气候变暖效应研究的收敛

黑碳气溶胶气候变暖效应研究的收敛黑碳气溶胶是大气中重要的吸光性气溶胶,可通过直接和间接辐射强迫影响地气系统的能量平衡,沉降至雪冰表面后引起气溶胶雪冰辐射反馈效应,进而对区域及全球的气候产生影响。
北极地区是全球气候变暖的放大区,黑碳气溶胶排放的增加可能是加剧该地区变暖的重要影响因素之一。
北极地区冬季黑碳浓度高于春季,冬季黑碳引起的近地表气温变化也更为强烈;气温变化导致的区域环流异常进而对水汽的分布产生影响。
因此,黑碳引起的近地表水汽混合比的变化与气温的变化具有相似的空间分布格局。
此外,近地表气温和水平风的变化也反映在边界层高度上。
通过分析黑碳引起的地表辐射变化,发现受云量影响的下行长波辐射对北极地区冬季的近地表气温有重要影响,其中云量增加引起的下行长波辐射的增强导致近地表气温的升高。
春季近地表气温的变化相对较小,可能是地表长波和短波辐射变化相互补偿的结果。
上述对北极冬、春季霾发生阶段黑碳气溶胶的气候效应研究,为进一步全面评估黑碳气溶胶对北极变暖的影响奠定基础。
黑碳气溶胶对我国区域气候影响的数值模拟

47 1 、、0月为代表 , 算分析 了黑碳 气 溶胶 的辐 射 强 迫作 用 、 大 气温度 和 降水 的 影响 及 其 季 节 变 计 对 化特 征 。模 拟 结果显 示 : 黑碳 气溶胶 在 大气层顶 产 生正 的辐射 强迫 , 地表 产 生 负的辐 射 强 迫 ; 在 黑 碳 气溶胶 的加入使 中国 大陆地 区地 面温度 发 生明显 变化 , 并呈现显 著的 季节特征 , 1月 大部 分地 即 区的地 面温度 均有升 高 ; 北方增 温、 7月 南方 降 温 ; 4月和 1 0月地 面温 度 的 变化 不 明显。模 拟 结 果 也表 明 , 黑碳 气溶胶 的排放使 我 国长 江 中下 游等 南方地 区夏 季 降水 增 加 , 北 方部 分地 区 降水 减 而
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黑炭气溶胶对中国和印度气候的影响

中国和印度的黑炭气溶胶的气候效应近几十年,中国发生南方夏季洪涝、北方干旱的灾害有增加的趋势,在全球大部分地区变暖的同时,中国和印度却出现中度寒冷的现象。
我们用全球气候模型来研究可能造成这种现象的气溶胶组分,从模型之间的比较中发现,如果模型中的气溶胶很大一部分是可吸收性黑炭,就会引起降水量和温度发生变化。
吸收性气溶胶能使空气升温、改变区域大气稳定性和垂直运动,进而通过有代表性的区域气候影响到大范围的环流和水文循环。
中国经历了严重的沙尘暴,主要是由于过度开垦、过度放牧和对森林的破坏引起的。
从中国北部刮来的沙尘暴中含有毒性污染物质,影响了中国、日本、韩国的公共健康,有些气溶胶甚至能传到美国。
现在的沙尘暴事件已经迫使中国官方在接下来的几十年投资12亿美元来增加森林面积和绿化带以阻挡沙尘暴的出现。
这样的措施可能会起到一定的效果。
但是,我们认为南方的洪涝和北方的干旱(自从公元950年以来出现的在降水量方面的最大变化)可能是其他原因造成的:在僻远的工业密集区产生的人造吸收气溶胶能改变区域大气循环,进而导致气候变化。
如果这种解释正确,减少人为黑炭气溶胶的排放量,不但能保护人体健康,也可以减轻南北地区涝旱和沙尘暴灾害的程度。
这种方法也适用于印度及周边国家,如近期遭遇干旱灾害的阿富汗。
大气气溶胶是有大气中的颗粒物组成,主要包括硫酸盐、硝酸盐、含碳颗粒物、海盐和矿物颗粒等。
黑炭比较特殊,它能吸收阳光,使空气升温,进而使全球变暖,这和大部分的具有反射阳光使全球变冷的气溶胶不同。
黑炭主要是煤、柴油机、生物燃料和其他生物质的不完全燃烧的产物,主要集中在中国和印度,因为要靠燃烧生物质和煤来供暖。
因此很合理的预测到是人为产生的气溶胶促成了中国和印度的气候变化,因为吸收黑炭气溶胶和反射气溶胶(硫酸盐)的作用,反射气溶胶能减少到达地面的太阳能,使当地温度降低。
观察这几年中国和印度的温度,发现其与世界上其他大部分变暖的地方不同,在一些季节它们反而变冷,尤其是在气溶胶反射能力达到最大的夏季。
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。
气溶胶黑碳的垂直分布

气溶胶黑碳的垂直分布
气溶胶黑碳(Black Carbon Aerosol,简称BC)的垂直分布受多种因素影响,其中包括气溶胶生成源头的高度、大气湍流混合、降水清除过程、大气稳定度、浮力效应以及大气化学反应等。
1. 靠近地面层:黑碳气溶胶主要来自于地面源,如车辆尾气、生物质燃烧和工业排放等,所以在近地面层,特别是在城市和工业密集区,黑碳气溶胶浓度相对较高。
2. 大气边界层:大气边界层是贴近地面且受地球表面摩擦影响较大的一层,大部分黑碳气溶胶在此区域内混合和分散。
由于大气湍流的作用,黑碳气溶胶在这一层次内的分布较为均匀。
3. 自由大气层:随着高度上升,大气湍流减弱,黑碳气溶胶的分布通常会减少。
然而,由于大气输送和上升气流(如对流层中的对流活动)的影响,部分黑碳气溶胶可以被输送到较高的大气层中。
4. 全球传输:部分黑碳气溶胶可被带到平流层,尤其是在极地地区,通过大气长距离输送和沉降过程,黑碳气溶胶可以在远离源区的地区乃至全球范围内分布,而且在高层大气中其寿命可能延长,对全球气候变化产生影响。
5. 垂直分布特征:在不同地理位置和气候条件下,黑碳气溶胶的垂直分布特征差异明显。
例如,在大陆地区的冬季,由于逆温层的存在,可能导致黑碳在近地面聚集;而在海洋或山区,由于风力和地形的影响,垂直分布可能会更加复杂。
为了准确描绘黑碳气溶胶的垂直分布特征,科学家通常采用飞机、火箭探空、卫星遥感等多种手段进行实地观测和数据收集,结合大气模型模拟分析,以全面了解其在全球气候系统中的作用和影响。
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黑碳气溶胶及其气候效应(上海大学环境与化学工程学院,上海200444)摘要:黑碳气溶胶是气溶胶的重要组成部分,因其在大气辐射强迫中的特殊作用与对气候的影响而成为近来关注的热点。
本文简要综述了黑碳气溶胶的研究近况和黑碳气溶胶对气候的影响,归纳了黑碳气溶胶研究的困难并作出展望。
关键词:黑碳气溶胶;辐射强迫;气候影响Black carbon aerosols and its effects on climateMaguowen(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)Abstract:black carbon aerosol is an important component of aerosol, due to itsspecial role in atmospheric radiative forcing and impact on the climate,black carbon become the focus of attention of late. This article provides a brief summary of recent research on black carbon aerosols and its impacts on climate, summarized the difficulties and prospects of black carbon aerosol research.Keywords:black carbon aerosol;atmospheric radiative forcing;climate impact1前言黑碳气溶胶(BlackCarbon)是大气气胶中一种重要组成部分,主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质,它在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收,所以习惯上被称为黑碳气溶胶。
黑碳气溶胶对太阳辐射的强烈吸收作用,以及潜在的气候强迫效应已成为气溶胶气候效应研究中的一个重要内容,并受到世界各国科学家的关注,1995年的IPCC报告[1]就曾指出:作为大气气溶胶中太阳辐射的吸收主体,黑碳气溶胶同其它气溶胶如硫酸盐气溶胶混合存在,可能会大大降低硫酸盐气溶胶单独存在时对气候的负辐射强迫作用。
2000年的IPCC报告[2]则根据近年来黑碳气溶胶辐射强迫研究的模式模拟结果,指出黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫,同硫酸盐等气溶胶混合在一起,黑碳气溶胶会极大地减弱气溶胶的负辐射强迫,尤其是在地表反照率较大的北半球地区,这种作用会更明显。
黑碳气溶胶粒子的尺度主要在0. 01~1. 0μm的细粒子区,它不会由大气中其它的化学反应过程生成或清除。
黑碳粒子表面在大气中为非均相反应和气—粒转化过程提供一个活性载体并起到催化的作用。
黑碳粒子的表面可以吸附一些污染物质,如SO2、O3等,还可以吸附一些有毒、有害物质如多环芳烃族(致癌、致畸、致突变)。
表1列出了颗粒物的大小和进入人体呼吸系统的部位,由此可见,黑碳粒子都能进入到人体的肺部。
2黒碳气溶胶的气候影响黑碳气溶胶对气候的影响方式有3种:一种是它能够直接吸收太阳辐射和红外辐射,扰动地球大气系统的能量收支,直接影响气候;第二种是它能与硫酸盐、有机碳等水溶性气溶胶混合作为云凝结核或直接作为冰核,改变云的微物理和辐射性质以及云的寿命,间接影响气候系统。
另外,处于云层中的黑碳气溶胶吸收太阳辐射,加热云层大气,从而直接导致云的蒸发、减少,这称为黑碳气溶胶的半直接效应。
2.1辐射强迫的变化根据全球热平衡的传统理论观点,二氧化碳等温室气体通过吸收地球辐射和红外线并阻挡红外线通过而产生温室效应使地球变暖。
黑碳气溶胶则通过黑碳粒子对太阳辐射的强烈吸收作用在大气顶产生正的辐射强迫减少到达地表的太阳辐射在地表产生负的辐射强迫[3]。
Haywood和Ramaswam[9]通过将生物质燃烧与化石燃料燃烧所产生的黑碳进行外部混合所得辐射强迫估计值为0.4Wm-2;IPCC 第4次评估报告给出黑碳的直接辐射强迫范围是0.2-0.40.27Wm-2[4]。
总之研究者不同所得的估计值也就存在较大的差异。
差异产生的因素有很多,例如,黑碳气溶胶在垂直剖面分布和单次散射反照率选取上存在差异,其辐射强迫的测量和估算也就存在较大的不确定性[5];不同的混合状态下估算的黑碳辐射强迫值不同[8]。
到目前为止很多学者的研究都忽视了黑碳与其他气溶胶的内部混合状态,即使内部混合时的辐射强迫值是外部混合的2.9倍[6];复折射指数尤其是虚部的选取也会造成强迫值的变化[7];云的影响,当黑碳气溶胶存在于云内或云上时辐射强迫加强在云下时,辐射强迫会减弱另外其吸收特性也依赖于黑碳粒子与云滴混合状态,内部混合时的吸收特性要大于外部混合[8];黑碳浓度的观测值一般在离地面2km的地方最大,大部分模型的模拟却是在地表[9]。
2.2对全球气候的影响黑碳气溶胶浓度的时空分布极不均匀,因此气候模式成为研究黑碳气溶胶全球气候效应比较有效的工具。
Chung等[10]利用Goddard太空研究所第二代大气环流模式模拟了人为黑碳气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应,指出黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶为外部混合时,其辐射强迫为+0.33 W/m2,且造成全球年平均表面温度升高0.2 K;当二者为内部混合时,其辐射强迫为+0.6 W/m2,造成全球年平均表面温度升高0.37 K。
这两种混合方式都将导致热带0°~20°N地区降水增加,0°~20°S地区降水减少,从而造成赤道辐合带(ITCZ)向北移动。
但是Kristjansson等[11]利用NCAR的大气环流模式CCM3的模拟结果表明,大气中总的气溶胶直接和间接效应引起全球冷却约1.33 K,且导致了ITCZ的南移。
Gu等[13]的模拟结果也表明总的气溶胶的直接效应造成地表温度降低,ITCZ降水减少。
Zhang等[12]在气候模式中同时考虑了碳类气溶胶(黑碳和有机碳)的直接气候效应和黑碳气溶胶的半直接效应,模拟结果表明:碳类气溶胶将减弱北半球哈得来环流和极地环流。
Penner等[13]指出黑碳气溶胶总辐射强迫依赖于气溶胶的注入高度,黑碳气溶胶的注入高度越高,其造成的负的长波辐射强迫越强,且能增加低层大气的云量,从而起到降低大气温度的效果。
图1给出了近50 a来全球降水变化趋势,从图中可以看出,近50 a来降水变化比较明显的特征是非洲萨赫勒地区、印度季风区降水的减少和中国的南涝北旱等。
图11950-2002降水变化趋势(单位:mm/d)2.3降水影响大气棕色云中除去黑碳气溶胶部分剩余的部分,成为非黑碳气溶胶相对于黑碳气溶胶。
全球增温效应来说非黑碳气溶胶所带来是降温效应。
非黑碳气溶胶反射更多的太阳辐射,增加行星反照率,在地表和大气顶产生负的辐射强迫,强迫估计值达-2.7和-2.3Wm-2;其间接效应和黑碳相比都是对降雨产生抑制作用,不同的是,非黑碳气溶胶作为云凝结核在云底产生更多的云滴颗粒,但是,由于其有效直径变小,抑制了雨滴的形成。
黑碳是通过吸收太阳辐射加热云层,加快了云滴蒸发,降低了云层的相对湿度从而抑制降水的形成[14]。
Ramanathan认为[15],对空气中污染物的逐步控制对于未来气候变化有显著的作用。
如果非黑碳气溶胶的排放量得到控制,可使1850年以来的大气顶辐射强迫增加2.3Wm-2,从而使系统的累积气温增加大约3摄氏度;如果不改变非黑碳气溶胶的排放量,通过控制黑碳气溶胶排放所带来的正辐射强迫的减少,将降低全球变暖和海冰消退的程度,并在一定程度上减缓温室效应的压力。
3黒碳气溶胶的清除大气的湿清除过程分为雨冲刷和水冲刷两类。
把最终形成降水的云的形成过程所造成的大气微量成分清除叫做雨冲刷,而把云底以下降落的雨滴对大气微量成分的清除叫做水冲刷。
湿沉降过程能有效地清除所有尺度的可溶性粒子以及极小的和极大的不可溶粒子。
实际上,我们对湿清除过程的机理和它们的量化还很难描述,通常用参数化的方式, Junge[16]给出了雨冲刷清除过程的参数化: k1 =C* E/L (1)式中k1是云水中吸收的颗粒物浓度, C是云所在位置颗粒物在云形成之前的质量浓度, L是云中液态水含量, E颗粒物清除效率。
研究得出,黑碳气溶胶是通过干、湿沉降过程从大气中消失的,其寿命比温室气体要短得多,且空间分布极不均匀,这正是黑碳及其他类气溶胶研究的困难之处。
4黑碳气溶胶的不确定性首先, 黑碳气溶胶浓度测量本身存在误差。
由于气溶胶中的有机和无机成分的分离比较困难, 加之黑碳气溶胶在大气中的浓度本身就是一个非常不均匀的量, 这样测量结果将会存在较大的误差。
同时, 不同的测量技术如光学和热测量技术也会带来不一致。
理论上, 两种测量方法应该有较好的线性相关, 但不同站点需要设置不同的衰减系数才能使两种方法测量的黑碳浓度比较一致[17]。
并且有一些研究显示光学和热学测量方法的结果有较大的差异[18]。
所以, 要准确测量黑碳气溶胶有待于测量技术的进一步提高。
其次,黑碳气溶胶辐射强迫作用的机理、机制比较复杂, 黑碳气溶胶与其它气溶胶的混合方式还存在很大争议, 辐射模式本身也还不很完善, 因此对黑碳气溶胶直接辐射强迫效应进行的估算还不够精确。
同时,黑碳气溶胶间接气候效应, 其物理过程和作用机制较为复杂, 黑碳气溶胶垂直分布、尺度分布等观测资料匮乏。
因此黑碳气溶胶对气候变化造成的间接影响具有很多的不确定因素。
加强观测和模式研究, 逐步地消除这些不确定因素, 是今后黑碳气溶胶直接和间接气候效应研究中的一个亟待解决的重要问题。
5展望黑碳气溶胶在大气气溶胶的气候效应中扮演着复杂而重要的角色,因此研究黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应对区域或全球气候变化具有极其重要的意义研究的重点:完善的源排放数据的获取与分析;气溶胶表面的多相化学反应及其与其他气溶胶的混合状态的研究;黑碳气溶胶对冰川融化的影响及气候反馈;黑碳气溶胶的间接气候效应。
通过观测数据分析和数值模拟相结合的方法尽可能减小黑碳气溶胶气候效应的不确定性。
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