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。

不仅仅是因为气溶胶的强迫作用会改变(或影响)区域乃至全球的气候和环境生态系统,更重要的是为了要实现可持续发展和保护人类所共同拥有的自然生态环境,必须进行减缓向大气排放气溶胶。

这就涉及到各国的国民经济发展和工农业生产的发展,是摆在各国政策制定者面前的一个严肃课题。

大气气溶胶主要来源是化石燃料的燃烧、生物物质的燃烧和人为不适当活动导致的沙尘、扬尘等途径。

对流层气溶胶已直接导致了全球减少015%的太阳辐射,并可能间接导致同样的负强迫。

尽管这一辐射强迫主要集中于特定的区域和次大陆地区,但它对半球乃至全球的气候将产生一定的影响[1]。

目前,国际上有关气溶胶对气候和生态环境效应的研究相对较多。

Chuang (1997)应用耦合的气候/化学模式,并取云核化过程参数化,以局地气溶胶数密度、人为硫酸盐质量浓度和上升气流速度作为输入,研究人为硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫和间接辐射强迫。

研究表明气溶胶全球直接辐射强迫约为-014W/m 2,最大值出现在人为硫发射最强的亚洲,间接辐射强迫约为-016~-116W/m 2,主要出现于大陆上空,间接强迫最大值位于北美和大西洋沿岸。

气溶胶辐射强迫具有明显的不确定性,其主要原因在于人为硫酸盐气溶胶的大气负荷的变化,起源于硫酸盐气溶胶相对短的滞留时间(约一周),还随大气中的降水过程的湿沉降而变化,表现为明显的空间不均匀性和时间变率大。

可以认为气溶胶的第11卷 第1期环 境 科 学 研 究Research o f Environmental SciencesV ol.11,No.1,1998强迫作用的不确定性是工业化地区上空气溶胶辐射强迫的最大不确定性(Schw antz,1996)。

实际监测表明,工业发达地区的上空比其他地区上空的大气气溶胶浓度大,Ball和Robinson (1982)发现美国东部地面太阳辐射近年来平均降低率约为715%。

IPCC根据1990~2100年间人口和经济增长、土地利用、技术发展、能源开发和利用等情况,已设计了一套未来温室气体和气溶胶前体物的排放构想方案,依据各个构想排放方案,可以预测大气中温室气体和气溶胶的浓度以及它们对自然界的辐射强迫程度。

我国曾有过关于火山爆发和科威特油井燃烧的气候变化专题研讨会,对火山爆发和科威特油井燃烧对气候影响的事实的监测和研究进行了广泛的探讨。

1模型介绍虽然对气溶胶粒子的间接强迫作用,目前只能作出定性的估计,但通过建立简单的人为排放大气气溶胶的直接辐射强迫模型,可以对其直接影响作用做深入的了解。

气溶胶的平均总量,即在大气平均垂直气柱中的气溶胶总量T a可由下式定量估计[2],即T a=Q a S aA(1)式中:T a)))硫酸盐气溶胶的平均总量,g/m2;Q a)))源强,g/(m3#s);S a)))气溶胶粒子在空气中的生命期,s;A)))地球的面积,m2。

为了寻找T a与大气中太阳辐射量的关系,引入方程:D a T a =Q]0R a(z)d zQ]0m a(z)d z(2)式中:D a)))气溶胶的平均光学厚度;R a(z))))在高度z处的消光系数,m-1;m a(z))))在高度z上的硫酸盐气溶胶质量浓度,g/m2。

积分式(2)可得D a T a=R a1m a=A a(3)式中:A a)))气溶胶的消光因子(也称为气溶胶的质量散射系数),m-1。

从式(3)可以看出气溶胶的光学厚度是气溶胶的质量散射系数与气溶胶的平均总量之积。

地球表面的太阳辐射强迫与大气上界的入射太阳辐射之间的关系为:II0=e-D a(4)即I=I0e-D a由式(4)方程可以导出气溶胶的光学厚度A a,并可得到地表面的太阳辐射强度。

气溶胶的光学厚度是吸收和散射光学厚度之和,即D a=D aa+D as(5)但是,由于硫酸盐气溶胶对太阳辐射基本不吸收,故取近似为D a U D as,通常气溶胶的光学厚度小(D a n1),可以忽略其多次散射,将其视为薄层。

此时气溶胶散射通量P s和入射通量P i之比可表示为:P sP i=S e-Dasec H U D a sec H(6)式中:H)))太阳的天顶角。

引入向后散射系数B:B(H)=14P Q10Q2PP(L U cos H)d U d L(7)式中:P(LU cos H))))气溶胶粒子的散射相函数。

大气气溶胶的反射率可表示为:R a=B#F sF i=B D a sec H(8)在计算气溶胶层引起的行星反照率增量$R p 时,必须对下垫面反照率R s,上层大气透过率T i和云量A c进行订正,按照简单的多层反射模式可得气溶胶-地表系统的反照率R as,即R as=R a+T2a R s[1-R a R s+(R a R s)2+,] U R a+T2a R s1+R a R s(9)其中T a=1-R a。

由于气溶胶层而引起的系统反照率的变化为$R as=R as-R s=R a+(1-2R a)R s(1-R a R s)-R sU R a(1-R s)2(10)考虑到云量的订正,可以得到$R p,即$R p=T i$R as(1-A c)U T2i(1-A c)(1-R s)2B D a sec H(11)当忽略了T i,A c,R s,B和D a之间的相关性,计算太阳反射辐射通量的增量可近似地表示为:6环境科学研究第11卷$F R=0.5S0T2i(1-A c)(1- R s)2 B D a(12)式(12)中的因子015是考虑到地球上任一地区均有一半的时间接受到太阳照射。

S0为太阳常数(文中取S0=1367W/m2)。

B是B cos H对cos H的平均。

B=Q01B(cos H)sin H d H(13)将上述所讨论的关系推广到整个气溶胶,并考虑气溶胶的吸收作用,则可将式(11)改写为:$R p=T2i(1-A c)D a[B W0(1-R s)2-2(1-W0)R s](14)式中:W0)))气溶胶的单次散射反照率,并在方程(14)中假定取平均太阳天顶角。

2资料和参数选取211气溶胶资料的选取利用我国辐射观测站的晴天太阳辐射资料,通过辐射传输模式得到了我国1959~1979年T SP的反演分布,并在此基础上计算了TSP引起的辐射强迫;利用1992年7月~1993年6月的污染源排放资料和同期实际的气象观测资料,通过建立的酸沉降模式[3]得到了1992年7月~1993年6月我国硫酸盐的时空分布,利用辐射模式计算了硫酸盐气溶胶引起的辐射强迫;根据国家能源发展规划方案,经过详细的调研,在分析研究的基础上,得到了我国未来在2000,2020和2050年的SO2和TSP的排放状况,并已划分到1b@1b的基本网格点网上。

据此,对硫酸盐气溶胶和TSP可能造成对气候的直接辐射强迫效应作了初步的探讨,并绘出了其分布图。

212参数的选取式(12)中云量A c的资料和地表反照率R s的资料均取自我国气象台站1959~1979年20a气候整编资料的实际观测资料,并内插到1b@1b的经纬网格点上。

其他参数取自文献[4]。

3计算结果及其分析通过计算得到了我国建国以来历年大气气溶胶直接引起的辐射强迫。