中国大气气溶胶气候效应研究进展

李明华，范绍佳中山大学大气科学系（510275）Email:lmh20000@摘要：全球和区域气候变化是当今各国政府和科学界关注的重大问题。

大气气溶胶作为影响气候变化的一个重要因子，引起了全球科学界的重视,是当今国际科学界的热门研究话题。

本文总结了二十世纪九十年代以来我国科学家在大气气溶胶气候效应研究方面的一系列成果，讨论了未来研究的主要难题及研究方向。

关键词：中国；大气气溶胶；气候效应1.引言全球和区域气候变化是当前各国政府和科学界关注的重大问题。

大气气溶胶作为影响气候变化的一个重要因子，引起了全球科学界的重视,是当今国际科学界的热门研究话题[1-4]。

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，习惯上用来指大气中悬浮的10-3～101μｍ固体和液体粒子。

大气气溶胶对气候的影响主要通过两种方式：一种是大气气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射改变地-气系统的能量收支，直接影响气候；另一种是大气气溶胶粒子作为云凝结核（CCN）改变云的光学特性、分布和生命期，间接影响气候。

理论上,只要知道大气气溶胶浓度时空分布的信息及其物理、化学、光学特性、尺度分布和大气含量的准确信息,便可精确计算其直接辐射强迫的大小。

而实际上所缺乏的也正是对这些量和其变化过程的详细了解。

因此,对其直接辐射强迫的估计只能是基于现有实验结果和观测资料基础上的理论数值模拟。

模式结果表明，目前对人为大气气溶胶（硫酸盐、硝酸盐、煤烟、矿尘和生物大气气溶胶等）全球年平均直接辐射强迫的估值大体介于-0.3～-1.0W/m2 之间，不确定性是估值的两倍。

由于理论上对云的夹卷和混合过程，以及大气气溶胶-云-辐射-气候之间的微物理和化学反应过程了解还很不全面，准确地估计大气气溶胶间接辐射强迫的大小是相当困难的。

全球年平均间接辐射强迫估值介于0～-1.5W/m2之间，不确定性更大，还没有一个合理的中间估值[5]。

大气气溶胶的气候效应比温室气体复杂得多，尽管大多数研究认为大气气溶胶对气候的影响与温室效应气体的影响是反向的，但二者不能简单抵消[6]。

从二者寿命来看，对流层大气气溶胶的寿命只有几天到几周，它的辐射强迫作用集中在排放源附近，而且基本只影响北- 1 -2.中国大气气溶胶气候效应研究进展气溶胶的气候效应研究在我国基本上是从20世纪90年代开始的，我国科学家近十几年来对大气气溶胶的气候效应研究做了大量的工作，取得了一系列的研究成果[7-10]。

2.1 人为气溶胶的气候效应研究人为气溶胶主要来自化石原料的燃烧、地貌的人为变化、工农业生成等。

在人类活动产生的各种大气气溶胶中,由于硫酸盐气溶胶的重要性,加之对其特性和在大气中分布的较多了解,使得人为气溶胶辐射强迫的定量估计及气候效应的研究主要集中在硫酸盐气溶胶上。

东亚地区由于经济发展异常迅速,已成为硫化物排放增长最快的地区，主要由人为排放二氧化硫生成的硫酸盐气溶胶除使环境恶化外还对东亚地区的气候造成了影响。

钱云[11]根据工业SO2排放资料和硫化物输送模式模拟的硫酸盐气溶胶的区域分布状况，并计算其对地气系统的直接辐射强迫作用，还以能量平衡模式模拟了对东亚和我国温度变化的影响。

计算得到在东亚和中国东部地区硫酸盐气溶胶的强迫作用分别达-1.7和-3.2W/m2，温度变化幅度为-0.1～-0.4℃，进而推测在全球变暖背景下，我国南方大部分地区80年代以来平均气温(尤其是白天温度)普遍下降，其中可能包含人为硫酸盐气溶胶降温效应的贡献。

王喜红等[12]利用三维区域欧拉型硫化物输送模式，研究了90年代中期东亚地区人为硫酸盐柱含量的空间分布。

在此基础上,利用一个两层多次反射模式估算了东亚地区人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫,并分析了辐射强迫的地理分布和季节变化特征。

结果表明,东亚地区年平均的人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫约为-0.7W/m2。

直接辐射强迫空间分布具有明显的季节变化和区域特征,辐射强迫的这种变化特征强烈地依赖于人为硫酸盐柱含量的季节变化和区域分布。

就我国人为气溶胶的气候效应而言：胡荣明等[13]和高庆先等[14]分别利用二维能量平衡模式和大气气溶胶辐射强迫模式计算了我国人为气溶胶的辐射强迫，研究结果表明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沿海城市和地区，而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。

在 RegCM2 区域气候模式的基础上，高学杰等[15]单向嵌套澳大利亚 CSIRO R21L9全球海-气耦合模式，在 CO2 加倍情况下引入人为硫酸盐气溶胶直接气候效应，进行了其对中国气候变化影- 2 -在研究区域气候效应的同时，张立盛等[18]在国内首次用GCM估算了硫酸盐和烟尘大气气溶胶引起的全球辐射强迫。

结果表明：（1）西欧是世界最大的硫酸盐辐射强迫中心，最大值出现在夏季，达-5.0W/m2；（2）南半球的大陆人为气溶胶的强迫不容忽视；（3）某些地区人为气溶胶的强迫在量值上可与CO2等温室气体引起的强迫相比拟。

我国科学家还探讨了在不同条件下相对湿度、积云和地表反照率等对大气气溶胶的辐射强迫和辐射特性的影响[19-24]。

张立盛等[23]的研究结果表明：随着相对湿度的增加，硫酸盐大气气溶胶的质量消光效率因子在短波波段有所减小，单次散射反照率仅在长波波段有所增加，不对称因子在整个波段均有所增加；在考虑相对湿度的影响后，硫酸盐大气气溶胶辐射强迫的分布类型与相应干粒子的强迫分布类型基本相同，但全球平均的强迫值减少了6%左右。

王喜红等[24]用区域气候模式探讨了东亚地区云及地表反照率对直接硫酸盐辐射强迫的影响:云对大气气溶胶的直接辐射强迫具有很强的减弱作用,这种减弱作用不仅取决于云覆盖份数,而且取决于云的光学厚度,在估算其总的直接辐射强迫时,云区的贡献不可忽视；较高的地表反照率会减弱硫酸盐的直接辐射强迫,而较低地表反照率则会增加硫酸盐的辐射强迫。

碳黑气溶胶这几年内引起了科学家的广泛关注，Mark Jacobson于2001提出碳黑气溶胶对总体温室效应的影响居第二位，仅次于CO2，这就使得气溶胶辐射强迫对气候变化的影响不确定性增加，而且也存在国际上发达国家，主要是美国利用减排碳黑气溶胶对我国经济经济制裁，对我国进行打压的外交压力。

张瑛等[25]对辐射方案中硫酸盐和碳黑气溶胶辐射效应进行了研究，估算了这两种气溶胶成分的辐射强迫，同时探讨了这两种气溶胶混合存在方式上的差异对直接辐射效应的影响。

研究结果表明：硫酸盐气溶胶在近地表的浓度越高，大气顶辐射强迫的负值越大。

而当硫酸盐和碳黑气溶胶共同存在时，碳黑气溶胶的吸收效应会使这种负的辐射强迫值减小。

碳黑气溶胶的浓度越高，这种对负辐射强迫值的减小量越大。

碳黑与硫酸盐气溶胶以内部方式混合时所产生的辐射强迫负值要比外部方式混合时的辐射强迫小，并且两种不同方式所产生的辐射强迫差异较大。

2.2 沙尘气溶胶的气候效应研究我国科学家对沙尘暴的研究尚处于初始阶段，我们对沙尘暴的了解却微乎其微，沙尘暴与气候变化之间的关联还无法在短时间内得到答案。

目前，有关沙尘气溶胶气候强迫的估计存在较大的不确定性，甚至其强迫的正负号也没有确定，间接效应的不确定性更大。

- 3 -2.3 火山气溶胶的气候效应研究火山活动是气候变化的驱动因素之一，大规模火山爆发将大量尘埃和硫酸盐大气气溶胶由岩石圈输送至大气圈、水圈和生物圈，从而造成气候和环境的快速变化，甚至导致大规模生物灭绝。

1991年菲律宾（15o N，120o E）皮纳图博（Pinatubo）火山爆发引起了全世界科学家对大气气溶胶气候效应的关注。

我国科学家也对此次火山爆发引起的气候效应进行了研究，陈海滨等[30]利用SAGE II资料分析了皮纳图博火山爆发前后平流层大气气溶胶的变化，徐群[32]分析了该火山爆发产生的火山云对1992年大范围气候的影响，巴勒德等[33]则用两层大气环流模式模拟了该火山爆发对气候的影响。

我国科学家深入研究了历史上和近几十年我国火山爆发引起的区域和全球气候变化。

李晓东等[34]总结了火山活动对气候影响的数值模拟研究，刘正府等[35]综述了火山活动与气候变化研究进展。

于革等[36]评估了全球12000 a BP以来有记录的火山爆发对气候变化的影响。

李晓东等[37]用一二维能量平衡模式模拟研究了约发生在1000年前天池火山爆发对全球气候的影响。

贾朋群等[38-39]研究了近50年来火山爆发对我国温度的影响，研究结果表明强烈的火山喷发导致我国大部分地区降温，降温最明显的时段是喷发一年多以后，并能持续约半年。

平流层大气气溶胶的形成主要是由于火山爆发向平流层大气不断注入大量的气体、灰尘和其他化合物。

赵高祥等[40]研究了平流层大气气溶胶对长波辐射的影响。

胡荣明等[41]利用辐射模式计算了平流层大气气溶胶的辐射强迫,发现平流层大气气溶胶的辐射强迫的水平分布不仅与其本身的水平变化有关,而且与下垫面的反照率有很大的关系。

并利用二维能量平衡模式模拟了皮纳图博火山大气气溶胶对地面平衡温度的影响，结果表明:皮纳图博火山至喷发后1年半左右降温达最大,至喷发后第5年降温已很小。

2.4 其他赵凤生等[42]利用考虑了海洋热惯性作用的EBM/BD*模式，模拟了近百年来由于大气中硫酸盐粒子含量变化、火山爆发和大气温室气体浓度增加共同引起的全球地表平均气温变化。

结果表明：大气气溶胶的气候效应在地气系统辐射收支和全球气温变化研究中起着非常重要的作用。

段建军等[43]采用两流近似辐射模式，应用半球常数法近似，采用累加法和倍加法，- 4 -周秀骥等[45]利用太阳直接辐射日总量和日照时数等多年观测资料，反演了中国地区大气气溶胶0.75μm光学厚度的年、月平均值，分析了我国大气气溶胶状况的时空分布特征。

据此，在中国区域气候模式中考虑气溶胶的辐射影响，模拟中国地区气溶胶直接辐射强迫的大小及气候响应的季节变化特征。

计算结果表明：我国大气气溶胶光学厚度多年平均分布状况是以四川盆地为大值中心向四周减少；长江中下游武汉附近和南疆盆地为另两个大值中心；青藏高原为气溶胶低值区；我国绝大部分地区春季气溶胶光学厚度值最大，各地气溶胶光学厚度最小值出现的季节则有所不同。

气溶胶辐射强迫介于-5.3～-13W/ｍ2之间；辐射强迫具有春、夏季大，秋、冬季小，冬季南方偏大，夏季北方偏大的特征。

气溶胶辐射强迫的分布与其光学厚度的分布基本一致。

由于气溶胶的影响，中国大陆地区地面气温均有所下降，四川盆地到长江中下游地区以及青藏高原北侧到河套地区降温最为明显，分别可达-0.4℃和-0.5℃。

气候响应具有明显的季节特征。

地面气温的变化除与辐射强迫的大小有关外，还受大气环流的影响。