我國硫酸鹽氣溶膠氣候效應的數(shù)值模擬

李陽，宋娟，孫磊

（江蘇省氣象科學研究所， 江蘇 南京 210009）

引言

從上世紀70年代起，氣溶膠的氣候效應就受到了學者的重視，但隨著全球變暖的證實，溫室氣體效應得到了更多的關(guān)注。直到1991年菲律賓皮那圖博（Pinatubo）火山噴發(fā)，把大量的塵埃和硫酸鹽氣溶膠帶入大氣，全球平均氣溫下降了0．5℃，氣溶膠對氣候的影響才又得到來越來越多的關(guān)注［1］。然而，由于氣溶膠時空分布的多變性、化學組成的復雜性、對氣溶膠—云—輻射之間復雜的非線性關(guān)系，以及受到氣溶膠觀測資料的局限性，造成了氣溶膠的氣候效應到目前為止仍然是一個很不確定的量［2，3］。

大氣氣溶膠根據(jù)化學成分可以分為硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、沙塵氣溶膠、黑碳氣溶膠和有機碳氣溶膠等。不同種類的氣溶膠在大氣停留的時間，光學性質(zhì)以及與云的相互作用都不一樣。氣溶膠粒子對入射輻射的吸收和散射造成了到達地氣系統(tǒng)短波輻射通量的減少，稱之為氣溶膠的直接效應。直接效應減少了到達地面表面的太陽輻射，對地面具有冷卻作用，這與溫室氣體的直接效應相反。但氣溶膠粒子的氣候強迫卻不如溫室氣體那樣直接，甚至輻射強迫的符號都與氣溶膠的性質(zhì)有關(guān)。如硫酸鹽氣溶膠散射入射的太陽輻射從而導

大氣變冷［4，5］，而黑碳氣溶膠吸收太陽輻射和紅外輻射導致其所在的氣層變暖［6］，可以部分抵消硫酸鹽的冷卻作用。在區(qū)域尺度上，氣溶膠的直接輻射強迫可以非常顯著。這也是其與溫室氣體不同的地方。溫室氣體因為在大氣中停留時間較長，其濃度空間分布均勻，而氣溶膠粒子在大氣中的停留時間較短，且具有明顯的區(qū)域特征。印度洋試驗（INDOEX， Indian Ocean Experiment）的觀測表明，在南亞旱季（1～4月），主要由人類活動產(chǎn)生的氣溶膠粒子形成的霾層可能會掩蓋溫室氣體的效應［7，8］。 在這期間，霾層可以對地表產(chǎn)生約 14W·m－2的凈冷卻效應，而溫室氣體對地表的輻射強迫估計約為2～3W·m－2。

本文主要關(guān)注的是硫酸鹽氣溶膠及其直接輻射效應。硫酸鹽氣溶膠是一種親水性氣溶膠，對短波輻射具有強烈的反射和散射作用，根據(jù)Charlson［9］在1994年的估計，全球每年向大氣排放約9000萬噸SO2，其中90%來自于北半球。我國能源結(jié)構(gòu)以煤碳燃燒為主，SO2的排放濃度在大多數(shù)城市處于較高水平，特別是在北方冬季的采暖期。目前，我國SO2排放呈現(xiàn)出逐年增加趨勢［10］。在工業(yè)較發(fā)達的城市，如重慶，氣溶膠的“陽傘效應”甚至超過了“溫室效應”而使這些地區(qū)的氣溫呈現(xiàn)變冷趨勢［11］。根據(jù)IPCC研究報告［2］，全球平均人為硫酸鹽氣溶膠總的直接輻射強迫作用約－0．5W·m－2， 北半球平均值約－1．0W·m－2。觀測和數(shù)值模擬都表明，全球已形成北美、歐洲和東亞三個SO2和硫酸鹽的高值中心［12］。人類活動產(chǎn)生的CO2、CH4、N2O等溫室氣體的增加引起的總輻射強迫作用大約為 2～2．5W·m－2［13］，而硫酸鹽氣溶膠的直接效應可以部分抵消了溫室效應。胡榮明［14］統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：60年代以來，中國大部分地區(qū)到達地面的直接輻射呈遞減趨勢，城市和近郊水平能見度下降。而在全球平均氣溫增高的同時，中國南方大部分地區(qū)年平均地面氣溫卻普遍下降，這可能與人為硫酸鹽氣溶膠含量的逐年增加有關(guān)。因此，科學認識硫酸鹽氣溶膠的時空分布，定量分析其直接輻射強迫及氣候效應有重要意義。

1 模式介紹及模擬方案設(shè)計

1．1 RegCM 簡介

有限區(qū)域模型（LAMs）用于區(qū)域氣候研究的思想最初由 Dickinson［15］和 Giorgi［16］提出。 這個思想基于單步嵌套，即來自大氣環(huán)流模式（GCM）的大尺度天氣場或天氣再分析資料可以為高分辨率區(qū)域氣候模型（RCM）提供初始條件和依賴時間的天氣側(cè)邊界條件（LBCs），而RCM卻不向驅(qū)動的GCM提供反饋，這就促使 RegCM。 Giorgi等［17，18］對模式的物理過程和數(shù)值方案進行了升級，發(fā)展成了RegCM2。RegCM2的動力框架基于中尺度模型MM5，輻射過程采用的是NCAR CCM2。特別地，CCM2 的輻射傳輸包［19］被用作計算輻射量，非局部邊界層方案［20］取代了舊的局部邊界層方案，質(zhì)量通量積云方案［21］也作為可選方案加了進去，BATS［22］的最新版本也包括在模式當中。

隨著模式的廣泛使用，以及 RegNet［23］平臺的推出，模式的開發(fā)者與使用者有了更多、更深入的交流。在2003～2004年間，意大利國際理論物理中心（ICTP）在 NCAR/RegCM2基礎(chǔ)上發(fā)布了新版（RegCM3）。目前，RegCM3已經(jīng)被廣泛用于區(qū)域氣候研究及全球季節(jié)預測研究。本研究使用的就是此版本的區(qū)域氣候模式。相對于RegCM2，RegCM3采用了CCM3［24］輻射傳輸方案，以及更詳細的地形和植被數(shù)據(jù)。CCM3的引入使得模式在許多的物理過程上有了很大改進。

1．2 模擬方案設(shè)置

氣溶膠粒子散射和反射太陽輻射，使到達地表的太陽輻射減少，從而產(chǎn)生直接輻射強迫。在模式中包含氣溶膠模塊，模塊中計算了氣溶膠的光學參數(shù)，因此模式可以直接計算氣溶膠直接輻射強迫。在氣溶膠模塊中不但計算了每個格點上氣溶膠的光學參數(shù)，還計算了整個垂直方向上大氣柱的光學性質(zhì)。在計算氣溶膠直接輻射強迫時，把大氣層頂、地面兩層之間的大氣光學性質(zhì)由氣溶膠模塊計算得出。因此模式中提供了另一個輻射計算的子程序用于診斷氣溶膠的直接效應。在一次模擬中兩次調(diào)用該子程序；第一次調(diào)用中使用的是晴空無氣溶膠的大氣柱的光學參數(shù)；第二次調(diào)用時使用的是有氣溶膠的光學參數(shù)。兩次運算輻射通量之差即為氣溶膠的直接輻射強迫。因此本文的輻射強迫是設(shè)定為晴空（clear sky）條件下的。

圖1 模擬區(qū)域及區(qū)域內(nèi)的地形高度（m）。

物理過程和參數(shù)化方案：選取側(cè)邊界選擇5層過渡指數(shù)松弛方案；Holtslag行星邊界層方案；SUBEX大尺度降水方案；海洋表面通量采用Zeng海洋參數(shù)化方案。 區(qū)域中心點在（36．5°N，106．5°E），格點數(shù)為120×160，水平格距50km，見圖1。模式的垂直分層為18層，模式頂氣壓為50hPa。模式的積分時間步長150s。積分時間從2008年11月到2009年11月，其中2008年11月為Spin－up時間。設(shè)計了兩種模擬試驗，分別為標準模式無人為氣溶膠，標準模式考慮硫酸鹽直接效應，如表1。

表1 試驗方案

模式采用NNRP2再分析數(shù)據(jù) （水平分辨率為2．5°×2．5°）為 RegCM3 提供初始邊界場，每 6h 一次。地表數(shù)據(jù)使用的是全球陸地覆蓋特征（GLCC）資料，包括地形和植被覆蓋類型數(shù)據(jù)，分辨率分別為10′和30′；海平面溫度采用NCEP／NCAR的GISST月平均海溫資料。模式中硫酸鹽氣溶膠的產(chǎn)生需要有其前體物SO2排放清單的引入。RegCM3提供了在EDGAR（Emission Database for Global Atmospheric Research）基礎(chǔ)上建立的排放源清單，包含了SO2、BC和OC的人為源和生物質(zhì)源，分辨率為1°×1°。本文使 用 了 CGRER （The Center for Global and Regional Environmental Research）提供了東亞地區(qū)分辨率為 0．5°×0．5°的人為氣溶膠排放源清單，包含了工業(yè)，電力，交通運輸和人為生活排放。該排放源是在 2006年 INTEX－B （Intercontinental Chemical Transport Experiment－Phase B）觀測試驗的基礎(chǔ)得到的［25］。此排放源的分辨率與區(qū)域／中尺度模式有較好匹配性。從圖2可以看出，SO2的排放主要集中在華北，華中和華東地區(qū)，另外四川盆地地區(qū)排放源也較大。這些排放源的分布與工業(yè)發(fā)展程度和經(jīng)濟發(fā)展水平是一致的。在我國的西北地區(qū)和青藏高原地區(qū)排放源較少。在洋面上基本沒有人為SO2的排放，線狀的排放源是航線上的輪船等交通工具的排放。

圖2 由東亞排放源清單插值得到的2006年東亞SO2排放源（kg·m－2·s－1）。

2 結(jié)果分析

2．1 模式結(jié)果的基本檢驗

圖3 模式輸出地面氣壓場（hPa）和風場（m·s－1）與 NCEP資料的對比，其中（a）（b）分別為冬季，夏季的模擬；（c）（d）分別為冬季，夏季的觀測。

圖3給出了2008年12月～2009年11月冬季（12月，1月，2月）和夏季（6月，7月，8 月）模式輸出的地表氣壓場和風場與NCEP再分析資料的比較，其中NCEP資料為插值結(jié)果。從圖3中可以看出模擬的地面氣壓與觀測值非常接近，這反映了模式對氣壓場模擬的精準性。模式輸出風場基本與NCEP資料也基本一致，如在青藏高原與四川盆地交界處的風場變化，以及在東南方向環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)變。模式能夠反映副熱帶高壓的移動對我國中東部風場的影響，成功揭示了西太平洋副高的位置及強弱的時間演變，對副高幾次北跳、南撤時間的模擬接近實況，說明模式對東亞季風的環(huán)流特征具有很好的模擬能力，這與李樹［26］的檢驗結(jié)果基本一致。為了更加客觀地檢驗模式，對溫度和降水的檢驗 ， 使 用 了 CRU（Climatic Research Unit）［27］資料對模式的結(jié)果進行檢驗。CRU數(shù)據(jù)集是為了更好研究古氣候，氣候變化以及氣候預報而建立的，包含全球陸地的氣溫，降水，云量等。本文使 用 的 是 CRU TS 3．1， 包 含1901～2009的逐月平均氣候數(shù)據(jù)，分辨率為 0．5°×0．5°，數(shù)據(jù)可在 網(wǎng) 站 （http： ／／badc．nerc．a(chǎn)c．uk）上申請獲得。

圖4顯示了2008年12月～2009年11月冬季和夏季模擬的地表氣溫與觀測的CRU資料的對比。從圖4中可以看出，模擬的溫度與觀測值總體上較為接近，各低溫中心和高溫中心都較好的表現(xiàn)了出來。在四季中溫度的零度分界線模擬效果較好，但在溫度數(shù)值上整體表現(xiàn)偏低，特別是在冬季的長江中下游地區(qū)模擬值與實際觀測有較大出入。模式對整個區(qū)域內(nèi)四季溫度的過度變化的模擬是較為準確的，這 與 高 學 杰［28］對 RegCM3 模 式的檢驗是一致的?？傮w上，模式對中國區(qū)域內(nèi)各典型地區(qū)（如青藏高原，新疆地區(qū)，東北等）的溫度的模擬能力是可以的，夏季的模擬效應優(yōu)于冬季。

在各種氣候模式，對降水的模擬一直是一個難點，這與產(chǎn)生降水的物理過程多而復雜以及現(xiàn)階段氣候模式的水平有關(guān)［29］。圖5給出了模擬的年均降水量與CRU年均降水量。年降水的空間分布與觀測比較接近，但模式模擬的降水中心和降水量呈現(xiàn)偏大現(xiàn)象，這與其他學者的模擬結(jié)果是一致的［30，31］。造成偏大的原因可能與模式使用的大尺度降水參數(shù)化方案有關(guān)。因為降水過程牽涉到諸多的物理過程（如云的宏微觀過程，水循環(huán)等），目前模式中對降水過程的描述的物理模型與實際還有一定的偏差，而夏季的對流降水牽涉到非線性過程更為復雜［32］，氣候模式中為了節(jié)約計算成本，常常使用簡化的參數(shù)化方案，但這些以特定公式給出的降水量計算并不能精確的反映實際情況，造成了降水模擬誤差偏大，這一問題也是目前許多區(qū)域氣候模式面臨的難題［33］。

圖4 模式輸出地面氣溫（℃）與CRU資料的對比，其中（a）、（c）分別為冬季和夏季的模擬；（b）、（d）分別為冬季和夏季的觀測。

圖5 （a）為模擬的年均降水量（b）為CRU年均降水量

2．2 硫酸鹽的直接輻射強迫

從圖6可以看出硫酸鹽氣溶膠柱濃度有明顯的季節(jié)變化，冬季濃度最低，范圍最小，夏季濃度高范圍大，這是因為在模式中硫酸鹽主要是由SO2通過液相化學反應生成，夏季云量和水汽的增加無疑促進了這一過程。在一年四季中四川盆地一直是硫酸鹽的一個峰值中心，最大可超過27mg·m－2，這是由于四川盆地地面有較強的排放源，又受到周圍地形阻隔，在低層難以向周圍擴散，形成聚集造成高濃度。在夏季明顯可以看到除四川盆地外，中國中東部地區(qū)硫酸鹽濃度也在較高的水平，這與夏季的環(huán)流形勢有關(guān)。在夏季，硫酸鹽氣溶膠被從印度洋吹來的氣流向東北方向輸送，在與副高相互作用下，造成硫酸鹽氣溶膠在夏季向東北方向擴展。當副高南移時，北方高壓隨之南下，使得硫酸鹽的分布區(qū)域偏向我國的中南部（冬季）。

圖6 2008年12月～2009年11月冬季，春季，夏季和秋季模式模擬的硫酸氣溶膠柱濃度（填色）和 SO2柱濃度（等值線）分布，（a）（b）（c）（d）分別對應冬季，春季，夏季和秋季

圖7給出了2008年12月～2009年11月冬季，春季，夏季和秋季的硫酸氣溶膠在對流層頂和地表的直接輻射強迫分布。從圖中可以看出，硫酸鹽在大氣層頂和地面均為負的輻射強迫。大氣層頂?shù)闹苯虞椛鋸娖扰c硫酸鹽氣溶膠的柱濃度分布有很好的對應關(guān)系。硫酸鹽柱濃度高的地區(qū)，其直接輻射強迫的也較強。冬季輻射強迫主要分布在四川盆地以及廣西一帶，除冬季以外，在華北，華東等都有較強的輻射強迫分布。在一年中，四川盆地的輻射強迫一直較大，這與硫酸鹽柱濃度分布是一致的。輻射強迫在全年的峰值出現(xiàn)在秋季的四川盆地，最大超過了－27 W·m－2，而在夏季的分布范圍最廣。夏季盛行的西南氣流使得硫酸鹽氣溶膠向東北方向擴散，影響更大的范圍。輻射強迫的分布區(qū)域呈東北—西南走向，與硫酸鹽柱濃度的夏季分布是對應的。除四川盆地外，我國中東部和東北地區(qū)的直接輻射強迫集中在－1～－12W·m－2之間。 而在西北，青藏高原等地，因為幾乎沒有SO2的排放，因此硫酸鹽的輻射強迫也很小，基本都在－1W·m－2以下。

表2給出了我國不同地區(qū)的輻射強迫的統(tǒng)計情況。因為青藏高原海拔高而且?guī)缀鯖]有硫酸鹽的分布，因此沒有對青藏高原地區(qū)進行統(tǒng)計。從表中可以看出，硫酸鹽在西南（主要包含四川盆地），華北，華中，華東，華南等都有較強的直接輻射強迫。輻射強迫的數(shù)字與硫酸鹽柱濃度有較好的相關(guān)性。從季節(jié)上來說，全國平均的最大值出現(xiàn)在夏季，達到了－2．99W·m－2，季節(jié)最大值出現(xiàn)在春季的華中地區(qū)，達到了－10．55W·m－2。 華北，東北等地直接輻射強迫有較明顯的季節(jié)變化。從區(qū)域分布來看，華中（主要是湖北一帶）和西南地區(qū)一直是受硫酸鹽直接輻射強迫影響強的區(qū)域。對全年平均發(fā)現(xiàn)，全國在對流層頂?shù)钠骄椛鋸娖冗_到了－2．40W·m－2。對硫酸鹽直接輻射強迫的研究很多，但由于使用的排放源或計算方法的不同，得到結(jié)果相差還是很大的。吳澗等［34］對東亞人為硫酸鹽的模擬結(jié)果為－0．39W·m－2，周秀驥［35］對氣溶膠的模擬結(jié)果得到中國全年平均直接輻射強迫為－8W·m－2。其他模擬大都在這一區(qū)間［36，37］。

圖8給出了2008年12月～2009年11月期間硫酸鹽氣溶膠的柱濃度及其直接輻射強迫 （90°E～130°E平均）隨緯度的變化。從圖中可以看出，輻射強迫與硫酸鹽柱濃度有很好的負相關(guān)關(guān)系。而輻射強迫最大地方在20°N～35°N之間，在冬季兩個峰值出現(xiàn)在17°N和26°N附近，在春季峰值向北移到了30°N附近；到了夏季強輻射強迫的分布擴展到北緯40°N左右；在秋季峰值呈現(xiàn)向南移動趨勢。硫酸鹽柱濃度也有同樣的趨勢，這與SO2的排放源分布是對應的，說明直接輻射強迫受氣溶膠濃度的影響最大也最直接。

圖7 2008年12月～2009年11月硫酸鹽氣溶膠在大氣層頂（填色）和地面（等值線）造成的直接輻射強迫（W·m－2），（a）（b）（c）（d）分別對應冬季，春季，夏季和秋季

表2 中國不同地區(qū)硫酸鹽氣溶膠濃度及其直接輻射強迫統(tǒng)計

圖8 硫酸鹽直接輻射強迫（灰色）和硫酸鹽柱濃度（黑色）（90°E～130°E）的隨緯度的變化．

2．3 硫酸鹽氣溶膠直接氣候效應

圖10給出了2008年12月～2009年11月一年四季硫酸鹽氣溶膠直接氣候效應對地面造成的影響（DIR－CONT）。冬季，地面氣溫基本沒有明顯的變化，特別是在我國的中東部基本沒有變化。春季，在我國的中南部出現(xiàn)了一個降溫中心，這個降溫與該區(qū)域較強的直接輻射強迫有關(guān)。夏季出現(xiàn)了大面積的降溫區(qū)域，在西南以及長江中下游地區(qū)因硫酸鹽在地面負的直接輻射強迫造成了降溫，但同時在西北等地輻射強迫并不強的地區(qū)出現(xiàn)了較為明顯的降溫。造成這樣的原因可能是：本文計算的硫酸鹽直接輻射強迫是一個瞬時輻射強迫，在瞬時輻射強迫產(chǎn)生以后，局地的溫度，水汽，云等會做出相應的反應，這些反應通過平流過程，輻散過程，水文循環(huán)等對周邊地區(qū)產(chǎn)生會產(chǎn)生不確定的反饋，造成周圍環(huán)境大氣狀態(tài)發(fā)生變化。而牽涉到水汽和云對氣候反饋時，根據(jù)目前的研究還存在較大的不確定性［38］。秋季區(qū)域的降溫中心移到了京津唐地區(qū)，對應著該區(qū)域較強的輻射強迫。從全國范圍來看，硫酸鹽的直接氣候效應造成了地面氣溫的下降，降溫中心能達到了1℃，在夏季甚至超過了2℃，但降溫區(qū)域的分布與輻射強迫的分布并完全不一致。輻射強迫在產(chǎn)生以后，會對相關(guān)的物理過程產(chǎn)生一系列直接或間接的影響，因此溫度對輻射強迫的反應并不是一個簡單的線性關(guān)系。

硫酸鹽氣溶膠的直接輻射強迫在引起溫度的變化后必然會對水循環(huán)產(chǎn)生影響，如蒸發(fā)量，相對濕度等的改變，上述變化將會對降水產(chǎn)生影響。顯然，直接效應的這種反饋作用是間接的，也更為復雜，非線性更強。表3給出了2008年12月～2009年11月硫酸鹽氣溶膠直接氣候效應的統(tǒng)計。從表3中可以看出，在輻射強迫較大的地區(qū)，其造成的降溫效果也越明顯，最大降溫出現(xiàn)在夏季的華東地區(qū)達到了0．72℃。從全年來看，硫酸鹽氣溶膠在夏季造成的降溫最明顯，達到了0．256℃，從區(qū)域來講，硫酸鹽直接氣候效應對華中地區(qū)地表溫度造成的降溫最強，達到了0．216℃。硫酸鹽對全國造成的年均降溫約為0．09℃。但硫酸鹽氣溶膠的降溫作用，在區(qū)域尺度和季節(jié)上差異很大。而降水的變化分布要更復雜。在進行統(tǒng)計后，如表3，發(fā)現(xiàn)降水的變化非常的不確定，不同區(qū)域，不同時間都不一樣，甚至出現(xiàn)相反的情況出現(xiàn)。降水在夏季變化最大，減少了 0．157mm·d－1；對華東地區(qū)降水的抑制達到了 0．283mm·d－1。硫酸鹽直接輻射氣候效應對全國降水表現(xiàn)為抑制，為0．048 mm·d－1。綜合來講，從區(qū)域統(tǒng)計上可以看出降溫的強弱與輻射強迫有一定的一致性，直接效應對降水表現(xiàn)為抑制作用，但不同區(qū)域、不同季節(jié)分布差異很大。

圖10 硫酸鹽氣溶膠的直接氣候效應造成的地面氣溫的變化 （DIRCONT，℃），（a）（b）（c）（d）分別對應冬季，春季，夏季和秋季

表3 中國不同地區(qū)硫酸鹽氣溶膠濃度及其直接輻射強迫統(tǒng)計

3 結(jié)論

（1）減少SO2的排放，尤其在四川、重慶、貴州等地是非常有必要的。

（2）夏季水稻田實行淺層灌水，以提高田間溫度節(jié)約用水，減少氣溶膠產(chǎn)生的氣候效應對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負面效應。

（3）氣溶膠削弱了太陽直接輻射，降低了大氣底層溫度，促使對流減弱。不僅使降水減少，也使霧霾增多。需要指出的是對于氣候反饋的量化還存在很大的不確定性，因此本研究能夠定性定量的給出硫酸鹽直接氣候效應的符號；但對氣候作用的量化精度還有很大提升空間，以后將會在這方面做進一步的努力。

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