大氣氣溶膠對天氣與氣候的影響

賴鑫，楊復(fù)沫，賀克斌

（1.深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳518040；2.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院三峽生態(tài)環(huán)境研究所，重慶400714；3.長江師范學(xué)院三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶408100；4.中國科學(xué)院城市大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建廈門361021；5.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084）

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□本刊特稿

大氣氣溶膠對天氣與氣候的影響

賴鑫1，楊復(fù)沫2，3，4，賀克斌5

（1.深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳518040；2.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院三峽生態(tài)環(huán)境研究所，重慶400714；3.長江師范學(xué)院三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶408100；4.中國科學(xué)院城市大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建廈門361021；5.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084）

大氣氣溶膠會對天氣、氣候產(chǎn)生重要的影響遙氣溶膠通過改變云的輻射、云量和生命周期等影響降水，通過干濕沉降影響生態(tài)環(huán)境，氣溶膠還可以通過散射和吸收太陽輻射影響全球氣候遙已有的研究表明，氣溶膠具有顯著的氣候效應(yīng)，總的輻射強(qiáng)迫為負(fù)，可以抵消一部分由溫室氣體造成的增溫，但仍有一些以黑碳為主的吸光成分，輻射強(qiáng)迫為正，對全球變暖有不容忽視的貢獻(xiàn)遙

氣溶膠；氣候；輻射強(qiáng)迫

1　引言

早在一個世紀(jì)之前，科學(xué)家預(yù)言大氣化學(xué)成分的改變，尤其是人類活動排放的二氧化碳（CO2）濃度的增加會改變地球的熱平衡而導(dǎo)致大氣變暖。大約在40年前，人們認(rèn)識到空氣污染［氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和其他污染物］導(dǎo)致的對流層臭氧（O3）增加起到重要的溫室強(qiáng)迫效應(yīng)；而氟氯化碳（CFCs）對平流層O3的作用及其氣候效應(yīng)也將大氣化學(xué)與氣候緊密地聯(lián)系起來。直到大約20年前，空氣污染仍被認(rèn)為是城市尺度或局地的問題，而未視為一個主要的全球問題［1］。近年來，人們愈加認(rèn)識到，懸浮在大氣中的微小氣溶膠顆粒達(dá)到一定數(shù)量時(shí)在不同的地域尺度上發(fā)生作用，對空氣質(zhì)量和對暴露在大氣中人群的健康，及時(shí)對能見度、酸沉降、云和降水、平流層和對流層大氣化學(xué)過程、大氣輻射平衡（進(jìn)而對全球氣候）等均產(chǎn)生重要的影響［2］。

基于外場觀測研究（如INDOX、ACE-Asia等）和全球模擬研究的新發(fā)現(xiàn)，人們對氣溶膠從局地、區(qū)域到全球（從空氣污染到氣候變化）的影響有了進(jìn)一步的認(rèn)識。新的觀測數(shù)據(jù)表明，由于快速的長距離傳輸，在特大城市和區(qū)域性熱點(diǎn)地區(qū)集中形成的含亞微米顆粒的大氣棕色云（Atmospheric Brown Cloud，ABC）煙羽跨越洲際和海洋［1］，造成局地與區(qū)域空氣污染，并對區(qū)域與全球氣候產(chǎn)生影響。大氣棕色云是由于大氣氣溶膠導(dǎo)致能見度降低的一種現(xiàn)象，也是在近年來廣受關(guān)注的霾的一種表現(xiàn)形式。

三峽工程是一項(xiàng)舉世矚目的偉大工程，同時(shí)也是一個多目標(biāo)、多效益的系統(tǒng)工程。包括三峽庫區(qū)在內(nèi)的四川盆地是我國傳統(tǒng)的四大酸沉降和霧—霾頻發(fā)區(qū)之一［3］。霧與霾均表現(xiàn)為低能見度的天氣現(xiàn)象；在其相互轉(zhuǎn)化過程中，大氣氣溶膠細(xì)顆粒物作為凝結(jié)核始終存在，在大氣中長時(shí)間滯留和反復(fù)被利用，相當(dāng)于放大了其在霾形成中的作用。三峽庫區(qū)在大壩建成后的反季節(jié)攔蓄調(diào)節(jié)所致的水汽條件變化，且與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展背景下加劇排放的氣溶膠復(fù)合作用，對于包括大氣顆粒物在內(nèi)的一次污染物和二次污染物的大氣歷程產(chǎn)生怎樣的影響？并進(jìn)而對局地與區(qū)域氣候的影響如何？有待將大氣污染與氣候變化相結(jié)合開展研究。

2　對降水和季風(fēng)的影響

氣溶膠與降水相互作用的研究源于人們對云和降水形成的認(rèn)識。20世紀(jì)70年代初，對不同地理區(qū)域云降水效率的研究表明，氣溶膠的性質(zhì)對云滴的濃度和大小及降水有很大影響。1972年召開的斯德哥爾摩人類環(huán)境會議，促進(jìn)了對潛在的氣候變化和相關(guān)領(lǐng)域的研究。次年美國氣象學(xué)會組織了大批氣象學(xué)家和云物理學(xué)家對云物理學(xué)進(jìn)行了綜合的評述和展望?？偨Y(jié)當(dāng)時(shí)的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，城市地區(qū)云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）大量增加；降水、雷暴、冰雹和霧增多；能見度降低。隨著人們對氣候變化的關(guān)注以及對氣溶膠認(rèn)識的逐步深入，氣溶膠的氣候效應(yīng)理論于20世紀(jì)70年代末被提出來，研究的重點(diǎn)主要針對云的反照率和大氣輻射收支的影響。20世紀(jì)80年代以后氣溶膠的化學(xué)成分引起了特別的關(guān)注，對氣溶膠和酸雨的研究在國內(nèi)外呈蓬勃之勢，其中大量的實(shí)驗(yàn)研究基于云和降水過程對氣溶膠的清除，并關(guān)注酸性物質(zhì)的濕沉降。隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步，全面觀測氣溶膠的物理和化學(xué)特征，甚至對CCN、冰核（Ice Nuclei，IN）以及云的發(fā)展過程的觀測成為可能，因而人類活動導(dǎo)致的排放增加對云乃至氣候的影響引起廣泛的研究興趣。

氣溶膠在降水形成中的作用表現(xiàn)在與云的相互作用，即通過參與云中的微物理過程來改變云的輻射特征、云量和生命期等物理特征，從而改變降水的分布和強(qiáng)度。氣溶膠粒子作為CCN和IN在云雨形成和增長過程中起著重要作用，不但可以增加或減少降水量，而且可以改變云雨的類型（如使非降水性云轉(zhuǎn)換成降水性云），從而影響降水。氣溶膠粒子增加的一個最直接的后果是云滴數(shù)量增加，并可能導(dǎo)致云量增加和降水增加，但也可能在云滴數(shù)量增加的同時(shí)其尺度減?。ㄈ缭茖又幸欢ê康囊簯B(tài)水分配給更多更小的云滴），從而導(dǎo)致更高的云層反射率和抑制降水的發(fā)生，并可能延長云層的生命周期。氣溶膠增強(qiáng)對太陽輻射的散射和吸收，同時(shí)導(dǎo)致云亮度增加而降雨減少，到達(dá)地表的太陽輻射大幅度減少，而對大氣加熱作用則相應(yīng)增強(qiáng)，大氣熱力層結(jié)改變，地表變冷，區(qū)域環(huán)流系統(tǒng)如季風(fēng)受擾動，降雨受抑制，水力循環(huán)延緩，以及污染清除（如濕沉降）效果削弱，如果CCN中吸熱組分較多，可導(dǎo)致云滴蒸發(fā)［1］。

在以人為源為CCN主要源的大陸上，氣溶膠很可能是引起云的降水效率減小的重要因素。2000年后的一些研究從包括半直接效應(yīng)、冰化效應(yīng)、熱力學(xué)效應(yīng)、結(jié)凇效應(yīng)及地表能量通量效應(yīng)等方面探討氣溶膠對降水的可能影響機(jī)制［4］。最近的研究從氣溶膠使低層大氣穩(wěn)定度發(fā)生變化入手，研究其對降水的影響。這種效應(yīng)主要是由于含碳燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的煙黑（soot）對太陽輻射的較強(qiáng)吸收作用所產(chǎn)生的。除了在大氣層頂部（Top Of Atmosphere，TOP）引發(fā)一系列變化，氣溶膠還對地表能量平衡產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致對流、蒸發(fā)和降水的改變。

研究表明，雖然人為源氣溶膠的年平均排放量和濃度只占自然源和人為源氣溶膠總量的10%～20%，但是人為源的氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）卻占其總量的一半左右。通過北半球氣溶膠粒度譜和濃度的觀測資料推算，北半球人為源氣溶膠可能使云滴數(shù)濃度增加15%，由此可能產(chǎn)生的云量和云生命時(shí)間的變化都將對降水產(chǎn)生重要的間接影響。然而，由于氣溶膠與云、大氣性質(zhì)之間相互作用的復(fù)雜性，目前對與降水有關(guān)的氣溶膠間接效應(yīng)的認(rèn)識雖然取得了較大的進(jìn)展，但仍然十分有限，科學(xué)認(rèn)知水平仍處于非常低的程度。由于這種復(fù)雜的相互作用，難以解析氣溶膠對所觀測的單次降雨量的影響［1］。Rosenfeld等［5］認(rèn)為，由氣溶膠造成的空氣污染可明顯減少山區(qū)水資源，使得干旱更易發(fā)生。一些研究表明，大氣氣溶膠可以對季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間、季風(fēng)的強(qiáng)度造成影響；季風(fēng)和降水反過來對氣溶膠濃度也有影響，但涉及的過程復(fù)雜，研究結(jié)論不盡相同甚至相反［6-13］。

人類活動排放的氣溶膠是影響中國干旱與暴雨分布的可能因子之一。Menon等［14］通過模擬分析認(rèn)為，中國南部和印度等氣溶膠高值區(qū)降水增多；BC氣溶膠的增加使青藏高原南北側(cè)分別產(chǎn)生了一個強(qiáng)的上層?xùn)|風(fēng)和西風(fēng)帶，形成一個反氣旋環(huán)流，并可能與過去數(shù)十年中國南澇北旱加劇的趨勢有關(guān)。Zhang等［11］在氣候模式中納入含碳?xì)馊苣z（Black Carbon，BC和Organic Carbon，OC）的作用，模擬表明中國南部、印度云量減少，地表溫度上升，降水減少；而中國北部（30～40°N）、孟加拉灣云量增加，地表溫度下降，降水增加，即總體上中國呈現(xiàn)北澇南旱趨勢，與前面的研究結(jié)論相反。有學(xué)者［15-17］研究認(rèn)為，自20世紀(jì)80年代起，華南和沿海地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展所引起硫酸鹽氣溶膠大量增加所產(chǎn)生的降溫效應(yīng)，可能是東亞夏季風(fēng)出現(xiàn)異常的主要原因之一，并使得降水帶呈南移趨勢。硫酸鹽氣溶膠明顯削弱到達(dá)地面的太陽輻射，從而減少了該區(qū)域夏季海陸熱力差異，造成東亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱，西太平洋副熱帶高壓脊線南移，季風(fēng)雨帶向南偏移。

3　對酸沉降的影響

大氣顆粒物通過干濕沉降可對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛而重要的環(huán)境影響。SO42-與NO3-顆粒物是最重要的致酸物種。通常認(rèn)為，導(dǎo)致正常降水pH＜5.6的酸性物質(zhì)主要是人類排放的硫氧化物和氮氧化物，它們在大氣中經(jīng)過各種氧化反應(yīng)生成了硫酸和硝酸。SO42-與NO3-顆粒物的前體物排放量的高速增長使我國成為繼歐洲和北美之后的全球第三大酸雨區(qū)，酸雨區(qū)面積超過100萬km2；在2014年開展降水監(jiān)測的470個城市（區(qū)、縣）中，有29.8%的城市出現(xiàn)了酸雨且主要分布在長江以南—青藏高原以東地區(qū)［18］，酸雨頻率平均為17.4%。三峽庫區(qū)降水酸化趨勢在逐漸增強(qiáng)，污染程度高于北京、成都、深圳、湖南等地［19］。與之相對應(yīng)，銨鹽和礦物組分中的CaCO3和MgCO3則是顆粒物中的堿性組分，可中和顆粒物和干濕沉降的酸度。由于亞洲沙塵中富含這些堿性礦物顆粒，其對中國北方及東北亞地區(qū)的長距離傳輸可使其降水pH增加0.5～2.0，從而顯著降低酸沉降對這些地區(qū)的影響［1］。此外，硝酸鹽和銨鹽的沉降可改變生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)［20］；亞洲沙塵中的富鐵礦物還可在傳輸過程中與東亞地區(qū)排放的高濃度酸性顆粒物及其前體物發(fā)生反應(yīng)，生成具有營養(yǎng)功能的可溶性鐵并影響海洋生態(tài)系統(tǒng)［21］。

主要來自地面揚(yáng)塵的堿金屬和堿土金屬等可以中和降水的酸性。我國北方土壤的堿性物質(zhì)含量高，總懸浮顆粒物中的堿性物質(zhì)濃度也高于酸性物質(zhì)，因而對酸性降水具有較大的中和緩沖能力；相反，南方大氣顆粒物中堿性物質(zhì)濃度低，其緩沖能力低于北方。例如，北京春季大氣顆粒物的中和能力是柳州大氣顆粒物的3倍；華南地區(qū)氣溶膠的酸化臨界緩沖容量＜100 neq·m-3，而北京氣溶膠臨界緩沖容量為375 neq·m-3［1］。這是我國一些北方地區(qū)環(huán)境大氣中SO2濃度較南方地區(qū)高，但北方大部分地區(qū)未發(fā)生酸雨，而南方地區(qū)出現(xiàn)大面積酸雨的重要原因。

4　對全球氣候的影響

Rasool和Schneider［22］曾預(yù)測，若全球大氣氣溶膠的本底濃度增加4倍，將導(dǎo)致地表平均溫度降低3.5℃。之后，全球性的普遍增暖現(xiàn)象使氣溶膠對氣候的降溫效應(yīng)被淡化。1991年，菲律賓Pinatubo火山噴發(fā)，大量的塵埃和硫酸鹽氣溶膠進(jìn)入平流層，并在其長達(dá)1～2年的壽命期內(nèi)逐漸均勻分布，而次年全球平均氣溫下降了0.5℃。1991年海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)后，科威特油井的數(shù)百萬桶原油被焚燒，所產(chǎn)生的煙霧遮天蔽日持續(xù)數(shù)月，由于大范圍的氣溶膠陽傘效應(yīng)，致使科威特周邊地區(qū)溫度明顯降低。由此，氣溶膠對氣候的影響重新獲得關(guān)注，并作為影響氣候變化的一個重要因子，日益引起了科學(xué)界的普遍重視。

自然源氣溶膠（如沙塵、海鹽粒子等）在大氣中的含量、分布和光學(xué)特性在一個較長的時(shí)間段內(nèi)可以近似視為不變；火山爆發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠也不會有長期的效應(yīng)，對氣候變化或氣候強(qiáng)迫的研究而言，可以忽略這類氣溶膠的影響。自工業(yè)化革命以來，人為源氣溶膠（如硫酸鹽氣溶膠、含碳?xì)馊苣z）的大量排放已經(jīng)顯著增加了全球氣溶膠的平均含量，具有不容忽視的氣候影響［23-28］。

大氣氣溶膠以兩種重要的方式影響氣候：一方面，顆粒物通過吸收和散射太陽輻射以及吸收和釋放地表的紅外輻射而直接影響氣候；另一方面，顆粒物作為CCN或IN而改變云的微物理、光學(xué)特性以及降水效率，從而間接影響氣候。氣溶膠的間接氣候效應(yīng)包括：以微物理作用影響云滴數(shù)密度、云滴粒徑的第一間接效應(yīng)（云反照率效應(yīng)），影響云層厚度及其生命周期的第二間接效應(yīng)（云生命周期效應(yīng)），此外還有半直接效應(yīng)。后者的機(jī)制表現(xiàn)為對流層氣溶膠吸收短波輻射導(dǎo)致對流層增溫，進(jìn)而改變對流層相對濕度及其穩(wěn)定性，最終影響云的形成及其生命周期［4］。此外，氣溶膠可以改變反應(yīng)性溫室氣體（如O3）的多相化學(xué)反應(yīng)；通過沉降為海洋生物提供營養(yǎng)物，影響其初級生產(chǎn)力，并進(jìn)而影響CO2和二甲基硫（DiMethyl Sulfide，DMS）等輻射活性氣體的釋放，影響海洋生物泵過程，引起海洋和全球碳循環(huán)的變化，導(dǎo)致極為重要的生態(tài)環(huán)境和氣候效應(yīng)。

氣溶膠光散射的凈效應(yīng)導(dǎo)致到達(dá)地球的入射光減少，因此對地表起到降溫作用；而顆粒物的光吸收的凈效應(yīng)是導(dǎo)致入射太陽光被轉(zhuǎn)化為能量，并最終轉(zhuǎn)移到周圍的大氣中，從而起到增溫效應(yīng)。因此，氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫具有雙重性，即既有正的效應(yīng)，也有負(fù)的效應(yīng)。

從直接輻射強(qiáng)迫的角度，氣溶膠的關(guān)鍵影響因素包括顆粒的表面尺寸分布、形狀和復(fù)折射率等；從間接輻射強(qiáng)迫（影響云的微物理和大氣化學(xué)）的角度，則包括顆粒的粒度譜、吸濕性、相態(tài)和化學(xué)組成等。與直接效應(yīng)相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)（散射和吸收系數(shù)或消光截面與單散射反照率）和與間接效應(yīng)相關(guān)的CNN、IN、化學(xué)和生物活動取決于氣溶膠顆粒的尺寸、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，因而受到氣溶膠顆粒的碰并（coagulation）、化學(xué)轉(zhuǎn)化和與水的作用（包括吸濕和潮解）等大氣過程的強(qiáng)烈影響［1］。

硫酸鹽氣溶膠能夠有效地散射各波段的太陽光，僅對近紅外光譜有少量吸收，是氣溶膠中主要的消光成分。上世紀(jì)90年代后期的氣候模型即基于硫的循環(huán)模型研究硫酸鹽氣溶膠的氣候效應(yīng)。IPCC［29］總結(jié)已發(fā)表的有關(guān)硫酸鹽輻射強(qiáng)迫的數(shù)據(jù)，給出其全球平均直接輻射強(qiáng)迫為-0.4W·m-2（-0.6～-0.2 W·m-2）。硫酸鹽輻射強(qiáng)迫的不確定性主要來源于模型中對相對濕度和硫酸鹽與其他顆粒物的混合狀態(tài)的模擬［1］。硝酸鹽氣溶膠在可見光譜區(qū)基本上是非吸收的，所以其直接輻射強(qiáng)迫也是負(fù)的，約為-0.11（-0.3～-0.03）W·m-2［29］。

有機(jī)氣溶膠主要是散射太陽輻射，但也有少量對短波輻射具有吸收作用而被稱為棕色碳（brown carbon）。棕色碳可吸收紫外光而影響大氣光化學(xué)反應(yīng)以及O3的產(chǎn)生［1］，因而進(jìn)一步具有間接氣候效應(yīng)。有機(jī)氣溶膠輻射強(qiáng)迫與硫酸鹽氣溶膠類似，都產(chǎn)生負(fù)的輻射強(qiáng)迫。IPCC［29］第五次評估報(bào)告估計(jì)一次有機(jī)氣溶膠（Primary Organic Aerosol，POA）和二次有機(jī)氣溶膠（Secondary Organic Aerosol，SOA）的直接輻射強(qiáng)迫為-0.12（-0.4～-0.1）W·m-2。

BC是氣溶膠中最主要的吸光成分，它對短波和長波輻射均具有強(qiáng)烈的吸收作用，比溫室氣體的吸收波段更寬，比礦物塵的質(zhì)量吸收系數(shù)要大兩個數(shù)量級。BC的光學(xué)性質(zhì)取決于其粒度和復(fù)折射指數(shù)。BC和其他氣溶膠組分之間的混合狀態(tài)是影響其輻射強(qiáng)迫的重要因素，譬如當(dāng)BC和硫酸鹽內(nèi)部混合時(shí)其輻射強(qiáng)迫更大［1］。BC通過直接和間接兩種輻射效應(yīng)影響大氣輻射，且這兩種效應(yīng)均占有重要地位。在大氣的增溫成分中，BC的直接輻射強(qiáng)迫僅次于二氧化碳，對全球變暖貢獻(xiàn)了15～30%［30］，可以部分地平衡其他氣溶膠的降溫作用，因而也被稱為“溫室型氣溶膠”。另一方面，BC的粒徑通常在0.01～1μm，因而可作為云凝結(jié)核而改變云滴的尺度分布、光學(xué)特性、云中液態(tài)水的含量及云量等，從而通過影響云和降水的分布而間接影響氣候。IPCC［29］總結(jié)了有關(guān)BC直接輻射強(qiáng)迫的研究結(jié)果，并將第二次評估中的全球平均估計(jì)值+0.1 W·m-2在第五次評估報(bào)告中修訂為+0.4（+0.05～+0.8）W·m-2。此外，BC沉降在冰雪表面會降低其地表反照率，增加冰雪對太陽輻射的吸收而引起冰雪消融，由此產(chǎn)生正的輻射強(qiáng)迫（+0.04W·m-2）。

礦物塵（mineral dust）中既有粗顆粒也有一部分細(xì)顆粒，因而既散射短波輻射而起到降溫效應(yīng)，也可吸收短波輻射和長波輻射而起到增溫效應(yīng)，此外還可通過與硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽顆粒（Sulphate Nitrate Ammonium，SNA）內(nèi)部混合的形式成為云凝結(jié)核而產(chǎn)生間接的氣候效應(yīng)。礦物顆粒的氣候效應(yīng)受礦物組成、粒徑大小、傳輸高度及其與SNA等其他組分的混合狀態(tài)等多種因素的影響。例如，亞洲沙塵中富含淺灰色礦物，而非洲沙塵則含有呈淡棕色至大紅色的多種礦物，因而它們對光的吸收、散射能力均有所不同；處于3 km以下大氣層中的沙塵可通過抑制云滴的形成導(dǎo)致降水的減少，而3 km以上大氣層中的沙塵則可加速IN的形成，進(jìn)而增加云量和降水量。礦物塵通常較為粗大，在大氣中的滯留時(shí)間相對較短，往往難以很好地混合，因此其輻射強(qiáng)迫具有很大的時(shí)空變化［1］?？偟膩碚f，礦物塵的全球平均輻射強(qiáng)迫的“最佳估計(jì)值”為-0.1（-0.3～+0.1）W·m-2。礦物塵曾被認(rèn)為是“自然氣溶膠本底”的一部分，但Tegen等［31］估計(jì)，全球大氣中大約有一半的礦物塵是由于在干旱和半干旱地區(qū)土地利用改變引起土壤擾動所導(dǎo)致的。

海鹽氣溶膠可直接散射太陽的短波輻射。當(dāng)云中液態(tài)水含量一定時(shí)，海鹽氣溶膠濃度的增加會減少云滴的有效半徑，導(dǎo)致其反射率增加。海鹽氣溶膠在占地球表面70%的海洋上空持續(xù)產(chǎn)生，對地氣系統(tǒng)的能量收支起著重要調(diào)節(jié)作用。

根據(jù)IPCC［29］第五次評估報(bào)告，目前估計(jì)氣溶膠與輻射相互作用產(chǎn)生的有效輻射強(qiáng)迫為-0.45（-0.95～+0.05）W·m-2；氣溶膠通過與云的相互作用所產(chǎn)生的有效輻射強(qiáng)迫估計(jì)為-0.45（-1.2～0.0）W·m-2，總的氣溶膠有效輻射強(qiáng)迫估計(jì)值為-0.9（-1.9～-0.1）W·m-2。與IPCC第四次評估報(bào)告相比，氣溶膠強(qiáng)迫的絕對值在減小。全球氣溶膠氣候效應(yīng)估算存在著較大的不確定性，這種不確定性遠(yuǎn)大于估算值本身［1］。事實(shí)上，氣溶膠、云和降雨的交互作用及反饋效應(yīng)的不確定性是氣候敏感度不確定性高和預(yù)測的21世紀(jì)全球平均地表溫度升高范圍大（1～6℃）的原因。與溫室氣體相比，氣溶膠氣候效應(yīng)的影響因素要復(fù)雜得多且尚未很好量化，迄今對其輻射強(qiáng)迫尤其是間接氣候效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)知水平仍較低。這主要由于所涉及的氣溶膠物理化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性以及相關(guān)的觀測歷史較短，至今尚缺少全球范圍的氣溶膠分布數(shù)據(jù)；另一方面是由于對氣溶膠的排放、成核和生長的機(jī)理，以及氣溶膠與云作用的物理化學(xué)過程等了解有限。

盡管氣溶膠強(qiáng)迫估計(jì)存在較大不確定性，但仍有很高信度顯示氣溶膠抵消了很大部分由溫室氣體造成的正的全球平均輻射強(qiáng)迫，不過二者不能簡單抵消［32］。從影響的范圍看，溫室氣體由于壽命長達(dá)數(shù)年至數(shù)百年，在全球尺度上產(chǎn)生氣候效應(yīng)，而對流層氣溶膠的壽命通常只有數(shù)天至數(shù)周且在大氣中未能很好混合，因而其輻射強(qiáng)迫作用與其水平分布和垂直分布有關(guān)，并主要集中在北半球的源排放及其下風(fēng)向地區(qū)。雖然在全球范圍內(nèi)溫室氣體較氣溶膠的氣候效應(yīng)要大得多，并由于其在大氣中的滯留時(shí)間長而在未來越來越處于支配地位，但在一些氣溶膠的高排放區(qū)域，其在氣溫和降水方面的氣候效應(yīng)可能超過溫室氣體。從影響的時(shí)間看，溫室氣體晝夜都產(chǎn)生影響，在冬季中高緯度造成的影響較大，而氣溶膠的影響主要是在白天對太陽的輻射，與其濃度的季節(jié)變化和日變化等相關(guān)，并且在夏季低緯度造成的影響較大。此外，溫室氣體的影響基本上與下墊面的性質(zhì)無關(guān)，而氣溶膠對太陽輻射的影響與下墊面的光學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，同樣一層氣溶膠可能由此產(chǎn)生大小殊異的輻射強(qiáng)迫，甚至產(chǎn)生符號相反的影響。

大氣氣溶膠對氣候系統(tǒng)的輻射平衡具有重要影響，而氣候變化反過來又對氣溶膠產(chǎn)生影響。氣溶膠的可能變化取決于大氣物理與化學(xué)過程的復(fù)雜相互作用，如化學(xué)反應(yīng)速率的變化、生物排放的變化及傳輸方式和混合高度的變化等。有研究預(yù)測，21世紀(jì)的氣候變化將導(dǎo)致氣溶膠的濃度升高，但不同成分的敏感性有所不同，如紐約氣候和健康研究項(xiàng)目預(yù)測在2050年氣候情景下PM2.5濃度將上升并主要來自硫酸鹽的增加，BC和其他一次顆粒物也有所增加，但有機(jī)物和硝酸鹽減少［1］。硫酸鹽的增加與氣溫上升和O3濃度升高導(dǎo)致光化學(xué)活性增強(qiáng)相一致，而有機(jī)物和硝酸鹽的減少是由于半揮發(fā)性組分從顆粒物中揮發(fā)至氣態(tài)所致。目前在這方面的研究結(jié)果還很有限。

5　結(jié)語

氣溶膠雖然只是大氣中的微量成分，但涉及從局地到跨區(qū)域的復(fù)合型大氣污染乃至全球氣候變化等重要環(huán)境問題。由于氣溶膠顆粒對人體健康的不利影響，不可能通過增加和維持大氣氣溶膠的含量來持續(xù)抵消溫室效應(yīng)。全面、深入研究氣溶膠的氣候效應(yīng)至關(guān)重要，唯如此才能確定氣候變暖發(fā)生的進(jìn)程快慢，分辨人為和自然因素的作用大小，并在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確再現(xiàn)過去的氣候變化和更為可信地預(yù)測未來的氣候變化。只有綜合考慮氣溶膠在局地、區(qū)域與全球的生態(tài)環(huán)境和氣候影響及其之間的關(guān)聯(lián)，才有可能同時(shí)經(jīng)濟(jì)有效地減輕局地與區(qū)域的大氣污染和減緩全球氣候變化。

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［責(zé)任編輯：友清］

The Impacts of Atmospheric Aerosols on Weather and Climate

LAI Xin1，YANG Fu-mo2，3，4，HE Ke-bin5

（1.Shenzhen National Climate Observatory，Shenzhen 518040，China；2.Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，China；3.Research Center for Environmental Monitoring and Hazard Prevention of Three Gorges Reservoir，Chongqing 408100，China；4.Center for Excellence in Urban Atmospheric Environment，Institute of Urban Environment，Chinese Academy of Sciences，Xiamen 361021，China；5.School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Atmospheric aerosols have important impacts on weather and climate.Aerosols affect precipitation by changing cloud radiation，cloud cover and life cycle.They change the eco-environment through dry and wet deposition.In addition，aerosols have significant effects on the global climate through scattering and absorbing the solar radiation.Their total radiative forcing is negative，that could offset much of warming caused by greenhouse gases.However，there are some absorption components like black carbon，whose radiative forcing is positive and contributes to global warming.

atmospheric aerosols；climate；radiative forcing

X131.1

A

2096-2347（2016）01-0002-07

2016-03-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41375123），重慶市科學(xué)技術(shù)委員會項(xiàng)目（CSTC2014yykfc2003）。

賴鑫（1986—），女，四川安岳人，工程師，主要從事氣象探測應(yīng)用與大氣環(huán)境研究。E-mail：lxsrl@126.com；楊復(fù)沫（1967—），男，湖北仙桃人，研究員，博導(dǎo)，主要從事大氣復(fù)合污染特征及其來源與成因研究。

賀克斌（1962—），男，四川成都人，中國工程院院士，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院院長。E-mail：hekb@tsinghua.edu.cn