典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放對區(qū)域氣候的影響模擬

鄭輝輝，師華定，陳莉榮，高慶先，關(guān)攀博，張強

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院氣候變化環(huán)境影響研究中心，北京 100012 3.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206 4.清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心，北京 100084

?

典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放對區(qū)域氣候的影響模擬

鄭輝輝1，師華定2*，陳莉榮1，高慶先2，關(guān)攀博3，張強4

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院氣候變化環(huán)境影響研究中心，北京 100012 3.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206 4.清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心，北京 100084

黑碳?xì)馊苣z是大氣氣溶膠的重要組成成分，其對太陽短波輻射和紅外輻射均有強烈的吸收作用，對區(qū)域氣候有較大影響。利用區(qū)域氣候模式RegCM3，加入自主編制的黑碳排放清單，模擬研究了2013年工業(yè)、交通、民用3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z地表吸收太陽輻射量的變化，分析不同行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放的氣候效應(yīng)。結(jié)果表明：黑碳?xì)馊苣z主要分布在華北、中原、長三角、珠三角和成渝地區(qū)，其中又以山東省和河北省的排放量最大，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，即冬春季高于夏季；3個典型行業(yè)排放量排序表現(xiàn)為民用源>工業(yè)源>交通源；黑碳?xì)馊苣z使地表吸收太陽輻射量增大，引起的氣候效應(yīng)表現(xiàn)在使華北、中原、長三角等地區(qū)氣溫升高，川渝、珠三角地區(qū)氣溫降低；但引起的降水量變化不大，可能與該模式對降水量的模擬效果較差有關(guān)。

典型行業(yè)；黑碳?xì)馊苣z；區(qū)域氣候變化；RegCM3模式

近幾十年，中國南澇北旱現(xiàn)象時有發(fā)生，全球氣候模式的模擬結(jié)果表明，黑碳?xì)馊苣z可能是引發(fā)該現(xiàn)象的一個重要因素[1]。黑碳一般是在碳質(zhì)燃料不完全燃燒過程中產(chǎn)生的不定型碳質(zhì)[2]。黑碳?xì)馊苣z是大氣中太陽輻射的重要吸收體，與CO2、CH4、CFCs等溫室氣體相比，其具有更寬的吸收波段；與沙塵相比，其質(zhì)量吸收系數(shù)要大2個數(shù)量級[3]。其不僅能影響區(qū)域與全球氣候變化[1,4]，而且能夠降低大氣能見度[5]，造成糧食減產(chǎn)[6]，并導(dǎo)致人體健康受損和建筑物的腐蝕[7-8]。黑碳?xì)馊苣z可以吸收紅外到可見范圍內(nèi)的太陽輻射，在大氣層頂產(chǎn)生正的輻射強迫[9-10]。Haywood等[11]通過大氣環(huán)流模型得到黑碳?xì)馊苣z的直接輻射強迫為0.400 W/m2，Jacobson[4]的研究結(jié)果則達(dá)到0.55 W/m2，超過CH4的直接輻射強迫，黑碳?xì)馊苣z成為僅次于CO2的具有全球增溫效應(yīng)的物質(zhì)。此外，黑碳?xì)馊苣z還能夠影響云的反照率和成云量，進而影響區(qū)域和全球的氣候變化[12-13]。由于黑碳?xì)馊苣z在大氣中的停留時間較短，因此減少黑碳?xì)馊苣z的排放量可在短期內(nèi)降低大氣中黑碳?xì)馊苣z的含量[14]，可更為有效地減緩全球變暖趨勢[15]。

張楠等[16]研究了2008年黑碳?xì)馊苣z排放清單，分析了不同行業(yè)黑碳排放量占比及其空間分布；李柯等[17]使用大氣化學(xué)傳輸模式模擬了不同行業(yè)排放源黑碳?xì)馊苣z的地表濃度及其對直接輻射強迫的影響。國內(nèi)研究使用的清單相對落后，且對黑碳?xì)馊苣z的氣候效應(yīng)只停留在直接輻射強迫方面，鑒于黑碳?xì)馊苣z對氣候變化的突出貢獻(xiàn)，急需開展不同行業(yè)黑碳?xì)馊苣z對氣候變化貢獻(xiàn)相對全面的評估工作，為我國制定相應(yīng)的減排政策提供科學(xué)依據(jù)。本文利用區(qū)域氣候模型RegCM3(Regional Climate Model Version 3)，加入自主編制的適宜中國地區(qū)的民用、交通和工業(yè)3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放清單，通過對2013年1月、4月、7月和10月的數(shù)據(jù)模擬，獲得不同行業(yè)黑碳?xì)馊苣z在各季節(jié)對我國地表輻射以及地表溫度和降水量的影響特征，從而研究其對地表的輻射強迫和氣候效應(yīng)的影響。

1 材料與方法

1.1 清單資料

本文所用黑碳?xì)馊苣z排放清單是基于清華大學(xué)在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目支持下開發(fā)的排放清單模型——中國多尺度排放清單模型(Multi-resolution Emission Inventory for China，MEIC)，將分省各部門排放量按GDP、人口和路網(wǎng)等空間分布信息進行必要的網(wǎng)格化處理得到本地化的黑碳?xì)馊苣z排放清單。

針對黑碳顆粒物產(chǎn)生機理和排放特征差異，將黑碳顆粒物的人為排放源劃分為固定燃燒源、工業(yè)工藝源和移動源三大類；在此基礎(chǔ)上按行業(yè)、燃料(產(chǎn)品)、設(shè)備(工藝)和末端控制技術(shù)共4層，對每個大類進行細(xì)分；最后將各地區(qū)各部門排放量按GDP、人口和路網(wǎng)等空間分布信息進行必要的網(wǎng)格化處理。

黑碳?xì)馊苣z排放總量(F)計算公式：

(1)

Fn,m,y=EFm(1-Cn,y)

(2)

式中：Ei,y為i地區(qū)大氣污染物y的排放量；i為省(直轄市、自治區(qū))；j為部門；k為燃料類型或產(chǎn)品類型；m為技術(shù)類型；n為控制設(shè)施類型；y為排放物種；A為排放源活動水平(如燃料消耗量、產(chǎn)品產(chǎn)量、行駛里程等)；X為技術(shù)應(yīng)用比例；η為控制技術(shù)應(yīng)用比例；EFm為技術(shù)m無控狀態(tài)下的排放因子；C為控制技術(shù)的去除率。

在第4級源分類層面收集獲取各種排放源的活動水平和對應(yīng)的排放因子，計算得到每個地區(qū)每種污染源的黑碳排放量。計算所需的排放源活動水平、技術(shù)分布、排放因子和顆粒物粒徑分布等參數(shù)主要通過年鑒、行業(yè)協(xié)會、環(huán)境統(tǒng)計和國內(nèi)外文獻(xiàn)中獲??；清單資料經(jīng)過檢驗，更加適合中國區(qū)域，合理可靠。具體可參考張強等[18]關(guān)于清單估算的驗證。

1.2 模式介紹與參數(shù)設(shè)置

本研究所使用的模式為意大利國際理論物理研究中心(The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics，ICTP)在Giorgi等提出的RegCM2基礎(chǔ)上所發(fā)展的區(qū)域氣候模式RegCM3。RegCM3主要參數(shù)如下：模擬區(qū)域中心位于107°E、35°N，水平分辨率選擇45 km，水平格點數(shù)取160×132個，垂直方向18層，模式層頂氣壓為100 hPa，積分時間步長120 s。物理參數(shù)方案和過程：側(cè)邊界選擇5層過渡的指數(shù)松弛方案，Holtslag行星邊界層方案，積云對流參數(shù)化方案采用Grell積云參數(shù)化方案，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。模式的初始和邊界資料采用NCEP的NNRP2數(shù)據(jù)集，每日4次，水平分辨率為2.5°×2.5°，包括氣溫、位勢高度、垂直速度、相對濕度、經(jīng)緯向風(fēng)和地面氣壓場，插值到模式各層為模式提供初始邊界場，每6 h更新一次；全球陸地覆蓋特征(GLCC)資料，包括地形和植被數(shù)據(jù)，分辨率分別為10°和30°，海平面溫度采用NCEPNCAR的GISST月平均海溫資料。陸面過程使用BATSle(生物圈-大氣圈傳輸方案)。積分時間為2013年1月1日—12月31日，為了研究黑碳?xì)馊苣z的輻射效應(yīng)以及氣候反饋，每個時間段設(shè)計2個試驗方案：A不加入氣溶膠進行模擬；B加入黑碳?xì)馊苣z進行模擬。圖1是區(qū)域氣候模式的模擬范圍。

注：小圖右下角的數(shù)字表示全國排放總量。圖2 2013年中國黑碳?xì)馊苣z排放總量和典型部門的年均及各季節(jié)分布Fig.2 China’s black carbon emissions in 2013 and the average annual and seasonal distribution of the typical sector

2 結(jié)果與討論

2.1 排放總量及典型行業(yè)的空間分布特征

圖2展示了2013年黑碳?xì)馊苣z排放的空間分布特征。由圖2可見，黑碳?xì)馊苣z在2013年的全國排放總量約為178.67萬t。由于不同地區(qū)人口數(shù)量、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)企業(yè)規(guī)模、居民能源消費種類和數(shù)量等因素的不同，各地區(qū)對黑碳?xì)馊苣z排放的貢獻(xiàn)差別很大。我國人為源黑碳?xì)馊苣z排放地區(qū)分布嚴(yán)重不均衡，排放量最高的省份主要分布于華北和華中區(qū)域，其中京津冀和山東省的排放量最大，其次是東北、華南和成渝地區(qū)，西部的西藏、青海、新疆、甘肅等地排放量最低。

注：文中底圖來源于GrADS軟件，網(wǎng)址:www.opengrods.org。圖1 區(qū)域氣候模式的模擬范圍Fig.1 Regional climate model simulation range

3個黑碳?xì)馊苣z排放的典型行業(yè)為民用源(88.15萬t)，工業(yè)源(62.89萬t)和交通源(27.43萬t)。三者空間分布都與黑碳?xì)馊苣z排放總量的分布相近，主要集中在我國東部，且以京津冀和山東一帶為中心。黑碳?xì)馊苣z總量還有明顯的季節(jié)變化，即冬季排放量是其他季節(jié)的2倍左右，該變化特征主要是由于冬季民用源黑碳?xì)馊苣z排放量明顯偏高所致，而工業(yè)和交通源各季節(jié)的排放總量差別不大。

2.2 不同季節(jié)和行業(yè)黑碳?xì)馊苣z的輻射分布

本文研究的輻射主要是地表吸收的太陽輻射量，圖3顯示不同月份加入黑碳?xì)馊苣z地表吸收的太陽輻射量與不加入黑碳?xì)馊苣z地表吸收的太陽輻射量的差值。由圖3可見，加入黑碳?xì)馊苣z后地表吸收的太陽輻射量增大0～10 Wm2，冬季在全國大部分地區(qū)增加地表吸收的太陽輻射量在0～20 Wm2不等，在春季引起的變化不大，在夏季南方大部分地區(qū)地表吸收的太陽輻射量減少20 Wm2以上，其中川渝地區(qū)地表吸收的太陽輻射量減少了40～60 Wm2。從季節(jié)上看，春季地表吸收的太陽輻射量變化不明顯；而夏季的變化分布尤為顯著，冬季和秋季全國范圍的整體趨勢基本一致。從行業(yè)看，民用源和工業(yè)源冬季地表吸收的太陽輻射量差異比交通源大，可能與交通源排放量較小有關(guān)；而春季民用源地表吸收太陽輻射量差異明顯，可能與民用源春季黑碳?xì)馊苣z排放量較大有關(guān)。整體來看，在秋冬季節(jié)，黑碳?xì)馊苣z引起的地表吸收太陽輻射量普遍增大；春夏在我國西部和東北增大，南部大部分地區(qū)減少。

圖3 3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z引起地表太陽輻射量變化(單位：Wm2)Fig.3 Variation of surface solar radiation caused by black carbon aerosol in three typical industries

2.3 黑碳?xì)馊苣z對溫度及降水的影響

2.3.1 3個典型行業(yè)排放黑碳?xì)馊苣z的溫度反饋

本文所研究溫度為近地面2 m的氣溫，圖4為3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放對氣溫的影響模擬。由圖4可見，在秋季和冬季，大部分地區(qū)有明顯的升溫效應(yīng)，尤其是京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)、河北省和山東省，最大升溫可達(dá)1 ℃，這類地區(qū)是黑碳?xì)馊苣z排放的集中區(qū)，可能是因為集體供暖和居民利用散煤采暖的原因；而春季和夏季川渝地區(qū)還有小幅降溫，降幅在0.2～0.6 ℃，這可能是因為黑碳?xì)馊苣z使得地表吸收的太陽短波輻射量在春季和夏季減少了20～60 Wm2不等導(dǎo)致地表溫度的降低。民用源所引起的升溫效應(yīng)相對明顯，而工業(yè)源引起的升溫幅度偏小，這可能與冬季許多居民需要采暖有關(guān)，也可能是民用源排放管理措施不嚴(yán)格，造成的排放量高，而工業(yè)源管理相對規(guī)范。

圖4 3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放引起的氣溫效應(yīng)(單位：℃)Fig.4 The temperature effect caused by black carbon aerosol emission in three typical industries

2.3.2 3個典型行業(yè)排放黑碳?xì)馊苣z的降水反饋

圖5為3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z對不同季節(jié)降水影響模擬結(jié)果。由圖5可見，整體上，黑碳排放對降水的影響不很明顯，中國處于東亞季風(fēng)區(qū)，因此中國上空的水汽輸送有明顯的季風(fēng)特征。冬季,大陸廣大地區(qū)盛行西北氣流,雖然所含水汽量很小，但風(fēng)力強勁穩(wěn)定，一般可將水汽送過長江流域，華南和東南沿海仍有西南和東南氣流將水汽輸入大陸,可達(dá)云貴高原上空；夏季,西北氣流退縮到35°N以北。黃河中下游以南廣大地區(qū)為夏季風(fēng)所控制，南和西南氣流攜帶豐沛水汽可送達(dá)華北平原。黑碳的加入對水汽運輸產(chǎn)生的影響不大。整體看京津冀地區(qū)在夏季的降水量減少6～9 mm，約占總降水減少量的30%～40%。全國大部分地區(qū)由于黑碳?xì)馊苣z引起的降水變化相對微小，幾個行業(yè)的黑碳引起的降水變化分布基本一致，而且數(shù)值十分接近，民用源排放的黑碳?xì)馊苣z在秋季引起山東、山西、河北南部、河南及安徽北部地區(qū)降水量減少3～5 mm，這可能是由于模型內(nèi)部變率導(dǎo)致模型對降水量的模擬效果不是很好。

圖5 3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放引起的降水效應(yīng)(單位：mm)Fig.5 Precipitation effects of black carbon aerosol emissions from three typical industries

3 結(jié)論

(1)黑碳?xì)馊苣z排放主要分布于華北、中原、長三角、珠三角和成渝地區(qū)，其中又以山東省和河北省的排放量最大，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，冬季、春季明顯高于夏季。

(2)3個典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放量排序：民用源>工業(yè)源>交通源。

(3)黑碳?xì)馊苣z使得地表吸收的太陽輻射量增大，氣候效應(yīng)表現(xiàn)在黑碳?xì)馊苣z的加入使華北、中原、長三角等地區(qū)氣溫升高，川渝、珠三角地區(qū)氣溫降低，但引起的降水量變化不大，可能與模式對降水量的模擬效果較差有關(guān)。

[1] 王志立.黑碳?xì)馊苣z的直接輻射強迫及其氣候效應(yīng)的模擬研究[D].南京:南京信息工程大學(xué),2008. WANG Z L.Simulation of direct radiative forcing and climate effects of black carbon aerosol [D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2008.

[2] 唐楊,韓貴琳,徐志方.黑碳研究進展[J].地球與環(huán)境,2010,38(1):98-108. TANG Y, HAN G L,XU Z F.Research progress of black carbon [J].Earth and Environment,2010,38(1): 98-108.

[3] 周晨.氣溶膠的不同混合狀態(tài)對其光學(xué)性質(zhì)和輻射強迫的影響[D].南京:南京信息工程大學(xué),2013. ZHOU C.Effects of different mixing states on the optical properties and radiative forcing of aerosols[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2013.

[4] JACOBSON M Z.Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols[J].Nature,2001,409:695-697

[5] 田謐.京津冀地區(qū)霾污染過程大氣PM2.5及前體物變化特征研究[D].北京:北京化工大學(xué),2013. TIAN M.Study on the variation characteristics of PM2.5atmospheric haze pollution process in Beijing-Tianjin-Hebei region and precursors[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2013.

[6] JI D S,WANG Y S,WANG L,et al.Analysis of heavy pollution episodes in selected cities of northern China[J].Atmospheric Environment,2011,50(3):338-348.

[7] SAIKAWA E,NAIK V,HOROWITZ L W,et al.Present and potential future contributions of sulfate, black and organic carbon aerosols from China to global air quality,premature mortality and radiative forcing[J].Atmospheric Environment,2009,43:2814-2822.

[8] TAN J H,DUAN J C,et al.Chemical characteristics of haze during summer and winter in Guangzhou[J].Atmospheric Research,2009,94(2):238-245.

[9] IPCC.Climate change 2013: the physical science basis technical summary[M].Geneva:IPCC,2014:127.

[10] SATE M,HANSEN J,KOCH D,et al.Global atmospheric black carbon inferred from AERONET[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2003,100: 6319-6324.

[11] HAYWOOD J M,RAMASWAMY V. Global sensitivity studies of the direct radiative forcing due to anthropogenic sulfate and black carbon aerosols[J].Journal of Geophysical Research,1998,103: 6043-6058.

[12] 李劍東,毛江玉,王維強.大氣模式估算的東亞區(qū)域人為硫酸鹽和黑碳?xì)馊苣z輻射強迫及其時間變化特征[J].地球物理學(xué)報,2015,58(4):1103-1120. LI J D,MAO J Y,WANG W Q.Radiative forcing of anthropogenic sulfate and black carbon aerosol in East Asia and its temporal variation characteristics [J].Chinese Journal of Geophysics,2015,58(4):1103-1120.

[13] LI J D,SUN Z,LIU Y,et al.A study on sulfate optical properties and direct radiative forcing using LASG-IAP general circulation model[J].Advances in Atmospheric Sciences,2012,29(6):1185-1199.

[14] 黃觀,劉偉,劉志紅,等.黑碳?xì)馊苣z研究概況[J].災(zāi)害學(xué),2015,30(2):205-214. HUANG G,LIU W,LIU Z H,et al.General situation of black carbon aerosol [J].Journal of Disaster Science,2015,30(2):205-214.

[15] JACOBSON M Z.Control of fossil-fuel particulate black carbon and organic matter,possibly the most effective method of slowing global warming[J].Journal of Geophysical Research,2002,107:4410.

[16] 張楠,覃櫟,謝紹東.中國黑碳?xì)馊苣z排放量及其空間分布[J].科學(xué)通報,2013,58(19):1855-1864. ZHANG N,TAN L,XIE S D.Emission and spatial distribution of black carbon aerosol in China[J].Chinese Science Bulletin,2013,58(19):1855-1864.

[17] 李柯,廖宏,RIDLEY D A,等.中國不同行業(yè)排放對黑碳和直接輻射強迫的貢獻(xiàn)[C]//第31屆中國氣象學(xué)會年會S6大氣成分與天氣、氣候變化.北京:中國氣象學(xué)會,2014.

[18] 張強,KLIMONT Z,STREETS D G,等.中國人為源顆粒物排放模型及2011年排放清單估算[J].自然科學(xué)進展,2006,16(2):223-231. ZHANG Q, KLIMONT Z,STREETS D G,et al.Chinese anthropogenic particulate matter emission model and emission inventory estimation in 2011[J].Natural Science Progress,2006,16(2):223-231. ?

Simulation of impact of black carbon aerosol on regional climate change in typical industries

ZHENG Huihui1, SHI Huading2, CHEN Lirong1, GAO Qingxian2, GUAN Panbo3, ZHANG Qiang4

1.School of Energy & Environment, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou 014010, China 2.Climate Change Environmental Impact Research Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Environmental Science & Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China 4.Center for Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Black carbon aerosol is an important component of atmospheric aerosols, which has a strong absorption effect on the solar shortwave radiation and infrared radiation, and has a great impact on the regional climate. Using the Regional Climate Model Version 3 (RegCM3) and combined with self-established black carbon emissions inventory, the variation of solar radiative forcing by black carbon aerosols emitted from industry, transportation, and residential sectors in 2013 was simulated, and the climate effects of black carbon aerosol emissions from different sectors analyzed. It was shown that the black carbon aerosols were mainly distributed in the North China, Central Plains, Yangtze River Delta, Pearl River Delta and Chengdu-Chongqing region, showing obvious seasonal changes, with higher emissions in winter and spring than in summer. Among the regions, Shandong Province and Hebei Province had the biggest emissions. The emissions of the three typical sectors were in the order of residential sources>industrial sources>transportation source. The black carbon aerosol increased the surface absorption of solar radiation and caused climate effect of raising the temperature of the North China, Central Plains and Yangtze River Delta, and decreasing the temperature of Sichuan-Chongqing region and Pearl River Delta. However, the resulted change of rainfall was little, which may be related to poor simulation function of the model.

typical sectors;black carbon aerosol; regional climate change;RegCM3 model

2016-11-16

環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409027，201509001)；中國環(huán)境科學(xué)研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(2016YSKY-003)

鄭輝輝(1993—)，男，碩士，主要從事氣候變化和大氣污染研究，15650094369@163.com

*責(zé)任作者：師華定(1979—)，男，研究員，博士，主要研究方向為氣候變化與大氣污染、定量遙感，shihd@craes.org.cn

X513

1674-991X(2017)03-0255-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.037

鄭輝輝，師華定，陳莉榮，等.典型行業(yè)黑碳?xì)馊苣z排放對區(qū)域氣候的影響模擬[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2017,7(3):255-261.

ZHENG H H, SHI H D, CHEN L R, et al.Simulation of impact of black carbon aerosol on regional climate change in typical industries[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):255-261.