黑炭氣溶膠對丹東地區(qū)溫度影響的模擬研究

徐金秀+譚麗靜+白華+單露露+辛鑫

摘要：黑炭氣溶膠是氣溶膠的重要組成成分，在大氣中的濃度非常低，卻對全球變暖、區(qū)域氣候變化有重要影響。黑炭氣溶膠能吸收從可見光到紅波段的太陽輻射，已經(jīng)被普遍認為是造成全球變暖的潛在因子。根據(jù)1951年～2016年丹東地區(qū)平均溫度圖可知，丹東地區(qū)平均溫度波動上升。黑炭氣溶膠的大量排放是丹東地區(qū)氣溫異常和快速升高的重要因子之一。本文利用SBDART模型，分別對丹東地區(qū)在有黑炭氣溶膠和沒有黑炭氣溶膠的情況下，對丹東地區(qū)溫度的影響進行模擬分析。模擬得到的結(jié)果是，在有黑炭氣溶膠時，地面0～10公里有明顯增溫。當云在黑炭氣溶膠的上層時，增加黑炭氣溶膠以上云層的溫度，但對下層大氣的溫度有削減作用。當云層在黑炭氣溶膠以下時，對下層大氣有明顯的保溫作用。

關(guān)鍵詞：黑炭氣溶膠；輻射；SBDART

中圖分類號： X513 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.10.053

黑炭氣溶膠可以直接或間接影響氣候變化。直接影響是通過氣溶膠對可見光和紅外光強烈的吸收作用，從而改變區(qū)域大氣的穩(wěn)定性和垂直運動，使地球變暖。單就直接驅(qū)動因子而言，黑炭已成為全球大氣系統(tǒng)中僅次于CO2的增溫組分[1]。它在研究全球輻射平衡中是一個重要的參數(shù)，在某些地區(qū)，黑炭的存在可以造成大氣氣溶膠輻射強迫由負輻射效應(yīng)到正輻射效應(yīng)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致一個凈的增溫效應(yīng)[2]。同樣，黑炭氣溶膠能與硫酸鹽、有機碳等水溶性氣溶膠混合作為云凝結(jié)核或直接作為冰核，改變云的微物理和輻射性質(zhì)以及云的壽命，間接地影響氣候系統(tǒng)[3]。

SBDART為平面輻射傳輸模式。旨在解決大氣平衡研究中各種輻射傳輸問題模式，相比其他模式，大幅提高了在有云情況下各種傳輸問題的模式。便于進行敏感性試驗。在SBART模式中，給出了六種標準的大氣廓線，分別為熱帶地區(qū)，中緯度冬季，中緯度夏季，副極地夏季，副極地冬季和US標準大氣；三種標準的氣溶膠模式，鄉(xiāng)村、城市及海洋模式；五種標準地表類型詳細分為海面、湖面、植被、雪蓋和沙地。其他參數(shù)共包含個主程序和引個子程序，主程序主要用于控制參數(shù)的輸入以及結(jié)果的輸出，其核心部分為，可給出垂直非均勻。各向異性并含熱源的平面平行介質(zhì)中的輻射傳輸完全穩(wěn)定的解析解，成為普遍公認的輻射傳輸精確算法的實用模型。

1模擬結(jié)果及對比分析

本文主要研究丹東變暖與短波輻射輻射強迫之間的定量關(guān)系，建立了簡單的線性關(guān)系模型。通過對比模擬分析，得到丹東地區(qū)氣溫異常迅速增長與大氣中黑碳氣溶膠的增加有關(guān)。

1.1丹東地區(qū)平均氣溫的變化

由以上4幅圖可知，從1951～2016年之間，溫度呈上升趨勢，從1951年～1980年平均氣溫增長緩慢，但總體呈上升趨勢。1981年之后平均氣溫迅速增長，而近年更是增長異常。由圖1可知，春季平均最高氣溫出現(xiàn)在2002年，而最低平均氣溫也比同期最低高出1℃。圖2的夏季平均氣溫雖然沒有春、秋、冬明顯，但可以看出，近20年平均氣溫大部分集中在22.5℃，而1961年～1980年大部分只是集中在21.5℃。據(jù)圖3可知，秋季的平均氣溫在近20年增長更為迅速異常，尤其是在近10年，平均溫度平穩(wěn)趨于高態(tài)。冬季平均氣溫的最高溫度出現(xiàn)在2007年，平均溫度增長1℃左右。

自有衛(wèi)星觀測記錄以來，氣溫觀測和氣球探空都說明，8公里以下地層大氣的全球平均氣溫每10年約增加0.05±0.1℃，而全球地面氣溫平均且每10年己經(jīng)顯著地增加了0.15±0.05℃[4]。

1.2輻射強迫及模擬結(jié)果

輻射強迫就是對影響地球大氣系統(tǒng)入射和出射能量平衡的因子的衡量標準，是表征氣候變化機制的潛在因子重要性的指數(shù)，用每平方米多少瓦來表示（Wm-2）。

黑碳氣溶膠對從可見光到紅外波段范圍內(nèi)的太陽輻射都有強烈的吸收作用，它的濃度的增加會使其對太陽輻射的吸收增加，從而在大氣頂造成正的輻射強迫，但是在有的地區(qū)的地表產(chǎn)生負的輻射強迫[5-7]。黑碳氣溶膠主要與人類活動有關(guān)，其源在大氣邊界層內(nèi)，對地面輻射強迫影響更為直接，這是地面輻射強迫與大氣頂輻射強迫存在差異的主要原因[8]。大氣頂輻射強迫和地表輻射強迫也是春季輻射強迫最大，秋、冬季次之，夏季最小[9]。

為了得到黑碳氣溶膠對大氣的增溫狀況，對模式進行了如下的設(shè)置：因為做丹東地區(qū)的模擬，所以設(shè)定丹東的經(jīng)緯度為47°N，124°E。由于黑碳氣溶膠在早晨穩(wěn)定在逆溫層，中午時，垂直方向?qū)α鲝娏?，所以這時黑碳氣溶膠很不穩(wěn)定。晚上時，垂直對流不強烈，黑碳氣溶膠又穩(wěn)定在逆溫層之中。所以只模擬早晨8點時黑碳氣溶膠的輻射強迫。根據(jù)不同的季節(jié)選擇不同的廓線。地表情況選擇urban asphalt（c城市瀝青）。氣溶膠模式中最低層選擇城市，加強層中，根據(jù)黑碳氣溶膠的半徑，選擇soot（re=0.1），并討論沒有氣溶膠會出現(xiàn)的情況。在平流層中，基本沒有黑碳氣溶膠，可以假設(shè)此層沒有氣溶膠。在云模型中，根據(jù)需要來選擇。最后直接通過對地面的加熱率來表示。

圖5給出1月15日在晴空無云的條件下，黑碳氣溶膠對空氣的加熱率。1月15日上午8點的具體情況如下：

Name1圖是在沒有黑碳氣溶膠的情況下，短波輻射對大氣的加熱率。在Name1圖中，在0～100公里之內(nèi)，從0～10公里，隨著高度的升高，加熱率逐漸減小，而且變化很小，在10～50公里，隨著高度的升高，加熱率很快增加，在50公里左右達到最大值，但在50～100公里加熱率隨著高度的升高又很快的減少到100公里變?yōu)?。Name2圖是在有黑碳氣溶膠的情況下，短波輻射對大氣的加熱率。由圖可知，在10公里以上，大氣的加熱率基本相同，但在5～10公里，有很大的差別。具體對比如下：在有黑碳氣溶膠的情況下，短波輻射對5～10公里有增溫，其中在8公里處的增溫最大。Konstantin等[10]處的結(jié)論是：過去40年（2001年以前）大氣層以下部分已經(jīng)升溫，總體與近地層類似，都在每10年0.1量級上，這說明近地面層溫度的升高與黑碳氣溶膠有很大的關(guān)系。而在正午時刻，黑碳氣溶膠消散的情況下，在沒有黑碳氣溶膠的對比圖。

Name3/name4是在1月15日中午12點時，在加強對流層有和沒有氣溶膠時的對比圖。Name3是在沒有黑碳氣溶膠的時候短波輻射對大氣的加熱狀況，可以知道，正午時刻，黑碳氣溶膠對短波輻射加熱大氣基本沒有影響。

云對黑碳氣溶膠直接輻射強迫的影響。真實大氣是有云存在的，并且存在多種氣溶膠成分。計算有云大氣狀況下，黑碳氣溶膠的輻射強迫，更能真實反應(yīng)黑碳氣溶膠對真實大氣的影響。云對黑碳氣溶膠直接強迫有著重要的影響。當云層位于黑碳氣溶膠以上時，能夠反射部分直接到達氣溶膠層的太陽輻射，極大地減少黑碳氣溶膠對太陽輻射的吸收。當云層位于黑碳氣溶膠層以下時，由于云對太陽輻射的反射，造成黑碳氣溶膠對太陽輻射的二次吸收，從而增加了溶膠對太陽輻射的吸收[11]，（見圖7） 。

折線1是在晴空無云狀況各層的加熱率，折線2是在高層10～12公里有云的情況下各層的加熱率。由此可以看出，在0～10公里晴空的條件下，加熱率比較大，在10～15公里有云的條件下加熱率比較大，平均地面溫度，還是在沒有云的情況下地面的升溫比較快，加熱比較明顯。在黑碳氣溶膠上方的云對高空起到了保溫作用。

由圖8可知，10公里以上在晴空和有云的狀況下，短波輻射對各層大氣的加熱率基本一致，在0～10公里有很大的差別：折線1表示的是在晴空狀況下，短波輻射對大氣的加熱率，折線2表示的是在有云且云在黑碳氣溶膠的下層的時候，短波輻射對大氣增溫狀況。由折線1和折線2對比分析可知，在1～5公里和5～10公里大氣的加熱率有明顯的增加，造成了地面溫度的增加。

當云在黑碳氣溶膠的下層時，云對太陽輻射有反射作用，反射光被上層的黑碳氣溶膠二次吸收，從而增加了黑碳氣溶膠對短波輻射的吸收，增加了地表的溫度。

利用上述方法對夏季的輻射狀況進行了模擬，得到了相似的結(jié)論。

2結(jié)論

利用平面平行傳輸模式對丹東地區(qū)黑碳氣溶膠對大氣的加熱率進行了模擬和分析，得到以下結(jié)論：

在晴空無云的條件下，黑碳氣溶膠對5～10公里的大氣有明顯的增溫，這是由于黑碳氣溶膠是吸收性氣溶膠，主要存在于平流層大氣的頂部（7～10公里）處，對太陽輻射有強烈的吸收作用，所以使大氣增溫，即近地面層的溫度增加。

當空中有云時，云在黑碳氣溶膠的上層，云的存在使云層的部分溫度增加，削減下層的溫度。這是由于云對黑碳氣溶膠的直接輻射強迫有著重要的影響，當云層位于黑碳氣溶膠層以上時，能夠反射部分直接到達氣溶膠層的太陽輻射，極大地減少了黑碳氣溶膠對太陽輻射的吸收。

當空中云位于黑碳氣溶膠以下時，對下層大氣的增溫率增加。這是由于云對黑碳氣溶膠的直接強迫有重要影響，當云層位于黑碳氣溶膠以下時，由于云對短波輻射的反射，使黑碳氣溶膠能夠吸收反射的短波輻射，對太陽輻射有二次吸收作用，從而增加了下層大氣的溫度。

以上研究數(shù)據(jù)說明，黑碳氣溶膠是影響丹東地區(qū)近20年來溫度異常迅速增長的原因之一。但研究過程還有很多的不足，例如黑碳氣溶膠的分布不能夠準確定位，模型不夠完善，模擬出來的結(jié)果與實際還有很大差距。

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作者簡介：徐金秀，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：天氣預(yù)報。