淺析中國(guó)區(qū)域黑碳?xì)馊苣z的氣候效應(yīng)

于勇 吳自越

摘?要：黑碳?xì)馊苣z是當(dāng)前氣候變化和環(huán)境研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，本文討論了氣溶膠的季節(jié)分布特征，探討了黑碳?xì)馊苣z對(duì)地面氣溫和降水的影響及其季節(jié)變化特征，對(duì)黑碳的減排對(duì)策提出了建議。

關(guān)鍵詞：黑碳;氣溶膠;氣候效應(yīng)

1 緒論

黑碳?xì)馊苣z對(duì)環(huán)境問(wèn)題的影響研究可以追溯到20世紀(jì)50年代，起因在于著名的倫敦?zé)熿F事件，近幾十年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)能源的需求量和消耗量持續(xù)增加，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)是以煤和生物燃料為主，而且城市地區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量大量增加，導(dǎo)致大氣中黑碳?xì)馊苣z的含量持續(xù)增加，雖然黑碳?xì)馊苣z占我國(guó)大氣氣溶膠成分中所占比重較小，但是黑碳?xì)馊苣z很容易距離擴(kuò)散輸播，影響范圍廣大，且由于其特殊的光學(xué)性質(zhì)，改變了輻射傳輸過(guò)程的能量分配，從而對(duì)氣候產(chǎn)生廣泛的影響，深入地開(kāi)展黑碳?xì)馊苣z的分布、輸送、沉降的規(guī)律及其對(duì)區(qū)域氣候的影響，具有重要的科學(xué)和決策意義。

懸浮于大氣中的黑碳?xì)馊苣z首先降低了大氣能見(jiàn)度，直接減少到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射，其次黑碳?xì)馊苣z本身又強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)輻射，加熱了空氣，影響溫度廓形，加強(qiáng)了云的蒸發(fā)，減少了云量，同時(shí)黑碳?xì)馊苣z作為云凝結(jié)核改變了云量，也改變?cè)频纳芷冢?dāng)黑碳?xì)馊苣z層位于云層上或者層下，或者在云層內(nèi)，對(duì)應(yīng)的增暖效應(yīng)的輻射傳輸過(guò)程也大不相同，復(fù)雜地影響了整個(gè)大氣圈的水循環(huán)及能量循環(huán)，而通過(guò)干濕沉降和重力沉降，沉降到植物表面的黑碳?xì)馊苣z，影響植物的正常光合作用，另外落到地表的黑碳?xì)馊苣z改變了地表反照率（如冰雪等的反照率），另外附在冰雪表面的黑碳?xì)馊苣z直接影響了輻射傳輸過(guò)程，強(qiáng)烈吸熱使得冰雪提前融化而浪費(fèi)水資源，而農(nóng)作物需要水的時(shí)候得不到廣泛灌溉，這些都間接影響了水循環(huán)，影響了能量平衡和氣候變化，此外黑碳?xì)馊苣z通常吸附了其他的有毒物質(zhì)，通過(guò)呼吸作用進(jìn)入人體，危害人體健康。許多學(xué)者使用不同類型的數(shù)值模式（如輻射傳輸模式、全球和區(qū)域氣候模式等）來(lái)研究了包括黑碳?xì)馊苣z引起的輻射強(qiáng)迫、對(duì)氣溫和降水的影響等。各個(gè)黑碳?xì)馊苣z的模式模擬之間的差別較大，如何提高模式的準(zhǔn)確性，需要廣泛開(kāi)展黑碳?xì)馊苣z濃度觀測(cè)，黑碳?xì)馊苣z光學(xué)性質(zhì)特殊，從可見(jiàn)到紅外波段范圍內(nèi)對(duì)太陽(yáng)輻射均有強(qiáng)烈的吸收，而且傳輸過(guò)程中，黑頭氣溶膠易參與大氣中的光化學(xué)反應(yīng)，黑碳?xì)馊苣z的表面總是吸附其他污染物，黑碳?xì)馊苣z不再是單一的化學(xué)成分，而是一種混合成分，對(duì)應(yīng)的新粒子的光學(xué)性質(zhì)劇烈變化。這些都增加了其對(duì)氣候影響的不確定性。

黑碳?xì)馊苣z的空間分布主要與當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展和人口密度相關(guān)，中國(guó)東部地區(qū)的黑碳?xì)馊苣z的排放密度明顯高于西部，西部人口密度低，工業(yè)排放量極低。黑碳的減排要從加強(qiáng)控制源頭開(kāi)始，一方面可以推廣低碳能源，積極使用無(wú)碳的能源，采用天然氣或者其他清潔能源，另一方面要提高能源的使用效率，通過(guò)集中供暖有利于節(jié)約能源，對(duì)應(yīng)的也就減少了排放，除塵技術(shù)的發(fā)展也將減少黑碳的排放量，在城市，加強(qiáng)排放源頭的檢測(cè)，規(guī)范監(jiān)督企業(yè)自律，在農(nóng)村，春秋收貨季節(jié)的秸稈燃燒也是黑碳?xì)馊苣z的重要排放源，禁止秸稈燃燒室黑碳減排的重要舉措，科學(xué)地處理秸稈包括制作有機(jī)肥和動(dòng)物飼料。

2 黑碳?xì)馊苣z的季節(jié)分布

黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z柱濃度度大值區(qū)出現(xiàn)在海拔較低、人口相對(duì)密集、工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，而西北地區(qū)，由于人口稀少，工業(yè)排放量極低，對(duì)應(yīng)的黑碳?xì)馊苣z柱濃度值很小。受到工業(yè)源和居民生活源的影響，又加上四川盆地的地形比較特殊，周?chē)喔呱健⑶鹆?，地形?fù)雜，污染物的不易擴(kuò)散和輸送，同時(shí)地區(qū)風(fēng)場(chǎng)較弱，一年四季中該地區(qū)的黑碳?xì)馊苣z垂直負(fù)荷值都較大。我國(guó)東部、南部是柱含量集中區(qū)，人類活動(dòng)對(duì)黑碳?xì)馊苣z柱濃度的分布會(huì)產(chǎn)生較大的影響，是使垂直負(fù)荷值增加的主要因素。

黑碳?xì)馊苣z柱濃度的季節(jié)變化的特征明顯。通常春季柱濃度較大，最大值位于四川盆地和華中地區(qū)，黑碳?xì)馊苣z柱濃度向西北逐漸遞減。這可能是因?yàn)?，在春季穩(wěn)定的天氣形勢(shì)以及工業(yè)污染和生物質(zhì)燃燒。夏季，隨著對(duì)流增強(qiáng)，降水增加，濕沉降的清除作用明顯，黑碳?xì)馊苣z柱濃度顯著減小。

秋季是收獲的季節(jié)，農(nóng)作物的生物質(zhì)燃燒導(dǎo)致的氣溶膠在四季中最高，這使得黑碳?xì)馊苣z的柱濃度維持較高的水平，農(nóng)作物作業(yè)區(qū)的四川盆地和華中華南地區(qū)是高值區(qū)。而冬季，黑碳?xì)馊苣z處于較高濃度是由于居民取暖的排放增加以及穩(wěn)定的大氣條件等，然而冬季北方的冬季取暖供熱主要采用未經(jīng)排放處理的原煤、蜂窩煤，但北方的柱濃度并不高，這可能是由于中國(guó)北方地區(qū)冬季的雨雪天氣清除了黑碳?xì)馊苣z，再加上冬季盛行偏北風(fēng)。

夏季的大值區(qū)在四個(gè)季節(jié)中明顯偏北，推進(jìn)到了我國(guó)與蒙古邊境、東北中部地區(qū)，這是由于我國(guó)是季風(fēng)氣候，夏季盛行來(lái)自太平洋的東南季風(fēng)和來(lái)自印度洋的西南季風(fēng)，持續(xù)地將黑碳?xì)馊苣z向北輸送，對(duì)應(yīng)的北部濃度升高，而南部濃度降低。而冬季在強(qiáng)勁的冬季風(fēng)影響下，又退到華北和黃河中上游以南地區(qū)。

3 黑碳?xì)馊苣z的氣候效應(yīng)

運(yùn)用區(qū)域氣候模式RegCM3進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)一系列的敏感性實(shí)驗(yàn)來(lái)考察黑碳、有機(jī)碳?xì)馊苣z的直接輻射效應(yīng)引起的中國(guó)區(qū)域氣候變化。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，黑碳?xì)馊苣z在全國(guó)大部分地區(qū)大氣頂?shù)漠a(chǎn)生正的輻射強(qiáng)迫，大值區(qū)主要位于四川盆地和華中地區(qū)。黑碳?xì)馊苣z在增加大氣中輻射通量的同時(shí)，減少了到達(dá)地表的太陽(yáng)短波輻射，地表處的輻射強(qiáng)迫為負(fù)。地表處的量級(jí)比大氣頂稍大，與氣溶膠濃度分布呈現(xiàn)很好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，極大值區(qū)位于四川盆地，河南東部以及湖南北部的小部分區(qū)域。

黑碳?xì)馊苣z一方面產(chǎn)生直接的輻射強(qiáng)迫，即直接散射和吸收太陽(yáng)輻射，另一方面又可作為云凝結(jié)核，進(jìn)而改變?cè)频奈⑽锢硖匦院秃暧^云量，引入黑碳?xì)馊苣z氣溶膠后，春、夏季平均降水量基本上呈沿緯線帶狀分布特征，即降水增加地區(qū)的南北兩側(cè)降水則有所減少，且降水增加的地區(qū)與降水減少的地區(qū)差不多。秋、冬季平均降水量沒(méi)有沿緯線帶狀分布特征，但降水增加的地區(qū)與降水減少的地區(qū)也差不多。為細(xì)致地了解黑碳?xì)馊苣z對(duì)中國(guó)區(qū)域降水的影響，將中國(guó)境內(nèi)排放源較集中的地區(qū)劃分為3個(gè)子區(qū)域，目的是為了進(jìn)一步的定量分析。3個(gè)子區(qū)域分別為：北方（33.4°N-42.4°N，109.3°E-124.3°E）（簡(jiǎn)稱NC）、南方（21.5°N-33.4°N，109.3°E-124.3°E）（簡(jiǎn)稱SC）、四川盆地（27.7°N-32.6°N，105.5°E-109.3°E）（簡(jiǎn)稱SCB）。

圖1給出了黑碳?xì)馊苣z對(duì)三個(gè)子區(qū)域的降水影響的月變化圖，從該圖中可以看出，一年四季中黑碳?xì)馊苣z都使得北方雨量增加，四川盆地的雨量也是明顯增加，而對(duì)南方的影響則是，在1月到4月雨量增加，而5月到12月都是減少的。

黑碳?xì)馊苣z對(duì)地面溫度的影響受到大氣環(huán)流等方面的制約。所以，地面溫度的變化與黑碳?xì)馊苣z柱含量地理分布不吻合，與黑碳?xì)馊苣z年平均輻射強(qiáng)迫也不一致，這可能是由于黑碳?xì)馊苣z對(duì)長(zhǎng)波輻射的影響很小。就總體年平均來(lái)看，黑碳?xì)馊苣z使得東部地區(qū)和青藏高原地面氣溫升高，而北部、西北地區(qū)、東北地區(qū)、四川盆地等地面氣溫下降，尤其以四川東南部和貴州交界下降的最明顯。

黑碳?xì)馊苣z引起的三個(gè)子區(qū)域的地面氣溫季節(jié)變化（春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12—2月）。對(duì)3個(gè)子區(qū)域地面氣溫的影響特征為：南方，冬季使得氣溫升高，但升溫幅度逐漸減小，到夏季則變?yōu)榻禍兀?月達(dá)到極值-0.2℃，而后降溫作用逐漸減小。到8月中旬又變?yōu)橹饾u的升溫作用，直至冬季。圖2中呈明顯的v字形曲線。北方和四川盆地則為升溫作用，但四川盆地的升溫作用更明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

使用區(qū)域氣候模式RegCM3，通過(guò)一系列敏感性實(shí)驗(yàn)，來(lái)考察有、無(wú)黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z情況的氣候效應(yīng)。結(jié)果表明人類活動(dòng)對(duì)黑碳?xì)馊苣z柱濃度的分布會(huì)產(chǎn)生較大的影響，是使垂直負(fù)荷值增加的主要因素。黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z柱濃度度大值區(qū)出現(xiàn)在海拔較低、人口相對(duì)密集、工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。引入黑碳?xì)馊苣z后，在地表產(chǎn)生負(fù)的輻射強(qiáng)迫，在大氣頂處產(chǎn)生正的輻射強(qiáng)迫。地表輻射強(qiáng)迫大值區(qū)位于四川盆地、湖南北部和河南東南部地區(qū)，整個(gè)東部平原地區(qū)都是高值區(qū)。雖然氣溶膠的輻射強(qiáng)迫主要依賴于其本身的光學(xué)性質(zhì)和在大氣中的濃度，太陽(yáng)高度角和地表反照率對(duì)黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫會(huì)產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而改變地面潛熱和感熱通量以及地面凈長(zhǎng)波發(fā)射通量。黑碳?xì)馊苣z在大氣中的分布、輸送、沉降的規(guī)律非常復(fù)雜，而且包含有許多非線性的作用，因此，黑碳?xì)馊苣z輻射效應(yīng)的模擬研究領(lǐng)域仍有很大發(fā)展空間。

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