淺析氣溶膠的氣候效應(yīng)

于勇 吳自越

摘?要：氣溶膠一方面可以改變云的光學(xué)性質(zhì)和生存時間進(jìn)而影響天氣變化，另一方面通過散射和吸收輻射直接影響氣候，此外因?yàn)榇髿庵械臍馊苣z由許多化學(xué)物質(zhì)組成，各種成分的氣溶膠粒子相互碰并、融合甚至發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而改變了混合氣溶膠的光學(xué)特性，不同的氣溶膠的混合狀態(tài)對氣候變化有著重要的影響。

關(guān)鍵詞：氣溶膠;氣候效應(yīng);混合狀態(tài)

1 緒論

大氣氣溶膠是指懸浮于大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)，雖然氣溶膠是地球大氣中的一種微量成分，但其對地氣系統(tǒng)輻射平衡和水循環(huán)均有重要的影響，是影響氣候變化最重要的大氣成分之一。在人類活動和自然因素的雙重影響下，全球增溫、海平面上升、極端氣候事件頻發(fā)，影響了人類的生產(chǎn)生活，全球氣候變化受到世界的廣泛關(guān)注。對氣溶膠氣候效應(yīng)的研究，因缺乏對氣溶膠與云的相互作用，以及與大氣環(huán)流作用、能量循環(huán)等的深入了解，是目前氣候研究中的不確定因子之一，逐漸受到科學(xué)家們的重視。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展，人口的集中，城市化進(jìn)程日益加快，城市化影響區(qū)域氣候變化，包括工業(yè)排污，機(jī)動車尾氣排放在內(nèi)的一系列人類活動導(dǎo)致的極端天氣氣候事件逐漸增加，城市光化學(xué)煙霧事件以及酸雨的形成，臭氧層的破壞，在人口密集的大城市，藍(lán)天越來越少，空氣污染加劇，生態(tài)環(huán)境的惡化，這與人們的健康息息相關(guān)，因而大氣氣溶膠引起了廣泛關(guān)注。

近來地基、空基、天基等多種觀測手段綜合應(yīng)用為氣溶膠研究提供了有利條件，研究表明氣溶膠在地球與大氣輻射收支平衡和全球氣候變化中扮演著重要角色。首先，氣溶膠通過散射、吸收直接影響太陽輻射，影響到達(dá)地表的太陽短波輻射量和地氣系統(tǒng)的長波輻射量，進(jìn)而改變了地氣系統(tǒng)的輻射收支，直接影響區(qū)域氣候，另一方面氣溶膠可作為云凝結(jié)核或冰核影響云的含水量，云的光學(xué)性質(zhì)和生存時間，間接影響氣候。

沙塵、黑碳、有機(jī)碳和硫酸鹽氣溶膠對地面能量收以及區(qū)域氣候變化有著密切的影響，其中沙塵氣溶膠的氣候效應(yīng)表現(xiàn)為，直接散射和吸收太陽輻射，表現(xiàn)為沙塵氣溶膠的“陽傘效應(yīng)”，作為云凝結(jié)核影響云的光學(xué)特性和生命從間接影響氣候，表現(xiàn)為沙塵氣溶膠的“冰核效應(yīng)”，另外沙塵氣溶膠的“鐵肥料效應(yīng)”表現(xiàn)為：沙塵氣溶膠通過長距離的輸送，為海水中浮游生物提供必需的二價鐵營養(yǎng)元素，而浮游生物生產(chǎn)量與影響大氣中的二氧化碳濃度。這樣沙塵氣溶膠成為將陸地、海洋和大氣有機(jī)地結(jié)合起來的紐帶，成為影響全球能量循環(huán)及氣候變化中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。黑碳?xì)馊苣z是大氣中的強(qiáng)吸收成分，另一方面通過干濕沉降到地表的黑碳?xì)馊苣z直接改變了地表反照率，這都導(dǎo)致了太陽輻射能量的重新分配。硫酸鹽氣溶膠的濃度主要與煤和石油燃燒產(chǎn)生的二氧化硫排放有關(guān)，加上大氣中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，成分越加復(fù)雜，硫酸鹽氣溶膠也成為對區(qū)域氣候變化的影響是一個重要問題，在全球尺度上許多科學(xué)家對研究了硫酸鹽氣溶膠對氣候變化的影響。豐富、準(zhǔn)確的觀測資料是研究的基礎(chǔ)，黑碳?xì)馊苣z與硫酸鹽氣溶膠的排放源具有較強(qiáng)的一致性，在全球氣候模式的數(shù)值模擬研究中通常是同時考慮這兩種氣溶膠。中國區(qū)域黑碳?xì)馊苣z引起除了青藏高原和廣西以外的中國大部分地區(qū)降溫，縮小了的海陸溫差，進(jìn)一步地能夠?qū)撅L(fēng)產(chǎn)生影響，減弱東亞夏季風(fēng)。硫酸鹽氣溶膠和黑碳?xì)馊苣z相比較而言，黑碳?xì)馊苣z對季風(fēng)減弱程度沒有硫酸鹽的影響大，總的來說，硫酸鹽氣溶膠減弱了中國東南部地區(qū)的大氣對流活動，而黑碳?xì)馊苣z是加強(qiáng)了。大氣中氣溶膠，影響大氣消光系數(shù)，改變太陽輻射能量的平衡，進(jìn)一步影響氣象要素的分布特征，最終反過來各個氣象要素的改變又影響了大氣溶膠的污染演變過程。

不同種類的氣溶膠在長距離傳輸過程中不斷地進(jìn)行內(nèi)部、外部混合，生成新的混合氣溶膠，這一過程將不斷改變原有氣溶膠的化學(xué)和光學(xué)特性。針對東亞和西太平洋的大型氣溶膠特性觀測實(shí)驗(yàn)極大的增強(qiáng)了人們對氣溶膠是如何影響地球大氣的化學(xué)和輻射特性的認(rèn)識，比如亞洲沙塵在橫跨半個地球的過程中，沙塵不再是單一的沙塵，而是沙塵和黑碳、有毒重金屬和酸性氣體等污染物的混合體，各種氣溶膠粒子由于各種因素使之必然發(fā)生混合，實(shí)際的大氣氣溶膠混合狀態(tài)處在外部混合和內(nèi)部混合之間。

豐富、準(zhǔn)確的觀測資料是研究的基礎(chǔ)，黑碳?xì)馊苣z與硫酸鹽氣溶膠的排放源具有較強(qiáng)的一致性，在全球氣候模式的數(shù)值模擬研究中通常是同時考慮這兩種氣溶膠。從理論上來說，氣溶膠粒子混合狀態(tài)目前通常是分兩種理想的情況，即外部混合和內(nèi)部混合。所謂外部混合是指每個氣溶膠粒子只含有一種成分，這些不同成分的氣溶膠粒子既各自獨(dú)立有統(tǒng)一地存在于整個大氣中，形成成分單一的氣溶膠混合系統(tǒng)。而內(nèi)部混合是指系統(tǒng)中的單個粒子是不是單一的成分，而是多種成分的混合體，比如可溶性外殼包裹著不溶性內(nèi)核，沙塵粒子被硫酸鹽完全包住，這就需要重新考慮這個新粒子的光學(xué)特性了。

氣溶膠的輻射效應(yīng)、氣候效應(yīng)的還具有很大不確定性的情況下，有必要利用數(shù)值模式的手段來研究中國地區(qū)氣溶膠的時空演變和平均分布特征及其對氣候的反饋，數(shù)值模擬方法是研究氣溶膠的時空分布和演變規(guī)律的基本方法，詳細(xì)描述氣溶膠粒子的源、匯、輸送、微物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化等過程。區(qū)域氣候模式現(xiàn)在已經(jīng)成為氣候研究和業(yè)務(wù)預(yù)報的重要工具，然而對氣溶膠及其氣候效應(yīng)的模擬仍是十分復(fù)雜的問題，存在許多不確定性，主要在于數(shù)值模式對氣溶膠和云相互作用量化難度大，不同氣候模式采用不同次網(wǎng)格過程導(dǎo)致的云對全球氣候變化響應(yīng)模擬結(jié)果的差異很大，氣溶膠造成的云調(diào)節(jié)影響氣候，反過來氣候變化也影響氣溶膠的清除過程，所以模式對氣溫和降水影響的模擬上差別非常大。排放源可能也是誤差來源之一，還包括太陽變化、平流層臭氧、對流層臭氧、煙塵氣溶膠、地表覆被改變以及火山爆發(fā)的影響等等。觀測手段的發(fā)展將會加深了人類對氣溶膠和云相互作用過程的理解。

2 氣溶膠的混合狀態(tài)

不同的混合狀態(tài)產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫也有所不同，因而對混合氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫有待于進(jìn)一步的研究。目前大多數(shù)的氣候模式只考慮氣溶膠的外部混合，少有對氣溶膠內(nèi)部混合的模擬。這是因?yàn)橥獠炕旌系臍馊苣z的光學(xué)性質(zhì)比較容易處理，模式計(jì)算容易實(shí)現(xiàn)。外部混合是指不同成分的氣溶膠粒子各自獨(dú)立，粒子之間無多次散射，單個氣溶膠粒子的光學(xué)特性通過簡單的加權(quán)相加即等于整個氣溶膠系統(tǒng)的光學(xué)特性。對于外部混合氣溶膠系統(tǒng)，根據(jù)每種成分（也就是每個氣溶膠粒子）的譜分布和復(fù)折射率計(jì)算各自的輻射參數(shù)（如消光系數(shù)、相函數(shù)、光學(xué)厚度等），然后根據(jù)混合比對單個粒子的輻射參數(shù)進(jìn)行線性疊加，從而得到整個系統(tǒng)的輻射參數(shù)。這種是一種描述氣溶膠混合的最直接的方法，很好地實(shí)現(xiàn)在模式中對各種不同類型氣溶膠混合后的光學(xué)特性描述，同時也方便考慮相對濕度的影響。

而內(nèi)部混合則要復(fù)雜許多，這是整個氣溶膠系統(tǒng)中的單個粒子不再是單一的成分，而是由多種氣溶膠成分組成的混合體，此時獨(dú)立散射不再適用，而是由復(fù)雜的電磁波散射理論來建模。

3 混合氣溶膠的氣候效應(yīng)

氣溶膠的氣候效應(yīng)取決于多重因素，包括氣溶膠的分布、氣溶膠的物理化學(xué)性質(zhì)，以及下墊面的反照率等等，再比如氣溶膠對云的影響的微物理過程就十分復(fù)雜，分檔模式根據(jù)各類粒子的尺度、質(zhì)量分檔模擬計(jì)算出各檔粒子的生長演變過程，云數(shù)值模式來反演云發(fā)展過程中各要素的時空分布和演變規(guī)律。外部混合與內(nèi)部混合兩種不同的混合方式產(chǎn)生的直接輻射強(qiáng)迫的空間分布有較大的差異。基本上氣溶膠濃度越大的地方，差異也越大。在大氣頂處，外部混合的輻射強(qiáng)迫作用強(qiáng)于內(nèi)部混合，這在塔里木沙漠地區(qū)表現(xiàn)最明顯。在地表處，外部混合的輻射強(qiáng)迫要弱于內(nèi)部混合，這在四川盆地差值最大，而青藏高原地區(qū)的氣溶膠濃度最小，所以差異也最小。

不管采用哪種混合方式，氣溶膠都是使得氣溶膠引起地面氣溫下降，降水量減少。氣溶膠對降水起抑制作用，但對于不同混合方式，抑制效果有季節(jié)變化。從數(shù)值的大小上來看，春季和夏季的影響大，秋冬兩季節(jié)的影響小，而夏季的影響又要大于春季。春季和夏季外部混合的抑制作用要小于內(nèi)部混合，不同的混合方式對降水的影響在秋冬兩季差別不明顯。

4 結(jié)語

氣候變化是我們這個時代的特點(diǎn)問題，而我們正處于一個決定性的歷史時刻。在全球范圍內(nèi)氣候變化造成了規(guī)?？涨暗挠绊?，海平面上升造成發(fā)生災(zāi)難性洪災(zāi)的風(fēng)險也在增加，氣候變化導(dǎo)致糧食生產(chǎn)面臨威脅。令人擔(dān)憂的是，生態(tài)系統(tǒng)和地球氣候系統(tǒng)可能已經(jīng)達(dá)到甚至突破了重要的臨界點(diǎn)，可能導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的變化，如果現(xiàn)在不采取有效的應(yīng)對，未來適應(yīng)這些氣候變化的影響會變得更加困難，成本也會更加高昂。

氣溶膠的直接和間接輻射效應(yīng)影響了地球和大氣系統(tǒng)輻射平衡，氣溶膠、云及其氣候效應(yīng)的研究長期因其復(fù)雜性使得氣溶膠對云宏觀特性（云面積、云厚和液態(tài)水路徑等）、微觀特性（液滴和冰晶數(shù)濃度及大小分布）及降水作用的研究還不夠，因此氣溶膠和云相互作用以及氣候系統(tǒng)的反饋影響依然具有高度不確定性。對于不同氣候模式及模式的不同版本所給出的氣候效應(yīng)差異較大，反映了氣溶膠模擬中的不確定性，一方面需要加強(qiáng)觀測系統(tǒng)建設(shè)，改進(jìn)和完善模式中氣溶膠物理過程參數(shù)化，服務(wù)于我國天氣預(yù)報和氣候變化預(yù)測，同時另一方面是觀測結(jié)果又能對模式的模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，深入理解氣溶膠和云相互作用及其對天氣、氣候的影響機(jī)理，通過大量進(jìn)一步的理論分析和數(shù)值試驗(yàn)，將有助于研究中國地區(qū)大氣氣溶膠對環(huán)境和氣候的影響，多部門、多學(xué)科協(xié)同研究，為防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境外交等提供理論支持，為應(yīng)對全球氣候變化提出合理的對策提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]高麗潔，王體健，徐永福，等.中國硫酸鹽氣溶膠及其輻射強(qiáng)迫的模擬[J].高原氣象，2004.

[2]段婧，毛節(jié)泰.華北地區(qū)氣溶膠對區(qū)域降水的影響[J].科學(xué)通報，2008.

[3]羅燕，吳澗，王衛(wèi)國.利用MODIS-GOCART氣溶膠資料研究中國東部地區(qū)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫[J].熱帶氣象學(xué)報，2006.