淺析硫酸鹽氣溶膠對氣候變化的影響與反饋

摘要：大氣污染，現(xiàn)今已經(jīng)成為近些年來環(huán)境保護(hù)的重點問題。本文從實際出發(fā)，針對大氣污染的成因進(jìn)行分析，并就大氣污染中硫酸鹽的含量進(jìn)行中國區(qū)域硫酸鹽氣溶膠的輸送、擴(kuò)散、沉降等時空分布及其氣候效應(yīng)的分析，以期能夠更好地把握大氣污染的程度，為后期針對性治理打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：硫酸鹽;氣候效應(yīng);大氣污染

全世界礦物燃料使用量的增加引起大氣中SO濃度上升，使得在大氣中的硫酸鹽氣溶膠濃度升高，對氣候變化的影響也引起了越來越廣泛的研究。不少學(xué)者對我國和東亞地區(qū)的SO和硫酸鹽氣溶膠濃度分布也做了研究。高麗潔等利用數(shù)值氣候模式考察氣溶膠的排放輸送、轉(zhuǎn)化及其沉降模式，參考2000年的污染排放源資料模擬了中國地區(qū)硫酸鹽氣溶膠的時空分布。王自發(fā)等和王喜紅等利用數(shù)值模式模擬了東亞地區(qū)硫酸鹽柱含量分布。作為一種主要由人為產(chǎn)生的氣溶膠，硫酸鹽具有較強(qiáng)的氣候效應(yīng)，主要是散射太陽輻射，削弱入射的短波，產(chǎn)生輻射強(qiáng)迫，擾動地氣系統(tǒng)輻射平衡，進(jìn)而影響地表能量平衡及水分平衡，影響溫度、降水和大氣環(huán)流變化等。

若考慮地球和對流層合并成一個整體的系統(tǒng)，全球?qū)α鲗禹斴椛鋬羰杖氘a(chǎn)生的變化將極大地影響地—氣輻射平衡。為評估人類活動對氣候變化的影響，世界氣象組織（WMO）和聯(lián)合國環(huán)境開發(fā)署（UNEP）1988年組建了各國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）。評估報告指出，預(yù)測未來的氣候變化，首先需要科學(xué)地評估引起氣候變化的輻射強(qiáng)迫。

使用區(qū)域氣候模式（RegCM3），在NCAR/NCEP再分析資料驅(qū)動下，通過多年時間尺度的連續(xù)積分，在模式中考慮了硫循環(huán)過程，為了研究硫酸鹽氣溶膠的直接氣候效應(yīng)對全球水循環(huán)的影響，模擬實驗包括：控制試驗和敏感性試驗、控制試驗，其中不包括氣溶膠、敏感性試驗，引入硫酸鹽氣溶膠。并將二者結(jié)果相減，做差值分析，對結(jié)果進(jìn)行分析。

1所用模式、資料

本文所用模式為意大利國際理論物理中心（The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics）發(fā)展的RegCM3，模式模擬了氣溶膠的地面排放及其在物理化學(xué)過程中的生消及其耗損等，物理過程包括了大氣的平流輸送、湍流擴(kuò)散，積云對流輸送和干濕沉降等。對應(yīng)于不同種類的氣溶膠的輻射特性時，模式的光學(xué)參數(shù)含有不同氣溶膠特定波長的質(zhì)量消光效率因子、單次散射反照率和非對稱因子，且對于不同類型吸濕性氣溶膠采用不同的策略來模擬其吸式增長。

氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫是指直接影響輻射凈收入，間接輻射強(qiáng)迫是指氣溶膠對云的光學(xué)特性或云的生命期的影響，間接地影響氣候系統(tǒng)。本試驗中只考慮氣溶膠的直接效應(yīng)。試驗中的模式水平分辨率為60千米，模式的中心點選取在（104.0°E，34.0°N），數(shù)值的格點數(shù)是128（東西向）和80（南北）。豎直方向共計有18層，最頂層的高度為5hPa。由NCAR/NECP再分析數(shù)據(jù)驅(qū)動模式初始場和每6小時輸入一次的側(cè)邊界場，海溫資料來自美國海洋大氣局（NOAA）的OISST資料。模式中氣溶膠資料采用全球尺度1°×1°的排放清單。

2試驗設(shè)計

實驗1：控制試驗，該試驗中不包括氣溶膠。

試驗2：敏感性試驗，引入硫酸鹽溶膠。試驗2與試驗1兩者結(jié)果之差被視為硫酸鹽溶膠的氣候效應(yīng)。

3硫酸鹽氣溶膠的分布

二氧化硫氣溶膠的發(fā)射率數(shù)據(jù)包括礦物質(zhì)燃燒、生物質(zhì)燃燒以及人為活動排放，采用全球尺度1°×1°的排放清單（所用資料來源于國際理論物理研究中心網(wǎng)站http：//users.ictp.it/～pubregcm/RegCM3/）。為了便于分析，模擬區(qū)域中分出3個子區(qū)域，分別為西區(qū)（35.5°—44°N，75°—95°E），中區(qū)（33°—44。N，95°—112°E）和東區(qū)（30°—46°N，112°—130°E）。

硫酸鹽氣溶膠柱濃度大的值出現(xiàn)在海拔較低、人口相對密集、工業(yè)相對發(fā)達(dá)的地區(qū)，最大值出現(xiàn)在四川盆地，中心含量在25mg·m以上，河北南部、山東、江蘇、河南東南部、安徽、湖北東部等地區(qū)為此大值區(qū)，達(dá)到近24mg·m。

關(guān)于各個季節(jié)的硫酸鹽氣溶膠的年平均柱濃度分布，春季極大值出現(xiàn)在四川盆地以及湖南南部和江蘇南部地區(qū)，其數(shù)值達(dá)到24mg·m，整個長江流域和華北地區(qū)包括山東半島都是高值區(qū)，柱濃度在18mg·m以上。夏季明顯的特征是硫酸鹽氣溶膠柱濃度高值中心北移到京津地區(qū)，極大值高達(dá)近40mg·m。這是由于我國是季風(fēng)國家，夏季來自太平洋的東南季風(fēng)和來自印度洋的西南季風(fēng)把硫酸鹽氣溶膠向北輸送到較遠(yuǎn)地區(qū)，從而使南部濃度更低，北部濃度相對升高。而冬季在強(qiáng)勁的冬季風(fēng)影響下又退到長江中下游地區(qū)。秋季，硫酸鹽氣溶膠的柱濃度維持較高的水平，四川盆地、湖北、河南、安徽和部分江蘇地區(qū)等是高值區(qū)，數(shù)值達(dá)30mg·m左右。冬季硫酸鹽氣溶膠柱濃度極大值位于四川盆地，極大值達(dá)到27mg.m，湖南為次高值中心，近24mg·m。

冬季北方的冬季取暖供熱S02排放較高，但北方的硫酸鹽柱濃度很低，這與中國北方地區(qū)冬季多雨雪天氣，有較強(qiáng)的清除作用有關(guān)，且冬季受大陸性高壓控制，多偏北風(fēng)，于是北方地區(qū)冬季供暖等產(chǎn)生的大量硫酸鹽氣溶膠由高空偏北氣流源源不斷地輸送到南方。

關(guān)于中國地區(qū)氣溶膠的觀測方面，有一系列的觀測數(shù)據(jù)及其分析成果。其中衛(wèi)星遙感資料在空間和時間的連續(xù)性上具有無可比擬的優(yōu)勢。通過對比模擬的光學(xué)厚度與觀測數(shù)據(jù)，其空間分布比較一致，較好地模擬出了觀測中的高值中心和低值區(qū)等。

4硫酸鹽氣溶膠的對地面氣溫和降水的影響

硫酸鹽氣溶膠的地表的輻射強(qiáng)迫，負(fù)的大值區(qū)出現(xiàn)在華北和山東南部，達(dá)到-3.5W.m，四川盆地也比較高，達(dá)到近-2W·m，而正的大值區(qū)則出現(xiàn)在湖北和江西北部，達(dá)到1W·m。四川雖然是硫酸鹽氣溶膠高負(fù)荷區(qū)，但是其輻射強(qiáng)迫卻比較小，這可能是由于考慮了氣溶膠的直接效應(yīng)，使得總云量減少，反而使輻射強(qiáng)迫變小。中國區(qū)域硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應(yīng)引起中國內(nèi)陸普遍降溫。圖1給出了硫酸鹽氣溶膠引起的三個子區(qū)域地面氣溫變化，均為降溫，其中四川盆地在8—9月間，降溫最為明顯，極值達(dá)-2℃。南方地域也8—9月間，降溫最為明顯，極值達(dá)-0.6℃，北方地區(qū)則有4月、7月和9月三個降幅較大的時間點。降幅順序為：7月的降幅大于9月的降幅，9月的降幅大于4月的降幅。

圖2給出了硫酸鹽氣溶膠引起的三個子區(qū)域的降水季節(jié)變化，對于四川盆地，總的來說，上半年是降水減少，下半年是降水增加。在6月中旬和11月中旬為增加和減少的平衡的零點。具體來講，從1月份開始降水減少，2月后雖然還是降水減少，但降幅逐漸減小，到5月份，開始大幅導(dǎo)致降水減少，6月達(dá)到極值-0.63mm·day，而到了6月中旬后，硫酸鹽氣溶膠引起的南方地區(qū)的降水逐步增加，在8月達(dá)到最大的增幅，其量值為+0.8mm.day，而后降水增加幅度不斷見小，在11月還有個小的峰值。對于南方地區(qū)，在1月到6月間為降水減少，6月至9月為降水增加，而后9月到12月降水減少。其中4月初和10月初為降水減少最多的時間點，而7月則達(dá)到降水增加最多的時候，達(dá)到+0.3mm·day左右。對于北方地區(qū)，其降水變化的波動較四川盆地和南方地區(qū)更頻繁，具體來說，在1月到3月中旬、5月至6月中旬以及7月中旬至12月為降水減少的時段，而3月中旬到5月以及6月中旬到7月中旬為降水增加的時段，6月初和8月初達(dá)到降水減少的極值點，4月初和7月初達(dá)到降水增加的極值點。

大氣中的氣溶膠由許多復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)組成，這些物質(zhì)的化學(xué)特性決定了更加復(fù)雜的混合氣溶膠的復(fù)折射指數(shù)，即使不同的氣溶膠具有相同化學(xué)成分，他們也會有不同的復(fù)折射指數(shù)，其不同的輻射特性對氣候變化的影響也不盡相同。黑碳?xì)馊苣z與硫酸鹽氣溶膠的一致地同步排放，此后由于大氣湍流、布朗運(yùn)動、風(fēng)切變等導(dǎo)致各個氣溶膠粒子之間相互碰并、融合甚至發(fā)生反應(yīng)?；旌蠚馊苣z的混合狀態(tài)對其光學(xué)特性有重要影響，使得其對氣候的綜合影響更加復(fù)雜化。不同的數(shù)值模式、不同的氣象資料、不同的氣溶膠的類型以及混合方式的差異等，導(dǎo)致模式的模擬結(jié)果差別較大，若黑碳和硫酸鹽氣溶膠以外部混合的方式則其綜合導(dǎo)致的部分正、負(fù)輻射強(qiáng)迫相抵消，反之如果以內(nèi)部混合的方式其物理和化學(xué)的特性導(dǎo)致輻射過程及其復(fù)雜化，黑碳?xì)馊苣z與硫酸鹽氣溶膠的一致地同步排放，所以通常在氣候模式中需要同時引入黑碳?xì)馊苣z與硫酸鹽氣溶膠。黑碳與硫酸鹽氣溶膠的不同的濃度比或不同的混合方式，對應(yīng)的引起的輻射強(qiáng)迫作用也不相同。中國區(qū)域硫酸鹽氣溶膠引起中國內(nèi)陸約25°N以北普遍降溫，而海表溫度升高，由此導(dǎo)致海陸溫差縮小，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱，中國地區(qū)季風(fēng)降水明顯減少，積極地減少了積云降水。從而使得硫酸鹽氣溶膠對中國地區(qū)的大氣對流起抑制作用，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，降低海陸溫差，縮小氣壓差，減弱東亞夏季風(fēng)。相較于硫酸鹽氣溶膠的作用，黑碳?xì)馊苣z相反地加強(qiáng)了中國東南部地區(qū)的對流活動。

5結(jié)論

本文利用RegCM3較好地模擬出硫酸鹽氣溶膠的分布和季節(jié)變化。在硫循環(huán)過程與輻射和動力過程之間雙向耦合的情況下，利用RegCM3模式探討了硫酸鹽氣溶膠直接氣候效應(yīng)，分析了我國氣溶膠的時空變化特征，得到以下一些結(jié)論：（1）硫酸鹽氣溶膠的空間分布存在兩大高值區(qū)，最大值出現(xiàn)在四川盆地，河北南部、山東、江蘇、河南東南部、安徽、湖北東部等地區(qū)為此大值區(qū)。（2）硫酸鹽氣溶膠空間分布季節(jié)性非常顯著。春季極大值出現(xiàn)在四川盆地以及湖南南部和江蘇南部地區(qū)。夏季明顯的特征是硫酸鹽氣溶膠柱濃度高值中心北移到京津地區(qū)，秋季，硫酸鹽氣溶膠的柱濃度維持較高的水平，四川盆地、湖北、河南、安徽和部分江蘇地區(qū)等是高值區(qū)，冬季硫酸鹽氣溶膠柱濃度極大值位于四川盆地，湖南為次高值中心。（3）硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應(yīng)引起中國內(nèi)陸普遍降溫。降幅最大的區(qū)域為四川盆地，遼寧、吉林以及整個中國東部除了沿海部分地區(qū)外，降溫幅度比較大，達(dá)到-0.4℃左右。

作者簡介：于勇（1979— ），男，漢族，江蘇海安人，博士，中級，研究方向：氣溶膠的氣候效應(yīng)。