近十年北京氣溶膠光學(xué)特性及直接輻射強(qiáng)迫研究

唐利琴 胡波 劉慧 趙舒曼 劉俊卿

1 西藏自治區(qū)人工影響天氣中心，拉薩 850000

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3 陜西省氣象臺(tái)，西安 710000

1 引言

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中液體和固態(tài)顆粒物組成的多相體系的總稱（盛裴軒等,2003）。氣溶膠可以通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)短波輻射和地球長(zhǎng)波輻射對(duì)氣候產(chǎn)生直接影響；還可以作為凝結(jié)核影響云的輻射特性以及作為反應(yīng)表面影響大量化學(xué)反應(yīng)速度對(duì)氣候產(chǎn)生間接影響（石廣玉等,2008; 張磊等,2011; 宿興濤和王漢杰,2012）。因此氣溶膠在云物理和降水形成過(guò)程中起著非常重要的作用，同時(shí)對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射平衡和全球氣候變化也有重要影響（Sarkar et al.,2006）。

氣溶膠的來(lái)源隨時(shí)空動(dòng)態(tài)變化且理化特性復(fù)雜多變，其光學(xué)特性與氣溶膠的直接氣候效應(yīng)過(guò)程相關(guān)，因此氣溶膠的輻射強(qiáng)迫對(duì)氣候的影響存在極大的不確定性。黑碳?xì)馊苣z是含碳燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒污染物，具有強(qiáng)烈的吸光作用，是大氣氣溶膠的重要組成部分。有研究表明汽車尾氣帶來(lái)的黑碳?xì)馊苣z排放是大氣，尤其是城市區(qū)域大氣中黑碳?xì)馊苣z的重要來(lái)源（董真等,2000），同時(shí)中國(guó)地區(qū)大氣邊界層黑碳?xì)馊苣z濃度最高值位于華北、華東（張華等,2008）。北京地區(qū)雖然工業(yè)燃煤在近年來(lái)逐漸減少，但是機(jī)動(dòng)車保有量卻迅速增加，因此北京黑碳?xì)馊苣z濃度一直維持在較高水平。因?yàn)楹谔籍a(chǎn)生的直接輻射強(qiáng)迫效應(yīng)很強(qiáng)且超過(guò)了甲烷（CH4），是僅次于使氣候變暖的二氧化碳（CO2）的大氣成分（Jacobson,2001; 毛節(jié)泰和李成才,2005;章秋英等,2009）。據(jù) IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第五次評(píng)估報(bào)告指出，總的氣溶膠輻射強(qiáng)迫值為?0.9 W m?2，其不確定性為?1.9～?0.1 W m?2，冰雪表面的黑碳造成的輻射強(qiáng)迫值為0.04 W m?2，其不確定性為 0.02～0.09 W m?2（IPCC,2013）。

京津冀地區(qū)是典型的大都市群，是全世界人口密度最大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展最迅猛的地區(qū)之一。北京位于中心地帶，其北部三面環(huán)山，不利于擴(kuò)散的地形和季風(fēng)性氣候使得北京承受著以顆粒物為主的大氣污染以及氣溶膠引起的輻射強(qiáng)迫也是不可忽視的。因此本文利用SBDART輻射傳輸模式對(duì)近十年北京地區(qū)的直接輻射強(qiáng)迫進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)和模式介紹

2.1 數(shù)據(jù)介紹

本文數(shù)據(jù)包括3個(gè)部分：一是來(lái)自AERONET北京站2005～2015年level 1.5的氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)數(shù)據(jù)；二是來(lái)自 OMI（Ozone Monitoring Instrument）臭氧柱總量三級(jí)產(chǎn)品OMTO3e.003，空間分辨率為0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度），時(shí)間分辨率為1 d；三是來(lái)自CERN（Chinese Ecosystem Research Network）北京站地面總輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 SBDART平行輻射傳輸模式

SBDART輻射傳輸模式主要用于計(jì)算晴空或者有云狀態(tài)下地球大氣頂和地表平行大氣的輻射傳輸，包括了影響紫外、可見(jiàn)光和紅外輻射的所有重要物理過(guò)程。SBDART模式是基于FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)的，模式內(nèi)部采用復(fù)雜的離散坐標(biāo)輻射模塊和低分辨率的大氣模式，并考慮了水滴和冰晶的米散射過(guò)程。在輻射傳輸模式運(yùn)行時(shí)4～10月選用中緯度夏季大氣標(biāo)準(zhǔn)廓線，其他月份選擇中緯度冬季大氣標(biāo)準(zhǔn)廓線。模式輸入?yún)?shù)包括時(shí)間、經(jīng)緯度、波長(zhǎng)范圍（0.3～3 μm）、氣溶膠光學(xué)特性[包括氣溶膠光學(xué)厚度（aerosol optical depth,AOD）、單次散射反照率（single scattering albedo,SSA）、不對(duì)稱因子（g）、地表反照率（surface albedo,ALB）]、水汽數(shù)據(jù)和臭氧柱濃度。

AERONET北京站位于中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，是典型的城市氣溶膠觀測(cè)站點(diǎn)。利用SBADRT模式計(jì)算的大氣層頂、地面向下和向上總輻射與AERONET反演結(jié)果相比較（見(jiàn)表1），其中擬合斜率在0.97～1.08之間變化，相關(guān)系數(shù)R2均高于0.98，且最大平均偏差的絕對(duì)值僅為4.54%，說(shuō)明SBDART的模擬結(jié)果很好。同時(shí)將SBDART模式模擬的地表向下輻射通量與CERN北京站的地表輻射通量觀測(cè)值對(duì)比（如圖1），擬合斜率為0.95，相關(guān)系數(shù)R2為 0.92，平均偏差（mean bias error,MBE）、平均絕對(duì)偏差（absolute mean bias error,MABE）以及均方根誤差（root-mean-square error,RMSE）的值分別為9.08%、10.43%、15.38%，說(shuō)明SBDART輸入?yún)?shù)的選取是合理的。

表1 2005～2015年AERONET北京站輻射反演值和SBDART模擬值比較Table 1 Comparison between inversion values of AERONET Beijing station and those calculated from SBDART model from 2005 to 2015

3 氣溶膠光學(xué)特性變化規(guī)律

3.1 AOD和?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)

根據(jù) 2005～2015年北京站 AOD和?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)（α440?870）的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從圖2中可以看出，2005～2015 年北京站 440 nm、675 nm、870 nm和1020 nm波段AOD均值為分別為0.61±0.56、0.38±0.35、0.29±0.26、0.25±0.22，AOD隨波長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，說(shuō)明氣溶膠對(duì)短波段的衰減作用更強(qiáng)，近十年各波段AOD的值總體呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)，表明北京地區(qū)氣溶膠污染有所改善。第一個(gè)高值出現(xiàn)在2006年，這與2006 年春季沙塵天氣多發(fā)有關(guān)（Hu et al.,2017）。第二個(gè)高值則出現(xiàn)在2013年。由于大氣環(huán)境的持續(xù)惡化，在2013年國(guó)務(wù)院頒布“大氣十條”條例治理大氣污染，此后AOD值也隨之下降，在2015年出現(xiàn)了這11年期間的最小值。?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)絕大多數(shù)在1以上，表明北京地區(qū)顆粒物以細(xì)粒子為主，這與北京的污染主要來(lái)自人為排放是一致的。但2006年春季沙塵天氣多發(fā)使大量粗粒子輸入北京，因此?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)出現(xiàn)最小值為0.958。

圖1 2005～2015年CERN北京站地表總輻射通量觀測(cè)值與SBDART模式模擬地表向下輻射通量對(duì)比Fig.1 Comparison between observed total radiation flux at surface of CERN (Chinese Ecosystem Research Network) Beijing station and simulated downward radiation flux from SBDART model from 2005 to 2015

由圖3可知，AOD和?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)具有明顯的月變化特征。在440 nm波段，AOD從1月的0.49逐漸增長(zhǎng)到6月的0.89，此后再次逐漸降低到 12 月的 0.41，與 Wang et al.（2011）分析的北京2005～2009年AOD在440 nm波段的特征一致。?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)也從4月的0.93增長(zhǎng)到8月的1.31。北京夏季為雨季，高溫高濕的環(huán)境促進(jìn)了氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)和氣粒轉(zhuǎn)化使細(xì)粒子濃度增大，因此 AOD 值增高（He et al.,2012）和?ngstr?m 波長(zhǎng)指數(shù)增大。春季沙塵和大風(fēng)揚(yáng)沙天氣使北京粗粒子增多，所以春季?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)較小。

圖2 2005～2015 年北京站氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）和?ngstr?m 波長(zhǎng)指數(shù)（α440–870）變化特征Fig.2 Annual variation characteristics of aerosol optical depth (AOD) and ?ngstr?m exponent (α440–870) at Beijing station from 2005 to 2015

圖3 同圖2，但為月變化特征Fig.3 Same as Fig.2,but for monthly variation characteristics

3.2 單次散射反照率

通過(guò)研究近十年北京地區(qū)氣溶膠SSA隨波長(zhǎng)的變化（圖略），SSA 在 440 nm、675 nm、870 nm和1020 nm波段均值都在0.85以上，表明北京地區(qū)的氣溶膠以散射性為主。2005～2012年北京站SSA呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖4），2013～2015年SSA的值一直維持在0.90左右，這與2006～2012年北京黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)能較好的符合（張驍?shù)?2015）。SSA具有明顯的月變化特征，8月出現(xiàn)全年最高值，在11月出現(xiàn)最低值，各波段的SSA變化趨勢(shì)是一致的（圖5）。Fu et al.（2017）對(duì)北京、香河和興隆三地的SSA的研究發(fā)現(xiàn)，也是表現(xiàn)夏季高冬季低。8月為北京雨季，吸濕增長(zhǎng)和二次粒子的生成加強(qiáng)了氣溶膠的散射作用，因此 SSA 在 8 月出現(xiàn)最大值（Xia X et al.,2007; Xia X G et al.,2007）。秋冬季節(jié)，北京及周邊省份的生物質(zhì)燃燒和燃煤排放的碳質(zhì)氣溶膠提高了氣溶膠吸收作用，使得各波段的SSA值較低（周奕珂,2017）。

圖4 2005～2015 北京站單次散射反照率（SSA）年變化特征Fig.4 Annual variation characteristics of single scattering albedo (SSA) in Beijing station from 2005 to 2015

圖5 同圖4，但為月變化特征Fig.5 Same as Fig.2,but for monthly variation characteristics

3.3 體積譜分布

AERONET北京站給出了0.05～15 μm波段范圍內(nèi)22個(gè)波長(zhǎng)的氣溶膠體積濃度分布。2005～2015年北京站體積譜分布的年變化特征如圖6所示，近十年來(lái)，北京地區(qū)氣溶膠體積譜分布出現(xiàn)兩個(gè)峰值，對(duì)于細(xì)模態(tài)而言，峰值基本出現(xiàn)在0.15 μm處；對(duì)于粗模態(tài)而言，各年的譜峰值與對(duì)應(yīng)的體積濃度均略有差異，粒度譜的峰值基本集中在2.24～3.86 μm。由于受到沙塵影響，2006年氣溶膠粗模態(tài)體積濃度明顯高于其他年份。

圖7呈現(xiàn)了2005～2015年北京站體積譜分布的月際變化特征。不同于北美和西歐地區(qū)氣溶膠體積譜分布表現(xiàn)為單峰型分布（Dubovik et al.,2002），北京地區(qū)體積譜分布的季節(jié)變化特征表現(xiàn)為雙峰型分布。夏季，北京氣溶膠細(xì)模態(tài)的粒徑峰值與氣溶膠體積濃度比粗模態(tài)增長(zhǎng)快，這與江琪等（2013）提出的在高相對(duì)濕度條件下，細(xì)粒子的體積增長(zhǎng)比粗粒子快相吻合。同時(shí)，細(xì)粒子主要包含硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等，這些成分極易吸濕增長(zhǎng)，北京夏季環(huán)境高溫高濕，造成細(xì)粒子氣溶膠體積濃度在夏季達(dá)到峰值。春季多發(fā)的沙塵和大風(fēng)揚(yáng)沙天氣使粗模態(tài)的粒徑峰值對(duì)應(yīng)的體積濃度顯著高于其他季節(jié)，其值為 0.130 μm3μm-2。

4 氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫

4.1 氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫變化特征

利用SBDART模式模擬得到近十年北京地區(qū)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的情況。在大氣層頂（top of atmosphere,TOA）、地面（surface,SUF）和大氣中（atmosphere,ATM）氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫均值分別?24.91±19.80 W m?2、?65.52±43.78 W m?2、40.61±28.62 W m?2，即氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫對(duì)大氣層頂和地面表現(xiàn)為冷卻效應(yīng)，對(duì)大氣則是加熱作用；與宋姚和麻金繼（2012）對(duì)北京地區(qū)2004～2009年期間所做的大氣層頂?shù)闹苯虞椛鋸?qiáng)迫值?27～?35 W m?2基本吻合。晴空大氣狀況下氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的年變化特征如圖8所示，除了大氣層頂輻射強(qiáng)迫變化較小，地面和大氣輻射強(qiáng)迫的絕對(duì)值都表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，與AOD的年變化特征具有良好的一致性。2006年因多次沙塵過(guò)程使得直接輻射強(qiáng)迫出現(xiàn)高值，分別為?27.82±19.80 W m?2（TOA）、?87.40±49.14 W m?2（SUF）、59.57±32.87 W m?2（ATM）。地面和大氣中輻射強(qiáng)迫的最小值與AOD的最小值出現(xiàn)的年份相對(duì)應(yīng)，均在2015 年，輻射強(qiáng)迫值分別為?52.08±36.39 W m?2、26.34±19.09 W m?2。

圖6 2005～2015 北京站氣溶膠體積譜分布年變化特征Fig.6 Annual variation characteristics of aerosol volume spectral distribution at Beijing station from 2005 to 2015

圖7 同圖6，但為月變化特征Fig.7 Same as Fig.6,but for monthly variation characteristics

圖8 2005～2015 年北京地區(qū)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫年變化特征Fig.8 Annual variation characteristics of aerosol direct radiative forcing in Beijing area from 2005 to 2015

氣溶膠在大氣層頂和地面的直接輻射強(qiáng)迫與氣溶膠的粒徑分布、AOD和SSA密切相關(guān)。大氣層頂在 4月和 8月輻射強(qiáng)迫值達(dá)?30.70±17.91 W m?2和?30.34±21.92 W m?2（圖9），這種強(qiáng)烈的冷卻效應(yīng)與氣溶膠的SSA值在4月和8月偏高，氣溶膠的散射性強(qiáng)有關(guān)。氣溶膠地面直接輻射強(qiáng)迫值依然是春季明顯高于其他三個(gè)季節(jié)，而夏季的7月出現(xiàn)全年的最低值?48.59±29.03 W m?2。大氣中氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫值春、夏、秋、冬四季的值依次為 45.98±29.00 W m?2、 34.20±21.31 W m?2、39.74±29.18 W m?2和 38.17±28.18 W m?2。由于北京的雨季是在7～8月，氣溶膠的濕沉降作用顯著，大氣相對(duì)比較干凈，因此夏季輻射強(qiáng)迫值較小。春季以及秋冬季節(jié)大氣氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫明顯增加，基于以下兩個(gè)原因：一是由于春季沙塵、揚(yáng)塵的影響使氣溶膠粒子多；二是秋冬季節(jié)吸收性的碳質(zhì)氣溶膠明顯增多，它在紅外波段有較強(qiáng)的吸收作用，能夠加熱大氣同時(shí)降低大氣層頂?shù)睦鋮s作用。

圖9 同圖8，但為月變化特征Fig.9 Same as Fig.8,but for monthly variation characteristics

4.2 氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫效率研究

氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫效率是指氣溶膠在大氣層頂、地面和大氣中產(chǎn)生的直接輻射強(qiáng)迫與500 nm波段氣溶膠光學(xué)厚度的比值，即消除了氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)輻射強(qiáng)迫的影響，更容易了解氣溶膠其他光學(xué)特性對(duì)輻射強(qiáng)迫的影響。

表2描述了北京地區(qū)從2005～2015年，大氣層頂、地面以及大氣中氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫效率，其中輻射強(qiáng)迫和AOD的數(shù)據(jù)均采用日均值計(jì)算。從表中可知，大氣層頂和地面的輻射強(qiáng)迫與AOD線性相關(guān)性良好，R2高達(dá)0.83和0.91，大氣的輻射強(qiáng)迫與AOD的線性擬合結(jié)果也表現(xiàn)較好，R2=0.68。從擬合結(jié)果來(lái)看，增加單位的AOD值，大氣層頂、地面和大氣中輻射強(qiáng)迫的變化，即它們的輻射強(qiáng)迫效率分別為?38.0 W m?2、?87.8v W m?2和49.8 W m?2，地面的輻射強(qiáng)迫效率最大，說(shuō)明AOD值的變化對(duì)地表直接輻射強(qiáng)迫的影響最大。

4.3 氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫與AAOD、SSA的關(guān)系

吸收性氣溶膠主要有黑碳、沙塵和有機(jī)碳?xì)馊苣z，因此氣溶膠吸收光學(xué)厚度（aerosol absorbent optical depth,AAOD）的值與這三類氣溶膠含量相關(guān)。北京地區(qū)AAOD的值春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)分別為0.07±0.02、0.05±0.03、0.05±0.02、0.06±0.02，其值主要集中在0.05～0.20之間。相對(duì)于氣溶膠以自然源為主的拉薩地區(qū)來(lái)說(shuō)，AAOD值小于 0.06（Gong et al.,2017）；而北京地區(qū)，氣溶膠來(lái)源隨季節(jié)變化有所差異，主要來(lái)源還是人為氣溶膠為主，春季受到沙塵的影響，因此AAOD值較高；而秋冬季由于燃煤和生物質(zhì)燃燒增加黑碳?xì)馊苣z含量，也使AAOD的值較高。

表2 2005～2015年北京地區(qū)大氣層頂、地面和大氣中氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫與AOD（440 nm）的擬合關(guān)系Table 2 Fitting relationships between the direct radiative forcing efficiency of aerosols and AOD (440 nm) at the top of the atmosphere,on the ground,and in the atmosphere in Beijing area from 2005 to 2015

大氣層頂、地面和大氣中氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫與氣溶膠吸收性光學(xué)厚度AAOD（440 nm）的關(guān)系如圖10所示，其中輻射強(qiáng)迫和AAOD的數(shù)據(jù)均采用日均值計(jì)算。由圖10可知，除冬季個(gè)別AAOD值較低的天數(shù)，大氣層頂輻射強(qiáng)迫為正值，其余時(shí)間大氣層頂、地面和大氣中氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的絕對(duì)值都是隨著AAOD的增加而增加，其中大氣層頂和地面的輻射強(qiáng)迫為負(fù)值，表現(xiàn)為冷卻效應(yīng)；大氣中輻射強(qiáng)迫為正值，表現(xiàn)為加熱效應(yīng)。直接輻射強(qiáng)迫與AAOD（440 nm）在大氣層頂、地面和大氣中的線性擬合結(jié)果如表3所示。根據(jù)R2來(lái)看，地表和大氣中輻射強(qiáng)迫與AAOD的線性關(guān)系非常顯著，說(shuō)明AAOD對(duì)地—?dú)庀到y(tǒng)有顯著的影響。每增加單位尺度的AAOD，地面以及大氣的輻射強(qiáng)迫增加高達(dá) 806.80 W m?2、544.25 W m?2，其中AAOD的變化對(duì)地面輻射強(qiáng)迫的影響是最顯著的。

單次散射反照率是氣溶膠光學(xué)特性中衡量氣溶膠吸收強(qiáng)弱的一個(gè)重要參數(shù)，也是決定氣溶膠輻射效應(yīng)是加熱還是冷卻的重要因子。TOA輻射強(qiáng)迫對(duì)SSA的變化非常敏感：當(dāng)SSA值高時(shí)，大氣層頂輻射強(qiáng)迫為負(fù)；當(dāng)SSA值低時(shí)，TOA的輻射強(qiáng)迫為正值。在撒哈拉地區(qū)SSA增加10%，TOA輻射強(qiáng)迫會(huì)減小 10.6 W m?2（Papadimas et al.,2012），衣娜娜等（2017）通過(guò)模擬得到中國(guó)西北地區(qū)SSA變化0.01時(shí)，TOA的輻射強(qiáng)迫增加或者減少9.3 W m?2。利用 SSA（440 nm）和輻射強(qiáng)迫日均值的數(shù)據(jù)，得到如圖11的關(guān)系圖。秋冬季節(jié)受到生物質(zhì)燃燒和燃煤的影響，碳質(zhì)氣溶膠增加使氣溶膠的散射性降低，因此當(dāng)秋冬季節(jié)的某些時(shí)日SSA（440 nm）的值低于0.8時(shí)，大氣層頂?shù)妮椛鋸?qiáng)迫會(huì)出現(xiàn)正的輻射強(qiáng)迫；隨著SSA的增大，大氣層頂直接輻射強(qiáng)迫從加熱效應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s效應(yīng)，這與鞏崇水（2014）對(duì)北京氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫氣候效應(yīng)分析的結(jié)論一致。

4.4 晴空大氣黑碳?xì)馊苣z的直接輻射強(qiáng)迫

黑碳?xì)馊苣z（BC）占大氣氣溶膠的比例雖然較小，但是它特殊的光學(xué)性質(zhì)對(duì)可見(jiàn)光到紅外波段的太陽(yáng)輻射都有強(qiáng)烈的吸收。和沙塵氣溶膠相比，其質(zhì)量吸收系數(shù)大了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（秦大河,2005）。雖然黑碳?xì)馊苣z的含量不大，但是它對(duì)大氣的強(qiáng)烈加熱效應(yīng)，使黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫成為國(guó)際科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。本文先通過(guò)“三波段法”（陳斌,2012）計(jì)算得到BC氣溶膠的AAOD，然后通過(guò)模式模擬北京地區(qū)2005～2015年黑碳?xì)馊苣z的直接輻射強(qiáng)迫，并對(duì)其變化特征進(jìn)行分析（圖12和圖13）。BC氣溶膠對(duì)可見(jiàn)光和紅外波段太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈吸收作用，可以加熱大氣，同時(shí)減少到達(dá)地面的輻射通量，因此使得在大氣層頂和大氣中均表現(xiàn)為正的輻射強(qiáng)迫，而地面為負(fù)的輻射強(qiáng)迫值。大氣層頂、地面和大氣中黑碳?xì)馊苣z直接輻射強(qiáng)迫多年均值分別 4.41±3.85W m?2、?15.60±12.86 W m?2、20.01±16.53 W m?2，直接輻射強(qiáng)迫絕對(duì)值的年變化趨勢(shì)比較一致，均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，與張驍?shù)龋?015）發(fā)現(xiàn)的2006～2012年北京黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)基本一致。此外沙塵天氣也會(huì)影響黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫，因?yàn)樯硥m過(guò)程不僅帶來(lái)大量沙塵粒子，同時(shí)也裹挾周邊的黑碳粒子輸入北京且不利于黑碳?xì)馊苣z的沉降（于麗萍等,2006），因此近十年間黑碳?xì)馊苣z直接輻射強(qiáng)迫的極大值依然出現(xiàn)在2006年，其值分別為T(mén)OA：6.33±5.25 W m?2， SUF： ?25.72±23.69 W m?2，ATM：32.05±28.83 W m?2。

在大氣層頂、地面和大氣中直接輻射強(qiáng)迫的絕對(duì)值表現(xiàn)為夏季大，冬季?。▓D13）。大氣層頂、地面和大氣中的黑碳?xì)馊苣z直接輻射強(qiáng)迫的極大值和次大值分別出現(xiàn)在6 月（TOA：7.43±5.79 W m?2、SUF：?24.29±19.52 W m?2、ATM：31.72±25.30 W m?2）和 10 月（TOA：5.12±5.06 W m?2、SUF：?21.51±21.81 W m?2、 ATM： 26.63±26.87 W m?2）。在大氣中，4～10月黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫都維持在20 W m?2以上，而冬季輻射強(qiáng)迫值最小，雖然黑碳?xì)馊苣z濃度是秋冬季濃度較大，春夏季濃度較?。ú癞`等,2012; 于麗萍等,2014），但是BC氣溶膠的輻射強(qiáng)迫與黑碳濃度值相關(guān)，同時(shí)也受到太陽(yáng)天頂角的影響。夏季由于天頂角較小，因此輻射強(qiáng)迫值較高；雖然冬季由于采暖等原因使得黑碳含量增加，但是北京冬季的天頂角較大，單位面積上接受的輻射通量減小，因此使冬季的輻射強(qiáng)迫值較低。與6月相比，7月、8月的輻射強(qiáng)迫值有明顯下降趨勢(shì)，雖然它們的天頂角差異較小，但是7月、8月為北京的雨季，對(duì)BC的濕沉降比較顯著以及云對(duì)輻射的衰減造成的。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)大氣中BC氣溶膠占總氣溶膠輻射強(qiáng)迫的比值在6～8月均值維持在68%以上，說(shuō)明夏季氣溶膠的對(duì)大氣加熱作用主要來(lái)自BC氣溶膠。

圖10 2005～2015年北京地區(qū)大氣層頂、地面和大氣中氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫與氣溶膠吸收光學(xué)厚度（AAOD，440 nm）的關(guān)系Fig.10 Relationship between the direct radiative forcing efficiency of aerosols and aerosol absorbent optical depth (AAOD,440 nm) at the top of the atmosphere,on the surface,and in the atmosphere in Beijing area from 2005 to 2015

表3 2005～2015年北京地區(qū)大氣層頂、地面和大氣中氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫與AAOD（440 nm）的擬合關(guān)系Table 3 Fitting relationships between the direct radiative forcing efficiency of aerosols and AAOD (440 nm) at the top of the atmosphere,on the ground,and in the atmosphere in Beijing area from 2005 to 2015

圖11 2005～2015 年北京地區(qū)大氣層頂氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫與 SSA（440 nm）的關(guān)系Fig.11 Relationship between the direct radiative forcing efficiency of aerosols and SSA (440 nm) at the top of the atmosphere in Beijing area from 2005 to 2015

圖12 2005～2015年北京地區(qū)黑碳（BC）氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫年變化特征Fig.12 Annual variation characteristics of black carbon (BC) aerosol direct radiative forcing in Beijing area from 2005 to 2015

圖13 同圖12，但為月變化特征Fig.13 Same as Fig.12,but for monthly variation characteristics

5 結(jié)論

基于AERONET觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，北京近十年氣溶膠平均光學(xué)厚度（AOD440nm）為0.61±0.56，?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)均值為 1.09，SSA的均值為0.888±0.048，表明北京氣溶膠以細(xì)粒子和散射性為主；AOD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，SSA呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升趨勢(shì)，說(shuō)明該區(qū)域氣溶膠污染有所改善。晴空條件下，大氣層頂、地面和大氣的氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫多年均值分別?24.91±19.80 W m?2、?65.52±43.78 W m?2、40.61±28.62 W m?2，氣溶膠和黑碳直接輻射強(qiáng)迫的絕對(duì)值的年際變化特征均表現(xiàn)為微弱的下降趨勢(shì)，且季節(jié)變化特征均是春夏季高冬季小，這與AOD的變化規(guī)律一致。并且黑碳?xì)馊苣z的直接輻射強(qiáng)迫下降趨勢(shì)與SSA的上升趨勢(shì)呈現(xiàn)較好的反位相關(guān)系。此外輻射強(qiáng)迫夏季大還與北京夏季天頂角較小，單位面積上接受的輻射通量較大有關(guān)；冬季雖然因?yàn)椴膳仍蚴沟煤谔己吭黾?，但由于北京冬季的天頂角較大，因此冬季總體的輻射強(qiáng)迫值較低。

致謝感謝陳洪濱研究員、夏祥鰲研究員和Philippe_Goloub先生提供的AERONET北京站氣溶膠數(shù)據(jù)；感謝Staranes先生和Ricchiazzi先生開(kāi)發(fā)的SBDART模式。