淺析中國區域黑碳氣溶膠的氣候效應

于勇 吳自越

摘?要：黑碳氣溶膠是當前氣候變化和環境研究中的熱點問題之一，本文討論了氣溶膠的季節分布特征，探討了黑碳氣溶膠對地面氣溫和降水的影響及其季節變化特征，對黑碳的減排對策提出了建議。

關鍵詞：黑碳;氣溶膠;氣候效應

1 緒論

黑碳氣溶膠對環境問題的影響研究可以追溯到20世紀50年代，起因在于著名的倫敦煙霧事件，近幾十年來，我國的經濟的高速發展，對能源的需求量和消耗量持續增加，我國能源結構是以煤和生物燃料為主，而且城市地區機動車保有量大量增加，導致大氣中黑碳氣溶膠的含量持續增加，雖然黑碳氣溶膠占我國大氣氣溶膠成分中所占比重較小，但是黑碳氣溶膠很容易距離擴散輸播，影響范圍廣大，且由于其特殊的光學性質，改變了輻射傳輸過程的能量分配，從而對氣候產生廣泛的影響，深入地開展黑碳氣溶膠的分布、輸送、沉降的規律及其對區域氣候的影響，具有重要的科學和決策意義。

懸浮于大氣中的黑碳氣溶膠首先降低了大氣能見度，直接減少到達地表的太陽輻射，其次黑碳氣溶膠本身又強烈吸收太陽輻射，加熱了空氣，影響溫度廓形，加強了云的蒸發，減少了云量，同時黑碳氣溶膠作為云凝結核改變了云量，也改變云的生命周期，當黑碳氣溶膠層位于云層上或者層下，或者在云層內，對應的增暖效應的輻射傳輸過程也大不相同，復雜地影響了整個大氣圈的水循環及能量循環，而通過干濕沉降和重力沉降，沉降到植物表面的黑碳氣溶膠，影響植物的正常光合作用，另外落到地表的黑碳氣溶膠改變了地表反照率（如冰雪等的反照率），另外附在冰雪表面的黑碳氣溶膠直接影響了輻射傳輸過程，強烈吸熱使得冰雪提前融化而浪費水資源，而農作物需要水的時候得不到廣泛灌溉，這些都間接影響了水循環，影響了能量平衡和氣候變化，此外黑碳氣溶膠通常吸附了其他的有毒物質，通過呼吸作用進入人體，危害人體健康。許多學者使用不同類型的數值模式（如輻射傳輸模式、全球和區域氣候模式等）來研究了包括黑碳氣溶膠引起的輻射強迫、對氣溫和降水的影響等。各個黑碳氣溶膠的模式模擬之間的差別較大，如何提高模式的準確性，需要廣泛開展黑碳氣溶膠濃度觀測，黑碳氣溶膠光學性質特殊，從可見到紅外波段范圍內對太陽輻射均有強烈的吸收，而且傳輸過程中，黑頭氣溶膠易參與大氣中的光化學反應，黑碳氣溶膠的表面總是吸附其他污染物，黑碳氣溶膠不再是單一的化學成分，而是一種混合成分，對應的新粒子的光學性質劇烈變化。這些都增加了其對氣候影響的不確定性。

黑碳氣溶膠的空間分布主要與當地工業發展和人口密度相關，中國東部地區的黑碳氣溶膠的排放密度明顯高于西部，西部人口密度低，工業排放量極低。黑碳的減排要從加強控制源頭開始，一方面可以推廣低碳能源，積極使用無碳的能源，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，通過集中供暖有利于節約能源，對應的也就減少了排放，除塵技術的發展也將減少黑碳的排放量，在城市，加強排放源頭的檢測，規范監督企業自律，在農村，春秋收貨季節的秸稈燃燒也是黑碳氣溶膠的重要排放源，禁止秸稈燃燒室黑碳減排的重要舉措，科學地處理秸稈包括制作有機肥和動物飼料。

2 黑碳氣溶膠的季節分布

黑碳和有機碳氣溶膠柱濃度度大值區出現在海拔較低、人口相對密集、工業相對發達的地區，而西北地區，由于人口稀少，工業排放量極低，對應的黑碳氣溶膠柱濃度值很小。受到工業源和居民生活源的影響，又加上四川盆地的地形比較特殊，周圍多高山、丘陵，地形復雜，污染物的不易擴散和輸送，同時地區風場較弱，一年四季中該地區的黑碳氣溶膠垂直負荷值都較大。我國東部、南部是柱含量集中區，人類活動對黑碳氣溶膠柱濃度的分布會產生較大的影響，是使垂直負荷值增加的主要因素。

黑碳氣溶膠柱濃度的季節變化的特征明顯。通常春季柱濃度較大，最大值位于四川盆地和華中地區，黑碳氣溶膠柱濃度向西北逐漸遞減。這可能是因為，在春季穩定的天氣形勢以及工業污染和生物質燃燒。夏季，隨著對流增強，降水增加，濕沉降的清除作用明顯，黑碳氣溶膠柱濃度顯著減小。

秋季是收獲的季節，農作物的生物質燃燒導致的氣溶膠在四季中最高，這使得黑碳氣溶膠的柱濃度維持較高的水平，農作物作業區的四川盆地和華中華南地區是高值區。而冬季，黑碳氣溶膠處于較高濃度是由于居民取暖的排放增加以及穩定的大氣條件等，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，這可能是由于中國北方地區冬季的雨雪天氣清除了黑碳氣溶膠，再加上冬季盛行偏北風。

夏季的大值區在四個季節中明顯偏北，推進到了我國與蒙古邊境、東北中部地區，這是由于我國是季風氣候，夏季盛行來自太平洋的東南季風和來自印度洋的西南季風，持續地將黑碳氣溶膠向北輸送，對應的北部濃度升高，而南部濃度降低。而冬季在強勁的冬季風影響下，又退到華北和黃河中上游以南地區。

3 黑碳氣溶膠的氣候效應

運用區域氣候模式RegCM3進行數值模擬，通過一系列的敏感性實驗來考察黑碳、有機碳氣溶膠的直接輻射效應引起的中國區域氣候變化。模擬試驗結果表明，黑碳氣溶膠在全國大部分地區大氣頂的產生正的輻射強迫，大值區主要位于四川盆地和華中地區。黑碳氣溶膠在增加大氣中輻射通量的同時，減少了到達地表的太陽短波輻射，地表處的輻射強迫為負。地表處的量級比大氣頂稍大，與氣溶膠濃度分布呈現很好的一一對應關系，極大值區位于四川盆地，河南東部以及湖南北部的小部分區域。

黑碳氣溶膠一方面產生直接的輻射強迫，即直接散射和吸收太陽輻射，另一方面又可作為云凝結核，進而改變云的微物理特性和宏觀云量，引入黑碳氣溶膠氣溶膠后，春、夏季平均降水量基本上呈沿緯線帶狀分布特征，即降水增加地區的南北兩側降水則有所減少，且降水增加的地區與降水減少的地區差不多。秋、冬季平均降水量沒有沿緯線帶狀分布特征，但降水增加的地區與降水減少的地區也差不多。為細致地了解黑碳氣溶膠對中國區域降水的影響，將中國境內排放源較集中的地區劃分為3個子區域，目的是為了進一步的定量分析。3個子區域分別為：北方（33.4°N-42.4°N，109.3°E-124.3°E）（簡稱NC）、南方（21.5°N-33.4°N，109.3°E-124.3°E）（簡稱SC）、四川盆地（27.7°N-32.6°N，105.5°E-109.3°E）（簡稱SCB）。

圖1給出了黑碳氣溶膠對三個子區域的降水影響的月變化圖，從該圖中可以看出，一年四季中黑碳氣溶膠都使得北方雨量增加，四川盆地的雨量也是明顯增加，而對南方的影響則是，在1月到4月雨量增加，而5月到12月都是減少的。

黑碳氣溶膠對地面溫度的影響受到大氣環流等方面的制約。所以，地面溫度的變化與黑碳氣溶膠柱含量地理分布不吻合，與黑碳氣溶膠年平均輻射強迫也不一致，這可能是由于黑碳氣溶膠對長波輻射的影響很小。就總體年平均來看，黑碳氣溶膠使得東部地區和青藏高原地面氣溫升高，而北部、西北地區、東北地區、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。

黑碳氣溶膠引起的三個子區域的地面氣溫季節變化（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3個子區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，到夏季則變為降溫，到7月達到極值-0.2℃，而后降溫作用逐漸減小。到8月中旬又變為逐漸的升溫作用，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 結語

使用區域氣候模式RegCM3，通過一系列敏感性實驗，來考察有、無黑碳和有機碳氣溶膠情況的氣候效應。結果表明人類活動對黑碳氣溶膠柱濃度的分布會產生較大的影響，是使垂直負荷值增加的主要因素。黑碳和有機碳氣溶膠柱濃度度大值區出現在海拔較低、人口相對密集、工業相對發達的地區。引入黑碳氣溶膠后，在地表產生負的輻射強迫，在大氣頂處產生正的輻射強迫。地表輻射強迫大值區位于四川盆地、湖南北部和河南東南部地區，整個東部平原地區都是高值區。雖然氣溶膠的輻射強迫主要依賴于其本身的光學性質和在大氣中的濃度，太陽高度角和地表反照率對黑碳氣溶膠的輻射強迫會產生很大的影響，進而改變地面潛熱和感熱通量以及地面凈長波發射通量。黑碳氣溶膠在大氣中的分布、輸送、沉降的規律非常復雜，而且包含有許多非線性的作用，因此，黑碳氣溶膠輻射效應的模擬研究領域仍有很大發展空間。

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