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，現今已經成為近些年來環境保護的重點問題。本文從實際出發，針對大氣污染的成因進行分析，并就大氣污染中硫酸鹽的含量進行中國區域硫酸鹽氣溶膠的輸送、擴散、沉降等時空分布及其氣候效應的分析，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。

關鍵詞：硫酸鹽;氣候效應;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。不少學者對我國和東亞地區的SO和硫酸鹽氣溶膠濃度分布也做了研究。高麗潔等利用數值氣候模式考察氣溶膠的排放輸送、轉化及其沉降模式，參考2000年的污染排放源資料模擬了中國地區硫酸鹽氣溶膠的時空分布。王自發等和王喜紅等利用數值模式模擬了東亞地區硫酸鹽柱含量分布。作為一種主要由人為產生的氣溶膠，硫酸鹽具有較強的氣候效應，主要是散射太陽輻射，削弱入射的短波，產生輻射強迫，擾動地氣系統輻射平衡，進而影響地表能量平衡及水分平衡，影響溫度、降水和大氣環流變化等。

若考慮地球和對流層合并成一個整體的系統，全球對流層頂輻射凈收入產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）和聯合國環境開發署（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，預測未來的氣候變化，首先需要科學地評估引起氣候變化的輻射強迫。

使用區域氣候模式（RegCM3），在NCAR/NCEP再分析資料驅動下，通過多年時間尺度的連續積分，在模式中考慮了硫循環過程，為了研究硫酸鹽氣溶膠的直接氣候效應對全球水循環的影響，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。并將二者結果相減，做差值分析，對結果進行分析。

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）發展的RegCM3，模式模擬了氣溶膠的地面排放及其在物理化學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、湍流擴散，積云對流輸送和干濕沉降等。對應于不同種類的氣溶膠的輻射特性時，模式的光學參數含有不同氣溶膠特定波長的質量消光效率因子、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迫是指直接影響輻射凈收入，間接輻射強迫是指氣溶膠對云的光學特性或云的生命期的影響，間接地影響氣候系統。本試驗中只考慮氣溶膠的直接效應。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），數值的格點數是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再分析數據驅動模式初始場和每6小時輸入一次的側邊界場，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1兩者結果之差被視為硫酸鹽溶膠的氣候效應。

3硫酸鹽氣溶膠的分布

二氧化硫氣溶膠的發射率數據包括礦物質燃燒、生物質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站http：//users.ictp.it/～pubregcm/RegCM3/）。為了便于分析，模擬區域中分出3個子區域，分別為西區（35.5°—44°N，75°—95°E），中區（33°—44。N，95°—112°E）和東區（30°—46°N，112°—130°E）。

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

關于各個季節的硫酸鹽氣溶膠的年平均柱濃度分布，春季極大值出現在四川盆地以及湖南南部和江蘇南部地區，其數值達到24mg·m，整個長江流域和華北地區包括山東半島都是高值區，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，極大值高達近40mg·m。這是由于我國是季風國家，夏季來自太平洋的東南季風和來自印度洋的西南季風把硫酸鹽氣溶膠向北輸送到較遠地區，從而使南部濃度更低，北部濃度相對升高。而冬季在強勁的冬季風影響下又退到長江中下游地區。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等是高值區，數值達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，這與中國北方地區冬季多雨雪天氣，有較強的清除作用有關，且冬季受大陸性高壓控制，多偏北風，于是北方地區冬季供暖等產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。

關于中國地區氣溶膠的觀測方面，有一系列的觀測數據及其分析成果。其中衛星遙感資料在空間和時間的連續性上具有無可比擬的優勢。通過對比模擬的光學厚度與觀測數據，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迫，負的大值區出現在華北和山東南部，達到-3.5W.m，四川盆地也比較高，達到近-2W·m，而正的大值區則出現在湖北和江西北部，達到1W·m。四川雖然是硫酸鹽氣溶膠高負荷區，但是其輻射強迫卻比較小，這可能是由于考慮了氣溶膠的直接效應，使得總云量減少，反而使輻射強迫變小。中國區域硫酸鹽氣溶膠的直接輻射效應引起中國內陸普遍降溫。圖1給出了硫酸鹽氣溶膠引起的三個子區域地面氣溫變化，均為降溫，其中四川盆地在8—9月間，降溫最為明顯，極值達-2℃。南方地域也8—9月間，降溫最為明顯，極值達-0.6℃，北方地區則有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域的降水季節變化，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，開始大幅導致降水減少，6月達到極值-0.63mm·day，而到了6月中旬后，硫酸鹽氣溶膠引起的南方地區的降水逐步增加，在8月達到最大的增幅，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，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月則達到降水增加最多的時候，達到+0.3mm·day左右。對于北方地區，其降水變化的波動較四川盆地和南方地區更頻繁，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月初達到降水減少的極值點，4月初和7月初達到降水增加的極值點。

大氣中的氣溶膠由許多復雜化學物質組成，這些物質的化學特性決定了更加復雜的混合氣溶膠的復折射指數，即使不同的氣溶膠具有相同化學成分，他們也會有不同的復折射指數，其不同的輻射特性對氣候變化的影響也不盡相同。黑碳氣溶膠與硫酸鹽氣溶膠的一致地同步排放，此后由于大氣湍流、布朗運動、風切變等導致各個氣溶膠粒子之間相互碰并、融合甚至發生反應?；旌蠚馊苣z的混合狀態對其光學特性有重要影響，使得其對氣候的綜合影響更加復雜化。不同的數值模式、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，導致模式的模擬結果差別較大，若黑碳和硫酸鹽氣溶膠以外部混合的方式則其綜合導致的部分正、負輻射強迫相抵消，反之如果以內部混合的方式其物理和化學的特性導致輻射過程及其復雜化，黑碳氣溶膠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氣溶膠與硫酸鹽氣溶膠。黑碳與硫酸鹽氣溶膠的不同的濃度比或不同的混合方式，對應的引起的輻射強迫作用也不相同。中國區域硫酸鹽氣溶膠引起中國內陸約25°N以北普遍降溫，而海表溫度升高，由此導致海陸溫差縮小，東亞夏季風強度減弱，中國地區季風降水明顯減少，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的大氣對流起抑制作用，中國區域黑碳氣溶膠引起除了青藏高原和廣西以外的中國大部分地區降溫，降低海陸溫差，縮小氣壓差，減弱東亞夏季風。相較于硫酸鹽氣溶膠的作用，黑碳氣溶膠相反地加強了中國東南部地區的對流活動。

5結論

本文利用RegCM3較好地模擬出硫酸鹽氣溶膠的分布和季節變化。在硫循環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，分析了我國氣溶膠的時空變化特征，得到以下一些結論：（1）硫酸鹽氣溶膠的空間分布存在兩大高值區，最大值出現在四川盆地，河北南部、山東、江蘇、河南東南部、安徽、湖北東部等地區為此大值區。（2）硫酸鹽氣溶膠空間分布季節性非常顯著。春季極大值出現在四川盆地以及湖南南部和江蘇南部地區。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，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等是高值區，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引起中國內陸普遍降溫。降幅最大的區域為四川盆地，遼寧、吉林以及整個中國東部除了沿海部分地區外，降溫幅度比較大，達到-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。