黑碳气溶胶及其气候效应

黑碳气溶胶及其气候效应（上海大学环境与化学工程学院，上海200444）摘要：黑碳气溶胶是气溶胶的重要组成部分，因其在大气辐射强迫中的特殊作用与对气候的影响而成为近来关注的热点。

本文简要综述了黑碳气溶胶的研究近况和黑碳气溶胶对气候的影响，归纳了黑碳气溶胶研究的困难并作出展望。

关键词：黑碳气溶胶；辐射强迫；气候影响Black carbon aerosols and its effects on climateMaguowen(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)Abstract:black carbon aerosol is an important component of aerosol, due to itsspecial role in atmospheric radiative forcing and impact on the climate,black carbon become the focus of attention of late. This article provides a brief summary of recent research on black carbon aerosols and its impacts on climate, summarized the difficulties and prospects of black carbon aerosol research.Keywords:black carbon aerosol;atmospheric radiative forcing;climate impact1前言黑碳气溶胶(BlackCarbon)是大气气胶中一种重要组成部分,主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质,它在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收,所以习惯上被称为黑碳气溶胶。

黑碳气溶胶对太阳辐射的强烈吸收作用,以及潜在的气候强迫效应已成为气溶胶气候效应研究中的一个重要内容,并受到世界各国科学家的关注,1995年的IPCC报告[1]就曾指出:作为大气气溶胶中太阳辐射的吸收主体,黑碳气溶胶同其它气溶胶如硫酸盐气溶胶混合存在,可能会大大降低硫酸盐气溶胶单独存在时对气候的负辐射强迫作用。

2000年的IPCC报告[2]则根据近年来黑碳气溶胶辐射强迫研究的模式模拟结果,指出黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫,同硫酸盐等气溶胶混合在一起,黑碳气溶胶会极大地减弱气溶胶的负辐射强迫,尤其是在地表反照率较大的北半球地区,这种作用会更明显。

黑碳气溶胶粒子的尺度主要在0. 01～1. 0μm的细粒子区,它不会由大气中其它的化学反应过程生成或清除。

黑碳粒子表面在大气中为非均相反应和气—粒转化过程提供一个活性载体并起到催化的作用。

黑碳粒子的表面可以吸附一些污染物质,如SO2、O3等,还可以吸附一些有毒、有害物质如多环芳烃族(致癌、致畸、致突变)。

表1列出了颗粒物的大小和进入人体呼吸系统的部位,由此可见,黑碳粒子都能进入到人体的肺部。

2黒碳气溶胶的气候影响黑碳气溶胶对气候的影响方式有3种：一种是它能够直接吸收太阳辐射和红外辐射，扰动地球大气系统的能量收支，直接影响气候；第二种是它能与硫酸盐、有机碳等水溶性气溶胶混合作为云凝结核或直接作为冰核，改变云的微物理和辐射性质以及云的寿命，间接影响气候系统。

另外，处于云层中的黑碳气溶胶吸收太阳辐射，加热云层大气，从而直接导致云的蒸发、减少，这称为黑碳气溶胶的半直接效应。

2.1辐射强迫的变化根据全球热平衡的传统理论观点，二氧化碳等温室气体通过吸收地球辐射和红外线并阻挡红外线通过而产生温室效应使地球变暖。

黑碳气溶胶则通过黑碳粒子对太阳辐射的强烈吸收作用在大气顶产生正的辐射强迫减少到达地表的太阳辐射在地表产生负的辐射强迫[3]。

Haywood和Ramaswam[9]通过将生物质燃烧与化石燃料燃烧所产生的黑碳进行外部混合所得辐射强迫估计值为0.4Wm-2；IPCC 第4次评估报告给出黑碳的直接辐射强迫范围是0.2-0.40.27Wm-2[4]。

总之研究者不同所得的估计值也就存在较大的差异。

差异产生的因素有很多，例如，黑碳气溶胶在垂直剖面分布和单次散射反照率选取上存在差异，其辐射强迫的测量和估算也就存在较大的不确定性[5]；不同的混合状态下估算的黑碳辐射强迫值不同[8]。

到目前为止很多学者的研究都忽视了黑碳与其他气溶胶的内部混合状态,即使内部混合时的辐射强迫值是外部混合的2.9倍[6];复折射指数尤其是虚部的选取也会造成强迫值的变化[7];云的影响,当黑碳气溶胶存在于云内或云上时辐射强迫加强在云下时,辐射强迫会减弱另外其吸收特性也依赖于黑碳粒子与云滴混合状态,内部混合时的吸收特性要大于外部混合[8];黑碳浓度的观测值一般在离地面2km的地方最大,大部分模型的模拟却是在地表[9]。

2.2对全球气候的影响黑碳气溶胶浓度的时空分布极不均匀，因此气候模式成为研究黑碳气溶胶全球气候效应比较有效的工具。

Chung等[10]利用Goddard太空研究所第二代大气环流模式模拟了人为黑碳气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应，指出黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶为外部混合时，其辐射强迫为+0.33 W/m2，且造成全球年平均表面温度升高0.2 K；当二者为内部混合时，其辐射强迫为+0.6 W/m2，造成全球年平均表面温度升高0.37 K。

这两种混合方式都将导致热带0°～20°N地区降水增加，0°～20°S地区降水减少，从而造成赤道辐合带（ITCZ）向北移动。

但是Kristjansson等[11]利用NCAR的大气环流模式CCM3的模拟结果表明，大气中总的气溶胶直接和间接效应引起全球冷却约1.33 K，且导致了ITCZ的南移。

Gu等[13]的模拟结果也表明总的气溶胶的直接效应造成地表温度降低，ITCZ降水减少。

Zhang等[12]在气候模式中同时考虑了碳类气溶胶（黑碳和有机碳）的直接气候效应和黑碳气溶胶的半直接效应，模拟结果表明：碳类气溶胶将减弱北半球哈得来环流和极地环流。

Penner等[13]指出黑碳气溶胶总辐射强迫依赖于气溶胶的注入高度，黑碳气溶胶的注入高度越高，其造成的负的长波辐射强迫越强，且能增加低层大气的云量，从而起到降低大气温度的效果。

图1给出了近50 a来全球降水变化趋势，从图中可以看出，近50 a来降水变化比较明显的特征是非洲萨赫勒地区、印度季风区降水的减少和中国的南涝北旱等。

图11950-2002降水变化趋势（单位：mm/d）2.3降水影响大气棕色云中除去黑碳气溶胶部分剩余的部分,成为非黑碳气溶胶相对于黑碳气溶胶。

全球增温效应来说非黑碳气溶胶所带来是降温效应。

非黑碳气溶胶反射更多的太阳辐射，增加行星反照率，在地表和大气顶产生负的辐射强迫，强迫估计值达-2.7和-2.3Wm-2;其间接效应和黑碳相比都是对降雨产生抑制作用，不同的是，非黑碳气溶胶作为云凝结核在云底产生更多的云滴颗粒，但是，由于其有效直径变小，抑制了雨滴的形成。

黑碳是通过吸收太阳辐射加热云层，加快了云滴蒸发，降低了云层的相对湿度从而抑制降水的形成[14]。

Ramanathan认为[15],对空气中污染物的逐步控制对于未来气候变化有显著的作用。

如果非黑碳气溶胶的排放量得到控制，可使1850年以来的大气顶辐射强迫增加2.3Wm-2，从而使系统的累积气温增加大约3摄氏度；如果不改变非黑碳气溶胶的排放量，通过控制黑碳气溶胶排放所带来的正辐射强迫的减少，将降低全球变暖和海冰消退的程度，并在一定程度上减缓温室效应的压力。

3黒碳气溶胶的清除大气的湿清除过程分为雨冲刷和水冲刷两类。

把最终形成降水的云的形成过程所造成的大气微量成分清除叫做雨冲刷,而把云底以下降落的雨滴对大气微量成分的清除叫做水冲刷。

湿沉降过程能有效地清除所有尺度的可溶性粒子以及极小的和极大的不可溶粒子。

实际上,我们对湿清除过程的机理和它们的量化还很难描述,通常用参数化的方式, Junge[16]给出了雨冲刷清除过程的参数化: k1 =C* E/L (1)式中k1是云水中吸收的颗粒物浓度, C是云所在位置颗粒物在云形成之前的质量浓度, L是云中液态水含量, E颗粒物清除效率。

研究得出,黑碳气溶胶是通过干、湿沉降过程从大气中消失的,其寿命比温室气体要短得多,且空间分布极不均匀,这正是黑碳及其他类气溶胶研究的困难之处。

4黑碳气溶胶的不确定性首先, 黑碳气溶胶浓度测量本身存在误差。

由于气溶胶中的有机和无机成分的分离比较困难, 加之黑碳气溶胶在大气中的浓度本身就是一个非常不均匀的量, 这样测量结果将会存在较大的误差。

同时, 不同的测量技术如光学和热测量技术也会带来不一致。

理论上, 两种测量方法应该有较好的线性相关, 但不同站点需要设置不同的衰减系数才能使两种方法测量的黑碳浓度比较一致[17]。

并且有一些研究显示光学和热学测量方法的结果有较大的差异[18]。

所以, 要准确测量黑碳气溶胶有待于测量技术的进一步提高。

其次，黑碳气溶胶辐射强迫作用的机理、机制比较复杂, 黑碳气溶胶与其它气溶胶的混合方式还存在很大争议, 辐射模式本身也还不很完善, 因此对黑碳气溶胶直接辐射强迫效应进行的估算还不够精确。

同时，黑碳气溶胶间接气候效应, 其物理过程和作用机制较为复杂, 黑碳气溶胶垂直分布、尺度分布等观测资料匮乏。

因此黑碳气溶胶对气候变化造成的间接影响具有很多的不确定因素。

加强观测和模式研究, 逐步地消除这些不确定因素, 是今后黑碳气溶胶直接和间接气候效应研究中的一个亟待解决的重要问题。

5展望黑碳气溶胶在大气气溶胶的气候效应中扮演着复杂而重要的角色，因此研究黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应对区域或全球气候变化具有极其重要的意义研究的重点：完善的源排放数据的获取与分析；气溶胶表面的多相化学反应及其与其他气溶胶的混合状态的研究；黑碳气溶胶对冰川融化的影响及气候反馈；黑碳气溶胶的间接气候效应。

通过观测数据分析和数值模拟相结合的方法尽可能减小黑碳气溶胶气候效应的不确定性。

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