黑碳气溶胶气候效应研究进展

黑碳气溶胶气候效应研究进展摘要黑碳是目前在全球变化研究中备受关注的焦点问题之一。

本文介绍了国内外黑碳气溶胶和沉积物黑碳的研究现状，在黑碳气溶胶方面，重点归纳了其在气候效应方面的作用：黑碳气溶胶吸收太阳辐射，在大气顶产生正辐射强迫，在地表产生负辐射强迫，被认为是导致温室效应仅次于二氧化碳的第二大成分。

黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地-气系统的辐射平衡，又可以作为云凝结核或冰核改变云的微物理特性，间接影响区域或全球气候。

对黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应的研究现状进行总结和分析后，指出了目前黑碳气溶胶气候效应研究中存在的不确定性，并对未来的相关研究提出了一些建议。

关键词：黑碳气溶胶；辐射强迫；气候效应AbstractBlack carbon (BC) is an attentive research topic in the field of global change. In this paper, the recent research on black carbon aerosol ans sediment black carbon is reviewed. As we know, black carbon aerosol plays an important role in climate change and has become the second important component in green house effect. The top-of-the atmosphere (TOA) forcing is positive and the surface forcing is negative due to black carbon absorbing solar radiation. Black carbon aerosol can strongly absorb the solar radiation in a very broad spectral range from the visible to infrared waveband, therefore it is thought to be a potential factor that causes the global warming. BC aerosol not only alters the radiation equilibrium of the earth-atmosphere system through its direct effect, but also indirectly affects the global or regional climate through changing cloud microphysical properties by acting as cloud condensation nuclei or ice nuclei. In this paper, we reviewed the recent progresses in the studies on the radiative forcing due to BC and its climatic effects, reported the uncertainties existing in current researches, and gave some suggestions for the relevant studies in the future.Key words : black carbon aerosol; radiative forcing; climate effect1 引言黑碳（black carbon, BC）气溶胶是大气气溶胶一种重要的组成成分，主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质。

自工业革命以来，世界人口数量快速增长，人类大量使用煤、石油等化石燃料，另外加上农业目的的生物焚烧和汽车尾气的排放，使得大气中黑碳气溶胶的浓度迅速增加。

Bond等[1]对全球黑碳气溶胶的排放作了详细的分析，指出黑碳的排放大约为8.0 TgC/a，其中化石燃料和生物质燃烧贡献4.6 TgC/a，露天焚烧贡献3.3 TgC/a。

Ito等[2]研究表明，2000年全球化石燃料燃烧排放的黑碳气溶胶为2.8 TgC/a，且从20世纪50年代以来增加了约3倍。

50年代以前，北美和西欧为黑碳气溶胶排放的最大源，但现在位于热带地区和东亚的发展中国家已成为黑碳最大的源区[3]。

黑碳气溶胶在大气气溶胶成分中所占比例较小，一般占百分之几到百分之十几，在大气中浓度一般也较低，但它对气候和大气环境的影响却不容忽视。

黑碳气溶胶对从可见光到红外波段范围内的太阳辐射都具有强烈的吸收作用，从而增加地-气系统所吸收的太阳辐射能量，增加大气温度，已经被部分研究认为是造成全球变暖的一个潜在因子[4-7]。

目前，对黑碳气溶胶的研究受到世界各国的普遍关注，其源排放、时空分布和环境气候效应已成为当前全球和区域性大气环境与气候变化研究所关注的焦点之一。

2 黑碳气溶胶的排放历史黑碳气溶胶的来源主要有两种：自然源和人为源[8]。

自然源排放如火山爆发、森林大火等具有区域性和偶然性，而人为源排放如化石燃料和生物质燃烧却是长期和持续的[9]。

工业革命所带来的是西方资本主义经济的快速发展，也促使美国和西欧资本主义工业化国家成为世界上最大的黑碳排放源[10]：18世纪末期黑碳排放快速增长，19世纪上半时发展较为平稳。

约1950年以来，发达国家通过改良技术，提高煤等化石燃料的利用率，或者直接减少煤的使用量，黑碳的排放量开始下降。

但是发展中国家如中国和印度，1950以来黑碳的排放量却在显著增加，原因是这些国家煤还是主要的工业燃料，生物质作为燃料大量使用也是普遍存在[11]。

尽管对黑碳排放量的评估还存在极大的不确定性，但是其发展趋势还是能代表一定的现实意义。

3 黑碳气溶胶的特性3.1 颗粒特征黑碳气溶胶颗粒比较小，粒度尺度一般在0.01 ~ 1 μm之间，粒径中值为0.1 ~ 0.2 μm，尺度分布呈现积聚态[12]。

沉积物中的黑碳颗粒也有着不同的指示意义：毫米级颗粒（木炭，charcoal），搬运距离通常在火源100m以内，能反映一定范围的火烧情况[13]，经常性的被地质学家用作恢复地质时期野火发生或者植被重建的工具[14-15]；而微米级颗粒（烟炱，soot），在没有被氧化和水洗的情况下，几个月后仍然滞留在大气中[13]，反映的是大气状况[16]，有研究者用它来示踪化石燃料使用历史或者历史时期的能量结构[17]。

黑碳粒子在大气物理、大气化学、大气光学过程中都具有重要的作用[18]。

例如，可以作为云凝结核，改变云滴尺度分布、云光学特性和云量及云中液态水含量[12]；作为一种污染物，在大气传输过程中，黑碳气溶胶的表面能够吸附其他污染物，为许多污染物质（如二氧化硫、臭氧等）的非均相转化以及气—粒转化过程提供活性载体并起到催化作用[9，19]；黑碳粒子的变化将改变大气浑浊和能见度及地表的反照率[18]。

黑碳气溶胶本身不可以由其他污染物反应生成或在大气中经化学过程清除，其清除过程有大气的干湿沉降两种途径[12]，因此，在大气监测中黑碳气溶胶可以作为污染示踪剂表征气团传输过程[12，18]。

3.2 光学特性黑碳气溶胶在大气中存在的重要意义在于对太阳辐射的吸收作用。

决定其辐射特性的几个物理量包括负折射指数、消光系数、单次散射反照率、不对称因子等等。

3.2.1 负折射指数黑碳气溶胶的吸收特性主要取决于其负折射指数（尤其是虚部）等[20]。

负折射指数与燃烧物质的原生组分及燃烧过程有很密切的关系，随粒子中碳氢含量的变化而变化。

黑碳气溶胶粒子越接近于纯碳（如石墨）则折射指数越大[9]。

同一过程所产生的黑碳气溶胶，其虚部在整个波长范围内大约在-1.0 ~ -0.4之间变化，实部的变化不大[21]。

3.2.2 消光系数粒子的消光系数是散射系数和吸收系数之和[22]。

由于黑碳气溶胶对太阳辐射的强吸收作用，其消光系数的大小主要由吸收系数决定。

黑碳气溶胶的粒径在亚微米量级上，因此，其在长波波段的辐射效应非常小。

例如，黑碳气溶胶在波长小于1 μm的短波范围内具有较强的消光作用，而随着波长的增大，消光作用逐渐减弱（主要是吸收作用）[23]。

3.2.3 单次散射反照率与不对称因子单次散射反照率为散射系数和消光系数的比值，是气溶胶影响全球和区域气候的关键参数。

马井会等[21]研究指出，黑碳气溶胶的单次散射反照率均小于0.35。

Satheesh 等[24]在模拟热带印度洋地区自然和人为气溶胶时所选用的单次散射反照率值为0.2。

不对称因子的值一般都小于0.5，呈现出前项散射较小、以后向散射为主的特性，在小于3 μm的短波区随波长呈单调递减趋势。

3.2.4 光学厚度马井会等[21]、张华等[25]利用辐射传输模式计算出黑碳气溶胶光学厚度在冬（12 ~ 2月）、夏（6 ~ 8月）两季的全球分布情况：黑碳气溶胶光学厚度分布具有明显的季节和地理差异。

冬季大于夏季，陆地大于海洋，北半球大于南半球，北半球中高纬地区大于低纬度地区，与黑碳气溶胶的浓度分布基本呈对应关系。

季节差异的原因主要是冬季取暖等燃料消耗增多，而地理差异的原因是人类活动主要集中在北半球。

不同地区，气溶胶的质量浓度和光学厚度分布并不总是存在一致的对应关系。

马井会等[21]的研究中以西欧和东亚为例，冬季黑碳气溶胶的浓度最大值出现在在西欧，但是，由于其吸收系数和散射系数的最大值在东亚，所以，光学厚度的最大值出现在东亚地区。

3.2.5 地面反照率和天顶角地表反照率（Albedo）为地球表面反射的太阳短波辐射与地面入射太阳短波辐射之比，表示地球表面对太阳辐射的反射能力，是影响辐射强迫的重要因素[13-27]。

张华等[25]的敏感性试验表明：对流层顶黑碳气溶胶的正辐射强迫和地面负辐射强迫的绝对值随地表反照率的增加线性增大。

因此，对相同浓度的黑碳气溶胶，在不同的下垫面情况下，造成的对流层顶辐射强迫的分布和强度会有所不同，由此产生不同的气候效应。

黑碳气溶胶在对流层顶的正辐射强迫和在地面的负辐射强迫的绝对值，随太阳天顶角的余弦线性增加。

这一现象说明，在同一地区同样浓度的黑碳气溶胶，如果发生的季节和时间不同，对整个地气系统的影响程度就会有所不同[25]。

4 黑碳气溶胶的全球浓度分布按照GADS给出的气溶胶年平均浓度的全球分布，黑碳气溶胶质量浓度分布具有明显的季节和地理差异。

陆地高于海洋，北半球高于南半球。