黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析_马井会

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关键词 黑碳气溶胶 光学厚度 复折射指数 光学参数 分类号 P4211 1 文献标识码 A
引 言
目前科学界十分关注黑碳气溶胶的气候效应 ,定量评价黑碳气溶胶在全球辐射强迫 、气候效应和气候变 化中的作用时 ,需要知道不同地区黑碳气溶胶排放的可靠数据 。气溶胶光学厚度作为气溶胶最基本的光学 特性 ,是研究气溶胶作用的基础[122 ] 。
地区
东亚 30°N 115°E
西欧 50°N 30°E
北美 45°N 80°W
南美 25°S 50°E
南非 25°S 30°E
中东 40°N 70°E
北极 90°N
AOD 质量浓度 (μg / m3)
21 75 ×1022 11 350
21 55 ×1022 11 555
11 47 ×1022 01 897
图 2 是黑碳气溶胶质量浓度冬夏 (对北半球而言 ,下同) 两季全球分布图 ,黑碳气溶胶质量浓度具有季节 差异和地理差异 。陆地高于海洋 ,具有比较明显的海陆差异 ,北半球高于南半球 。冬季北极地区值较高是由 地处中纬的西欧 、北美等城市和工业区排放的污染物向极地输送 、转化和积累造成的 ,冬季日光不足和极锋 南移对其维持也起了重要作用 。浓度最大值冬季高于夏季 (表 2 、表 3) ,与冬季北半球取暖燃料使用量增加 有密切关系 。冬季最大值 11 555μg ·m23 位于西欧 ,夏季最大值 11 244 μg ·m23 同样也位于西欧 。可见西欧 是世界上黑碳气溶胶浓度最大的地区 ,与其工业发达 、汽车多 、人口密集有密切关系 。有研究表明 ,汽车尾气 带来的黑碳气溶胶排放是大气中尤其是城市区域大气中黑碳气溶胶的重要来源[18] 。就东亚而言 (图 2) ,黑 碳气溶胶质量浓度大的区域主要位于大城市和重工业区周围 (如中国的中部 、东部 、华北和东北地区以及韩
第 27 卷 第 5 期 2007 年 10 月
气象科学 SCIEN TIA M E T EO ROL O GICA SIN ICA
Vol. 27 , No . 5 Oct . , 2007
黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析
马井会1 郑有飞2 张 华3
(1 上海市浦东新区气象局 ,上海 200135) (2 南京信息工程大学 环境科学与工程学院 ,南京 210044) (3 中国气象局气候研究开放实验室 ,北京 100081)
就中国地区而言 ,从图 1 可以看出 ,黑碳气溶胶光学厚度大值区出现在海拔较低 、人口相对密集 、工业相 对发达的华北 、华东 、华南以及东北地区 ,而人口稀少的西北地区黑碳气溶胶光学厚度值很小 ,这与近年来中 国科研工作者得出的结论有很好的一致性[13217] 。由图 1 可以看出 ,光学厚度的分布强烈地受到地形的影响 , 大值区分布在低海拔地区 。人口 、工业密集地区的周边地区 ,其光学厚度也明显偏大 ,而且影响范围很广 ,尤 其是东亚和北美地区 ,东亚地区的黑碳气溶胶在冬季 (图 1a) 盛行西风的作用下 ,可以对几千公里以外的海 洋产生影响 ,夏季由于环流的调整 ,其影响范围有所减小 (图 1b) 。值得注意的是 ,夏季南非和南美洲地区的 光学厚度值增大 ,范围扩大 ,其原因为南半球冬季 ,取暖所消耗的碳质燃料增加引起大气中黑碳气溶胶浓度 增加 ,这也验证了人为活动是黑碳气溶胶的主要来源之一 。
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国和日本的东京地区) ,中国大地区大气边界层黑碳气溶胶浓度最高值位于华北 、华东 ,浓度随季节变化 ,冬 季黑碳浓度高 ,夏季低 ,冬季黑碳浓度高值区位于江苏省 。另外 ,在东亚的东海近海海域和整个黄渤海海域 及日本海海域光学厚度都比较大 (表 4) ,这主要是由于处于东亚下风方黑碳气溶胶间隙性长距离输送造成 的 。其中 ,渤海海域无论冬季和夏季光学厚度都最大 ,跟它 3 面都被陆地包围有关 。可见 ,高浓度分布不一 定对应高的光学厚度分布 ,冬季气溶胶光学厚度最大值地区与质量浓度的最大值地区不一致 (如表 2 所示) , 而夏季这两者却是一致的 (见表 3) 。以冬季为例 ,最大值 01 027 5 出现在东亚的中国境内 ,而质量浓度的最 大值 11 555μg ·m23 却出现在西欧 ,这主要是由于黑碳气溶胶的光学特性在这两个地区不一致造成的 。详见 下节的分析 。
1 数据和模式简介
全球 气 溶 胶 数 据 集 GADS ( Glo bal Aero sol Data Set ) 是 由 P Koep ke M Hess 等 人 研 发 的 , 是 对
收稿日期 :2005210222 ;修改稿日期 :2006206215 基金项目 :国家重点基础研究发展计划 (编号 :2006CB403707) 和中国气象局气溶胶项目联合资助 第一作者简介 :马井会 (19802) ,女 ,辽宁建平 ,硕士 ,主要从事气溶胶辐射强迫等研究 , E2mail :oliveflower1223 @so hu. co m
表 1 冬夏两季不同区域黑碳气溶胶光学厚度平均值 Table 1 The mean optical dept h of black carbon aerosol in different region for summer and winter
北半球
南半求
全球
季节
冬季 夏季
冬季 夏季
冬季 夏季
AOD
31 24 ×1023 11 37 ×1023
11 37 ×1024 31 14 ×1024
11 67 ×1023 81 49 ×1024
表 2 冬季不同地区黑碳气溶胶光学厚度最大值及对应地区的质量浓度值 Table 2 The maximum value of optical dept h and t he corresponding mass concentration of black carbon aerosol in different region for winter
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dπAlmeida 等人创立的气溶胶气候学的修正版 ,主要用于气候理论和应用的研究[11] 。数据集中根据气溶胶 的时空分布采用混合比的方法描述气溶胶性质 ,使用 5 °×5 °经纬网格 ,是全球模式 ,它按照粒子的尺度分布 和折射指数随波长的变化规律将气溶胶分为 10 种类型 ,这 10 种类型的气溶胶分别是不同物质的混合物 ,包 括内部混合和外部混合 。每种气溶胶成分的光学特性是基于 Mie 散射理论 ,并假设气溶胶粒子是球形粒 子 。这些数据可以按照不同季节 (包括冬夏两季) 、不同相对湿度 、不同波长 (23 波段) 和不同类型气溶胶分 别处理 。本文着重研究黑碳气溶胶的光学厚度分布 。GADS 的数据利用了不同地区的地基探测资料 、卫星 资料和直接的气溶胶辐射观测资料的同化 ,可以代表大气的一般情况 。实际大气中 ,气溶胶粒子的形状很不 规则 ,谱分布也十分复杂 。本文假定黑碳气溶胶粒子的形状为球形 ,谱分布为对数正态分布 。因为对数正态 分布主要针对产生机制相同的气溶胶粒子 ,它最适用于对这类气溶胶的成分 、类型和时空变化进行描述 。由 于气溶胶粒子中尺度较小的粒子相对集中 ,采用对数坐标较为方便 ,因此 ,该分布函数曾为气溶胶和其气候 效应专家委员会推荐[12 ] 。
2 结果与分析
理论上认为波长在 01 55μm 处的光学厚度能够代表气溶胶在整个短波谱段的消光的平均状况 ,本文计 算了 01 55μm 处黑碳气溶胶的光学厚度 。 2. 1 黑碳气溶胶光学厚度分布特征及其原因分析 2. 1. 1 黑碳气溶胶光学厚度及质量浓度全球分布特征
图 1 给出 01 55μm 黑碳气溶胶光学厚度在冬 (1 月) 夏 (7 月) 两季的全球分布情况 。可以看出 :黑碳气 溶胶光学厚度分布具有明显的季节和地理差异 。黑碳气溶胶光学厚度陆地大于海洋 ,北半球大于南半球 ,北 半球中高纬地区大于低纬度地区 ,冬季大于夏季 。表 1 给出了南北半球及全球黑碳气溶胶在冬夏两季平均 光学厚度 。黑碳气溶胶光学厚度平均值北半球比南半球大一个量级 ,北半球冬季比夏季大 ;而南半球则相 反 ,全球冬季比夏季大 ,这主要是冬季取暖等燃料消耗增多而引起的 。黑碳气溶胶光学厚度的在冬季的地理 分布特性 (以表 2 为例) ,大值区位于人类活动密集的工业发达地区 ,其中西欧 、东亚 、北美 、中东地区都是黑 碳气溶胶光学厚度大值区 ,说明人类对黑碳气溶胶光学厚度的分布会产生较大的影响 ,是使黑碳气溶胶光学 厚度增加的主要因素 ,另外 ,值得注意的是南亚地区黑碳气溶胶的光学厚度也比较大 ,这大概与秸秆的燃烧 以及交通工具的使用有很大的关系 。
01 81 ×1022 01 496
01 81 ×1022 01 496
11 63 ×1022 01 992
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5期
马井会等 :黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析
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图 1 黑碳气溶胶光学厚度 (λ= 01 55μm) 全球分布图 : (a) 冬季 ; (b) 夏季 Fig. 1 The optical dept h (λ= 01 55μm) global dist ribution of black carbon aero sol for winter (a) and summer ( b)
全球仍缺少广泛 、长期的黑碳气溶胶浓度观测 ,有关黑碳气溶胶光学性质的参数 、尺度分布 、垂直分布及 与硫酸盐等其他气溶胶混合方式的实验结果更是缺乏 ,不能为模式提供大量准确的实验数据基础 ,这也是造 成全球辐射模式模拟结果还有很大不确定性的重要原因[9] 。黑碳气溶胶对环境与气候变化的影响的研究在 很大程度上依赖于对其时空分布状况的了解和光学特性 (光学厚度 、相函数 、对称度因子 、单散射反射率 、消 光系数等) 的准确估计[10] 。有关黑碳气溶胶的光学特性研究是目前国内外研究的难点和热点 ,不同区域的 气溶胶的光学特征可能存在很大差别 ,国内还没有用全球气溶胶数据 ( GADS) 详细研究黑碳气溶胶的光学 和辐射特性等方面的工作 ,本文应用 GADS ( Glo bal Aero sol Data Set) 中的黑碳气溶胶资料 ,模拟了冬夏两 季黑碳气溶胶光学厚度全球分布 ,分析了造成这种分布的原因 。
摘 要 利用全球气溶胶数据集 GADS( Glo bal Aero sol Data Set) 计算了冬夏两季黑碳气溶 胶质量浓度分布以及在波长 01 55μm 处的光学厚度 、吸收系数和散射系数在全球的分布 ,并分析 了原因 。通过分析黑碳气溶胶复折射指数虚部 、单次散射反照率 、非对称因子 、吸收系数 、散射系 数和消光系数随Fra Baidu bibliotek长的变化 ,得出黑碳气溶胶的吸收系数和散射系数在小于 01 5 μm 的短波范围 内具有相同的数量级 ,随着波长的增大 ,吸收系数比散射系数大几个数量级 ;黑碳气溶胶对小于 1 μm 的短波有强烈的吸收作用 。另外还给出了冬夏两季南北半球及全球黑碳气溶胶平均光学厚 度值 、7 个地区黑碳气溶胶光学厚度及质量浓度最大值 ,其中冬季黑碳气溶胶光学厚度的最大值 为01 027 5 ,位于东亚地区 ;而质量浓度最大值为 11 555μg / m3 ,位于西欧地区 。
罗云峰 、吕达仁等分析了我国大气气溶胶光学厚度的年 、季空间分布特征和年际之间的变化[324] 。宗雪 梅 、邱金桓等利用累积太阳直接辐射资料 ,反演了逐时气溶胶光学厚度值 ,分析了气溶胶光学厚度变化特 征[5] 。赵秀娟 、陈长和等采用 6 S 模式反演了兰州城市及其附近地区的气溶胶光学厚度[627] 。张立盛 、石广 玉采用两种 C TM 模拟的硫酸盐和烟尘气溶胶时空分布资料 ,计算了 01 55 μm 处光学厚度的全球分布 。两 种资料均模拟出全球几个主要的人类活动中心 。指出 ,南半球人类活动影响也不容忽视[8] 。
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