船舶黑碳的研究现状及对北极的影响

2．船舶黑碳对海冰的影响 黑碳对全球的气候变化有这重大的影响，主要变现在三 方面：地气辐射平衡影响，云气候效应机制，冰雪反照率反 馈机制。（1）由于黑碳气溶胶与北极冰雪表面相比，能更有 效地吸收太阳辐射，引起明显的正辐射强迫[12]。研究表明北 极黑碳气溶胶增暖效果大于反射性气溶胶冷却效果，形成一 个有效的增暖机制，从而影响地气辐射平衡。（2）黑碳气溶 胶通过改变云滴大小、云量和云的寿命，间接影响区域及全 球气候变化。（3）前面两个方面都是高空中的黑碳气溶胶的 影响，而船舶黑碳接近海平面，易于沉降，所以船舶黑碳对 北极的影响主要表现在第三方面。沉降在冰雪表面的黑碳能 够改变海冰的物理性质，降低海冰的反照率，使得海冰表面 吸收更多的太阳辐射，从而使海冰加速融化，夏季来临前海 冰已经暖化，由于北极航线的开通，北极内国际航行船舶密 度加大，船舶黑碳排放量由此增加，而且会在短时间内沉降 在海冰上，从而使得原本已经暖化的海冰覆盖地区，继续融 化，如此恶性循环，裸露出海洋只是时间的问题。Hansen 等[13]研究报告表明黑碳引起北极海冰反照率改变为1.5%。 Flanner等[14]采用SN ICAR结合NCAR CAM3评估的海冰表 面黑碳辐射强迫为0.047 W·m-2。IPCC在第四次报告[15]中 第一次表明黑碳在海冰表面辐射强迫约为0.07W·m-2。与 CO2相比，黑碳产生的升温效果比CO2 要集中，对海冰的增 温效应是CO2的三倍[14]。这种情形还将加强开辟新的极区航 道，进而又会使船舶黑碳增加。 三、IMO对黑碳的相关规定
第 16 卷 第 12 期 2016 年 12 月
中国水运 China Water Transport
Vol.16 December
No.12 2016
船舶黑碳的研究现状及对北极的影响
白春江，李 颖，姜 政
（大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026）
摘 要：黑碳是继 CO2 后第二大人类导致气候变暖的因素,随着北极航线的开通,船舶黑碳将成为极区不可忽视的黑 碳来源,将对北极环境存在严重威胁。介绍了黑碳的定义和测量方法，重点从船舶黑碳量和对海冰的影响两方面来分
析船舶黑碳的研究现状，再叙述了 IMO 对船舶黑碳的相关规定以及我国的发展现状，并提出了相应的发展建议。
关键词：船舶黑碳；北极航线；海冰；IMO
中图分类号：P539.7
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2016）12-0152-03
一、黑碳的定义及测量方法 1．定义 黑碳（BC）是大气气溶胶的重要组成部分，又称黑碳气 溶胶，是化石燃料和生物质燃料等不完全燃烧产生的一种无 定型碳质。黑碳在环境中广泛存在，并且通过干湿沉降进入 土壤、冰雪、海洋和湖泊沉积物中。黑碳与其他温室气体相 比，因为具有更宽的吸收波段,能够吸收太阳福射、地表福射、 大气辖射,从而对地球-大气系统的能量收支产生影响,进而影 响全球气候[1]。虽然目前船舶不是大气中黑碳的重要来源， 但随着北极航道的开通，船舶在北极黑碳排放量日益增加， 并且排放空间位置较低，易于沉降在海冰或冰雪表面，能降 低海冰的反照率，其增温效应可能会加速北极海冰融化，所 黑碳的潜在影响应该是一个值得考虑的重点。 2．测量方法 目前黑碳气溶胶的测量方法主要有三种:光学方法，热学 方法，化学方法。 （1）光学方法，它是目前应用比较广泛的黑碳气溶胶的 测量方法,主要有光反射法[2]、光吸收法[3]、多向散射法[4]和光 声法[5]等方法,测量原理是采用透光均匀的石英纤维膜采集大 气气溶胶样品，对透过滤膜的不同波长光的光学衰减进行测 量，来确定其含量。这些方法操作简便，高分辨率，可以实 现实时的观测。但石英纤维膜以及采集样品中其他粒子对光 吸收和散射的干扰,对测量结果有一定影响。 （2）热学方法，又称热氧化法，是通过对石英纤维膜采 集的气溶胶加热和氧化，收集其释放出来的碳的来测量黑炭 气溶胶的浓度。但此方法在实验室外测量，不但不能排除其 他气溶胶的干扰，而且更难测量大气气溶胶共存的黑碳和有 机碳，使测量存在一定误差[6]。 （3）化学方法,包括化学氧化法[7],通过间接测量与黑碳 有关的某类物质的浓度来计算黑碳气溶胶浓度。目前为止， 尽管出现了多种黑碳观测方法，本身都会存在一定的误差,并 且不同测量方法得到的结果也存在较大差异[8，9]。所以在研
表1 2004年北极地区各类型船舶黑碳排放量
船舶种类
集装 散货船
箱船
Biblioteka Baidu
普通
其他服
政府船
客轮
货船
务船
油轮
拖/驳 船
渔船
总计
黑碳排放量 122 239 201 40.1 1.19 120 62.5 3.38 363 1180
（t/年）
由图表可知，2004年北极大约有1,180t的黑碳被排放。 与全球估计的黑碳排放量相比，这只是一小部分。然而即使 是少量的黑碳，也将对该地区的海冰融化产生不成比例的潜 在影响。海事部门将面临控制船舶黑碳排放的巨大挑战，尽
究分析黑碳气溶胶的工作中应强调使用的测量方法。 除以上普遍使用的三种方法外,可以利用卫星遥感对黑
碳气溶胶进行大尺度观测。卫星遥感观测方法能实现全天候 观测，持续时间长,作用范围广，弥补了船基站等定点观测的 不足。由于卫星遥感观测的是长时间、大空间尺度的数据， 所以精度不高，分辨率较差,在实际研究中一般作为定点观测 的辅助测量手段。
二、国外船舶黑碳研究现状 1．日益增加的船舶黑碳量 根据已发布于2013年的具有里程碑意义的一个长达四年 的研究，黑炭是继CO2后导致气候变暖的第二大人为因素。在 北极地区，黑碳的排放和沉积是特别值得关注的，由于它有减 少海冰和雪反照率(反射率)的作用，在接受太阳辐射时，反照 率的减少大大地增加了冰和雪的融化率，经暖化的冰雪即使含 有极少量的黑碳气溶胶就能产生大的增暖效应，形成更多的开 放性水域，因此，又进一步减少了该区域的反照率。2013年 1月由31位国际认证的科学家出版的评估准则中指出，国际航 行船舶排放黑碳的总量占全球排放总量的2%[10]，占所有柴油 黑碳排放总量的9%，其中三分之一都排放在40°N以北区 域，如果按照这样的速度增长下去，预计2050年国际航行船 舶在北极黑碳排放量将翻5倍[11]。 表1是2004年利用AMSA的海洋活动数据库，基于北极 理事成员国报告的信息统计出黑碳排放总量表。
收稿日期：2016-08-22 作者简介：白春江（1980-），男，大连海事大学，讲师。 基金项目：辽宁省自然科学基金资助（2015020622 ）；中央高校基本科研业务费专项资金(3132015002)。
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白春江等：船舶黑碳的研究现状及对北极的影响
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管在某些区域已经实施强制的要求，但在其他区域，海洋船 舶通常使用低质量燃料,平均含硫量27,000 ppm、而且没有 采用用于控制柴油机排放的先进污染控制设备。值得注意的 是，船舶排放黑碳经常发生在低排放和大气黑碳浓度低的区 域，因此船舶黑碳将是极区黑碳重要来源，并且这些黑碳排 放海拔相对较低，接近有利于他们沉降的冰雪表面。所以船 舶很可能成为极区黑碳排放的重要来源。