大气的环境化学第七章 气候变化的大气化学原理

3. 冰云与气溶胶间接辐射强迫 地面排放气溶胶传输到对流层的上空，成为冰的凝结核
有利于冰晶的形成。 飞机排放的颗粒物在高空形成冰核，称为在高空形成了
凝结尾迹，有利于冰晶沉降，降低了高层空气中水蒸气含量 从而影响卷云的形成和大气湿度垂直廓线，进而产生间接的 辐射强迫。
4. 气溶胶的间接辐射强迫清单
全球年平均简介辐射强迫清单
IPCC,2019
北半球/南半球 比例
IPCC,2019
SO42气溶胶种类
-0.40[2X]
-0.4[2X]
全球平均直接辐射强迫/(W·m-2) [不确定因子]
IPCC,Second Assessment Report
IPCC,2019
>1 北半球/南半球
比例
IPCC,2019
化石燃料BC
+0.10[3X]
三、炭黑气溶胶（BC）的辐射强迫以及气候效应
炭黑气溶胶对光一吸收为主，对大气又加热作用，使全
球气候变暖。
全球BC辐射强迫清单
1.
化石燃气溶料胶燃烧产生的BC
直接辐射强迫/（W·mˉ²） +0.20
混合状态或光学参数Φ 外混合
+0.36
硫酸盐内混合
+0.16
外混合
化学燃料燃烧BC
+0.42
硫酸盐内混合
弹性散射 非弹性散射 一次散射 多次散射
x2r/
X<<1 瑞利散射；0.1<x<50 米（Mie)散射 x>50 几何光学方法
大气散射参数的观测研究
消光系数Kex： 测量光（I0）通过一段距离（L）的 衰减
II0ekexl
光学厚度是一段路径大气消光系数的总和：
kexdl
垂直路径的大气光学厚度为：
温室气体的净效应不只取决与它对地球长波辐射的 吸收，还取决于它自身发射的红外辐射。
CO2进入平流层，由于浓度很低，吸收的红外辐射 很小，但平流层温度随高度增加而升高，激发态分子 比例也随着高度增加而增加，净结果是更多的辐射能 量进入到宇宙空间，与对流层相反，平流层CO2起降 温作用，H2O也一样。
三、温室气体的辐射强迫
辐射强迫：考虑某一扰动作用于气候系统，当平流层温度 已调至辐射平衡状态，而地表和对流层仍保持未扰动状态 时，这一扰动所产生的对流层顶平均净辐照度的变化（包 括太阳辐射和红外辐射），称为辐射强迫，单位是W/m2， 能够打破地气系统平衡的扰动，被称为辐射强迫因子。
T F
T——全球平均地表变温化度量 o的 C； ， F——辐射强W 迫/， m2； ——气候敏感度oC参 2/W 数。，
和热对流方式给予大气；整层大气辐射平衡为负，通过地面显热和潜热补偿
实际辐射平衡状况在不同纬度和季节都会有所变化
第二节 温室效应和温室气体
大气中的温室气体，能够吸收来自地面、大气和云层的部分红外辐 射，并向外发射红外辐射，由于这些微量气体发射的红外辐射是朝向 各个方向的，其中一部分辐射返回地面净的结果是将能量阻截在低层 大气中，使地面温度升高，这种作用机制被称为天然温室效应；能够 产生温室效应的气体就称为温室气体。
0.125-0.325 0.85-2.15 100-300 2.4-4.8 0.19-0.29 0.78-1.00 0.03-0.09
2. 第二种间接辐射强迫作用 CNN增加，降低云滴大小，降低云滴碰撞合并的速率，
导致降水效率的降低，云寿命增长，进而影响大气中水和 热的垂直分配、全球水循环、对全球天气变化的作用不可忽 略，但由于影响因素很多，测定非常困难
二、大气中的温室气体
大气中温室气体分为两类：一种能吸收和发射红外辐射， 称为辐射活性气体，包括CO2,CH4,N2O和卤代烃等寿命较长， 在对流层大气中混合均匀的气体，也包括时空分布差异很大 的O3；另一种不能或只能微弱地吸收和发射红外辐射，但可 以通过化学转化来影响辐射活性气体的浓度水平，称为反应 活性气体，包括NOX，CO和VOCS.
四、全球变暖潜势
全球变暖潜势（global warming potential GWP）：是一个相对概念,定义为单位
质量的某一温室气体在一定时间内相对于参考气体的累积辐射能力。
第三节 气溶胶的辐射强迫
气溶胶的辐射强迫：一方面导致大气对太阳光散射作用增强， 反照率增加，产生负的辐射强迫；一方面吸收太阳辐射，产 生正的辐射强迫。
气候异常：指正常气候起伏中出现的明显反常现象，导 致人类及动植物的不适应，影响人类社会及生产活动，危机 动植物的正常生长发育，并可能导致飓风、热浪、暴风雪等 灾害性时间。
大气辐射以及各个圈层内部和相互之间的物理、化学和 生物过一节 大气辐射传输过程
二 一次 次生 排 气 成 放 溶 胶 浓 度C I升N高 C INPCDN 浓 C 度 增 大 ， 粒云 云 云 径变的 的 的 小 生 光 反命 学 照周 厚 率 辐 期 度 增射 增 增 加强 加 加 F迫 ） CC— N—云的凝结核； CDN —C —clouddropnluetmcboenr ceino,tn云 rat滴数浓度； IN——冰核； IP——冰晶。
The importance of black carbon has only recently been recognized
Linkages of Air Pollution to Climate Change
O3 (0.3+0.1)
Black (0.8) Carbon
(Hansen et al., PNAS, 2001)
全球平均辐射强迫/(W·mˉ²) [不确 定因子]
IPCC,Second assessment Repot
IPCC,2019
北半球/南半球比 例
IPCC,2019
简介辐射强迫
0-﹣1.5 [硫酸盐]
凝结尾迹卷云效 --
应
--
0-﹣2.0
＞1
[第一种间接辐射
强迫，所有气溶
胶]
0.02[-3.5X] 0-0.04
粒径：积聚模态气溶胶粒径与太阳短波辐射波长相近，具有 最大的质量消光系数，又易悬浮在大气中，大气寿命长， 是辐射强迫的主要贡献者。
化学成分：外混合：不同成分以独立个体存在 内混合：单个颗粒物由多种化学成分组成
全球平均辐射强迫清单
气溶胶种类
全球平均直接辐射强迫/(W·m-2) [不确定因子]
IPCC,Second Assessment Report
(z) kexdz
整层大气垂直光学厚度为： z
(0) kexdz
0
太阳光度计测量大气光学厚度： SS 0e（ x-p 0 s e0)c
地球大气系统接受 的太阳短波辐射
S0R2(1 A)4R2T4
Te 4
S0(1 A)
4
地面、大气及地气系统的辐射平衡
地气系统向宇宙空间的 长波辐射
太阳常数：S0=1367 W/m2; 行星反照率： A=0.3； 斯蒂芬-玻尔兹曼常数 σ=5.6696×10-8 W·m-2·K-4 计算结果：Te=255K （约-18℃），为地气系统平衡时的有效温度
气溶胶对于成云的影响
1. 第一种辐射强迫作用 只有含有可溶性物质的气溶胶才能成为CNN，包括硫酸
盐气溶胶、海盐气溶胶、硝酸盐气溶胶以及表面含有亲水基 团的有机气溶胶。目前，主要对0.1~1μm之间的硫酸盐气 溶胶研究较多。
北半球海洋地区第一种间接辐射强迫不确定性分析
参数 北半球海洋地区背景N/(个·cmˉ³)
第七章 气候变化的大气 化学原理
气候：研究气温、降水、风速风向等气象要素的长期（如 100年）平均规律，是一个地区的冷、暖、干、湿等天气状 况基本特征的综合反映。气候系统由大气圈、水圈、生物圈、 岩石圈和冰冻圈共同组成，气候是这些圈层相互作用的结果。
气候变化：指长时期内气候状态的变化，通常用不同时期 温度和降水等气候要素统计量的差异来反映，变化的时间尺 度从最长的几十亿年到年际、季际、月际。
一、大气对辐射的吸收和散射 吸收：空气分子与电磁波发生相互作用时，一部分电磁 场的能量转化为分子或原子内部的能量。被吸收的能量可 使温度增加，也可变化为化学能或导致光化学反应。一般 吸收都伴随着分子内部的能级跃迁，具有波长选择性。
I I0e0LalNdl
散射：当电磁波照射到折射不均匀的地区时，会发生传 播方向的改变，称为散射。大气中的空气分子、水滴、气 溶胶粒子、冰晶等颗粒物会造成散射，由于温度不均匀导 致的湍流块也会造成散射。散射过程特点是将波传播的方 向改变。
能够简单、准确反映某一辐射强迫因子对气候系统的影 响。
直接辐射强迫：辐射活性气体通过吸收和发射红外辐射对辐 射平衡产生影响。 间接辐射强迫：反映活性温室气体通过影响化学转化过程和 大气中反映活性物种（例如OH）的分布对辐射平衡产生间 接的影响。
新增温室气体产生的辐射强迫会 随着其本底浓度的增加而减弱， 存在饱和现象。
＞＞1
除硫酸盐气溶胶外，生物质和化石燃料燃烧产生的含碳气溶 胶、炭黑气溶胶及沙尘气溶胶也是间接辐射强迫的主要贡献者。
吸水性
气溶胶粒子吸收后粒径和消光系数都会增大
潮解相对湿度（DRH), 如果环境 湿度大于DRH，颗粒则吸水生长 半径增大；如果低于DRH，则水 分蒸发，粒径降低。
湿度消光增长因子f（RH）
由于温室效应的存在，实际上地球表面平均温度为15 ℃
S0 4
(1
A)Ta4A1
Tg4(1AL)
S0 4
(1
A)(1
AS)Tg4AL
Tg4
Tg 4
S0 4
(1
A)(2
AS
)
(2 AL )
Ta 4
S0 4
(1
A)( AS AL AL (2 AL )