大气的环境化学第七章 气候变化的大气化学原理

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。
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：
+0.20
化生燃料OC内混合
+0.17
外混合
+0.2
2. 生物质燃烧产生的BC
外混合物
气溶胶 生物质燃烧(BC+OC) 化石燃料和生物质燃烧BC
直接辐射强迫/（W·mˉ²） -0.3 -0.74
-0.14/-0.23 +0.4 +0.27 +0.54
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。
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。
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]
一、气溶胶的直接辐射强迫
气溶胶的消光作用：散射和吸收，以散射为主 Dp<0.05μm, 爱恨核模 瑞利散射 主要对紫外光散射大 0.1< Dp<1 μm,积聚模 米散射辐射强迫主要来源 Dp> 10 μm ,消光佯谬
米散射消光系数理论计算公式：
e()0 D P m 1D 4P 2Q e(m ,)n (D p)dp D
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.
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 )
AS AL )
当大气层对长波辐射吸收率AL增大时，地面温度也将升高 地面辐射收入总是大于支出，多余能量用于水分蒸发，以潜热
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
平流层O3损耗，降低平流层温度，降低向下的红外辐射； 增加进入对流层紫外辐射，使对流层光化学过程活跃，OH浓 度增加，加速CH4和HFCs的去去除，起到降温作用
NOX 升高会使CH4和HFCs浓度降低，O3浓度升高，另外 作为N肥，沉降到地面和海洋，促进植物生长，降低CO2浓度， 对辐射平衡的影响很难量化。
(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)
“大气窗 口”7~13μm 地面长波辐射很强， CO2和H2O吸收很小 但O3，CFCs 吸收很大
判断一种物质是否为温室气体，主要有三个
方面：1. 该气体必须有足够宽的红外吸收带，在大气中浓度足够高，
能显著吸收红外辐射；2. 该气体如果在7~13 μm的大气辐射窗口有吸 收，对温室效应的增强最有效；3.大气寿命长。
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。
＞＞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）
北半球海洋地区人为干扰N/(个 ·cmˉ³) 云中液态水（LWC）的含量/(g·mˉ³)
硫酸盐颗粒背景浓度/（μm·mˉ³）
云层厚度 硫酸盐扰动量 f T 平均表面反照率
中心值 140 217
0.225 1.5 200 3.6 0.24 0.92 0.06
2/3置信区间 66-214 124-310
+0.20[2X]
>>1
化石燃料OC
——
-0.10[3X]
>>1
沙尘气溶胶Leabharlann Baidu
——
-0.60-+0.40
——
不确定因子：最大值和最小值之差与最可能值的比值
二、气溶胶的间接辐射强迫作用
当气溶胶浓度大幅度上升，CCN（cloud condensation Nuclei)数目增加，云中含水量不变的情况下，云滴的数浓 度增加，粒径减小，云对太阳辐射的反照率升高，造成负的 辐射强迫（第一种）；云滴粒径减小，使降水效率降低，云 的寿命增长、云厚度以及云量增加，产生负的间接强迫效应 （第二种）。
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
气体分子的红外辐射
基态（E0） 碰撞活化、吸收光子 激发态(E1) 激发态(E1) 自发发射、受激发射、碰撞失活 基态（E0）
对流层由于气体浓度高，碰撞活化和碰撞失活是主导因素
激发态分子数 基态分子数
N1 g1e(E1E0)/kT N0 g0
玻尔兹曼分布：处于激发态的分子数目随着 温度降低而减少，辐射能量也随着温度降低而减少
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 生物过程的相互作用决定了气候变化。
温室效应 气溶胶：阳伞效应
第一节 大气辐射传输过程
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)
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
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
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。
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
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。，
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。
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。