气溶胶研究若干问题

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Asian Brown Cloud
1995年至1999年，一个由250位科学家组成的 国际科学工作组，在对印度洋上空进行科学监 测中发现，一层三公里厚，相当于美国大陆面 积的棕色污染阴霾云层笼罩在印度洋、南亚、 东南亚和中国上空。阴霾中含有大量硫酸盐、 硝酸盐、有机物及其他污染物颗粒，被专家形 象地称为亚洲棕色云（ABC）。目前，国际社 会对此给予了极大关注，诺贝尔奖获得者Paul Cruzan教授甚至断言“亚洲棕色云 ”的重要性不 亚于臭氧层损耗。
如何更好地评估气溶胶的直接效应？ 模式的化学和输送预报气溶胶的水平和垂直浓度和辐射 效应。他们提供仅有的过去和未来的辐射强迫。 IPCC模式估 计的辐射强迫为:硫酸盐-0.4 W m-2，化石燃料燃烧碳黑+0.2 W m-2, 化石燃料燃烧的有机碳-0.1 W m-2, 生物体燃烧-0.2 W m-2, 硝酸盐没有估计。 最近的研究（Jacobson，Seinfeld） 估计的BC的辐射强迫 达到0.55W m-2，由于这一强迫包括来自化石燃料燃烧和生物 体燃烧，远高于IPCC估计。 模式的可靠性受到输入数据的质量和物理过程参数化的精 度。辐射强迫的大小依赖于粒子的位置，物理化学特性（表1 ）。控制这些机制的过程还没有很好的认识来限制模式，特 别是BC。模拟的硫酸盐强迫依赖于预报的大气浓度。即使有 相同BC的浓度,模式关于BC的辐射强迫也是不一致的。
沙尘气溶胶的长距离输送
1998年4月17起源于中国新疆的特大沙尘暴
沙尘气溶胶的气候效应
• 气溶胶对气候的影响主要通过两种方式： 一种是通过散射和吸收太阳辐射直接影响气 候，另一种以云凝结核（CCN）的形式改变云 的光学特性和云的分布而间接影响气候。 • 目前有关沙尘气溶胶气候强迫的估计存在较 大的不确定性，甚至其强迫的正负号也没有 确定（从+0.5 W/M2到-0.7 W/M2），间接效 应的不确定性更大。
“ 大气棕色云 ”(ABC) 是一种大范围的深厚的气溶胶层。 除了和工业排放有关系外，可能和近年来亚洲大量农业秸 杆燃烧等等人为因素有密切关系，之所以呈棕色也可能和 氮氧化物含量高有关。 我国至今我们还没有一个大型的国家级的气溶胶研究项 目,已有的研究是分散的和不系统的。至于上述参加的 ACE-Asia 研究项目，基本上主要是科研人员自愿参加，并 且以研究沙尘气溶胶为主。 目前对ABC的形成机理，迁移规律及其生态影响还不清 楚。需要开展深入研究。
气溶胶如何影响气候？
工业革命以来温室气体和气溶胶大量增加。 D<1微米，和进入地球大气的太阳辐射作用。 气溶胶分反射(冷却效应，如硫酸盐气溶胶)气溶胶和吸收气溶胶 （加热效应，如BC）。 气溶胶不仅对气候有影响,还有环境效应——人体健康和生态系统 等。 发达国家排放 50 ％的 CO2, 并对大气中增长的 CO2 负责。但是大部 分BC/OC来自亚洲，拉丁美洲和非洲。80％的SO2——形成硫酸盐气 溶胶来自化石燃料燃烧，主要来自电厂和工业使用. BC来自化石燃 料燃烧,煤燃烧用于采暖或烹调。 由于气溶胶没有在大气中很好地混合，他们的气候与环境效应依 赖于水平或垂直分布。测量他们的当前位置，评估其当前状态是确认 模式结果所必须的；模式需要这些特性的当前、过去和未来的评估。
中国沙尘暴
中国科学院大气物理研究所 北京 100029)
沙尘暴、扬尘、浮尘的定义
z 沙尘暴：由强风将地面大量沙尘吹起，使空气浑浊，水平 能见度小于 1 千米的天气现象； z 扬 尘：扬沙与沙尘暴大多在冷空气过境或雷雨、飑线影 响时出现，北方都是在春季容易出现。所不同的是扬沙天 气风较大，影响的能见度在 1-10 公里；而沙尘暴风很大， 能见度小于 1 公里。 z 浮 尘：而浮尘是由于远地或本地产生沙尘暴或扬沙后， 尘沙等细粒浮游空中而形成，俗称“落黄沙” ，出现时远方 物体呈土黄色，太阳呈苍白色或淡黄色，能见度小于 10 公里。
沙来自百度文库暴的危害
z交通—铁路，航空 z建筑设施，文物 z人民生命财产 z 工农业生产。
危害农林牧业生产 —— 大片农田、草场被沙埋、风蚀， 引起巨大损失。 沙尘暴发生时，狂风刮断高压线，造成停电、停水、停 产，直接对工业生产带来巨大损失。
世界植被分布图—地球大气环流
为什么研究沙尘暴
A) 区域及全球气候效应 B) 交通、民航、农牧业等 C) 空气质量和环境影响 D) 生命安全及人体健康 E) 经济损失 F) 其他
气溶胶与温室气体的气候效应
气溶胶对气候产生加热或制冷效应。气溶胶对气候的影 响与温室效应气体的影响是不同的，二者不能简单抵销或叠 加。气溶胶的气候效应比温室气体复杂得多。 这是因为： 1）二者寿命不同。对流层气溶胶的寿命只有几天到几周， 它的辐射强迫作用集中在排放源附近，而且基本只影响北半 球，而温室气体的寿命是十年和百年的尺度，已经在全球范 围内产生影响。 2）从影响的时间看，气溶胶的影响主要是对白天的太阳辐 射，而且夏季低纬度影响较大，而温室气体则昼夜都有影 响，冬季和中高纬度影响大。 3）从与下垫面的关系看，气溶胶对辐射的影响与下垫面的 光学性质关系极大，同样一层气溶胶，下垫面光学性质不同 时它产生的辐射强迫会有很大差别，甚至引起符号相反的影 响, 而温室气体的影响则基本与下垫面性质无关。
Global BC Emissions
Tami Tami Bond Bond， ，2002 2002
Regional BC Sources Regional BC Sources
India Pacific Other Asia Africa/MidE Former USSR Europe Latin America N America China 0 500 1000 1500 2000 Power gen Industry Res coal Res biofuel Res other Diesel Other transp Savanna Forest Crop res
BC emissions (Gg/year, 1996)
中国被认为是第一黑碳排放大国
CO2 and BC annual emissions
USA
Mexico
Germany
UK
Japan
China
India
Blobal
CO2(Tg C) BC(TgC)
5,576
397
983
596
1,285
3,749
沙尘暴的其它名称
• 新疆—黑风，黑风暴； • 内蒙—黄风 • 日本：KoSa • 韩国：Whangsha • dust aerosol, dust particle, mineral aerosol, air-borne particle…
沙尘暴的危害方式
• • • • 沙埋 风蚀 大风袭击 输送-污染大气环境
15 µg/m3 Annual 3-year arithmetic average – spatial average 65 µg/m3 24-hour 3-year average of 98th percentile at each monitor 50 µg/m
3
Annual 3-year arithmetic average – no spatial average
2001 Spring
ACE-ASIA TRACE-P
Transport and Chemical Evolution over the Pacific (TRACE-P)
White Paper prepared for GTE of NASA
http://www-as.harvard.edu/chemistry/trop/tracep
（IPCC 2001)
Radiative Forcing due to atmospheric composition change during 1850-2000（Hansen and Sato, PNAS，2001）
CO2
CH4
Trop. O3
Black Carbo n
部分有关气溶胶研究的大型 国际观测计划
150 µg/m3 24-hour 3-year average of 99th percentile at each monitor
颗粒物标准
1. 目前，对颗粒污染物的研究已从总悬浮颗粒物(TSP)转 向可吸入颗粒物(IP)。美国环保局公布的大气颗粒物 标准中，1987年用PM10替代TSP；1996年增加了PM2..5 细颗粒物的24小时和年平均限值。 2. 中国环保局2001年采用PM10标准 3. 最近的研究表明，中国PM2..5污染有相对加剧的趋 势。
近年来，酸雨面积在扩大，酸性进一步加强。
ABC,沙尘暴，酸雨，大气污染,沙漠化等一 系列现实问题都直接关系到气溶胶研究。 1. 中国气溶胶特性的时空分布特征，物理化学特性，各 个来源及贡献率以及其强度的时空变化？ 2. 气溶胶对区域及全球天气气候影响。对我国温度降雨 和气候的可能影响？ 3. 人为活动和土地利用变化对气溶胶浓度影响及贡献. 4. 中国气溶胶（如沙尘，BC/OC气溶胶）排放清单。 5. 中国气溶胶的沉降机理及其影响. 6. 气溶胶与其它污染物的相互关系?
气溶胶研究的若干问题
张仁健 ppt
中国科学院大气物理研究所 北京 100029
引言
气溶胶研究既是一个古老课题，又是一个二十一世纪 的前沿课题。作为一个全球变化最不确定及与人类生存环 境密切相关学科之一，气溶胶研究已经成为国际爆炸性的 热门课题。 近年来，有关气溶胶研究发表的论文呈指数增长。 “自然”，“科学”等主要科学杂志不断报道该领域的最新研究 成果。 世界许多国家（美国，其他亚洲国家等）已投入大量 科研基金和科学家用于气溶胶的地面及空间等各种环境的 测量和模拟研究。 气溶胶与环境恶化及人类生活质量密切相关。 人们常关 心的土地利用，沙漠化，沙尘暴，酸雨，大气污染等气候 与环境问题都与气溶胶密切相关。
Recent Characterization of Dust Storm in China
•Frequency increasing:
In 2000 In 2001 In 2002 15 times >18 times 17 times
Influencing wider area
991
26,939
0.32
0.08
0.05
0.05
0.09
1.2
0.56
7.00
Chameides W. L. et al., 2002
U.S. National Ambient Air Quality Standards
(July 18, 1997)
Particle Size PM2.5 PM2.5 PM10 PM10 Level Averaging Time Requirements
气溶胶物理化学光学特性
尽管气溶胶物理化学特性（浓度，组成，粒子尺度）与光学 特性（光学厚度，单次散射反照率） 有关系，但用一种特性推 出另一个特性时还是带来很大的不确定性。光学特性还依赖于光 波长，用单一波长测量通常不能代表整个太阳光谱。 卫星遥感是获得气溶胶全球及区域分布的唯一手段。 气溶胶的一些特性必须通过现场测量，通过采集和分析样 品。最长的历史记录是GAW以及NOAA测量。为确认全球所有区 域的趋势，这些站目前是不够的。很多科学家参加的针对特殊地 区的短期加强观测试验。这些研究提供了详细的了解关于气溶胶 特性，检测关于化学和辐射特性关系的认识，提供足够细的数据 供模式验证。 粒子的化学测量是不可少的，确定其来源及其贡献率。特别 是含碳气溶胶，需要更好地标准化以便比较。关于BC的时间变化 几乎没有很好的资料。 中国的广阔空间，高浓度区，高空白区,气溶胶特性研究远远 不够。
沙尘暴发生机理
沙源、大风和不稳定大气。
• 丰富的沙源是形成沙尘暴的物质基础； • 大风是不可少的动力条件； • 不稳定大气有利于强对流的发生和发 展，加强对流性天气过程。
沙尘暴的发生与大、中、小尺度天气背景、沙尘土壤 粒子的特性、地形、地貌、人类活动土地利用等多种 因子有关，而目前对此机理还不清楚。