气溶胶吸收及气候效应研究的新进展 夏祥鳌王明星 中国科学院大气物理研究所 摘要:最新研究结果表明仅关注气溶胶大气顶辐射强迫是不够的,特别是对于在短 波辐射区域存在较强吸收的气溶胶类型,如烟尘、沙尘气溶胶。 INDOEX实验表明来自印度 次大陆的吸收性气溶胶产生的地表辐射强迫在量值上是大气顶辐射强迫的3倍左右,二者 的差额以大气辐射加热的形式出现。气溶胶吸收通过加热气溶胶层所在大气,减少地表太 阳辐射,影响地面蒸发,改变大气稳定度,从而影响水分循环。另外气溶胶的吸收对云产 生“燃烧效应”,从而可能导致云量下降。鉴于气溶胶吸收的重要性,气溶胶吸收问题是当 前气溶胶气候效应研究的一个热点问题。尽管关于气溶胶的吸收问题以及与之有关的气候 效应还存在很大不确定性,根据观测事实或模拟结果得出的结论差别明显,但勿庸置疑的 是气溶胶吸收是一个急需深入探讨的课题。由于我囯北方地区春季沙尘活动十分频繁,而 东部地区由于能源结构以及能源利用效率等问题致使气溶胶中吸收性成分(碳黑)含量偏 高,一些资料分析以及模式研究结果均表明我国发生了一些有别于全球或其他地区的独特 气候变化现象,初步分析表明气溶胶吸收在其中可能发挥了一定作用,因此加强我国气溶 胶吸收特性的观测和理论硏究,结合全球或区堿气候模式,深入认识我囯气溶胶辐射强迫、 气候效应具有重要的科学意义,另外对于评估我国近年来采取的一些卓有成效的污染控制 措施的环境和气候效应也是必不可少的。 关键词:气溶胶;吸收;辐射强迫;气候效应 前言 2000年春季,由国际大气化学组织(LGAC)牵头、旨在研究亚洲工业和沙尘气溶胶特性的亚洲
气溶胶吸收及气候效应研究的新进展 夏祥鳌 王明星 中国科学院大气物理研究所 摘 要： 最新研究结果表明仅关注气溶胶大气顶辐射强迫是不够的， 特别是对于在短 波辐射区域存在较强吸收的气溶胶类型， 如烟尘、 沙尘气溶胶。 ＩＮＤＯＥＸ 实验表明来自印度 次大陆的吸收性气溶胶产生的地表辐射强迫在量值上是大气顶辐射强迫的 ３ 倍左右， 二者 的差额以大气辐射加热的形式出现。 气溶胶吸收通过加热气溶胶层所在大气， 减少地表太 阳辐射， 影响地面蒸发， 改变大气稳定度， 从而影响水分循环。 另外气溶胶的吸收对云产 生 “燃烧效应”， 从而可能导致云量下降。 鉴于气溶胶吸收的重要性， 气溶胶吸收问题是当 前气溶胶气候效应研究的一个热点问题。 尽管关于气溶胶的吸收问题以及与之有关的气候 效应还存在很大不确定性， 根据观测事实或模拟结果得出的结论差别明显， 但勿庸置疑的 是气溶胶吸收是一个急需深入探讨的课题。 由于我国北方地区春季沙尘活动十分频繁， 而 东部地区由于能源结构以及能源利用效率等问题致使气溶胶中吸收性成分 （碳黑） 含量偏 高， 一些资料分析以及模式研究结果均表明我国发生了一些有别于全球或其他地区的独特 气候变化现象， 初步分析表明气溶胶吸收在其中可能发挥了一定作用， 因此加强我国气溶 胶吸收特性的观测和理论研究， 结合全球或区域气候模式， 深入认识我国气溶胶辐射强迫、 气候效应具有重要的科学意义， 另外对于评估我国近年来采取的一些卓有成效的污染控制 措施的环境和气候效应也是必不可少的。 关键词： 气溶胶； 吸收； 辐射强迫； 气候效应 前言 ２０００ 年春季， 由国际大气化学组织 （ＩＧＡＣ） 牵头、 旨在研究亚洲工业和沙尘气溶胶特性的亚洲 ·２５４·
2014“城市生态环境问题”钱学森城市学金奖、西湖城市学金奖征集评选 气溶胶特性实验(ACE-Asia)开始启动,这是LGAC在近几年内组织的第四次大型外场气溶胶综合 观测实验。前3次依次是针对海洋气溶胶的气溶胶特性实验1(ACE-1,1995年冬,澳大利亚南部太 平洋海域);针对工业气溶胶的对流层气溶胶辐射强迫观测实验( TARFOX,1996年夏,紧邻美国东 海岸);针对欧洲工业气溶胶和来自非洲长距离输送的沙尘气溶胶的气溶胶特性实验2(ACE-2, 997年夏,北大西洋东部),另外,其他一些国际合作项目如 IN-DOEX, SAFARI000、 PRIDE等也 将气溶胶辐射强迫作为硏究核心。这些事实充分说明气溶胶辐射强迫硏究已经成为继臭氧亏损、温 室效应之后又一个重要的大气科学研究领域。 尽管近年来就气溶胶辐射强迫问题开展了许多大型外场综合观测实验和理论硏究,也取得了许 多成果,但气溶胶辐射强迫仍然是当前气候模拟和未来气候变化情景预测的一个极大的不确定性因 素之一。从lCC第三次评估报告中气溶胶辐射强迫评估结果来看,相对来说,对硫酸盐气溶胶的 直接辐射强迫的认识要好于其他气溶胶类型,这主要是由于硫酸盐气溶胶质量散射效率最高,同时 也一直被认为是最主要的人为气溶胶成分,因此以往大多数关于气溶胶辐射强迫的研究都是针对硫 酸盐气溶胶。自IPCC第二次评估报告发表以来,人们对其他气溶胶类型的辐射强追问题有了更 多的认识,其中烟尘气溶胶由于与热带雨林地区土地利用变化和微量气体排放等科学问题紧密相关 而得到重视,如美国和巴西科学家在90年代早期联合对亚马孙等地区的烟尘气溶胶进行了3次大 型外场综合观测实验,依次为:SCAR-(A、B、C)。通过这些实验,加深了对烟尘气溶胶特性、直 接与间接辐射强迫的理解。1996年Ii在分析大西洋巴巴多斯( Bar-bados)岛的长期观测资料中发 现,尽管来自非洲撒哈拉和撒赫尔地区的沙尘气溶胶质量散射效率仅是硫酸盐气溶胶的1/4,但总质 量却是硫酸盐气溶胶的16倍,因此在沙尘源区及其下风方向沙尘气溶胶的辐射强迫将远远超过其他 气溶胶成分,因而指出在区域尺度上研究沙尘气溶胶辐射强迫的重要性; Tegen等的模式结果表明 就全球平均而言,硫酸盐、烟尘、沙尘气溶胶对全球平均气溶胶光学厚度的贡献大体相当,这说明 即使在全球尺度上,沙尘气溶胶的辐射强迫问题也不能忽视; Tegen等通过对比沙尘输送模式模拟 的沙尘分布与卫星观测结果认为,人为因素(主要是在气候脆弱地区的一些不合理农业活动,如滥 垦、滥伐,过度放牧等)导致的沙尘气溶胶占大气沙尘总量的50‰%±20%,这说明沙尘气溶胶辐射强 迫不仅来源于自然过程,人为因素在其中也起到了同等重要的作用。这些研究成果从根本上改变了 以往关于沙尘气溶胶的认识,从而指出了研究沙尘气溶胶辐射强迫的重要性。 本文将根据一些最新研究成果,详细介绍吸收性气溶胶辐射强迫以及可能的气候效应,在此基 础上,结合我国气溶胶的实际情况,指出我国气溶胶辐射强迫研究中的一些迫切问题。 吸收性气溶胶大气、地面、大气顶辐射强迫及其气候意义 在以往大量气溶胶辐射强迫研究中着重强调气溶胶对大气顶(TOA)后向散射辐射的贡献,而 实际上气溶胶辐射强迫应当包含3个层面,即由于气溶胶的存在,导致的大气顶、大气、地面辐射
气溶胶特性实验 （ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ） 开始启动， 这是 ＩＧＡＣ 在近几年内组织的第四次大型外场气溶胶综合 观测实验。 前 ３ 次依次是针对海洋气溶胶的气溶胶特性实验 １ （ＡＣＥ⁃１， １９９５ 年冬， 澳大利亚南部太 平洋海域）； 针对工业气溶胶的对流层气溶胶辐射强迫观测实验 （ＴＡＲＦＯＸ， １９９６ 年夏， 紧邻美国东 海岸）； 针对欧洲工业气溶胶和来自非洲长距离输送的沙尘气溶胶的气溶胶特性实验 ２ （ＡＣＥ⁃２， １９９７ 年夏， 北大西洋东部）， 另外， 其他一些国际合作项目如 ＩＮ⁃ＤＯＥＸ， ＳＡＦＡＲＩ２０００、 ＰＲｉＤＥ 等也 将气溶胶辐射强迫作为研究核心。 这些事实充分说明气溶胶辐射强迫研究已经成为继臭氧亏损、 温 室效应之后又一个重要的大气科学研究领域。 尽管近年来就气溶胶辐射强迫问题开展了许多大型外场综合观测实验和理论研究， 也取得了许 多成果， 但气溶胶辐射强迫仍然是当前气候模拟和未来气候变化情景预测的一个极大的不确定性因 素之一。 从 ＩＰＣＣ 第三次评估报告中气溶胶辐射强迫评估结果来看［１］ ， 相对来说， 对硫酸盐气溶胶的 直接辐射强迫的认识要好于其他气溶胶类型， 这主要是由于硫酸盐气溶胶质量散射效率最高， 同时 也一直被认为是最主要的人为气溶胶成分， 因此以往大多数关于气溶胶辐射强迫的研究都是针对硫 酸盐气溶胶［２⁃３］ 。 自 ＩＰＣＣ 第二次评估报告发表以来， 人们对其他气溶胶类型的辐射强迫问题有了更 多的认识， 其中烟尘气溶胶由于与热带雨林地区土地利用变化和微量气体排放等科学问题紧密相关 而得到重视［４］ ， 如美国和巴西科学家在 ９０ 年代早期联合对亚马孙等地区的烟尘气溶胶进行了 ３ 次大 型外场综合观测实验， 依次为： ＳＣＡＲ⁃ （Ａ、 Ｂ、 Ｃ）。 通过这些实验， 加深了对烟尘气溶胶特性、 直 接与间接辐射强迫的理解。 １９９６ 年 Ｌｉ ［５］在分析大西洋巴巴多斯 （Ｂａｒ⁃ｂａｄｏｓ） 岛的长期观测资料中发 现， 尽管来自非洲撒哈拉和撒赫尔地区的沙尘气溶胶质量散射效率仅是硫酸盐气溶胶的 １ ／ ４， 但总质 量却是硫酸盐气溶胶的 １６ 倍， 因此在沙尘源区及其下风方向沙尘气溶胶的辐射强迫将远远超过其他 气溶胶成分， 因而指出在区域尺度上研究沙尘气溶胶辐射强迫的重要性； Ｔｅｇｅｎ 等［６］的模式结果表明 就全球平均而言， 硫酸盐、 烟尘、 沙尘气溶胶对全球平均气溶胶光学厚度的贡献大体相当， 这说明 即使在全球尺度上， 沙尘气溶胶的辐射强迫问题也不能忽视； Ｔｅｇｅｎ 等［７］通过对比沙尘输送模式模拟 的沙尘分布与卫星观测结果认为， 人为因素 （主要是在气候脆弱地区的一些不合理农业活动， 如滥 垦、 滥伐， 过度放牧等） 导致的沙尘气溶胶占大气沙尘总量的 ５０％±２０％， 这说明沙尘气溶胶辐射强 迫不仅来源于自然过程， 人为因素在其中也起到了同等重要的作用。 这些研究成果从根本上改变了 以往关于沙尘气溶胶的认识， 从而指出了研究沙尘气溶胶辐射强迫的重要性。 本文将根据一些最新研究成果， 详细介绍吸收性气溶胶辐射强迫以及可能的气候效应， 在此基 础上， 结合我国气溶胶的实际情况， 指出我国气溶胶辐射强迫研究中的一些迫切问题。 一、 吸收性气溶胶大气、 地面、 大气顶辐射强迫及其气候意义 在以往大量气溶胶辐射强迫研究中着重强调气溶胶对大气顶 （ＴＯＡ） 后向散射辐射的贡献， 而 实际上气溶胶辐射强迫应当包含 ３ 个层面， 即由于气溶胶的存在， 导致的大气顶、 大气、 地面辐射 ·２５５· ２０１４ “城市生态环境问题” 钱学森城市学金奖、 西湖城市学金奖征集评选
城市学研究2015年第1期 收支的改变。基于能量守恒可知,大气顶气溶胶辐射强迫等于大气与地面辐射强迫之和。由于硫酸 盐气溶胶粒子对太阳辐射的吸收极小,从而硫酸盐气溶胶的大气辐射加热能力很弱,因此大气顶与 地面的辐射强迫量值相当,而符号相反。硫酸盐直接辐射强迫作用主要是增加地气系统反照率,减 少地气系统的能量输入,从而对气候系统起到冷却作用,而这种冷却作用在一定程度上可能部分抵 消温室效应,因此早在20世纪70年代就有学者指出气溶胶辐射强迫在全球或区域尺度上可能减缓 温室气体浓度上升导致的全球变暖。显然对于硫酸盐气溶胶而言,由于硫酸盐气溶胶的大气辐射加 热能力很弱,因此仅仅研究大气顶辐射强迫是可以接受的,但烟尘、沙尘气溶胶与硫酸盐气溶胶显 著不同的特征是两者对太阳辐射都存在不可忽视的吸收,因此对于这两种气溶胶类型来说,仅关注 大气顶的辐射强迫是不够的,还应当知道地面和大气的辐射强迫,因为由于吸收性气溶胶的存在, 导致在垂直方向上的太阳辐射能量重新分配,这将直接影响大气对流、云的生消等重要物理过程 从而影响全球和区域气候 INDOEX实验的最新研究成果表明由于来自印度次大陆的气溶胶存在很强的吸收能力,导致到达 地面的太阳辐射减少量是大气顶太阳辐射增量的3倍,而另外理应到达地表的60%左右的太阳辐射 被气溶胶所吸收。因此吸收性气溶胶直接辐射强迫的大体框架是减少到达地面的太阳辐射,增加 大气吸收和大气顶后向散射,而由于吸收性气溶胶对地表反射辐射的吸收将对大气顶后向散射辐射 有一定的补偿作用,因此,一般而言,吸收性气溶胶的大气顶辐射强迫小于纯散射气溶胶类型。但 吸收性气溶胶的吸收导致的地面太阳辐射减少、大气稳定度增加对水分循环可能产生负面影响,原 因在于对应于地面太阳辐射的减少,地表潜热和感热通量将随之减少(就全球平均而言,约60% 70%地球表面吸收的太阳辐射被蒸发所消耗),而蒸发的减弱则有可能导致降水的减少,另外大气稳 定度增加、抑制大气对流运动也可能是导致降水减少的一个重要机制。降水的减少将削弱气溶胶 的湿清除过程,增加气溶胶在大气中的寿命,从而增强气溶胶的直接辐射强迫。应当指出的是吸收 性气溶胶辐射强迫受许多因素的影响,包括气溶胶的辐射特性,地表状况等,另外云也是影响吸收 性气溶胶直接辐射强迫的一个重要因素,反过来气溶胶的吸收也对云量产生影响。对位于云层以 上的吸收性气溶胶而言,云将增加气溶胶辐射强迫,而对处于云层以下的吸收气溶胶而言,云的覆 盖将减少气溶胶直接辐射强迫。Ⅰ NDOEX观测实验的另一个重要硏究成果是印度洋上空来自印度次大 陆的强吸收性气溶胶通过加热大气,对信风积云产生“燃烧作用”( burning effect),从而减少云量。 INDOEX1998和1999年实验结果表明由于这种“燃烧作用”导致云量下降25%和40%1,但长期云 观测资料表明印度洋上空云量并未出现下降趋势,相反却表现出较弱的上升趋势,这说明还有其他 有待认识的因素在其中起作用1 另一个由于气溶胶的吸收,可能产生了重要气候效应的例子是关于非洲20世纪70年代以来持 续干旱的问题,尽管许多学者从大气环流、海气相互作用等角度对这一现象进行了探讨,但都不能 解释为什么北非持续干旱,因此不少学者另辟蹊径,试图寻找这一现象的其他合理解释。 charney 提出地表覆盖变化与降水之间的正反馈机制来解释这一持续干旱的现象。 Brooks根据沙尘气溶胶
收支的改变。 基于能量守恒可知， 大气顶气溶胶辐射强迫等于大气与地面辐射强迫之和。 由于硫酸 盐气溶胶粒子对太阳辐射的吸收极小， 从而硫酸盐气溶胶的大气辐射加热能力很弱， 因此大气顶与 地面的辐射强迫量值相当， 而符号相反。 硫酸盐直接辐射强迫作用主要是增加地气系统反照率， 减 少地气系统的能量输入， 从而对气候系统起到冷却作用， 而这种冷却作用在一定程度上可能部分抵 消温室效应， 因此早在 ２０ 世纪 ７０ 年代就有学者指出气溶胶辐射强迫在全球或区域尺度上可能减缓 温室气体浓度上升导致的全球变暖。 显然对于硫酸盐气溶胶而言， 由于硫酸盐气溶胶的大气辐射加 热能力很弱， 因此仅仅研究大气顶辐射强迫是可以接受的， 但烟尘、 沙尘气溶胶与硫酸盐气溶胶显 著不同的特征是两者对太阳辐射都存在不可忽视的吸收， 因此对于这两种气溶胶类型来说， 仅关注 大气顶的辐射强迫是不够的， 还应当知道地面和大气的辐射强迫， 因为由于吸收性气溶胶的存在， 导致在垂直方向上的太阳辐射能量重新分配， 这将直接影响大气对流、 云的生消等重要物理过程， 从而影响全球和区域气候。 ＩＮＤＯＥＸ 实验的最新研究成果表明由于来自印度次大陆的气溶胶存在很强的吸收能力， 导致到达 地面的太阳辐射减少量是大气顶太阳辐射增量的 ３ 倍， 而另外理应到达地表的 ６０％左右的太阳辐射 被气溶胶所吸收［８］ 。 因此吸收性气溶胶直接辐射强迫的大体框架是减少到达地面的太阳辐射， 增加 大气吸收和大气顶后向散射， 而由于吸收性气溶胶对地表反射辐射的吸收将对大气顶后向散射辐射 有一定的补偿作用， 因此， 一般而言， 吸收性气溶胶的大气顶辐射强迫小于纯散射气溶胶类型。 但 吸收性气溶胶的吸收导致的地面太阳辐射减少、 大气稳定度增加对水分循环可能产生负面影响， 原 因在于对应于地面太阳辐射的减少， 地表潜热和感热通量将随之减少 （就全球平均而言， 约 ６０％ ～ ７０％地球表面吸收的太阳辐射被蒸发所消耗）， 而蒸发的减弱则有可能导致降水的减少， 另外大气稳 定度增加、 抑制大气对流运动也可能是导致降水减少的一个重要机制［９］ 。 降水的减少将削弱气溶胶 的湿清除过程， 增加气溶胶在大气中的寿命， 从而增强气溶胶的直接辐射强迫。 应当指出的是吸收 性气溶胶辐射强迫受许多因素的影响， 包括气溶胶的辐射特性， 地表状况等， 另外云也是影响吸收 性气溶胶直接辐射强迫的一个重要因素， 反过来气溶胶的吸收也对云量产生影响［１０］ 。 对位于云层以 上的吸收性气溶胶而言， 云将增加气溶胶辐射强迫， 而对处于云层以下的吸收气溶胶而言， 云的覆 盖将减少气溶胶直接辐射强迫。 ＩＮＤＯＥＸ 观测实验的另一个重要研究成果是印度洋上空来自印度次大 陆的强吸收性气溶胶通过加热大气， 对信风积云产生 “燃烧作用” （ｂｕｒｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）， 从而减少云量。 ＩＮＤＯＥＸ１９９８ 和 １９９９ 年实验结果表明由于这种 “燃烧作用” 导致云量下降 ２５％和 ４０％ ［１１］ ， 但长期云 观测资料表明印度洋上空云量并未出现下降趋势， 相反却表现出较弱的上升趋势， 这说明还有其他 有待认识的因素在其中起作用［１２］ 。 另一个由于气溶胶的吸收， 可能产生了重要气候效应的例子是关于非洲 ２０ 世纪 ７０ 年代以来持 续干旱的问题， 尽管许多学者从大气环流、 海气相互作用等角度对这一现象进行了探讨， 但都不能 解释为什么北非持续干旱， 因此不少学者另辟蹊径， 试图寻找这一现象的其他合理解释。 Ｃｈａｒｎｅｙ ［１３］ 提出地表覆盖变化与降水之间的正反馈机制来解释这一持续干旱的现象。 Ｂｒｏｏｋｓ ［１４］ 根据沙尘气溶胶 ·２５６· 城 市 学 研 究 ２０１５ 年第 １ 期
2014“城市生态环境问题”钱学森城市学金奖、西湖城市学金奖征集评选 卫星观测资料(IDDI)和NCEP再分析资料的综合分析,提出了沙尘气溶胶与降水之间也可能存在 正反馈机制,即:降水减少,大气中沙尘气溶胶浓度上升,导致沙尘气溶胶正的大气辐射强迫、负 的地表辐射强迫加强,大气稳定度增加,从而抑制大气对流运动,最终导致降水减少。另外研究也 表明沙尘气溶胶的大气辐射加热对于影响北非地区夏季降水的天气系统也有一定影响。这些观测事 实都说明沙尘气溶胶不仅受气候变化的影响,同时也对气候变化产生不同程度的反馈。 、我国气溶胶研究中的一些迫切问题 我国西北部地区地处欧亚大陆腹地,属于典型的大陆性干旱、半干旱气候,地表覆盖稀疏,我 国主要的沙漠和戈壁均集中在这一地区。每年春季由于极地冷空气活动南下,导致大风天气频繁发 生,配合大气强热力不稳定,加上春季西北部地区地表丰富的沙源,使得我国西北部地区成为我国 乃至东亚地区主要的沙尘源地。每年春季频繁爆发的沙尘天气(暴)不仅给源区人民生命财产造成 严重损失,沙尘气溶胶随高空盛行西风向下游地区的输送也严重影响了我国东部广大地区大气环境 质量。通过分析 2000年4月6日北京特大沙尘暴期间地面采样观测资料发现北京地区粗、细粒子浓度都几十倍 增加,20种元素总质量浓度高达1536μg/m3,即使沙尘暴过后沙尘污染仍然十分严重。另外研究 表明某些海域海洋初级生产力受铁元素浓度限制,东亚地区春季大量沙尘气溶胶是北太平洋海域铁 元素的重要来源,随沙尘粒子输送的铁元素与海洋硫元素之间的相互耦合与正反馈不仅影响了太平 洋海域生物地球化学循环,对东亚甚至对全球气候都将产生深远影响。新世纪以来我国北方地区 春季沙尘活动日益频繁,引起了各方面的广泛关注和重视。中国气象局针对这一现象,着手筹 建我国北方地区沙尘天气(暴)监测、预报、预警、服务系统。关于沙尘气溶胶辐射强迫及气候效 应问题,国内外学者已经在我国西北地区就沙尘气溶胶来源、输送、沉降以及物理、化学、辐射特 性开展了一些研究工作2,但长期、连续性观测计划很少,各观测项目之间也缺乏必要的联系, 导致目前对我国沙尘气溶胶大气顶、大气、地面辐射强迫还知之不多。这一缺憾有可能通过目前正 在执行的ACE-Asia、中日黄沙输送研究等国际合作项目得到弥补。在这些国际合作项目中,国内外 学者将通过综合地面宽带辐射观测,太阳光度计观测,激光雷达观测,地面气溶胶物理、化学、辐 射特性采样分析,配合新一代的卫星遥感资料,结合模式研究,给出我国西部地区沙尘气溶胶辐射 强迫的时空变化信息。 利用47个日射站1961—-1990年地面晴天太阳宽带直接辐射,根据邱金桓提出的反演方法 罗云峰等反演得到了这30年来逐年、逐月0.75μm气溶胶光学厚度,发现我国大部分地区气溶胶 光学厚度存在明显的上升趋势。而由于我国能源结构、能源利用效率等因素导致我国气溶胶中黑碳 ( black carbon)含量要明显高于发达国家。黑碳是大气中首要的吸收性气溶胶成分,而关于气溶胶的 吸收问题是当前气溶胶辐射强迫研究的一个热点问题。最新研究结果表明黑碳的辐射强迫仅次于
卫星观测资料 （ＩＤＤＩ） 和 ＮＣＥＰ 再分析资料的综合分析， 提出了沙尘气溶胶与降水之间也可能存在 正反馈机制， 即： 降水减少， 大气中沙尘气溶胶浓度上升， 导致沙尘气溶胶正的大气辐射强迫、 负 的地表辐射强迫加强， 大气稳定度增加， 从而抑制大气对流运动， 最终导致降水减少。 另外研究也 表明沙尘气溶胶的大气辐射加热对于影响北非地区夏季降水的天气系统也有一定影响。 这些观测事 实都说明沙尘气溶胶不仅受气候变化的影响， 同时也对气候变化产生不同程度的反馈。 二、 我国气溶胶研究中的一些迫切问题 我国西北部地区地处欧亚大陆腹地， 属于典型的大陆性干旱、 半干旱气候， 地表覆盖稀疏， 我 国主要的沙漠和戈壁均集中在这一地区。 每年春季由于极地冷空气活动南下， 导致大风天气频繁发 生， 配合大气强热力不稳定， 加上春季西北部地区地表丰富的沙源， 使得我国西北部地区成为我国 乃至东亚地区主要的沙尘源地。 每年春季频繁爆发的沙尘天气 （暴） 不仅给源区人民生命财产造成 严重损失， 沙尘气溶胶随高空盛行西风向下游地区的输送也严重影响了我国东部广大地区大气环境 质量。 通过分析 ２０００ 年 ４ 月 ６ 日北京特大沙尘暴期间地面采样观测资料发现北京地区粗、 细粒子浓度都几十倍 增加， ２０ 种元素总质量浓度高达 １５３６μｇ ／ ｍ ３ ， 即使沙尘暴过后沙尘污染仍然十分严重［１５］ 。 另外研究 表明某些海域海洋初级生产力受铁元素浓度限制， 东亚地区春季大量沙尘气溶胶是北太平洋海域铁 元素的重要来源， 随沙尘粒子输送的铁元素与海洋硫元素之间的相互耦合与正反馈不仅影响了太平 洋海域生物地球化学循环， 对东亚甚至对全球气候都将产生深远影响［１６］ 。 新世纪以来我国北方地区 春季沙尘活动日益频繁， 引起了各方面的广泛关注和重视［１７⁃１８］ 。 中国气象局针对这一现象， 着手筹 建我国北方地区沙尘天气 （暴） 监测、 预报、 预警、 服务系统。 关于沙尘气溶胶辐射强迫及气候效 应问题， 国内外学者已经在我国西北地区就沙尘气溶胶来源、 输送、 沉降以及物理、 化学、 辐射特 性开展了一些研究工作［１９⁃２２］ ， 但长期、 连续性观测计划很少， 各观测项目之间也缺乏必要的联系， 导致目前对我国沙尘气溶胶大气顶、 大气、 地面辐射强迫还知之不多。 这一缺憾有可能通过目前正 在执行的 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ、 中日黄沙输送研究等国际合作项目得到弥补。 在这些国际合作项目中， 国内外 学者将通过综合地面宽带辐射观测， 太阳光度计观测， 激光雷达观测， 地面气溶胶物理、 化学、 辐 射特性采样分析， 配合新一代的卫星遥感资料， 结合模式研究， 给出我国西部地区沙尘气溶胶辐射 强迫的时空变化信息。 利用 ４７ 个日射站 １９６１—１９９０ 年地面晴天太阳宽带直接辐射， 根据邱金桓［２３］ 提出的反演方法， 罗云峰等［２４］反演得到了这 ３０ 年来逐年、 逐月 ０ ７５μｍ 气溶胶光学厚度， 发现我国大部分地区气溶胶 光学厚度存在明显的上升趋势。 而由于我国能源结构、 能源利用效率等因素导致我国气溶胶中黑碳 （ｂｌａｃｋ ｃａｒｂｏｎ） 含量要明显高于发达国家。 黑碳是大气中首要的吸收性气溶胶成分， 而关于气溶胶的 吸收问题是当前气溶胶辐射强迫研究的一个热点问题［２５］ 。 最新研究结果表明黑碳的辐射强迫仅次于 ·２５７· ２０１４ “城市生态环境问题” 钱学森城市学金奖、 西湖城市学金奖征集评选
城市学研究2015年第1期 CO230。尽管黑碳的增温效应与温室气体存在明显差别,如黑碳主要影响太阳辐射、其时空分布远 不及温室气体均匀等,但 Hansen等{2仍提出通过削减黑碳排放来控制温室效应。但由于黑碳排放与 其他污染物排放有着密切联系,因此相对独立的削减黑碳排放而不牵涉到其他污染物的排放是不大 可能的;另外温室效应与气溶胶直接辐射强迫的时空分布,对气候的影响机制也不尽相同。这些 区别在气候模拟和研究中都是值得注意的。 在全球变暧、中高纬地区降水有所增加的大背景下,我国南方大部分地区,特别是四川、湖南 等地区地面温度却普遍下降,数值模拟结果表明硫酸盐的冷却效应可能在其中起到了重要作用∞。 而最近的一些观测和模拟结果表明我国一些颇具特色的气候变化特征可能与我国气溶胶较强的吸收 能力有关。通过对比分析我国东部地区与美国西南部地区近40年的温度变化趋势,Yu{等认为我 国东部地区吸收性气溶胶的加热作用可能是导致我国东部地区冬、春季温度上升的一个因素,但 Krishnan等的研究成果表明印度地区自20世纪70年代以来,吸收性气溶胶浓度上升,致使到达 地表的太阳辐射显著下降,从而导致地表温度下降大约0.3℃,作者给出的物理解释是印度地区气溶 胶吸收的太阳辐射可能通过大气环流被输送到其他地区,从而加热其他地区。近半个世纪以来,美 国、欧洲大陆、澳洲等地区地面总云量观测资料显示云量呈上升趋势,这种上升趋势可能与气溶胶 间接效应有某种联系,而 Kaiser[的研究结果却表明我国近40年来总云量呈下降趋势,而且主要集 中在我国东部地区,尽管目前对于这一观测事实还不能给出满意的物理解释,但已有学者指出这可 能与我国气溶胶吸收有关。70年代以来我国降水趋势出现比较明显的突变,由北方地区降水略有增 加,南方降水偏少的空间分布格局转变为南涝北旱3。 Menon等刈运用Gss全球环流模式,在模 式中加入观测的气溶胶浓度变化信息和人为设定的吸收能力,可以比较好的模拟出我国降水的这种 突变现象。其物理解释是由于我国长江中下游地区吸收性气溶胶加热低层大气,导致对流加强,降 水增加,而我国北方地区下沉增强,因此降水减少。但是由于模式中没有考虑海洋的反馈机制;敏 感性实验中也仅考虑了气溶胶的直接辐射强迫,而关于气溶胶间接辐射强迫未加考虑,从上面的介 绍中已经指出气溶胶作为云凝结核,对云的物理、辐射特性和云的寿命以及覆盖范围都将产生一定 影响,而这些机制有可能导致降水事件发生概率下降;另外 INDOEX实验中提出的吸收性气溶胶的 云“燃烧作用”也可能导致降水减少;而且气溶胶的时空分布变化很大,高气溶胶浓度主要集中在 人为活动频繁的地区及其下风方向,因此气溶胶的这种时空分布特征以及与之密切相连的区域性的 气溶胶辐射强迫分布特征对大气环流,进而对水分循环也将产生不可忽视的影响。因此在分析气溶 胶对水分循环的影响这一问题时,应当充分考虑气溶胶不同气候效应的综合作用,因为这些效应之 间可能互相制约,因此单纯的强调气溶胶某一气候效应,而忽视其他气候效应的作用,显然是很难 获得令人信服的结论的。但有一点是勿庸置疑的,那就是气溶胶在气候系统中扮演着一个重要角色 而且随着人类活动的加剧,气溶胶浓度呈现显著的上升趋势,因此气溶胶在气候系统的作用显得越 来越重要,而对气溶胶物理、化学和辐射特性以及影响气溶胶特性变化的重要物理、化学机制还缺 乏广泛深入理解,这也就是为什么IPCC在第三次评估报告中仍然将气溶胶辐射强迫列为当前气候模
ＣＯ２ ［２６］ 。 尽管黑碳的增温效应与温室气体存在明显差别， 如黑碳主要影响太阳辐射、 其时空分布远 不及温室气体均匀等， 但 Ｈａｎｓｅｎ 等［２７］仍提出通过削减黑碳排放来控制温室效应。 但由于黑碳排放与 其他污染物排放有着密切联系， 因此相对独立的削减黑碳排放而不牵涉到其他污染物的排放是不大 可能的［２８］ ； 另外温室效应与气溶胶直接辐射强迫的时空分布， 对气候的影响机制也不尽相同。 这些 区别在气候模拟和研究中都是值得注意的。 在全球变暖、 中高纬地区降水有所增加的大背景下， 我国南方大部分地区， 特别是四川、 湖南 等地区地面温度却普遍下降， 数值模拟结果表明硫酸盐的冷却效应可能在其中起到了重要作用［２９⁃３１］ 。 而最近的一些观测和模拟结果表明我国一些颇具特色的气候变化特征可能与我国气溶胶较强的吸收 能力有关。 通过对比分析我国东部地区与美国西南部地区近 ４０ 年的温度变化趋势， Ｙｕ ［３２］ 等认为我 国东部地区吸收性气溶胶的加热作用可能是导致我国东部地区冬、 春季温度上升的一个因素， 但 Ｋｒｉｓｈｎａｎ 等［３３］的研究成果表明印度地区自 ２０ 世纪 ７０ 年代以来， 吸收性气溶胶浓度上升， 致使到达 地表的太阳辐射显著下降， 从而导致地表温度下降大约 ０ ３℃ ， 作者给出的物理解释是印度地区气溶 胶吸收的太阳辐射可能通过大气环流被输送到其他地区， 从而加热其他地区。 近半个世纪以来， 美 国、 欧洲大陆、 澳洲等地区地面总云量观测资料显示云量呈上升趋势， 这种上升趋势可能与气溶胶 间接效应有某种联系， 而 Ｋａｉｓｅｒ ［３４］的研究结果却表明我国近 ４０ 年来总云量呈下降趋势， 而且主要集 中在我国东部地区， 尽管目前对于这一观测事实还不能给出满意的物理解释， 但已有学者指出这可 能与我国气溶胶吸收有关。 ７０ 年代以来我国降水趋势出现比较明显的突变， 由北方地区降水略有增 加， 南方降水偏少的空间分布格局转变为南涝北旱［３５］ 。 Ｍｅｎｏｎ 等［３６］ 运用 ＧＩＳＳ 全球环流模式， 在模 式中加入观测的气溶胶浓度变化信息和人为设定的吸收能力， 可以比较好的模拟出我国降水的这种 突变现象。 其物理解释是由于我国长江中下游地区吸收性气溶胶加热低层大气， 导致对流加强， 降 水增加， 而我国北方地区下沉增强， 因此降水减少。 但是由于模式中没有考虑海洋的反馈机制； 敏 感性实验中也仅考虑了气溶胶的直接辐射强迫， 而关于气溶胶间接辐射强迫未加考虑， 从上面的介 绍中已经指出气溶胶作为云凝结核， 对云的物理、 辐射特性和云的寿命以及覆盖范围都将产生一定 影响， 而这些机制有可能导致降水事件发生概率下降； 另外 ＩＮＤＯＥＸ 实验中提出的吸收性气溶胶的 云 “燃烧作用” 也可能导致降水减少； 而且气溶胶的时空分布变化很大， 高气溶胶浓度主要集中在 人为活动频繁的地区及其下风方向， 因此气溶胶的这种时空分布特征以及与之密切相连的区域性的 气溶胶辐射强迫分布特征对大气环流， 进而对水分循环也将产生不可忽视的影响。 因此在分析气溶 胶对水分循环的影响这一问题时， 应当充分考虑气溶胶不同气候效应的综合作用， 因为这些效应之 间可能互相制约， 因此单纯的强调气溶胶某一气候效应， 而忽视其他气候效应的作用， 显然是很难 获得令人信服的结论的。 但有一点是勿庸置疑的， 那就是气溶胶在气候系统中扮演着一个重要角色， 而且随着人类活动的加剧， 气溶胶浓度呈现显著的上升趋势， 因此气溶胶在气候系统的作用显得越 来越重要， 而对气溶胶物理、 化学和辐射特性以及影响气溶胶特性变化的重要物理、 化学机制还缺 乏广泛深入理解， 这也就是为什么 ＩＰＣＣ 在第三次评估报告中仍然将气溶胶辐射强迫列为当前气候模 ·２５８· 城 市 学 研 究 ２０１５ 年第 １ 期