浅析气溶胶的气候效应

于勇 吴自越

摘 要：气溶胶一方面可以改变云的光学性质和生存时间进而影响天气变化，另一方面通过散射和吸收辐射直接影响气候，此外因为大气中的气溶胶由许多化学物质组成，各种成分的气溶胶粒子相互碰并、融合甚至发生反应，进而改变了混合气溶胶的光学特性，不同的气溶胶的混合状态对气候变化有着重要的影响。

关键词：气溶胶;气候效应;混合状态

1 绪论

大气气溶胶是指悬浮于大气中的固态和液态颗粒所组成的气态分散系统，虽然气溶胶是地球大气中的一种微量成分，但其对地气系统辐射平衡和水循环均有重要的影响，是影响气候变化最重要的大气成分之一。在人类活动和自然因素的双重影响下，全球增温、海平面上升、极端气候事件频发，影响了人类的生产生活，全球气候变化受到世界的广泛关注。对气溶胶气候效应的研究，因缺乏对气溶胶与云的相互作用，以及与大气环流作用、能量循环等的深入了解，是目前气候研究中的不确定因子之一，逐渐受到科学家们的重视。随着经济和社会的高速发展，人口的集中，城市化进程日益加快，城市化影响区域气候变化，包括工业排污，机动车尾气排放在内的一系列人类活动导致的极端天气气候事件逐渐增加，城市光化学烟雾事件以及酸雨的形成，臭氧层的破坏，在人口密集的大城市，蓝天越来越少，空气污染加剧，生态环境的恶化，这与人们的健康息息相关，因而大气气溶胶引起了广泛关注。

近来地基、空基、天基等多种观测手段综合应用为气溶胶研究提供了有利条件，研究表明气溶胶在地球与大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要角色。首先，气溶胶通过散射、吸收直接影响太阳辐射，影响到达地表的太阳短波辐射量和地气系统的长波辐射量，进而改变了地气系统的辐射收支，直接影响区域气候，另一方面气溶胶可作为云凝结核或冰核影响云的含水量，云的光学性质和生存时间，间接影响气候。

沙尘、黑碳、有机碳和硫酸盐气溶胶对地面能量收以及区域气候变化有着密切的影响，其中沙尘气溶胶的气候效应表现为，直接散射和吸收太阳辐射，表现为沙尘气溶胶的“阳伞效应”，作为云凝结核影响云的光学特性和生命从间接影响气候，表现为沙尘气溶胶的“冰核效应”，另外沙尘气溶胶的“铁肥料效应”表现为：沙尘气溶胶通过长距离的输送，为海水中浮游生物提供必需的二价铁营养元素，而浮游生物生产量与影响大气中的二氧化碳浓度。这样沙尘气溶胶成为将陆地、海洋和大气有机地结合起来的纽带，成为影响全球能量循环及气候变化中的关键环节。黑碳气溶胶是大气中的强吸收成分，另一方面通过干湿沉降到地表的黑碳气溶胶直接改变了地表反照率，这都导致了太阳辐射能量的重新分配。硫酸盐气溶胶的浓度主要与煤和石油燃烧产生的二氧化硫排放有关，加上大气中复杂的化学反应，成分越加复杂，硫酸盐气溶胶也成为对区域气候变化的影响是一个重要问题，在全球尺度上许多科学家对研究了硫酸盐气溶胶对气候变化的影响。丰富、准确的观测资料是研究的基础，黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶的排放源具有较强的一致性，在全球气候模式的数值模拟研究中通常是同时考虑这两种气溶胶。中国区域黑碳气溶胶引起除了青藏高原和广西以外的中国大部分地区降温，缩小了的海陆温差，进一步地能够对季风产生影响，减弱东亚夏季风。硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶相比较而言，黑碳气溶胶对季风减弱程度没有硫酸盐的影响大，总的来说，硫酸盐气溶胶减弱了中国东南部地区的大气对流活动，而黑碳气溶胶是加强了。大气中气溶胶，影响大气消光系数，改变太阳辐射能量的平衡，进一步影响气象要素的分布特征，最终反过来各个气象要素的改变又影响了大气溶胶的污染演变过程。

不同种类的气溶胶在长距离传输过程中不断地进行内部、外部混合，生成新的混合气溶胶，这一过程将不断改变原有气溶胶的化学和光学特性。针对东亚和西太平洋的大型气溶胶特性观测实验极大的增强了人们对气溶胶是如何影响地球大气的化学和辐射特性的认识，比如亚洲沙尘在横跨半个地球的过程中，沙尘不再是单一的沙尘，而是沙尘和黑碳、有毒重金属和酸性气体等污染物的混合体，各种气溶胶粒子由于各种因素使之必然发生混合，实际的大气气溶胶混合状态处在外部混合和内部混合之间。

丰富、准确的观测资料是研究的基础，黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶的排放源具有较强的一致性，在全球气候模式的数值模拟研究中通常是同时考虑这两种气溶胶。从理论上来说，气溶胶粒子混合状态目前通常是分两种理想的情况，即外部混合和内部混合。所谓外部混合是指每个气溶胶粒子只含有一种成分，这些不同成分的气溶胶粒子既各自独立有统一地存在于整个大气中，形成成分单一的气溶胶混合系统。而内部混合是指系统中的单个粒子是不是单一的成分，而是多种成分的混合体，比如可溶性外壳包裹着不溶性内核，沙尘粒子被硫酸盐完全包住，这就需要重新考虑这个新粒子的光学特性了。

气溶胶的辐射效应、气候效应的还具有很大不确定性的情况下，有必要利用数值模式的手段来研究中国地区气溶胶的时空演变和平均分布特征及其对气候的反馈，数值模拟方法是研究气溶胶的时空分布和演變规律的基本方法，详细描述气溶胶粒子的源、汇、输送、微物理和化学转化等过程。区域气候模式现在已经成为气候研究和业务预报的重要工具，然而对气溶胶及其气候效应的模拟仍是十分复杂的问题，存在许多不确定性，主要在于数值模式对气溶胶和云相互作用量化难度大，不同气候模式采用不同次网格过程导致的云对全球气候变化响应模拟结果的差异很大，气溶胶造成的云调节影响气候，反过来气候变化也影响气溶胶的清除过程，所以模式对气温和降水影响的模拟上差别非常大。排放源可能也是误差来源之一，还包括太阳变化、平流层臭氧、对流层臭氧、烟尘气溶胶、地表覆被改变以及火山爆发的影响等等。观测手段的发展将会加深了人类对气溶胶和云相互作用过程的理解。

2 气溶胶的混合状态

不同的混合状态产生的辐射强迫也有所不同，因而对混合气溶胶的直接辐射强迫有待于进一步的研究。目前大多数的气候模式只考虑气溶胶的外部混合，少有对气溶胶内部混合的模拟。这是因为外部混合的气溶胶的光学性质比较容易处理，模式计算容易实现。外部混合是指不同成分的气溶胶粒子各自独立，粒子之间无多次散射，单个气溶胶粒子的光学特性通过简单的加权相加即等于整个气溶胶系统的光学特性。对于外部混合气溶胶系统，根据每种成分（也就是每个气溶胶粒子）的谱分布和复折射率计算各自的辐射参数（如消光系数、相函数、光学厚度等），然后根据混合比对单个粒子的辐射参数进行线性叠加，从而得到整个系统的辐射参数。这种是一种描述气溶胶混合的最直接的方法，很好地实现在模式中对各种不同类型气溶胶混合后的光学特性描述，同时也方便考虑相对湿度的影响。

而内部混合则要复杂许多，这是整个气溶胶系统中的单个粒子不再是单一的成分，而是由多种气溶胶成分组成的混合体，此时独立散射不再适用，而是由复杂的电磁波散射理论来建模。

3 混合气溶胶的气候效应

气溶胶的气候效应取决于多重因素，包括气溶胶的分布、气溶胶的物理化学性质，以及下垫面的反照率等等，再比如气溶胶对云的影响的微物理过程就十分复杂，分档模式根据各类粒子的尺度、质量分档模拟计算出各档粒子的生长演变过程，云数值模式来反演云发展过程中各要素的时空分布和演变规律。外部混合与内部混合两种不同的混合方式产生的直接辐射强迫的空间分布有较大的差异。基本上气溶胶浓度越大的地方，差异也越大。在大气顶处，外部混合的辐射强迫作用强于内部混合，这在塔里木沙漠地区表现最明显。在地表处，外部混合的辐射强迫要弱于内部混合，这在四川盆地差值最大，而青藏高原地区的气溶胶浓度最小，所以差异也最小。

不管采用哪种混合方式，气溶胶都是使得气溶胶引起地面气温下降，降水量减少。气溶胶对降水起抑制作用，但对于不同混合方式，抑制效果有季节变化。从数值的大小上来看，春季和夏季的影响大，秋冬两季节的影响小，而夏季的影响又要大于春季。春季和夏季外部混合的抑制作用要小于内部混合，不同的混合方式对降水的影响在秋冬两季差别不明显。

4 结语

气候变化是我们这个时代的特点问题，而我们正处于一个决定性的历史时刻。在全球范围内气候变化造成了规模空前的影响，海平面上升造成发生灾难性洪灾的风险也在增加，气候变化导致粮食生产面临威胁。令人担忧的是，生态系统和地球气候系统可能已经达到甚至突破了重要的临界点，可能导致不可逆转的变化，如果现在不采取有效的应对，未来适应这些气候变化的影响会变得更加困难，成本也会更加高昂。

气溶胶的直接和间接辐射效应影响了地球和大气系統辐射平衡，气溶胶、云及其气候效应的研究长期因其复杂性使得气溶胶对云宏观特性（云面积、云厚和液态水路径等）、微观特性（液滴和冰晶数浓度及大小分布）及降水作用的研究还不够，因此气溶胶和云相互作用以及气候系统的反馈影响依然具有高度不确定性。对于不同气候模式及模式的不同版本所给出的气候效应差异较大，反映了气溶胶模拟中的不确定性，一方面需要加强观测系统建设，改进和完善模式中气溶胶物理过程参数化，服务于我国天气预报和气候变化预测，同时另一方面是观测结果又能对模式的模拟结果进行检验，深入理解气溶胶和云相互作用及其对天气、气候的影响机理，通过大量进一步的理论分析和数值试验，将有助于研究中国地区大气气溶胶对环境和气候的影响，多部门、多学科协同研究，为防灾减灾、环境外交等提供理论支持，为应对全球气候变化提出合理的对策提供有益的参考。

参考文献：

[1]高丽洁，王体健，徐永福，等.中国硫酸盐气溶胶及其辐射强迫的模拟[J].高原气象，2004.

[2]段婧，毛节泰.华北地区气溶胶对区域降水的影响[J].科学通报，2008.

[3]罗燕，吴涧，王卫国.利用MODIS-GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气溶胶直接辐射强迫[J].热带气象学报，2006.