气溶胶及其气候效应

1、气溶胶及其气候效应 指导教师：王丽萍 气溶胶及其气候效应 1. 气溶胶的来源及分类 2. 气溶胶的影响因素 3. 气溶胶的气候效应 1.1气溶胶的来源 气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径 -10 微米的固 体、液体粒子，它相对湿度比较高、气温比较低、含 有煤烟颗粒物时破坏生态环境 ,影响人类身体健康。 气溶胶是由不同的过程产生的，其中包括自然过程 （例如沙尘暴，火山爆发，岩石或土壤风化，海洋中 浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬）和人为过 程（例如化石燃料及生物质燃烧）。 大气中对流层气溶胶的浓度在最近几年由于人类活动 的排放（既有气溶胶本身的排放，也有其前体物前体物的排 放）而有所增加，从而

2、使得 增加。 4 10 辐射强迫辐射强迫 1.2气溶胶的分类 气溶胶可分有机气溶胶和无机气溶胶 , 也可分为生物气溶胶和非生物气溶胶。 英国伦敦型烟雾和美国洛杉矶型光化学烟雾就为二 次有机气溶胶。 英国伦敦型烟雾主要是由居民或工厂用煤取暖排放 的煤烟和冬季早晨的雾相伴而生，构成这类烟雾的 一次污染物是 SO2和煤尘，它的二次污染物主要是 硫酸雾和硫酸盐气溶胶。当大气相对湿度比较高， 气温比较低，含有煤烟颗粒物时，SO2发生催化反 应而形成硫酸雾 一种强氧化剂： 2SO2 +2H2O +O2 2H2SO4(雾) (催化剂-煤尘) 与 此同时 ,如果大气中有 NH3 存在 ,则可形成硫酸铵气 溶胶

3、。 汽车尾气排放物含有氮氧化物和碳氢化合物等 ,它 们本来就危害人类健康和生态环境 ,它们的光化学 反应可以使NO 转化成NO2 ,碳氢化合物氧化,生成 臭氧和其它氧化物(如过氧乙酰硝酸酯等) ,它们的 后续反应可以产生二次有机气溶胶 ,进而导致了洛 杉矶型光化学烟雾的形成。 洛杉矶型光化学烟雾是白色烟雾 ,大气能见度低 , 具有特殊气味 ,刺激眼睛和咽喉粘膜 ,使呼吸困难 , 人类和动物窒息而死。而O3 浓度的增加可使橡胶 制品开裂 ,植物叶片变黄甚至枯萎。 生物气溶胶，如孢子、细菌、花粉等。 生物气溶胶可对一些特定职业产生危害。生活 在空气这个最佳媒介中的生物气溶胶机动性很 大，其引发的病

4、症也难以捉摸. 生物气溶胶所引起各种呼吸道疾病已得到医学 界的广泛关注。 2 气溶胶的影响因素 降雨对气溶胶的冲刷作用 北方城市季节采暖对气溶胶浓度的影响 降雨对气溶胶的冲刷作用： 降雨的冲刷作用与雨强关系密切。 表1列出了1986年6-7月在上海观测到的 不同雨强时的大气气溶胶粒子数密度。 雨强越大，冲刷作用越明显，且对 粗粒子的冲刷作用明显，而对细粒子也 有相当的冲刷作用。降水的净化作用使 雨后空气清新。 北方城市季节采暖对气溶胶浓度的影响 我国北方城市冬季取暖，对空气质量有 明显影响。北京的观测表明， 在晴天条件下，由采暖引起的烟尘污染 并不严重，但在多云和阴天的天气条件 下，采暖引起的

5、空气污染相当严重，其 瞬时粒子数密度可高达1600个/cm3。 图2曲线1北京采暖期 前（10月2126） 曲线2采暖期间（11月 2429）实测平均谱 采暖期增加的主要是细粒子 （d2 ）对人体健康危 害较大。 m 3 气溶胶的气候效应 3.1 气溶胶影响气候的途径 3.2 沙尘气溶胶的气候效应 3.3 黑碳气溶胶的气候效应 3.1 气溶胶影响气候的途径 气溶胶通过两条途径影响气候系统 : 一是通过吸收和反射太阳与地球辐射 影响气候系统 ,这种影响称之为气溶 胶的直接辐射效应; 另一是作为云滴中的云凝结核(CNC) 改变云的光学特性和生命周期 ,这种 影响成为气溶胶的间接辐射效应。 气溶胶的

6、辐射强迫不仅依赖于它们的空间 分布，而且依赖于它们的粒子大小，形状， 化学组成以及水循环中的其它因子（如云 的形成）。 从观测试验和理论的角度看，考虑所有的 因子，给出气溶胶辐射强迫的精确估计十 分具有挑战性。 气溶胶对气候变化、云的形成云的形成、能见度的改变、大 气微量成分的循环及人类健康有着重要影响。 气溶胶粒子增加的直接效应是影响大气水循环和辐水循环和辐 射平衡射平衡，这两种过程都会引起气候变化。气溶胶粒 子对减弱太阳辐射的影响较大，因而气溶胶增加对 气候的影响主要表现为使地表降温。 气溶胶粒子又是大气中最重要的云凝结核，气溶胶 粒子增加对水循环的影响，一般也表现为使云滴数 量增加，其气

7、候效应也是使地表降温。 3.2 沙尘气溶胶 沙尘暴是沙尘气溶胶的气象表现形式，是一种风与 沙相互作用的灾害性天气现象，它的形成与地球温 室效应、厄尔尼诺现象、森林锐减、植被破坏、物 种灭绝、气候异常等因素有着不可分割的关系。 沙尘暴作为一种高强度风沙灾害，并不是在所有有 风的地方都能发生，只有那些气候干旱、植被稀疏 的地区，才有可能发生沙尘暴。 中国是东亚沙尘气溶胶的主要源区，其主要来源于 沙漠和干旱地区的风损蚀及随风扬起过程，人类活 动引起的土地利用的变化、沙漠化及城市化，以及 各种自然或人为因素引起的地表特征和气候变化都 可能改变沙尘暴天气发生的频率和强度。 沙尘天气发生时 ,大气中气溶胶

8、浓度迅速增加 , 对入射太阳辐射产生强烈的散射和反射作用 , 导致到达地面的太阳辐射减少。 “中国北方沙尘气溶胶时空分布特征及其对地 表辐射的影响报告”（国家环境保护总局气候影响 研究中心，美国马里兰大学气象系 ,美国国家海洋和大 气局） 、大气气溶胶指数的空间分布特征 、大气气溶胶指数的季节变化特征 、沙尘天气对地表辐射的影响 、大气气溶胶指数的空间分布特征 3 月和4 月大气气溶胶指数的分布形式基本一 致 ,有两类高值区 ,一类是沙尘源区 ,位于塔克拉 玛干大沙漠、内蒙古西部地区、河套地区和河西 走廊 ,主要是在加强源地加强源地 ,沙尘天气的初始源地的 大气气溶胶指数并不高; 另一类是影响

9、区影响区 ,位于华北、东北地区。5 月份大 气气溶胶指数的高值中心位于塔里木盆地 ,该地 区由于周边高山环绕 ,沙尘天气形成后不容易扩 善 ,长期悬浮在大气中 ,形成该地区长期有一个气 溶胶指数的高值区（如图4） 、大气气溶胶指数的季节变化特征 为了说明大气气溶胶指数气溶胶指数季节变化特征 ,选择 沙尘天气发生比较多的 2001 年为对象对各个 区域大气气溶胶指数年变化曲线进行分析。 下图是2001年各个区域气溶胶指数积分强度和 面积强度的变化。 从图可以看出区域气溶胶指数积分强度有 3 个峰值期 , 第一个峰值最强 ,对应着是沙尘天气频繁发生的春季,从 区域面积强度图发现在影响区(Sourc

10、e Region C) 高面积 度持续的时间远比源区 (SourceRegion A) 要长; 加强源 区(Source Region B、Source Region D )面积强度高值持 续的时间介于沙尘源区和影响区之间。 这一分布特点说明沙尘天气在沙尘源区形成以后 ,由于 受到天气系统的作用而抬升到高空 ,在随天气系统移动 过程中 ,大颗粒物不断沉降 ,细小沙尘颗粒物在大气中可 以长时间悬浮 ,在影响区虽然没有新沙尘物质补充 ,由于 细小颗粒物的不断累积 ,致使出现气溶胶指数高值、覆 盖比较大面积现象。另外2 个小峰值分别在春夏之交和 秋收季节 ,这可能和生物质燃烧释放的气溶胶有关 ,有待

11、 进一步研。 、沙尘天气对地表辐射的影响 图7(a)给出了我国沙尘源区额济纳旗地区 2001 年春季(3 月5 月)地面总辐射、入 射辐射和气溶胶指数(AI)逐日的变化曲线。 图7(b)分别给出了北京和额济纳地区春季 沙尘季节大气中吸收性气溶胶指数与地 面入射太阳辐射和总辐射的关系。 从图中可以看 出 ,在沙尘天气 发生时气溶胶指 数出现峰值 ,而 地面接收到的太 阳总辐射和入射 太阳辐射出现低 谷 ,两者之间有 比较好的相关关 系。 发现在沙尘天气发 生时位于沙尘源区 额济纳地区地面接 收入射太阳辐射与 气溶胶指数有很好 的关系 ,随着气溶 胶指数增大地面接 收到的太阳辐射以 指数形式迅速减

12、小 , 相关系数达到0.41; 位于沙尘影响区的 北京相关没有额济 纳好 ,说明北京地 区在沙尘气天气期 间大气气溶胶来源 比较复杂。 除了吸收性沙尘气溶胶对地面接收的入射辐射 有影响外 ,其它污染气溶胶的影响也不容忽视 , 地面接收的总辐射随着气溶胶指数增加也在减 少 ,但是没有直接辐射那么明显 ,相关系数均比 较小 ,主要是因为气溶胶对总辐射的影响途径 比较多 ,也比较复杂。 另外，悬浮在大气中的大量沙尘气溶胶增大了 对入射太阳辐射的散射作用 ,增大散射辐射强 度 ,同时由于大气气溶胶的散射作用导致地面 接收到的入射太阳辐射减弱 ,致使入射太阳辐 射和地面散射辐射之间有明显的反相关关系。

13、3.3黑碳气溶胶的气候效应 3.3.1 黑炭气溶胶的来源 3.3.2 黑炭气溶胶的气候效应 3.3.3 黑炭气溶胶的最新研究 3.3.1 黑炭气溶胶的来源 碳类气溶胶是大气气溶胶中的重要组成部分，它包 括有机碳和黑碳。黑碳气溶胶（Black Carbon）是 含碳物质不完全燃烧产生的一种无定型碳质，基本 上涉及到含碳物质燃烧的过程都会造成黑碳气溶胶 的排放。 黑碳气溶胶来源可分为自然源和人为源两种，火山 爆发、森林大火等自然现象可以造成部分黑碳气溶 胶排放，但由于此类自然现象的发生具有一定的区 域性和偶然性，相反人为源排放具有广泛性和持续 性。煤、石油等化石燃料以及汽车尾气带来的黑碳 气溶胶排

14、放都是大气中黑碳气溶胶的重要来源。 3.3.2 黑炭气溶胶的气候效应 黑碳气溶胶在光学性质上与气溶胶的其他组分有很大 的差别，对从可见到红外的波长范围内的太阳辐射都 有强烈的吸收作用，同大气温室气体如CO2、CH4、 CFCs等相比，黑碳气溶胶具有更宽的吸收波段，另 外，同沙尘等相比，其质量吸收系数要大两个数量级。 黑碳气溶胶颗粒的粒径尺度范围一般在0.011m， 其粒径中值为0.10.2m，尺度分布主要呈现积聚模 态，因此黑碳气溶胶可以作为云凝结核，改变云滴尺 度分布、云光学特性和云中液态水含量及云量。 尽管新生黑碳气溶胶由于疏水性并不是有效的云凝结 核，但是在大气传输过程中，其表面可能发生

15、微物理 和化学形态的改变，变成亲水性的云凝结核并能降低 云凝结核所需要的过饱和度。同时黑碳气溶胶还可以 促进一些气体污染物的气粒转化过程。 黑碳吸收由地面和云反射的向上的太阳辐射，减少了 太阳辐射返回太空，导致在大气顶处正的气溶胶强迫， 与在地面造成的负强迫形成对比。 在大气顶，黑碳的效应与硫酸盐和有机物的冷却效应 相反；而在地面，所有气溶胶都是减少太阳辐射 （？）。净的结果是，气溶胶引起的太阳辐射通量在 地面的变化（雪表面除外）远远超过在大气顶的变化。 3.3.3 黑炭气溶胶的最新研究 由黑碳强迫造成的地球表面变冷或变暖将依赖于大气 和地表如何耦合在一起的细节。由于一些外场试验像 对流层气溶

16、胶辐射强迫观测试验，烟，云和辐射-巴 西试验，气溶胶特征试验-II和印度洋试验的发现，在 气候变化研究中，吸光的、含黑碳气溶胶对辐射强迫 的作用已经成为科学研究的前沿问题。 IPCC（政府间气候变化专门委员会 ）第三次评估报告 （TAR）给出包含了来自化石燃料的黑碳气溶胶全球 年平均辐射强迫的最新估计。 研究表明，与硫酸盐气溶胶内部混合的黑碳会有较强 的辐射强迫；当黑碳在云内或云上时，黑碳气溶胶的 辐射强迫会加强；当黑碳在云下时，黑碳气溶胶的辐 射强迫会减少。 黑碳气溶胶源的排放、柱含量的计算、合理的 气溶胶参数化方案、精确的辐射传输模式及所 用的气候模式，对估算黑碳气溶胶辐射强迫和 气候效应

17、都会产生重要影响。 目前对黑碳气溶胶辐射强迫及其气候效应的研 究工作不确定性非常大；关于它的物理、化学 和光学特性还不清楚，因此，有待于各国科学 家进行深入、细致和全面的研究。 气溶胶指数(AI)表示了利用臭氧总量制图光谱仪 (TOMS)测定的气溶胶吸收雷利散射辐射通量相对 于完全雷利大气随波长变化的测量 , 通常气溶胶指数正值对应的是紫外吸收气溶胶 ,负 值对应的是非吸收性气溶胶。 Back 前体物：一种物质在发生反应形成以前 的原始物。 比如： 二氧化硫和氮氧化物是酸沉降 （酸雨）的主要前体物 二氧化硫也是PM2.5的一种主 要前体物 Back 辐射强迫是指，由于气候系统内部变化， 或二氧化碳浓度、太阳辐射的变化等外 部因素，引起的对流层垂直方向上的净 辐射变化。 气溶胶辐射强迫