气候变化下的黑碳气溶胶分析与应对

1、气候变化下的黑碳气溶胶分析与应对杨怡敏 作者简介 杨怡敏（1974-），女，江苏盐城人，南京信息工程大学气候变化与公共政策研究院讲师，南京信息工程大学气候变化与公共气象博士研究生，研究方向：气候变化政策与法律 （1南京信息工程大学 气候变化与公共政策研究院 江苏 南京 210044）摘 要本文从黑碳气溶胶的研究源头着眼，针对该研究的最初研究方向和目标以及发展展开论述，并针对其研究现状对黑碳气溶胶的研究进行了相应论述。本文的主要贡献是，在总结了黑碳气溶胶的确定性和不确定性结论的基础上，提出了以应对全球变暖和节约资源为目标的减排目标。即将自然科学研究基础上的确定结论以人本为目标应用至社会科学领域，

2、并以切实的行动和方式来回归人的可持续发展。关键词黑碳；辐射强迫；融川；全球变暖就普遍意义而言，所谓黑碳气溶胶指的是化石和生物质燃料的不完全燃烧向大气中排放的一种的颗粒物，其主要特点呈现为较高的吸热性和吸光性以及较好的热稳定性。该颗粒物通常不单独存在，而是与其他盐颗粒特别是硫酸盐颗粒混合存在。该颗粒物的独特特征决定了其对大气质量、气候、温度、人体健康的诸多复杂影响。在当前的以人为本和可持续发展模式之下，对该种颗粒物进行系统和深入了解与研究，具有举足轻重的决策性意义。特别是2012年美国国务卿希拉里宣布将联合多国切实减少三种气体即黑碳、甲烷以及氢氟碳化合物的排放以控制全球变暖， 任海军：美发起旨在

3、遏制全球变暖的气候和清洁空气联盟 因此，无论从历史、现状、未来发展角度分析，黑碳已然成为全球变暖严峻形势下的重要因素，气候变化之谈判、议程制定和行动方案等一系列行为将与黑碳治理紧密相连。一、黑碳气溶胶研究现状（一）从地理范围看我国的北京、上海、天津、西安、南京、兰州、广州、贵州等地相应做了全球本底或区域性研究，我国在青海建立了第一个瓦里关本底观测站和浙江临安观测站而瓦里关观测站也是欧亚范围内建立的第一个世界范围的全球本底观测站。欧洲、北美洲等区域从上个世纪七八十年代开始了对黑碳气溶胶的深入广泛研究。从世界范围看，黑碳高浓度区域分别为南亚、非洲、南美洲和欧洲， 许黎，王亚强，陈振林，罗勇，任万辉

4、：“黑碳气溶胶研究进展：排放、清除和浓度”载地球科学进展2006.4，第352360页从中国范围看，黑碳高浓度去分布在华南、华北和长江中下游地带。 丁一汇：中国气候变化科学、影响、适应及对策研究，中国环境科学出版社2009，第65页（二）从发表的成果来看如果以 “black carbon”进行国外论文精确搜索，则可得到论文3105篇，其中 2012年3篇，2011年365篇，2010年345篇，2009年325篇，2008年282篇，2007年269篇，2000-2006年1175篇，而以“black carbon, control”为主干词搜索，共搜索论文195

5、篇，其中2011年23篇，2010年19篇，2009年28篇，2008年12篇，2007年21篇， 2000-2006年83篇，1990-1999 6篇，以black carbon，law搜索,则搜索到仅35篇   以“黑碳”进行中文搜索，共搜索论文253篇，其中2011年47篇，2010年46篇， 2009年50篇， 2008年27篇， 2007年19篇，2000-2006年52篇。从作者来看，汤洁、温玉璞、王庚辰等学者对黑碳气溶胶方面的研究成果相对较多。 从总体方面看，我国的有关黑碳气溶胶的研究与国际相比显得相对落后，成果有一部分

6、，但大都是根据科研基金的分配而定的。国外有些国家或地区已经采取了相应立法与控制，但我国这方面还较为欠缺。二、黑碳气溶胶的研究起源（一）伦敦雾事件二十世纪五十年代，广为人知的所谓“伦敦雾事件”是当时各国专家较为关注的话题。在追根究源过程中，作为罪魁祸首的黑碳问题被提了出来，黑碳成为人们广为关注的对象，这是最早关注黑碳的原因。 郑安桥，苏亚欣，赵敬德：“黑碳气溶胶研究现状”载能源环境保护2007.5第5页但当时的关注角度仅仅局限于环境视角，此后的努力与治理也仅从城市环境角度进行了相应改善。专家此时的研究范围主要是进行城市黑碳浓度实验与相应控制。（二）IPCC报告 从上个世纪七八十年代以来，随着对全

7、球温度的关注，各国科学家根据长期气候发展趋势中的基本情势，得出了一个基本结论：全球温度在随着工业化进程有变暖趋势。众所周知，目前科学界认同的导致全球变暖温室气体包括二氧化碳、甲烷、水汽和氟氯化合物等等，其中二氧化碳是导致全球变暖的第一大温室气体是全球。1995年的IPCC研究报告 IPCC，Climate Change 1995:The Science of Climate Change 2.4.2.2，第113-114页曾经指出：黑碳气溶胶同其他气溶胶如硫酸气溶胶混合存在，可能会大大降低硫酸盐气溶胶单独存在时对大气的负辐射强迫作用。而2000的IPCC研究报告 IPCC，Climate Ch

8、ange 2000:Chapter 6 .Radiative Forcing of Climate Change ，第25-26页则指出：根据模拟研究结果显示，黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫，同硫酸盐气溶胶混合在一起，黑碳气溶胶会极大的减弱气溶胶的负辐射强迫，尤其是在地表反射率较大的北半球地区，这种作用会很明显。这两份报告在用语上有所不同，第一次仅仅用了“可能”这种猜测性词语，而第二次报告则全然改变猜测，以结论性论断直接说明了结果，说明了黑碳对全球变暖的“正辐射强迫”和强烈的“减弱硫酸盐粒子的负辐射强迫”。其实就是一语直接表明黑碳的强增温效果。（三）青藏高原融川加速美国Scripps研究所的一

9、个研究组于2007年8月发表了题名为棕色云增暖南方的文章，指出印度洋上空的污染物对于喜马拉雅山山脉的冰川融化负有直接责任。 黑碳沉降导致青藏高原雪融加速国该文章引起了强烈轰动，我国学者由此展开了对青藏高原的冰芯研究。从研究小组提取的七枚取样冰芯中发现，自20世纪90年代中期以来，冰芯中的黑碳含量显著增加。研究组还发现，在冬春季节，由于青藏高原积雪面积增大，受上空棕色云影响更加显著，积雪和冰川融化更加加速化。而棕色云与冰芯中的黑碳含量有着直接关系，因为棕色云的主要成分为碳黑、硫酸盐、硝酸盐、有机颗粒、飞灰和矿物颗粒。而黑碳极易沉降，使积雪和冰川变暗，吸热能力进一步增强。气候观测表明，近50年来，

10、青藏高原地区平均地表温度每10年上升0.33，不仅高于我国平均水平（每10年升温0.22），更高于同期全球气温每10年0.13的升温速率，专家徐柏青表示，以高原东南部的岗日噶布山为例，上世纪五六十年代，每公斤新鲜积雪中仅含4微克黑碳；而今，等量积雪中的黑碳含量已达15微克。 任荃：黑碳，又一个气候“捣蛋鬼”文汇报2009年12月18日 第1版，获第11届科星奖二等奖综上所述，对黑碳气溶胶的研究有三大趋向：其一，国际研究优先于中国研究；其二，由控制环境污染为中心转向应对气候变暖为中心；其三，研究范围由单一大气转向多种类介质，如冰芯、海洋、土壤等。三、研究领域和相关性表述（一）与全球变暖

11、之间的关系根据诸多科学家的研究和IPCC的历次报告结论可知，黑碳气溶胶在辐射强迫方面显示出明显的正辐射效应。其辐射强迫分为直接辐射强迫和间接辐射强迫。另外，黑碳气溶胶往往不是孤立形式存在，而是与其他盐粒子共存，特别是硫酸盐粒子，众所周知的硫酸盐粒子的负辐射效应在与黑碳气溶胶结合后，则负辐射效应明显下降。美国科学家Ramanathan在2008年则声明黑碳气溶胶可能是导致全球变暖的第二大根源，并计算出其正辐射强迫值达到了0.91.0W/m2， Ramanathan V ,Carmichael G.Global and regional climate changes due to black c

12、arbon,Natural Geoscience,2008,1(4)，第221-227页这进而成为美国前总统布什退出京都议定书的托词而无视其产生来源。 白建辉，王庚辰：“黑碳气溶胶研究新进展”载科学技术与工程2005.9，第585-591页黑碳由于其从物理特性效率较高，通常而言，吸收是气体颗粒物的倍增，而根据有关科学家对于北极探测推算，冰雪上黑碳升温效果比等量二氧化碳高三倍。 FlannerM G,Zender C S,Randerson J T,et al Present-day climate forcing and response from back carbon in snow.Jo

13、urnal of Geophysical Research ,2007,112,D11202,doi 11210.11029/12006JD008003因此，无论是我国青藏高原还是北极的有关黑碳气溶胶的研究，都得出了一个惊人的相似结论：即黑碳气溶胶的存在同样加速了两地冰川的融化。（二）与气候效应之间的关系主要表现为与降水之间的关系。黑碳与我国的南涝北旱有无相关性近几年也成为学者研究的重点。有学者认为，黑碳气溶胶是造成我国南涝北旱的根源， 张靖，银燕：“黑碳气溶胶对我国区域气候影响的数值模拟”载南京气象学院学报2008.6，第854-859页同时又有学者认为南涝北旱与黑碳气溶胶不存在任何关联。

14、支国瑞，张小曳等：“可持续发展背景下的黑碳减排”载气候变化研究进展2009.6，第318-321页尽管观点纷呈，但是黑碳气溶胶作为云凝结核，对成云致雨具有决定性作用，这是科学界一致认同的观点。（三）与大气污染的关系黑碳气溶胶在大气中所形成的红棕色云团已经成为典型的亚洲雾霾，毫无疑问，这种雾霾是一种典型的空气污染，其所造成的后果包括：造成能见度的降低，影响海陆空的各行业交通运输；影响空气的清新健康程度，使空气质量明显下降；沉降物附着建筑物，侵蚀建筑物的表观与牢固程度；粒子粘着于植物表面，影响植物光合作用从而阻碍植物生长。（四）与人体健康的关系在伦敦雾事件当中，就发现了典型的伦敦雾效应，即周边地区

15、有关呼吸道和癌症患者急剧增多。因为无论与何种物质相混合，由于黑碳的强稳定性使其并不产生化学反应，混合物仍然保持着原有特性。所以无论从直接效应还是从间接效应而言，黑碳气溶胶对人体的影响对具有一定的负面性。从直接效应而言，黑碳气溶胶经常与多芳烃相混合，一经人体吸入，即有较强的致癌性，与硫化物混合之物体，硫化物的危害同样在人体内发生作用，而与重金属颗粒物的混合进入人体后则可能形成人体血液粘稠度升高导致各类的血液疾病。 余锡刚，吴建等：“灰霾天气与大气颗粒物的相关性研究综述”载环境污染与防治2010.2从间接效应方面分析，黑碳气溶胶所形成的浑浊空气对人类呼吸道、食物链的影响进而形成的对身体的危害同样存

16、在。（五）与古气候事件的关系 黑碳气溶胶虽然总工业革命以来浓度有了大幅度提高，但是其本身并不是新物质，其存在的历史与人类一样漫长。科学家从上个世纪七八十年代以来，一直在对黑碳气溶胶进行深入而广泛的研究。科学家从冰芯、海洋和湖泊沉积物以及土壤中发现了古代黑碳的存在状况并进行了研究分析，得出两大结论：在人类由间冰期转向冰期时期，黑碳浓度达到较高值；在古代火灾发生地区，黑碳浓度低于非火灾区；由此进而认为，人类由间冰期转向冰期时由于容易导致干旱，因而在黑碳浓度较高区容易发生火灾。 曹军骥，占长林：“黑碳在全球气候和环境系统中的作用及其在相关研究中的意义”载地球科学与环境学报2011.2,第177-18

17、4页因此黑碳与人类古代火灾事件有了一定的关联，另外，由这个结论可能能够解释人类在计算碳平衡过程中的“丢失的碳”问题。四、有关确定与不确定的结论由以上的分析进行总结，可以得出结论：目前在黑碳研究方面已经取得了一定的研究成果，但是由于和科学技术的客观条件限制和人类认识能力的局限性，仍然存在一定的盲区和不确定点。也就是说，对于黑碳的研究，有些结论确实勿庸质疑，但有些方面有待进一步深化。因此，可将气溶胶研究方面的结论分为以下两个方面：（一）确定性结论第一、黑碳浓度必然随着工业化进程而增长。人类自从诞生以来，就在能量交换活动之中。而进行能量交换的主要能源目前在世界范围内仍以煤炭和化石燃料为主。目前，人类

18、的数量总额已经接近60亿，而从发展趋势分析，这个数据将处于日益上升状态，而对于碳的其他可替代能源而言，无论核能、风能、太阳能、生物质能还是地能等，都存在着一定的问题，如难以提取保存、技术不成熟、不稳定、风险度高或者成本较高等。因此，增长着的人类对于煤炭化石能源的要求必然不断提高，工业领域为了满足人类生存需要也必然增加能源利用，增多的人类的形成的排放（如汽车尾气，如生活用能）所导致的黑碳增加也在所难免。 第二、全球变暖与黑碳肯定存在正相关。无论黑碳导致的全球变暖效应是被夸大抑或缩小，黑碳本身的强吸热和吸光性是确定的，其正辐射强迫值根据不同的地点不同的模式进行计算，得出的数值有较大差异。但是，无论

19、是IPCC1995年研究报告还是2000年研究报告，或者是中国学者对于青藏高原融川速度与黑碳关系的研究，还是国外学者对于有关黑碳与温度的研究，毫无疑问都得出了一个确定性结论，即黑碳与气候变暖有确定的正相关关系。第三、黑碳对气候和降水有影响。黑碳气溶胶的吸光和吸热性具有改变大气温度的作用，其吸光吸热性一方面可能或吸收大量的太阳辐射而较少反射进而加热大气，另一方面，作为蔽光层可能阻止太阳对地球的照射导致地区对大气热量吸收的减少降低气温。，黑碳气溶胶与冰雪之间有一定的反射和折射作用，对气温有着重要影响。同时黑碳气溶胶在大气中可作为云凝结核在云层内和云层外发挥着相应的作用，其在云层内外的作用虽然不尽相

20、同，但其对成云致雨的影响作用是科学界一致认同的。 秦世广，汤洁，温玉璞：“黑碳气溶胶及其在气候变化中研究的意义”载气象2001.11，第3-7页第四、黑碳对人体健康呈负相关。前述分析已经说明，黑碳与其他颗粒物的混合在大气中飘浮，对人的呼吸道、心脏、血液都可能产生一定的负担，导致人类的各类疾病，无论是直接效应还是间接效应，其负面影响均不容忽视。第五、黑碳过多影响农作物产量。黑碳过多形成的结果可能是多方面的。首先，黑碳附着于植物表面影响其光合和呼吸作用影响其正常生长；其二，黑碳导致的融川提前和持久将会使农作物在不需要水分时供给水分，反而不利于生长，并造成稀缺水资源的不必要浪费，同时过多的融川水可能

21、会形成过多的污染水成为有害的灌溉水。（二）不确定性结论第一、黑碳的浓度测量方法不同导致的浓度数额不确切。由于关于黑碳浓度的测量存在多种方法，如光测定法、热测定法、光-声测定法、遥感测定法，根据不同测定方法可能得出的结论有较大差别。 见注2，注15如对年度世界范围内黑碳排放值不同学者得出的不同年度排放值分别为：第二、辐射强迫值不确定。黑碳气溶胶的辐射强迫值其实是非常难以把握的，因为其本身并不单独存在，与各种混合物进行附着粘合后，两种物质的辐射强迫值也在混合之中，不同的混合度其辐射强迫值必然不同，而这种混合本身也是随机形成。另外，云层内外的辐射强迫值也存在不一致性。因此，黑碳气溶胶辐射强迫值的精确

22、化难以达到。第三、云物理、化学效应的确切模拟难以进行，对其沉降及停留时间把握不确定性。黑碳气溶胶在云层内和云层外的增暖效应并不相同，其作为云凝结核的物理和化学效应在何种状态下如何模拟都是实验中的难题。黑碳气溶胶在大气中停留时间远远小于二氧化碳，但其停留时间与沉降状态都显得难以把握。五、总控制决策虽然从上述总结中得出结论，对于黑碳气溶胶的研究存在着诸多不确定性，但是，在许多方面存在着肯定的确然性，这正是科学的本质特征。对于确然的负面效应，理性的人类显然不能束手待毙，而是采用合理的方式进行扬长避短。因此，人类当前应该采取的行动是，进一步对其不确定性加强研究，对其确定的不利后果及早控制。具体的控制方

23、面和措施可从如下方面进行：1、同等重视城乡排放源，加强控制。目前，城乡均有一定的黑碳排放。在城市，生活中的燃煤排放、汽车尾气排放等都是黑碳的排放源。而尾气排放主要指的柴油发动机的排放，我国在这方面已经与瑞士达成了相应的国际合作协议，采用了瑞士先进的过滤装置， 常纪文：中瑞气候变化法律论坛，中国环境科学出版社，2010，第84-106页取得了卓著成效。在农村，有一类引起专家学者高度关注的排放，即秸杆燃烧。据统计，有50%的秸杆被农民在春秋收获时节就地燃烧于田间，而燃烧产生的黑碳排放量更是难以统计。因此，禁止秸杆燃烧成为控制农村黑碳排放的重要举措。秸杆本身含有一定的营养物质，对秸杆的处理有两种科学

24、方式，即堆有机肥和制作动物饲料，而后者决策应优先考虑，因为作为动物饲料处理秸杆问题，既解决了黑碳问题，也解决了人类粮食安全问题， 潘家华：低碳经济论-社会论，中国环境科学出版社2008，第20-34页The Analysis and Countermeasures of Black Carbon Aerosols on the Background of Climate ChangeYang YiminInstitute of Climate Change and Public Policy of Nanjing University of Information Science and Te

25、chnolegy Jiangsu Nanjing 210044Abstract This article studied from the original probe on the black carbon aerosols , and discussed the initial study direction and goal, and analized the present situation of research in details. The main contribution of this paper is :on the basis of summarization of

26、the certainty and uncertainty of black carbon aerosols , it puts forward some new solutions to deal with global warming and resource saving for the sake of the emissions reduction . Which humanisticly applied the conclusion on based of natural science to social science, and with practical actions and way to promote the sustainable development .Key words black carbon; radiative forcing; melt of glacier;global warming作者简介：杨怡敏，南京信息工程大学气候变化与公共政策研究院讲师，南京信息工程大学气候变化与公共气象博士研究生邮编：南京，210044邮箱：sk