气溶胶粒子的化学成分、尺度谱分布及其气候效应

气溶胶粒子的化学成分、尺度谱分布及其气候效应

1气溶胶的辐射特性气溶胶颗粒是指漂浮在相中的固体或液体颗粒，直径为10-3101m。大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等。气溶胶对气候变化、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。工业化以来,人类活动不仅直接向大气排放大量粒子,更主要的是向大气大量排放SO2,SO2在大气中通过非均相化学反应逐渐转化成硫酸盐粒子。污染气体形成的大气气溶胶粒子自工业化以来有较大幅度增加,气溶胶粒子增加的直接效应是影响大气水循环和辐射平衡,这两种过程都会引起气候变化。一般来说,气溶胶粒子能吸收散射太阳辐射和地-气长波辐射,但对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,其气候效应也是使地表降温。近代一些模式研究表明,人类活动造成的气溶胶粒子增加的气候变冷效应可以大部分抵销人类活动造成的温室气体增加引起的气候变暖效应。气溶胶对辐射的影响取决于其时间和空间分布、它自身的物理化学性质(包括粒子尺度谱分布、化学成分等等)以及下垫面的光学性质,而气溶胶的分布、物理化学性质及地表状况这些因子都有极大的时间和空间变率,因此客观准确地给出气溶胶的化学成分、粒子尺度谱分布及其时空分布等特征是准确计算气溶胶的气候效应必要条件。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子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。每年春季大量沙尘气溶胶随沙尘暴天气进入到大气中,并且在适宜的大气环流背景下输送到上千公里以外的人口密集地区,从而危及和影响人类赖以生存的自然环境。沙尘气溶胶对中国北方酸雨的中和作用、对硫酸盐气溶胶的形成及其谱分布以及对海洋中微量成分循环过程的影响已成为科学界广泛关注的问题在城市大气中,由于汽车尾气和燃煤排放出大量污染气体可通过气-粒转化过程形成二次气溶胶,由于其粒子尺度小、平均寿命长,已对城市大气环境产生显著影响。首先,微米尺度的气溶胶粒子对人的呼吸系统产生重要影响,危害人类健康,其次高浓度的气溶胶可以通过降低大气的能见度从而影响飞机的正常起落。最近研究还表明,含有各种微生物和生物性物质的气溶胶———生物气溶胶可对一些特定职业产生危害。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。从80年代开始,在国家自然科学基金项目和国际合作研究项目的资助下,中国学者通过现场观测、实验室分析、数值模拟及理论研究等方法,对中国气溶胶的物理和化学特征、来源、时空分布及其对环境和气候的影响做了系统的研究。近年来,国家自然科学基金资助了“中国地区气溶胶辐射特性的研究”,“大气臭氧和气溶胶多波长激光探测研究”,“青藏高原大气臭氧和气溶胶的观测研究”,以及“我国典型地区气溶胶黑碳成分的观测研究”等研究项目。下面从四个方面对近年来中国学者所取得的主要研究成果做综合分析。2中国橡胶专业研究的主要成果2.1气溶胶观测研究气溶胶对环境和气候影响主要取决于其物理性质(粒子的大小、形状、数浓度)、化学性质(化学成分)和光学特性(折射指数)。同大气中的温室气体相比,气溶胶由于在大气中寿命很短,其时空分布呈现出显著的非均匀性。因此,对中国典型的城市和背景地区气溶胶基本特性的观测研究是开展气溶胶研究的基础。通过多次外场综合观测,中国学者对气溶胶的物理、化学和光学特性进行了系统的观测研究。对气溶胶基本特性的研究包括对单个气溶胶颗粒微观特征和气溶胶粒子群平均特征的研究。目前,大多数的研究是针对气溶胶粒子群的平均特征进行的观测研究,根据研究的重点不同又可分为下列几个方面:(1)近地面层气溶胶来源及分布特征的观测研究。近年来随着研究的深入,这方面的研究逐渐由典型城市转移到广大背景地区。例如:根据瓦里关山本底站(36o17′N,100o54′E)、龙凤山(44o44′N,100o54′E)和临安(30o18′N,119o44′E)区域本底站气溶胶采样资料的对比分析得出,三个地区中临安气溶胶质量浓度最高,龙凤山次之,瓦里关山最低,三个地区气溶胶质量浓度的季节分布为秋季浓度高于冬季。在黑河综合试验期间对沙漠气溶胶物理、化学特性进行了观测研究,讨论了沙漠气溶胶数浓度的日变化及其与天气条件的关系。在1987年7月～1992年4月“中日黑潮合作调查研究”期间,利用“向阳红09”号调查船,对中国的黄海、东海和日本以南海域进行了十个航次的海上气溶胶观测,研究得出:受东亚大陆气溶胶源区和东亚季风气候的综合影响,近中国海气溶胶浓度呈现明显的季节分布和地理分布,大量的地壳源和污染源气溶胶可通过大气输送到海上,其中春季经大气向黄海输人的矿物气溶胶达到经河流和大气总输入量的40%以上。类似的研究还包括:对太平洋上空气溶胶的来源及其化学特征进行的观测研究。有关华北清洁地区的气溶胶特征和来源的研究表明:对于海上气溶胶地壳元素和易挥发性元素极大部分来自陆地对于清洁地区大气颗粒物的质量浓度比城市地区小得多,细颗粒物的平均质量浓度比粗颗粒物高,其中人为污染元素比率与城市地区相比很低,大气污染物主要从远距离输送而来;对于北京地区,小颗粒物的来源主要与局地污染源有关。有关学者还对华南的广州、厦门、香港等城市及南海海域大气气溶胶的谱分布,质量浓度和水溶性成分的年变化特征进行了比较充分的研究。(2)气溶胶垂直分布特征的观测研究。这方面的观测主要采用高空探空气球和激光雷达等观测手段。例如:1993年3月12日利用高空探空气球在河北香河地区探测了对流层和平流层大气臭氧和气溶胶的垂直分布规律,结果发现,0～30km大气气溶胶数浓度在近地面、5km和21km高度呈现出三个峰值:143、8和1.1个/cm3,气溶胶的数浓度谱在对流层呈现双模态;同1984年的观测相比,1993年的观测得出的近地层和平流层气溶胶数浓度明显增加。1993年9月至1994年9月间利用高空气球在合肥观测站研究了对流层和平流层气溶胶的浓度、混合比和粒子谱的变化及其与局地气象条件的关系。除了高空探空气球观测以外,激光雷达也是测量对流层上部和平流层气溶胶垂直分布的一种有效手段,这方面的研究包括:利用多波长激光雷达测量平流层气溶胶的垂直分布;利用激光雷达观测还可以研究强烈火山爆发所形成平流层火山云的演变规律,例如,在合肥和北京对1991年6月菲律宾皮纳图博火山爆发所形成的火山云的演变规律的研究。(3)气溶胶的辐射特性的研究。毛节泰对中国地区气溶胶的辐射特性做了系统的研究,该研究的主要目标是建立一个中国地区在气候模式研究中适用的大气气溶胶模型,提供不同季节气溶胶的辐射特性。此外,利用地面太阳直射资料计算气溶胶光学厚度的算法研究有:应用常规气象观测资料的地面太阳短波直射和能见度信息综合建立计算大气柱气溶胶光学厚度的方法,进一步计算出北京、上海等10个城市1980～1994年晴天气溶胶光学厚度资料,并且进一步分析了这些地方气溶胶光学厚度的月变化和年变化特征;采用地面辐射观测资料的研究还包括:利用北京地区多年的直接辐射资料和PIS光谱仪研究北京地区气溶胶光学厚度的中长期变化特征,结果表明:气溶胶光学厚度有春夏季大,秋冬季小的统计规律;北京地区气溶胶光学厚度有逐年增高的趋势,1977～1994年间增长了约2/3。近年来对气溶胶的光学特性的观测方法和技术取得了较快的发展。例如,利用直接取样和积分片方法对大气气溶胶的折射指数虚部(ni)进行了大量的实际测量,结果给出了中国东部不同类型地区气溶胶ni的统计特征:城市地区为0.080,郊区为0.063,乡村地区为0.030,高山为0.012,南海区域为0.006。城市和郊区的ni值,冬半年比夏半年大,12月份为极大值。有关气溶胶折射指数的研究还包括利用消光谱反演气溶胶复折射指数以及从宽谱太阳漫射反演辐射气溶胶折射率虚部。针对单个气溶胶颗粒的研究有:利用扫描电镜/X射线能谱分析了北京大气气溶胶单个颗粒的形貌和元素成分,对粗细颗粒分别进行了X射线物相分析,结果表明:细粒态样品中含有较多的铁和铵的硫酸盐及氯化铵,粗粒态中则主要为矿物物质如石英、方解石和一些粘土矿物。采用同样的方法对电厂煤灰单个颗粒的分析得出:煤飞灰中有较多球形颗粒,还有一些不规则形颗粒,主要含有Si、Al、Ca、Fe、S、K等。类似的研究还有采用试剂薄膜和射线能谱分析了北京市区大气中含硝酸盐的单个气溶胶粒子的特征,结果显示:粗粒子和细粒子中都含有硝酸盐粒子,而且细粒子中有大量的纯硝酸盐粒子,表明均相和非均相反应对城市大气气溶胶的形成有重要影响。2.2气溶胶辐射强迫研究气溶胶一方面通过散射和吸收太阳辐射和地面长波辐射改变地气系统的辐射平衡直接影响气候,另一方面作为云凝结核通过改变云的宏、微观特性,特别是改变云的生命期和光学特性来间接影响气候。近20年以来,随着我国经济的发展、工业规模的扩大,由人类活动排放的SO2(主要来源于矿物燃料和冶金工业排放)不断增加,大量的SO2经气-粒转化过程所形成的硫酸盐气溶胶已对对流层气溶胶的组成产生较大影响,在东亚地区人为源硫酸盐气溶胶含量已远远超过自然源硫酸盐气溶胶(主要通过海洋生物排放的DMS气体经氧化和气-粒转化过程后形成)。硫酸盐气溶胶是云凝结核的重要成分,其粒径分布主要位于对太阳短波辐射有强烈散射作用的次微米范围内,它可以增加局地的行星反照率,相应也改变了局地的辐射强迫作用。综上所述,人为污染物经过气溶胶与区域气候变化紧密地联系起来,这也是近年来气溶胶的研究受到广泛关注的重要原因。这方面的研究主要采用数值模拟的方法。例如,根据工业排放的SO2资料,可以利用三维区域尺度硫输送和沉降模式模拟东亚区域硫酸盐的分布规律,在此基础上,可进一步计算硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫,并可运用二维能量平衡模式模拟硫酸盐气溶胶对温度场的影响,模拟结果表明,由于工业排放SO2所产生的硫酸盐气溶胶浓度的增加可能是导致气温下降的主要因子之一。类似的模拟的工作还有:利用数值实验讨论尘埃气溶胶对沙漠气候和夏季风气候变化的影响,结果表明,气溶胶对太阳短波辐射的散射和吸收,可使地表和土壤温度下降,大气低层温度上升。利用改进的辐射模式计算平流层气溶胶的辐射强迫作用,结果显示,平流层气溶胶辐射强迫的水平分布不仅与其本身的水平分布有关,而且与下垫面的反照率密切相关。针对中国地区大气气溶胶的气侯效应方面较为系统全面的研究有:周秀骥等根据太阳直接辐射总量和日照数资料,反演了中国地区大气气溶胶0.75μm光学厚度的年、月平均值,并利用考虑气溶胶的辐射效应的区域气候模式模拟了气溶胶直接强迫的大小和气候响应的季节变化特征,计算得出,气溶胶的辐射强迫介于-5.3～-13W/m2之间,辐射强迫具有春夏季大,秋冬季小,冬季南方偏大,夏季北方偏大的特征,气溶胶的辐射强迫的分布与其光学厚度的分布基本一致。此外,一些作者对气溶胶的直接和间接辐射强迫及其对气候的影响做了综合分析。2.3气溶胶浓度与气象要素的关系沙尘气溶胶,或称为矿物气溶胶,是对流层气溶胶的主要成分。据估计,全球每年进入大气的沙尘气溶胶达10～20亿t,占对流层气溶胶总量的一半。我国沙尘气溶胶主要来源于新疆、甘肃、内蒙的沙漠以及黄土高原等干旱和半干旱地区。每年春季大量沙尘通过大风天气过程输送到下游地区,对当地的环境与气候产生重要影响。利用多年的现场观测实验,中国学者对强沙尘暴的成因、沙尘气溶胶的物理化学特性及其输送过程做了全面的研究。这方面主要研究工作可以概括为下列三个部分:(1)强沙尘暴的成因及其影响。这方面的典型工作是对一次特强沙尘暴所做的研究年月日在中国西北部发生了一次特强沙尘暴天气袭击了新疆东部甘肃河西走廊、宁夏大部、内蒙古西部等地,使这些地区共死亡85人,失踪31人,伤265人,经济损失达5.5亿元人民币。不同学者对特强沙尘暴过程、受灾情况和成因,特强沙尘暴的天气系统结构特征、沙尘暴过程中和过程前后宁夏石咀山和北京气溶胶的质量浓度、化学组成和离子浓度进行了大量的综合分析[32～34]。在上述沙尘暴天气过程中对金昌市的能见度和总辐射的观测中得到:5月5日15～16时沙尘暴达到时能见度和总辐射均接近于零的特殊现象。(2)沙尘气溶胶的物理化学特性和浓度变化规律。沙尘气溶胶对区域气侯的影响主要是降低了地面入射太阳辐射通量,例如,在北京地区的一次沙尘天气过程中,观测到地面入射太阳辐射通量减少了近40%。在1993年春季沙尘天气过程中,对北京沙尘粒子的观测中得到,沙尘粒子质量浓度比无尘天气条件下高1至2个数量级,其成分以地壳元素为主,而且呈现不规则的形状。在日本的同步观测显示,沙尘气溶胶经长距离输送到日本后,多数沙尘粒子外部包围着可溶性成分,这一观测结果与海盐气溶胶、污染物同沙尘气溶胶相互作用及成云过程有关。与上述研究相对应,在北京1995年春季发生的5次沙尘过程中采用试剂薄膜法和X射线能谱对单个沙尘粒子的分析结果显示,几乎没有沙尘粒子含有可溶性硫酸盐,并且含有硝酸盐的沙尘粒子仅占总沙尘粒子数的11%,远远低于无沙尘时硝酸盐粒子所占的比例,这一结果说明发生于中国北部和西北地区的沙尘在中国大陆内传输过程中,其成分变化不大,仍以其源区的组成成分为主。由于沙尘气溶胶的产生、输送和沉降过程均与气象条件要素密切相关,因此可以运用回归分析的方法对沙尘气溶胶浓度观测资料和相关气象资料进行分析,得出沙尘气溶胶浓度与气象要素的关系,并进一步计算了1971年至1996年北京春季沙尘气溶胶月平均浓度,结果表明,从1971年至1989年沙尘气溶胶浓度总体呈递减趋势,1990年以后,沙尘气溶胶浓度略有增加。(3)沙尘气溶胶的输送过程及其影响。沙尘气溶胶之所以生产大范围的环境与气候效应同长距离输送过程有关。中国学者在借鉴国外起沙和输送模型的基础上,结合中国沙区的特点建立了具有中国特色的沙尘起沙和输送模式。例如,中国科学院大气物理研究所在比较国内外相关起沙模型的基础上,结合中国北方起沙过程的观测资料,提出了一个适合我国北方的起沙机制模型,并在此基础上建立了适合东亚地区的黄沙输送模式。模式结果与实测资料的对比表明,模式可以比较好地模拟黄沙的输送过程。着重研究沙尘输送过程的还有:运用MM4中尺度气象模式结合沙尘气溶胶输送模式对1992年4月发生的两次沙尘暴天气及沙尘输送过程进行的数值模拟研究,结果表明,沙尘气溶胶的长距离输送主要通过低层冷锋(4km以下)和高层西风气流(5km以上)向下游输送。上述模拟结果同根据激光雷达和光度计综合探测得出的沙尘气溶胶远距离输送过程中在垂直方向的两层结构相一致。同上述研究类似,有关学者以MM4中尺度气象模式为动力模型,建立了沙尘暴传输扩散模式并对1991年和1993年春季发生于我国西北的沙尘暴天气过程进行了模拟研究。沙尘气溶胶在适宜的条件下不仅可以进行长距离的输送,而且作为非均相反应的界面可以对东亚地区硫酸盐气溶胶的分布产生重要影响。例如,运用区域尺度大气化学模式对东亚地区沙尘气溶胶的输送过程及其对二氧化硫和硫酸盐时空分布影响的模拟结果表明,作为非均相反应的界面沙尘气溶胶的存在可以加速二氧化硫向硫酸盐的转化大约使硫酸盐增加至40%。中国科学院西安黄土室利用Al、Fe、Mg、Sc作为示踪元素,通过化学元素平衡模式建立源区粉尘示踪系统,对中国北方主要沙漠、黄土高原等地沙尘气溶胶的源区、输送和沉降过程做了系统的分析,认为亚洲粉尘向黄土高原等接近其源区的区域尺度输送受控于东亚季风环流,亚洲粉尘全球尺度输送受控于高空西风气流,大气粉尘向黄土高原的输入过程以干沉积为控制过程。此外,一些学者还分析了中国西北和华北地区经常出现的沙尘暴及沙尘气溶胶的发生源地和移动路线。还可以采用风洞实验的方法研究沙尘粒子扬起物理过程,有关的研究总结了模拟悬浮粒子运动的风洞实验所应遵循的相似性准则,并提出模拟防尘风障的实验中的一个新的相似参数———孔径雷诺数,并初步测定了它的临界数值。2.4气溶胶影响人类健康的研究近年来,随着社会的发展和人民生活水平的提高,人们对健康长寿的需求越来越高,以往一般的卫生保健理论和预防措施已不能满足人类呼吸道防病的要求,作为气溶胶研究中一个迅速发展的领域———生物气溶胶的研究已得到医学、工业卫生、大气科学等多学科的广泛关注。生物气溶胶是指含有微生物和生物性物质的气溶胶,它们包括病毒、立克次体、衣原体、细菌和放线菌、真菌和苔藓等等。这些粒子几乎都和某些人体疾病有关。研究生物气溶胶影响人类健康重点在于确定生物气溶胶的来源、在空气中的传播过程和人体的吸入及其在呼吸道中的沉降。气溶胶作为云凝结核对云的宏微观特征及云中的化学过程有重要影响,对于气溶胶核化清除的化学效应的数值模拟研究表明,气溶胶的核化清除可造成云滴化学成分随云滴大小分布的非均匀性,这种非均匀性又对云滴内发生的气体吸收、液相氧化产生影响。气溶胶的物理化学特性不仅影响云的宏微观特征,而且影响云下雨水的酸化过程。文献、运用云下雨水酸化模式模拟研究了不同浓度和酸度的气溶胶对雨水中几种离子组分的影响,得出气溶胶的物理化学特性,特别是气溶胶的pH值是决定气溶胶起酸化作用还是起碱化作用的主要依据。近期的大量观测结果表明,海洋中浮游生物排放的二甲基硫(DMS)的数量与海上云的凝结核的数量及云量密切相关。文献通过建立包含气溶胶微物理过程的大气气溶胶动力模式,研究