典型行業黑碳氣溶膠排放對區域氣候的影響模擬

鄭輝輝，師華定，陳莉榮，高慶先，關攀博，張強

1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010 2.中國環境科學研究院氣候變化環境影響研究中心，北京 100012 3.華北電力大學環境科學與工程學院，北京 102206 4.清華大學地球系統科學研究中心，北京 100084

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典型行業黑碳氣溶膠排放對區域氣候的影響模擬

鄭輝輝1，師華定2*，陳莉榮1，高慶先2，關攀博3，張強4

1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010 2.中國環境科學研究院氣候變化環境影響研究中心，北京 100012 3.華北電力大學環境科學與工程學院，北京 102206 4.清華大學地球系統科學研究中心，北京 100084

黑碳氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成成分，其對太陽短波輻射和紅外輻射均有強烈的吸收作用，對區域氣候有較大影響。利用區域氣候模式RegCM3，加入自主編制的黑碳排放清單，模擬研究了2013年工業、交通、民用3個典型行業黑碳氣溶膠地表吸收太陽輻射量的變化，分析不同行業黑碳氣溶膠排放的氣候效應。結果表明：黑碳氣溶膠主要分布在華北、中原、長三角、珠三角和成渝地區，其中又以山東省和河北省的排放量最大，呈現明顯的季節變化，即冬春季高于夏季；3個典型行業排放量排序表現為民用源>工業源>交通源；黑碳氣溶膠使地表吸收太陽輻射量增大，引起的氣候效應表現在使華北、中原、長三角等地區氣溫升高，川渝、珠三角地區氣溫降低；但引起的降水量變化不大，可能與該模式對降水量的模擬效果較差有關。

典型行業；黑碳氣溶膠；區域氣候變化；RegCM3模式

近幾十年，中國南澇北旱現象時有發生，全球氣候模式的模擬結果表明，黑碳氣溶膠可能是引發該現象的一個重要因素[1]。黑碳一般是在碳質燃料不完全燃燒過程中產生的不定型碳質[2]。黑碳氣溶膠是大氣中太陽輻射的重要吸收體，與CO2、CH4、CFCs等溫室氣體相比，其具有更寬的吸收波段；與沙塵相比，其質量吸收系數要大2個數量級[3]。其不僅能影響區域與全球氣候變化[1,4]，而且能夠降低大氣能見度[5]，造成糧食減產[6]，并導致人體健康受損和建筑物的腐蝕[7-8]。黑碳氣溶膠可以吸收紅外到可見范圍內的太陽輻射，在大氣層頂產生正的輻射強迫[9-10]。Haywood等[11]通過大氣環流模型得到黑碳氣溶膠的直接輻射強迫為0.400 W/m2，Jacobson[4]的研究結果則達到0.55 W/m2，超過CH4的直接輻射強迫，黑碳氣溶膠成為僅次于CO2的具有全球增溫效應的物質。此外，黑碳氣溶膠還能夠影響云的反照率和成云量，進而影響區域和全球的氣候變化[12-13]。由于黑碳氣溶膠在大氣中的停留時間較短，因此減少黑碳氣溶膠的排放量可在短期內降低大氣中黑碳氣溶膠的含量[14]，可更為有效地減緩全球變暖趨勢[15]。

張楠等[16]研究了2008年黑碳氣溶膠排放清單，分析了不同行業黑碳排放量占比及其空間分布；李柯等[17]使用大氣化學傳輸模式模擬了不同行業排放源黑碳氣溶膠的地表濃度及其對直接輻射強迫的影響。國內研究使用的清單相對落后，且對黑碳氣溶膠的氣候效應只停留在直接輻射強迫方面，鑒于黑碳氣溶膠對氣候變化的突出貢獻，急需開展不同行業黑碳氣溶膠對氣候變化貢獻相對全面的評估工作，為我國制定相應的減排政策提供科學依據。本文利用區域氣候模型RegCM3(Regional Climate Model Version 3)，加入自主編制的適宜中國地區的民用、交通和工業3個典型行業黑碳氣溶膠排放清單，通過對2013年1月、4月、7月和10月的數據模擬，獲得不同行業黑碳氣溶膠在各季節對我國地表輻射以及地表溫度和降水量的影響特征，從而研究其對地表的輻射強迫和氣候效應的影響。

1 材料與方法

1.1 清單資料

本文所用黑碳氣溶膠排放清單是基于清華大學在國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目支持下開發的排放清單模型——中國多尺度排放清單模型(Multi-resolution Emission Inventory for China，MEIC)，將分省各部門排放量按GDP、人口和路網等空間分布信息進行必要的網格化處理得到本地化的黑碳氣溶膠排放清單。

針對黑碳顆粒物產生機理和排放特征差異，將黑碳顆粒物的人為排放源劃分為固定燃燒源、工業工藝源和移動源三大類；在此基礎上按行業、燃料(產品)、設備(工藝)和末端控制技術共4層，對每個大類進行細分；最后將各地區各部門排放量按GDP、人口和路網等空間分布信息進行必要的網格化處理。

黑碳氣溶膠排放總量(F)計算公式：

(1)

Fn,m,y=EFm(1-Cn,y)

(2)

式中：Ei,y為i地區大氣污染物y的排放量；i為省(直轄市、自治區)；j為部門；k為燃料類型或產品類型；m為技術類型；n為控制設施類型；y為排放物種；A為排放源活動水平(如燃料消耗量、產品產量、行駛里程等)；X為技術應用比例；η為控制技術應用比例；EFm為技術m無控狀態下的排放因子；C為控制技術的去除率。

在第4級源分類層面收集獲取各種排放源的活動水平和對應的排放因子，計算得到每個地區每種污染源的黑碳排放量。計算所需的排放源活動水平、技術分布、排放因子和顆粒物粒徑分布等參數主要通過年鑒、行業協會、環境統計和國內外文獻中獲取；清單資料經過檢驗，更加適合中國區域，合理可靠。具體可參考張強等[18]關于清單估算的驗證。

1.2 模式介紹與參數設置

本研究所使用的模式為意大利國際理論物理研究中心(The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics，ICTP)在Giorgi等提出的RegCM2基礎上所發展的區域氣候模式RegCM3。RegCM3主要參數如下：模擬區域中心位于107°E、35°N，水平分辨率選擇45 km，水平格點數取160×132個，垂直方向18層，模式層頂氣壓為100 hPa，積分時間步長120 s。物理參數方案和過程：側邊界選擇5層過渡的指數松弛方案，Holtslag行星邊界層方案，積云對流參數化方案采用Grell積云參數化方案，SUBEX大尺度降水方案，海洋表面通量采用Zeng海洋參數化方案。模式的初始和邊界資料采用NCEP的NNRP2數據集，每日4次，水平分辨率為2.5°×2.5°，包括氣溫、位勢高度、垂直速度、相對濕度、經緯向風和地面氣壓場，插值到模式各層為模式提供初始邊界場，每6 h更新一次；全球陸地覆蓋特征(GLCC)資料，包括地形和植被數據，分辨率分別為10°和30°，海平面溫度采用NCEPNCAR的GISST月平均海溫資料。陸面過程使用BATSle(生物圈-大氣圈傳輸方案)。積分時間為2013年1月1日—12月31日，為了研究黑碳氣溶膠的輻射效應以及氣候反饋，每個時間段設計2個試驗方案：A不加入氣溶膠進行模擬；B加入黑碳氣溶膠進行模擬。圖1是區域氣候模式的模擬范圍。

注：小圖右下角的數字表示全國排放總量。圖2 2013年中國黑碳氣溶膠排放總量和典型部門的年均及各季節分布Fig.2 China’s black carbon emissions in 2013 and the average annual and seasonal distribution of the typical sector

2 結果與討論

2.1 排放總量及典型行業的空間分布特征

圖2展示了2013年黑碳氣溶膠排放的空間分布特征。由圖2可見，黑碳氣溶膠在2013年的全國排放總量約為178.67萬t。由于不同地區人口數量、經濟產業結構、工業企業規模、居民能源消費種類和數量等因素的不同，各地區對黑碳氣溶膠排放的貢獻差別很大。我國人為源黑碳氣溶膠排放地區分布嚴重不均衡，排放量最高的省份主要分布于華北和華中區域，其中京津冀和山東省的排放量最大，其次是東北、華南和成渝地區，西部的西藏、青海、新疆、甘肅等地排放量最低。

注：文中底圖來源于GrADS軟件，網址:www.opengrods.org。圖1 區域氣候模式的模擬范圍Fig.1 Regional climate model simulation range

3個黑碳氣溶膠排放的典型行業為民用源(88.15萬t)，工業源(62.89萬t)和交通源(27.43萬t)。三者空間分布都與黑碳氣溶膠排放總量的分布相近，主要集中在我國東部，且以京津冀和山東一帶為中心。黑碳氣溶膠總量還有明顯的季節變化，即冬季排放量是其他季節的2倍左右，該變化特征主要是由于冬季民用源黑碳氣溶膠排放量明顯偏高所致，而工業和交通源各季節的排放總量差別不大。

2.2 不同季節和行業黑碳氣溶膠的輻射分布

本文研究的輻射主要是地表吸收的太陽輻射量，圖3顯示不同月份加入黑碳氣溶膠地表吸收的太陽輻射量與不加入黑碳氣溶膠地表吸收的太陽輻射量的差值。由圖3可見，加入黑碳氣溶膠后地表吸收的太陽輻射量增大0～10 Wm2，冬季在全國大部分地區增加地表吸收的太陽輻射量在0～20 Wm2不等，在春季引起的變化不大，在夏季南方大部分地區地表吸收的太陽輻射量減少20 Wm2以上，其中川渝地區地表吸收的太陽輻射量減少了40～60 Wm2。從季節上看，春季地表吸收的太陽輻射量變化不明顯；而夏季的變化分布尤為顯著，冬季和秋季全國范圍的整體趨勢基本一致。從行業看，民用源和工業源冬季地表吸收的太陽輻射量差異比交通源大，可能與交通源排放量較小有關；而春季民用源地表吸收太陽輻射量差異明顯，可能與民用源春季黑碳氣溶膠排放量較大有關。整體來看，在秋冬季節，黑碳氣溶膠引起的地表吸收太陽輻射量普遍增大；春夏在我國西部和東北增大，南部大部分地區減少。

圖3 3個典型行業黑碳氣溶膠引起地表太陽輻射量變化(單位：Wm2)Fig.3 Variation of surface solar radiation caused by black carbon aerosol in three typical industries

2.3 黑碳氣溶膠對溫度及降水的影響

2.3.1 3個典型行業排放黑碳氣溶膠的溫度反饋

本文所研究溫度為近地面2 m的氣溫，圖4為3個典型行業黑碳氣溶膠排放對氣溫的影響模擬。由圖4可見，在秋季和冬季，大部分地區有明顯的升溫效應，尤其是京津冀地區、長三角地區、河北省和山東省，最大升溫可達1 ℃，這類地區是黑碳氣溶膠排放的集中區，可能是因為集體供暖和居民利用散煤采暖的原因；而春季和夏季川渝地區還有小幅降溫，降幅在0.2～0.6 ℃，這可能是因為黑碳氣溶膠使得地表吸收的太陽短波輻射量在春季和夏季減少了20～60 Wm2不等導致地表溫度的降低。民用源所引起的升溫效應相對明顯，而工業源引起的升溫幅度偏小，這可能與冬季許多居民需要采暖有關，也可能是民用源排放管理措施不嚴格，造成的排放量高，而工業源管理相對規范。

圖4 3個典型行業黑碳氣溶膠排放引起的氣溫效應(單位：℃)Fig.4 The temperature effect caused by black carbon aerosol emission in three typical industries

2.3.2 3個典型行業排放黑碳氣溶膠的降水反饋

圖5為3個典型行業黑碳氣溶膠對不同季節降水影響模擬結果。由圖5可見，整體上，黑碳排放對降水的影響不很明顯，中國處于東亞季風區，因此中國上空的水汽輸送有明顯的季風特征。冬季,大陸廣大地區盛行西北氣流,雖然所含水汽量很小，但風力強勁穩定，一般可將水汽送過長江流域，華南和東南沿海仍有西南和東南氣流將水汽輸入大陸,可達云貴高原上空；夏季,西北氣流退縮到35°N以北。黃河中下游以南廣大地區為夏季風所控制，南和西南氣流攜帶豐沛水汽可送達華北平原。黑碳的加入對水汽運輸產生的影響不大。整體看京津冀地區在夏季的降水量減少6～9 mm，約占總降水減少量的30%～40%。全國大部分地區由于黑碳氣溶膠引起的降水變化相對微小，幾個行業的黑碳引起的降水變化分布基本一致，而且數值十分接近，民用源排放的黑碳氣溶膠在秋季引起山東、山西、河北南部、河南及安徽北部地區降水量減少3～5 mm，這可能是由于模型內部變率導致模型對降水量的模擬效果不是很好。

圖5 3個典型行業黑碳氣溶膠排放引起的降水效應(單位：mm)Fig.5 Precipitation effects of black carbon aerosol emissions from three typical industries

3 結論

(1)黑碳氣溶膠排放主要分布于華北、中原、長三角、珠三角和成渝地區，其中又以山東省和河北省的排放量最大，呈現明顯的季節變化，冬季、春季明顯高于夏季。

(2)3個典型行業黑碳氣溶膠排放量排序：民用源>工業源>交通源。

(3)黑碳氣溶膠使得地表吸收的太陽輻射量增大，氣候效應表現在黑碳氣溶膠的加入使華北、中原、長三角等地區氣溫升高，川渝、珠三角地區氣溫降低，但引起的降水量變化不大，可能與模式對降水量的模擬效果較差有關。

[1] 王志立.黑碳氣溶膠的直接輻射強迫及其氣候效應的模擬研究[D].南京:南京信息工程大學,2008. WANG Z L.Simulation of direct radiative forcing and climate effects of black carbon aerosol [D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2008.

[2] 唐楊,韓貴琳,徐志方.黑碳研究進展[J].地球與環境,2010,38(1):98-108. TANG Y, HAN G L,XU Z F.Research progress of black carbon [J].Earth and Environment,2010,38(1): 98-108.

[3] 周晨.氣溶膠的不同混合狀態對其光學性質和輻射強迫的影響[D].南京:南京信息工程大學,2013. ZHOU C.Effects of different mixing states on the optical properties and radiative forcing of aerosols[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2013.

[4] JACOBSON M Z.Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols[J].Nature,2001,409:695-697

[5] 田謐.京津冀地區霾污染過程大氣PM2.5及前體物變化特征研究[D].北京:北京化工大學,2013. TIAN M.Study on the variation characteristics of PM2.5atmospheric haze pollution process in Beijing-Tianjin-Hebei region and precursors[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2013.

[6] JI D S,WANG Y S,WANG L,et al.Analysis of heavy pollution episodes in selected cities of northern China[J].Atmospheric Environment,2011,50(3):338-348.

[7] SAIKAWA E,NAIK V,HOROWITZ L W,et al.Present and potential future contributions of sulfate, black and organic carbon aerosols from China to global air quality,premature mortality and radiative forcing[J].Atmospheric Environment,2009,43:2814-2822.

[8] TAN J H,DUAN J C,et al.Chemical characteristics of haze during summer and winter in Guangzhou[J].Atmospheric Research,2009,94(2):238-245.

[9] IPCC.Climate change 2013: the physical science basis technical summary[M].Geneva:IPCC,2014:127.

[10] SATE M,HANSEN J,KOCH D,et al.Global atmospheric black carbon inferred from AERONET[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2003,100: 6319-6324.

[11] HAYWOOD J M,RAMASWAMY V. Global sensitivity studies of the direct radiative forcing due to anthropogenic sulfate and black carbon aerosols[J].Journal of Geophysical Research,1998,103: 6043-6058.

[12] 李劍東,毛江玉,王維強.大氣模式估算的東亞區域人為硫酸鹽和黑碳氣溶膠輻射強迫及其時間變化特征[J].地球物理學報,2015,58(4):1103-1120. LI J D,MAO J Y,WANG W Q.Radiative forcing of anthropogenic sulfate and black carbon aerosol in East Asia and its temporal variation characteristics [J].Chinese Journal of Geophysics,2015,58(4):1103-1120.

[13] LI J D,SUN Z,LIU Y,et al.A study on sulfate optical properties and direct radiative forcing using LASG-IAP general circulation model[J].Advances in Atmospheric Sciences,2012,29(6):1185-1199.

[14] 黃觀,劉偉,劉志紅,等.黑碳氣溶膠研究概況[J].災害學,2015,30(2):205-214. HUANG G,LIU W,LIU Z H,et al.General situation of black carbon aerosol [J].Journal of Disaster Science,2015,30(2):205-214.

[15] JACOBSON M Z.Control of fossil-fuel particulate black carbon and organic matter,possibly the most effective method of slowing global warming[J].Journal of Geophysical Research,2002,107:4410.

[16] 張楠,覃櫟,謝紹東.中國黑碳氣溶膠排放量及其空間分布[J].科學通報,2013,58(19):1855-1864. ZHANG N,TAN L,XIE S D.Emission and spatial distribution of black carbon aerosol in China[J].Chinese Science Bulletin,2013,58(19):1855-1864.

[17] 李柯,廖宏,RIDLEY D A,等.中國不同行業排放對黑碳和直接輻射強迫的貢獻[C]//第31屆中國氣象學會年會S6大氣成分與天氣、氣候變化.北京:中國氣象學會,2014.

[18] 張強,KLIMONT Z,STREETS D G,等.中國人為源顆粒物排放模型及2011年排放清單估算[J].自然科學進展,2006,16(2):223-231. ZHANG Q, KLIMONT Z,STREETS D G,et al.Chinese anthropogenic particulate matter emission model and emission inventory estimation in 2011[J].Natural Science Progress,2006,16(2):223-231. ?

Simulation of impact of black carbon aerosol on regional climate change in typical industries

ZHENG Huihui1, SHI Huading2, CHEN Lirong1, GAO Qingxian2, GUAN Panbo3, ZHANG Qiang4

1.School of Energy & Environment, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou 014010, China 2.Climate Change Environmental Impact Research Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Environmental Science & Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China 4.Center for Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Black carbon aerosol is an important component of atmospheric aerosols, which has a strong absorption effect on the solar shortwave radiation and infrared radiation, and has a great impact on the regional climate. Using the Regional Climate Model Version 3 (RegCM3) and combined with self-established black carbon emissions inventory, the variation of solar radiative forcing by black carbon aerosols emitted from industry, transportation, and residential sectors in 2013 was simulated, and the climate effects of black carbon aerosol emissions from different sectors analyzed. It was shown that the black carbon aerosols were mainly distributed in the North China, Central Plains, Yangtze River Delta, Pearl River Delta and Chengdu-Chongqing region, showing obvious seasonal changes, with higher emissions in winter and spring than in summer. Among the regions, Shandong Province and Hebei Province had the biggest emissions. The emissions of the three typical sectors were in the order of residential sources>industrial sources>transportation source. The black carbon aerosol increased the surface absorption of solar radiation and caused climate effect of raising the temperature of the North China, Central Plains and Yangtze River Delta, and decreasing the temperature of Sichuan-Chongqing region and Pearl River Delta. However, the resulted change of rainfall was little, which may be related to poor simulation function of the model.

typical sectors;black carbon aerosol; regional climate change;RegCM3 model

2016-11-16

環境保護公益性行業科研專項(201409027，201509001)；中國環境科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業務專項(2016YSKY-003)

鄭輝輝(1993—)，男，碩士，主要從事氣候變化和大氣污染研究，15650094369@163.com

*責任作者：師華定(1979—)，男，研究員，博士，主要研究方向為氣候變化與大氣污染、定量遙感，shihd@craes.org.cn

X513

1674-991X(2017)03-0255-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.037

鄭輝輝，師華定，陳莉榮，等.典型行業黑碳氣溶膠排放對區域氣候的影響模擬[J].環境工程技術學報,2017,7(3):255-261.

ZHENG H H, SHI H D, CHEN L R, et al.Simulation of impact of black carbon aerosol on regional climate change in typical industries[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):255-261.