黑炭氣溶膠對丹東地區溫度影響的模擬研究

徐金秀+譚麗靜+白華+單露露+辛鑫

摘要：黑炭氣溶膠是氣溶膠的重要組成成分，在大氣中的濃度非常低，卻對全球變暖、區域氣候變化有重要影響。黑炭氣溶膠能吸收從可見光到紅波段的太陽輻射，已經被普遍認為是造成全球變暖的潛在因子。根據1951年～2016年丹東地區平均溫度圖可知，丹東地區平均溫度波動上升。黑炭氣溶膠的大量排放是丹東地區氣溫異常和快速升高的重要因子之一。本文利用SBDART模型，分別對丹東地區在有黑炭氣溶膠和沒有黑炭氣溶膠的情況下，對丹東地區溫度的影響進行模擬分析。模擬得到的結果是，在有黑炭氣溶膠時，地面0～10公里有明顯增溫。當云在黑炭氣溶膠的上層時，增加黑炭氣溶膠以上云層的溫度，但對下層大氣的溫度有削減作用。當云層在黑炭氣溶膠以下時，對下層大氣有明顯的保溫作用。

關鍵詞：黑炭氣溶膠；輻射；SBDART

中圖分類號： X513 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.10.053

黑炭氣溶膠可以直接或間接影響氣候變化。直接影響是通過氣溶膠對可見光和紅外光強烈的吸收作用，從而改變區域大氣的穩定性和垂直運動，使地球變暖。單就直接驅動因子而言，黑炭已成為全球大氣系統中僅次于CO2的增溫組分[1]。它在研究全球輻射平衡中是一個重要的參數，在某些地區，黑炭的存在可以造成大氣氣溶膠輻射強迫由負輻射效應到正輻射效應轉變，從而導致一個凈的增溫效應[2]。同樣，黑炭氣溶膠能與硫酸鹽、有機碳等水溶性氣溶膠混合作為云凝結核或直接作為冰核，改變云的微物理和輻射性質以及云的壽命，間接地影響氣候系統[3]。

SBDART為平面輻射傳輸模式。旨在解決大氣平衡研究中各種輻射傳輸問題模式，相比其他模式，大幅提高了在有云情況下各種傳輸問題的模式。便于進行敏感性試驗。在SBART模式中，給出了六種標準的大氣廓線，分別為熱帶地區，中緯度冬季，中緯度夏季，副極地夏季，副極地冬季和US標準大氣；三種標準的氣溶膠模式，鄉村、城市及海洋模式；五種標準地表類型詳細分為海面、湖面、植被、雪蓋和沙地。其他參數共包含個主程序和引個子程序，主程序主要用于控制參數的輸入以及結果的輸出，其核心部分為，可給出垂直非均勻。各向異性并含熱源的平面平行介質中的輻射傳輸完全穩定的解析解，成為普遍公認的輻射傳輸精確算法的實用模型。

1模擬結果及對比分析

本文主要研究丹東變暖與短波輻射輻射強迫之間的定量關系，建立了簡單的線性關系模型。通過對比模擬分析，得到丹東地區氣溫異常迅速增長與大氣中黑碳氣溶膠的增加有關。

1.1丹東地區平均氣溫的變化

由以上4幅圖可知，從1951～2016年之間，溫度呈上升趨勢，從1951年～1980年平均氣溫增長緩慢，但總體呈上升趨勢。1981年之后平均氣溫迅速增長，而近年更是增長異常。由圖1可知，春季平均最高氣溫出現在2002年，而最低平均氣溫也比同期最低高出1℃。圖2的夏季平均氣溫雖然沒有春、秋、冬明顯，但可以看出，近20年平均氣溫大部分集中在22.5℃，而1961年～1980年大部分只是集中在21.5℃。據圖3可知，秋季的平均氣溫在近20年增長更為迅速異常，尤其是在近10年，平均溫度平穩趨于高態。冬季平均氣溫的最高溫度出現在2007年，平均溫度增長1℃左右。

自有衛星觀測記錄以來，氣溫觀測和氣球探空都說明，8公里以下地層大氣的全球平均氣溫每10年約增加0.05±0.1℃，而全球地面氣溫平均且每10年己經顯著地增加了0.15±0.05℃[4]。

1.2輻射強迫及模擬結果

輻射強迫就是對影響地球大氣系統入射和出射能量平衡的因子的衡量標準，是表征氣候變化機制的潛在因子重要性的指數，用每平方米多少瓦來表示（Wm-2）。

黑碳氣溶膠對從可見光到紅外波段范圍內的太陽輻射都有強烈的吸收作用，它的濃度的增加會使其對太陽輻射的吸收增加，從而在大氣頂造成正的輻射強迫，但是在有的地區的地表產生負的輻射強迫[5-7]。黑碳氣溶膠主要與人類活動有關，其源在大氣邊界層內，對地面輻射強迫影響更為直接，這是地面輻射強迫與大氣頂輻射強迫存在差異的主要原因[8]。大氣頂輻射強迫和地表輻射強迫也是春季輻射強迫最大，秋、冬季次之，夏季最小[9]。

為了得到黑碳氣溶膠對大氣的增溫狀況，對模式進行了如下的設置：因為做丹東地區的模擬，所以設定丹東的經緯度為47°N，124°E。由于黑碳氣溶膠在早晨穩定在逆溫層，中午時，垂直方向對流強烈，所以這時黑碳氣溶膠很不穩定。晚上時，垂直對流不強烈，黑碳氣溶膠又穩定在逆溫層之中。所以只模擬早晨8點時黑碳氣溶膠的輻射強迫。根據不同的季節選擇不同的廓線。地表情況選擇urban asphalt（c城市瀝青）。氣溶膠模式中最低層選擇城市，加強層中，根據黑碳氣溶膠的半徑，選擇soot（re=0.1），并討論沒有氣溶膠會出現的情況。在平流層中，基本沒有黑碳氣溶膠，可以假設此層沒有氣溶膠。在云模型中，根據需要來選擇。最后直接通過對地面的加熱率來表示。

圖5給出1月15日在晴空無云的條件下，黑碳氣溶膠對空氣的加熱率。1月15日上午8點的具體情況如下：

Name1圖是在沒有黑碳氣溶膠的情況下，短波輻射對大氣的加熱率。在Name1圖中，在0～100公里之內，從0～10公里，隨著高度的升高，加熱率逐漸減小，而且變化很小，在10～50公里，隨著高度的升高，加熱率很快增加，在50公里左右達到最大值，但在50～100公里加熱率隨著高度的升高又很快的減少到100公里變為0。Name2圖是在有黑碳氣溶膠的情況下，短波輻射對大氣的加熱率。由圖可知，在10公里以上，大氣的加熱率基本相同，但在5～10公里，有很大的差別。具體對比如下：在有黑碳氣溶膠的情況下，短波輻射對5～10公里有增溫，其中在8公里處的增溫最大。Konstantin等[10]處的結論是：過去40年（2001年以前）大氣層以下部分已經升溫，總體與近地層類似，都在每10年0.1量級上，這說明近地面層溫度的升高與黑碳氣溶膠有很大的關系。而在正午時刻，黑碳氣溶膠消散的情況下，在沒有黑碳氣溶膠的對比圖。

Name3/name4是在1月15日中午12點時，在加強對流層有和沒有氣溶膠時的對比圖。Name3是在沒有黑碳氣溶膠的時候短波輻射對大氣的加熱狀況，可以知道，正午時刻，黑碳氣溶膠對短波輻射加熱大氣基本沒有影響。

云對黑碳氣溶膠直接輻射強迫的影響。真實大氣是有云存在的，并且存在多種氣溶膠成分。計算有云大氣狀況下，黑碳氣溶膠的輻射強迫，更能真實反應黑碳氣溶膠對真實大氣的影響。云對黑碳氣溶膠直接強迫有著重要的影響。當云層位于黑碳氣溶膠以上時，能夠反射部分直接到達氣溶膠層的太陽輻射，極大地減少黑碳氣溶膠對太陽輻射的吸收。當云層位于黑碳氣溶膠層以下時，由于云對太陽輻射的反射，造成黑碳氣溶膠對太陽輻射的二次吸收，從而增加了溶膠對太陽輻射的吸收[11]，（見圖7） 。

折線1是在晴空無云狀況各層的加熱率，折線2是在高層10～12公里有云的情況下各層的加熱率。由此可以看出，在0～10公里晴空的條件下，加熱率比較大，在10～15公里有云的條件下加熱率比較大，平均地面溫度，還是在沒有云的情況下地面的升溫比較快，加熱比較明顯。在黑碳氣溶膠上方的云對高空起到了保溫作用。

由圖8可知，10公里以上在晴空和有云的狀況下，短波輻射對各層大氣的加熱率基本一致，在0～10公里有很大的差別：折線1表示的是在晴空狀況下，短波輻射對大氣的加熱率，折線2表示的是在有云且云在黑碳氣溶膠的下層的時候，短波輻射對大氣增溫狀況。由折線1和折線2對比分析可知，在1～5公里和5～10公里大氣的加熱率有明顯的增加，造成了地面溫度的增加。

當云在黑碳氣溶膠的下層時，云對太陽輻射有反射作用，反射光被上層的黑碳氣溶膠二次吸收，從而增加了黑碳氣溶膠對短波輻射的吸收，增加了地表的溫度。

利用上述方法對夏季的輻射狀況進行了模擬，得到了相似的結論。

2結論

利用平面平行傳輸模式對丹東地區黑碳氣溶膠對大氣的加熱率進行了模擬和分析，得到以下結論：

在晴空無云的條件下，黑碳氣溶膠對5～10公里的大氣有明顯的增溫，這是由于黑碳氣溶膠是吸收性氣溶膠，主要存在于平流層大氣的頂部（7～10公里）處，對太陽輻射有強烈的吸收作用，所以使大氣增溫，即近地面層的溫度增加。

當空中有云時，云在黑碳氣溶膠的上層，云的存在使云層的部分溫度增加，削減下層的溫度。這是由于云對黑碳氣溶膠的直接輻射強迫有著重要的影響，當云層位于黑碳氣溶膠層以上時，能夠反射部分直接到達氣溶膠層的太陽輻射，極大地減少了黑碳氣溶膠對太陽輻射的吸收。

當空中云位于黑碳氣溶膠以下時，對下層大氣的增溫率增加。這是由于云對黑碳氣溶膠的直接強迫有重要影響，當云層位于黑碳氣溶膠以下時，由于云對短波輻射的反射，使黑碳氣溶膠能夠吸收反射的短波輻射，對太陽輻射有二次吸收作用，從而增加了下層大氣的溫度。

以上研究數據說明，黑碳氣溶膠是影響丹東地區近20年來溫度異常迅速增長的原因之一。但研究過程還有很多的不足，例如黑碳氣溶膠的分布不能夠準確定位，模型不夠完善，模擬出來的結果與實際還有很大差距。

參考文獻

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[10]Konstantin Y，Vinnkow and Norman C G. Global Warming Trend of Mean Tropospheric Temperature Observed by Satellites.Science，2003，302：269-272.

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作者簡介：徐金秀，本科學歷，助理工程師，研究方向：天氣預報。