淺析氣溶膠的氣候效應

于勇 吳自越

摘?要：氣溶膠一方面可以改變云的光學性質和生存時間進而影響天氣變化，另一方面通過散射和吸收輻射直接影響氣候，此外因為大氣中的氣溶膠由許多化學物質組成，各種成分的氣溶膠粒子相互碰并、融合甚至發生反應，進而改變了混合氣溶膠的光學特性，不同的氣溶膠的混合狀態對氣候變化有著重要的影響。

關鍵詞：氣溶膠;氣候效應;混合狀態

1 緒論

大氣氣溶膠是指懸浮于大氣中的固態和液態顆粒所組成的氣態分散系統，雖然氣溶膠是地球大氣中的一種微量成分，但其對地氣系統輻射平衡和水循環均有重要的影響，是影響氣候變化最重要的大氣成分之一。在人類活動和自然因素的雙重影響下，全球增溫、海平面上升、極端氣候事件頻發，影響了人類的生產生活，全球氣候變化受到世界的廣泛關注。對氣溶膠氣候效應的研究，因缺乏對氣溶膠與云的相互作用，以及與大氣環流作用、能量循環等的深入了解，是目前氣候研究中的不確定因子之一，逐漸受到科學家們的重視。隨著經濟和社會的高速發展，人口的集中，城市化進程日益加快，城市化影響區域氣候變化，包括工業排污，機動車尾氣排放在內的一系列人類活動導致的極端天氣氣候事件逐漸增加，城市光化學煙霧事件以及酸雨的形成，臭氧層的破壞，在人口密集的大城市，藍天越來越少，空氣污染加劇，生態環境的惡化，這與人們的健康息息相關，因而大氣氣溶膠引起了廣泛關注。

近來地基、空基、天基等多種觀測手段綜合應用為氣溶膠研究提供了有利條件，研究表明氣溶膠在地球與大氣輻射收支平衡和全球氣候變化中扮演著重要角色。首先，氣溶膠通過散射、吸收直接影響太陽輻射，影響到達地表的太陽短波輻射量和地氣系統的長波輻射量，進而改變了地氣系統的輻射收支，直接影響區域氣候，另一方面氣溶膠可作為云凝結核或冰核影響云的含水量，云的光學性質和生存時間，間接影響氣候。

沙塵、黑碳、有機碳和硫酸鹽氣溶膠對地面能量收以及區域氣候變化有著密切的影響，其中沙塵氣溶膠的氣候效應表現為，直接散射和吸收太陽輻射，表現為沙塵氣溶膠的“陽傘效應”，作為云凝結核影響云的光學特性和生命從間接影響氣候，表現為沙塵氣溶膠的“冰核效應”，另外沙塵氣溶膠的“鐵肥料效應”表現為：沙塵氣溶膠通過長距離的輸送，為海水中浮游生物提供必需的二價鐵營養元素，而浮游生物生產量與影響大氣中的二氧化碳濃度。這樣沙塵氣溶膠成為將陸地、海洋和大氣有機地結合起來的紐帶，成為影響全球能量循環及氣候變化中的關鍵環節。黑碳氣溶膠是大氣中的強吸收成分，另一方面通過干濕沉降到地表的黑碳氣溶膠直接改變了地表反照率，這都導致了太陽輻射能量的重新分配。硫酸鹽氣溶膠的濃度主要與煤和石油燃燒產生的二氧化硫排放有關，加上大氣中復雜的化學反應，成分越加復雜，硫酸鹽氣溶膠也成為對區域氣候變化的影響是一個重要問題，在全球尺度上許多科學家對研究了硫酸鹽氣溶膠對氣候變化的影響。豐富、準確的觀測資料是研究的基礎，黑碳氣溶膠與硫酸鹽氣溶膠的排放源具有較強的一致性，在全球氣候模式的數值模擬研究中通常是同時考慮這兩種氣溶膠。中國區域黑碳氣溶膠引起除了青藏高原和廣西以外的中國大部分地區降溫，縮小了的海陸溫差，進一步地能夠對季風產生影響，減弱東亞夏季風。硫酸鹽氣溶膠和黑碳氣溶膠相比較而言，黑碳氣溶膠對季風減弱程度沒有硫酸鹽的影響大，總的來說，硫酸鹽氣溶膠減弱了中國東南部地區的大氣對流活動，而黑碳氣溶膠是加強了。大氣中氣溶膠，影響大氣消光系數，改變太陽輻射能量的平衡，進一步影響氣象要素的分布特征，最終反過來各個氣象要素的改變又影響了大氣溶膠的污染演變過程。

不同種類的氣溶膠在長距離傳輸過程中不斷地進行內部、外部混合，生成新的混合氣溶膠，這一過程將不斷改變原有氣溶膠的化學和光學特性。針對東亞和西太平洋的大型氣溶膠特性觀測實驗極大的增強了人們對氣溶膠是如何影響地球大氣的化學和輻射特性的認識，比如亞洲沙塵在橫跨半個地球的過程中，沙塵不再是單一的沙塵，而是沙塵和黑碳、有毒重金屬和酸性氣體等污染物的混合體，各種氣溶膠粒子由于各種因素使之必然發生混合，實際的大氣氣溶膠混合狀態處在外部混合和內部混合之間。

豐富、準確的觀測資料是研究的基礎，黑碳氣溶膠與硫酸鹽氣溶膠的排放源具有較強的一致性，在全球氣候模式的數值模擬研究中通常是同時考慮這兩種氣溶膠。從理論上來說，氣溶膠粒子混合狀態目前通常是分兩種理想的情況，即外部混合和內部混合。所謂外部混合是指每個氣溶膠粒子只含有一種成分，這些不同成分的氣溶膠粒子既各自獨立有統一地存在于整個大氣中，形成成分單一的氣溶膠混合系統。而內部混合是指系統中的單個粒子是不是單一的成分，而是多種成分的混合體，比如可溶性外殼包裹著不溶性內核，沙塵粒子被硫酸鹽完全包住，這就需要重新考慮這個新粒子的光學特性了。

氣溶膠的輻射效應、氣候效應的還具有很大不確定性的情況下，有必要利用數值模式的手段來研究中國地區氣溶膠的時空演變和平均分布特征及其對氣候的反饋，數值模擬方法是研究氣溶膠的時空分布和演變規律的基本方法，詳細描述氣溶膠粒子的源、匯、輸送、微物理和化學轉化等過程。區域氣候模式現在已經成為氣候研究和業務預報的重要工具，然而對氣溶膠及其氣候效應的模擬仍是十分復雜的問題，存在許多不確定性，主要在于數值模式對氣溶膠和云相互作用量化難度大，不同氣候模式采用不同次網格過程導致的云對全球氣候變化響應模擬結果的差異很大，氣溶膠造成的云調節影響氣候，反過來氣候變化也影響氣溶膠的清除過程，所以模式對氣溫和降水影響的模擬上差別非常大。排放源可能也是誤差來源之一，還包括太陽變化、平流層臭氧、對流層臭氧、煙塵氣溶膠、地表覆被改變以及火山爆發的影響等等。觀測手段的發展將會加深了人類對氣溶膠和云相互作用過程的理解。

2 氣溶膠的混合狀態

不同的混合狀態產生的輻射強迫也有所不同，因而對混合氣溶膠的直接輻射強迫有待于進一步的研究。目前大多數的氣候模式只考慮氣溶膠的外部混合，少有對氣溶膠內部混合的模擬。這是因為外部混合的氣溶膠的光學性質比較容易處理，模式計算容易實現。外部混合是指不同成分的氣溶膠粒子各自獨立，粒子之間無多次散射，單個氣溶膠粒子的光學特性通過簡單的加權相加即等于整個氣溶膠系統的光學特性。對于外部混合氣溶膠系統，根據每種成分（也就是每個氣溶膠粒子）的譜分布和復折射率計算各自的輻射參數（如消光系數、相函數、光學厚度等），然后根據混合比對單個粒子的輻射參數進行線性疊加，從而得到整個系統的輻射參數。這種是一種描述氣溶膠混合的最直接的方法，很好地實現在模式中對各種不同類型氣溶膠混合后的光學特性描述，同時也方便考慮相對濕度的影響。

而內部混合則要復雜許多，這是整個氣溶膠系統中的單個粒子不再是單一的成分，而是由多種氣溶膠成分組成的混合體，此時獨立散射不再適用，而是由復雜的電磁波散射理論來建模。

3 混合氣溶膠的氣候效應

氣溶膠的氣候效應取決于多重因素，包括氣溶膠的分布、氣溶膠的物理化學性質，以及下墊面的反照率等等，再比如氣溶膠對云的影響的微物理過程就十分復雜，分檔模式根據各類粒子的尺度、質量分檔模擬計算出各檔粒子的生長演變過程，云數值模式來反演云發展過程中各要素的時空分布和演變規律。外部混合與內部混合兩種不同的混合方式產生的直接輻射強迫的空間分布有較大的差異?；旧蠚馊苣z濃度越大的地方，差異也越大。在大氣頂處，外部混合的輻射強迫作用強于內部混合，這在塔里木沙漠地區表現最明顯。在地表處，外部混合的輻射強迫要弱于內部混合，這在四川盆地差值最大，而青藏高原地區的氣溶膠濃度最小，所以差異也最小。

不管采用哪種混合方式，氣溶膠都是使得氣溶膠引起地面氣溫下降，降水量減少。氣溶膠對降水起抑制作用，但對于不同混合方式，抑制效果有季節變化。從數值的大小上來看，春季和夏季的影響大，秋冬兩季節的影響小，而夏季的影響又要大于春季。春季和夏季外部混合的抑制作用要小于內部混合，不同的混合方式對降水的影響在秋冬兩季差別不明顯。

4 結語

氣候變化是我們這個時代的特點問題，而我們正處于一個決定性的歷史時刻。在全球范圍內氣候變化造成了規?？涨暗挠绊?，海平面上升造成發生災難性洪災的風險也在增加，氣候變化導致糧食生產面臨威脅。令人擔憂的是，生態系統和地球氣候系統可能已經達到甚至突破了重要的臨界點，可能導致不可逆轉的變化，如果現在不采取有效的應對，未來適應這些氣候變化的影響會變得更加困難，成本也會更加高昂。

氣溶膠的直接和間接輻射效應影響了地球和大氣系統輻射平衡，氣溶膠、云及其氣候效應的研究長期因其復雜性使得氣溶膠對云宏觀特性（云面積、云厚和液態水路徑等）、微觀特性（液滴和冰晶數濃度及大小分布）及降水作用的研究還不夠，因此氣溶膠和云相互作用以及氣候系統的反饋影響依然具有高度不確定性。對于不同氣候模式及模式的不同版本所給出的氣候效應差異較大，反映了氣溶膠模擬中的不確定性，一方面需要加強觀測系統建設，改進和完善模式中氣溶膠物理過程參數化，服務于我國天氣預報和氣候變化預測，同時另一方面是觀測結果又能對模式的模擬結果進行檢驗，深入理解氣溶膠和云相互作用及其對天氣、氣候的影響機理，通過大量進一步的理論分析和數值試驗，將有助于研究中國地區大氣氣溶膠對環境和氣候的影響，多部門、多學科協同研究，為防災減災、環境外交等提供理論支持，為應對全球氣候變化提出合理的對策提供有益的參考。

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