氣溶膠及其氣候效應(yīng)

1、氣溶膠及其氣候效應(yīng)指導(dǎo)教師：王麗萍?xì)馊苣z及其氣候效應(yīng)1. 氣溶膠的來(lái)源及分類2. 氣溶膠的影響因素3. 氣溶膠的氣候效應(yīng)1.1氣溶膠的來(lái)源氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的直徑 -10 微米的固體、液體粒子，它相對(duì)濕度比較高、氣溫比較低、含有煤煙顆粒物時(shí)破壞生態(tài)環(huán)境 ,影響人類身體健康。氣溶膠是由不同的過(guò)程產(chǎn)生的，其中包括自然過(guò)程（例如沙塵暴，火山爆發(fā)，巖石或土壤風(fēng)化，海洋中浪花飛濺的鹽粒，流星飛逝后留下的灰燼）和人為過(guò)程（例如化石燃料及生物質(zhì)燃燒）。大氣中對(duì)流層氣溶膠的濃度在最近幾年由于人類活動(dòng)的排放（既有氣溶膠本身的排放，也有其前體物前體物的排放）而有所增加，從而使得 增加。410輻射強(qiáng)迫輻射強(qiáng)

2、迫1.2氣溶膠的分類 氣溶膠可分有機(jī)氣溶膠和無(wú)機(jī)氣溶膠 , 也可分為生物氣溶膠和非生物氣溶膠。英國(guó)倫敦型煙霧和美國(guó)洛杉磯型光化學(xué)煙霧就為二次有機(jī)氣溶膠。英國(guó)倫敦型煙霧主要是由居民或工廠用煤取暖排放的煤煙和冬季早晨的霧相伴而生，構(gòu)成這類煙霧的一次污染物是 SO2和煤塵，它的二次污染物主要是硫酸霧和硫酸鹽氣溶膠。當(dāng)大氣相對(duì)濕度比較高，氣溫比較低，含有煤煙顆粒物時(shí)，SO2發(fā)生催化反應(yīng)而形成硫酸霧 一種強(qiáng)氧化劑：2SO2 +2H2O +O2 2H2SO4(霧) (催化劑-煤塵) 與此同時(shí) ,如果大氣中有 NH3 存在 ,則可形成硫酸銨氣溶膠。汽車(chē)尾氣排放物含有氮氧化物和碳?xì)浠衔锏?,它們本來(lái)就危害人

3、類健康和生態(tài)環(huán)境 ,它們的光化學(xué)反應(yīng)可以使NO 轉(zhuǎn)化成NO2 ,碳?xì)浠衔镅趸?生成臭氧和其它氧化物(如過(guò)氧乙酰硝酸酯等) ,它們的后續(xù)反應(yīng)可以產(chǎn)生二次有機(jī)氣溶膠 ,進(jìn)而導(dǎo)致了洛杉磯型光化學(xué)煙霧的形成。洛杉磯型光化學(xué)煙霧是白色煙霧 ,大氣能見(jiàn)度低 ,具有特殊氣味 ,刺激眼睛和咽喉粘膜 ,使呼吸困難 ,人類和動(dòng)物窒息而死。而O3 濃度的增加可使橡膠制品開(kāi)裂 ,植物葉片變黃甚至枯萎。 生物氣溶膠，如孢子、細(xì)菌、花粉等。 生物氣溶膠可對(duì)一些特定職業(yè)產(chǎn)生危害。生活 在空氣這個(gè)最佳媒介中的生物氣溶膠機(jī)動(dòng)性很大，其引發(fā)的病癥也難以捉摸. 生物氣溶膠所引起各種呼吸道疾病已得到醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。 2 氣溶膠的

4、影響因素降雨對(duì)氣溶膠的沖刷作用北方城市季節(jié)采暖對(duì)氣溶膠濃度的影響 降雨對(duì)氣溶膠的沖刷作用： 降雨的沖刷作用與雨強(qiáng)關(guān)系密切。表1列出了1986年6-7月在上海觀測(cè)到的不同雨強(qiáng)時(shí)的大氣氣溶膠粒子數(shù)密度。 雨強(qiáng)越大，沖刷作用越明顯，且對(duì)粗粒子的沖刷作用明顯，而對(duì)細(xì)粒子也有相當(dāng)?shù)臎_刷作用。降水的凈化作用使雨后空氣清新。北方城市季節(jié)采暖對(duì)氣溶膠濃度的影響 我國(guó)北方城市冬季取暖，對(duì)空氣質(zhì)量有明顯影響。北京的觀測(cè)表明， 在晴天條件下，由采暖引起的煙塵污染并不嚴(yán)重，但在多云和陰天的天氣條件下，采暖引起的空氣污染相當(dāng)嚴(yán)重，其瞬時(shí)粒子數(shù)密度可高達(dá)1600個(gè)/cm3。圖2曲線1北京采暖期前（10月2126）曲線2采

5、暖期間（11月2429）實(shí)測(cè)平均譜采暖期增加的主要是細(xì)粒子（d2 ）對(duì)人體健康危害較大。m3 氣溶膠的氣候效應(yīng)3.1 氣溶膠影響氣候的途徑3.2 沙塵氣溶膠的氣候效應(yīng)3.3 黑碳?xì)馊苣z的氣候效應(yīng)3.1 氣溶膠影響氣候的途徑氣溶膠通過(guò)兩條途徑影響氣候系統(tǒng) :一是通過(guò)吸收和反射太陽(yáng)與地球輻射影響氣候系統(tǒng) ,這種影響稱之為氣溶膠的直接輻射效應(yīng); 另一是作為云滴中的云凝結(jié)核(CNC)改變?cè)频墓鈱W(xué)特性和生命周期 ,這種影響成為氣溶膠的間接輻射效應(yīng)。氣溶膠的輻射強(qiáng)迫不僅依賴于它們的空間分布，而且依賴于它們的粒子大小，形狀，化學(xué)組成以及水循環(huán)中的其它因子（如云的形成）。從觀測(cè)試驗(yàn)和理論的角度看，考慮所有的因

6、子，給出氣溶膠輻射強(qiáng)迫的精確估計(jì)十分具有挑戰(zhàn)性。氣溶膠對(duì)氣候變化、云的形成云的形成、能見(jiàn)度的改變、大氣微量成分的循環(huán)及人類健康有著重要影響。氣溶膠粒子增加的直接效應(yīng)是影響大氣水循環(huán)和輻水循環(huán)和輻射平衡射平衡，這兩種過(guò)程都會(huì)引起氣候變化。氣溶膠粒子對(duì)減弱太陽(yáng)輻射的影響較大，因而氣溶膠增加對(duì)氣候的影響主要表現(xiàn)為使地表降溫。氣溶膠粒子又是大氣中最重要的云凝結(jié)核，氣溶膠粒子增加對(duì)水循環(huán)的影響，一般也表現(xiàn)為使云滴數(shù)量增加，其氣候效應(yīng)也是使地表降溫。3.2 沙塵氣溶膠沙塵暴是沙塵氣溶膠的氣象表現(xiàn)形式，是一種風(fēng)與沙相互作用的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，它的形成與地球溫室效應(yīng)、厄爾尼諾現(xiàn)象、森林銳減、植被破壞、物種滅絕、

7、氣候異常等因素有著不可分割的關(guān)系。沙塵暴作為一種高強(qiáng)度風(fēng)沙災(zāi)害，并不是在所有有風(fēng)的地方都能發(fā)生，只有那些氣候干旱、植被稀疏的地區(qū)，才有可能發(fā)生沙塵暴。中國(guó)是東亞沙塵氣溶膠的主要源區(qū)，其主要來(lái)源于沙漠和干旱地區(qū)的風(fēng)損蝕及隨風(fēng)揚(yáng)起過(guò)程，人類活動(dòng)引起的土地利用的變化、沙漠化及城市化，以及各種自然或人為因素引起的地表特征和氣候變化都可能改變沙塵暴天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。 沙塵天氣發(fā)生時(shí) ,大氣中氣溶膠濃度迅速增加 ,對(duì)入射太陽(yáng)輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射和反射作用 ,導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減少?！爸袊?guó)北方沙塵氣溶膠時(shí)空分布特征及其對(duì)地表輻射的影響報(bào)告”（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局氣候影響研究中心，美國(guó)馬里蘭大學(xué)氣象系 ,美

8、國(guó)國(guó)家海洋和大氣局）、大氣氣溶膠指數(shù)的空間分布特征、大氣氣溶膠指數(shù)的季節(jié)變化特征、沙塵天氣對(duì)地表輻射的影響 、大氣氣溶膠指數(shù)的空間分布特征 3 月和4 月大氣氣溶膠指數(shù)的分布形式基本一致 ,有兩類高值區(qū) ,一類是沙塵源區(qū) ,位于塔克拉瑪干大沙漠、內(nèi)蒙古西部地區(qū)、河套地區(qū)和河西走廊 ,主要是在加強(qiáng)源地加強(qiáng)源地 ,沙塵天氣的初始源地的大氣氣溶膠指數(shù)并不高; 另一類是影響區(qū)影響區(qū) ,位于華北、東北地區(qū)。5 月份大氣氣溶膠指數(shù)的高值中心位于塔里木盆地 ,該地區(qū)由于周邊高山環(huán)繞 ,沙塵天氣形成后不容易擴(kuò)善 ,長(zhǎng)期懸浮在大氣中 ,形成該地區(qū)長(zhǎng)期有一個(gè)氣溶膠指數(shù)的高值區(qū)（如圖4） 、大氣氣溶膠指數(shù)的季節(jié)變化

9、特征為了說(shuō)明大氣氣溶膠指數(shù)氣溶膠指數(shù)季節(jié)變化特征 ,選擇沙塵天氣發(fā)生比較多的 2001 年為對(duì)象對(duì)各個(gè)區(qū)域大氣氣溶膠指數(shù)年變化曲線進(jìn)行分析。下圖是2001年各個(gè)區(qū)域氣溶膠指數(shù)積分強(qiáng)度和面積強(qiáng)度的變化。從圖可以看出區(qū)域氣溶膠指數(shù)積分強(qiáng)度有 3 個(gè)峰值期 ,第一個(gè)峰值最強(qiáng) ,對(duì)應(yīng)著是沙塵天氣頻繁發(fā)生的春季,從區(qū)域面積強(qiáng)度圖發(fā)現(xiàn)在影響區(qū)(Source Region C) 高面積度持續(xù)的時(shí)間遠(yuǎn)比源區(qū) (SourceRegion A) 要長(zhǎng); 加強(qiáng)源區(qū)(Source Region B、Source Region D )面積強(qiáng)度高值持續(xù)的時(shí)間介于沙塵源區(qū)和影響區(qū)之間。這一分布特點(diǎn)說(shuō)明沙塵天氣在沙塵源區(qū)形成

10、以后 ,由于受到天氣系統(tǒng)的作用而抬升到高空 ,在隨天氣系統(tǒng)移動(dòng)過(guò)程中 ,大顆粒物不斷沉降 ,細(xì)小沙塵顆粒物在大氣中可以長(zhǎng)時(shí)間懸浮 ,在影響區(qū)雖然沒(méi)有新沙塵物質(zhì)補(bǔ)充 ,由于細(xì)小顆粒物的不斷累積 ,致使出現(xiàn)氣溶膠指數(shù)高值、覆蓋比較大面積現(xiàn)象。另外2 個(gè)小峰值分別在春夏之交和秋收季節(jié) ,這可能和生物質(zhì)燃燒釋放的氣溶膠有關(guān) ,有待進(jìn)一步研。 、沙塵天氣對(duì)地表輻射的影響圖7(a)給出了我國(guó)沙塵源區(qū)額濟(jì)納旗地區(qū)2001 年春季(3 月5 月)地面總輻射、入射輻射和氣溶膠指數(shù)(AI)逐日的變化曲線。圖7(b)分別給出了北京和額濟(jì)納地區(qū)春季沙塵季節(jié)大氣中吸收性氣溶膠指數(shù)與地面入射太陽(yáng)輻射和總輻射的關(guān)系。從圖中

11、可以看出 ,在沙塵天氣發(fā)生時(shí)氣溶膠指數(shù)出現(xiàn)峰值 ,而地面接收到的太陽(yáng)總輻射和入射太陽(yáng)輻射出現(xiàn)低谷 ,兩者之間有比較好的相關(guān)關(guān)系。 發(fā)現(xiàn)在沙塵天氣發(fā)生時(shí)位于沙塵源區(qū)額濟(jì)納地區(qū)地面接收入射太陽(yáng)輻射與氣溶膠指數(shù)有很好的關(guān)系 ,隨著氣溶膠指數(shù)增大地面接收到的太陽(yáng)輻射以指數(shù)形式迅速減小 ,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.41;位于沙塵影響區(qū)的北京相關(guān)沒(méi)有額濟(jì)納好 ,說(shuō)明北京地區(qū)在沙塵氣天氣期間大氣氣溶膠來(lái)源比較復(fù)雜。除了吸收性沙塵氣溶膠對(duì)地面接收的入射輻射有影響外 ,其它污染氣溶膠的影響也不容忽視 ,地面接收的總輻射隨著氣溶膠指數(shù)增加也在減少 ,但是沒(méi)有直接輻射那么明顯 ,相關(guān)系數(shù)均比較小 ,主要是因?yàn)闅馊苣z對(duì)總輻射的

12、影響途徑比較多 ,也比較復(fù)雜。另外，懸浮在大氣中的大量沙塵氣溶膠增大了對(duì)入射太陽(yáng)輻射的散射作用 ,增大散射輻射強(qiáng)度 ,同時(shí)由于大氣氣溶膠的散射作用導(dǎo)致地面接收到的入射太陽(yáng)輻射減弱 ,致使入射太陽(yáng)輻射和地面散射輻射之間有明顯的反相關(guān)關(guān)系。3.3黑碳?xì)馊苣z的氣候效應(yīng)3.3.1 黑炭氣溶膠的來(lái)源3.3.2 黑炭氣溶膠的氣候效應(yīng)3.3.3 黑炭氣溶膠的最新研究3.3.1 黑炭氣溶膠的來(lái)源碳類氣溶膠是大氣氣溶膠中的重要組成部分，它包括有機(jī)碳和黑碳。黑碳?xì)馊苣z（Black Carbon）是含碳物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的一種無(wú)定型碳質(zhì)，基本上涉及到含碳物質(zhì)燃燒的過(guò)程都會(huì)造成黑碳?xì)馊苣z的排放。黑碳?xì)馊苣z來(lái)源可分為自

13、然源和人為源兩種，火山爆發(fā)、森林大火等自然現(xiàn)象可以造成部分黑碳?xì)馊苣z排放，但由于此類自然現(xiàn)象的發(fā)生具有一定的區(qū)域性和偶然性，相反人為源排放具有廣泛性和持續(xù)性。煤、石油等化石燃料以及汽車(chē)尾氣帶來(lái)的黑碳?xì)馊苣z排放都是大氣中黑碳?xì)馊苣z的重要來(lái)源。3.3.2 黑炭氣溶膠的氣候效應(yīng)黑碳?xì)馊苣z在光學(xué)性質(zhì)上與氣溶膠的其他組分有很大的差別，對(duì)從可見(jiàn)到紅外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)輻射都有強(qiáng)烈的吸收作用，同大氣溫室氣體如CO2、CH4、CFCs等相比，黑碳?xì)馊苣z具有更寬的吸收波段，另外，同沙塵等相比，其質(zhì)量吸收系數(shù)要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。黑碳?xì)馊苣z顆粒的粒徑尺度范圍一般在0.011m，其粒徑中值為0.10.2m，尺度分布主要呈

14、現(xiàn)積聚模態(tài)，因此黑碳?xì)馊苣z可以作為云凝結(jié)核，改變?cè)频纬叨确植?、云光學(xué)特性和云中液態(tài)水含量及云量。盡管新生黑碳?xì)馊苣z由于疏水性并不是有效的云凝結(jié)核，但是在大氣傳輸過(guò)程中，其表面可能發(fā)生微物理和化學(xué)形態(tài)的改變，變成親水性的云凝結(jié)核并能降低云凝結(jié)核所需要的過(guò)飽和度。同時(shí)黑碳?xì)馊苣z還可以促進(jìn)一些氣體污染物的氣粒轉(zhuǎn)化過(guò)程。黑碳吸收由地面和云反射的向上的太陽(yáng)輻射，減少了太陽(yáng)輻射返回太空，導(dǎo)致在大氣頂處正的氣溶膠強(qiáng)迫，與在地面造成的負(fù)強(qiáng)迫形成對(duì)比。在大氣頂，黑碳的效應(yīng)與硫酸鹽和有機(jī)物的冷卻效應(yīng)相反；而在地面，所有氣溶膠都是減少太陽(yáng)輻射（？）。凈的結(jié)果是，氣溶膠引起的太陽(yáng)輻射通量在地面的變化（雪表面除外）遠(yuǎn)遠(yuǎn)

15、超過(guò)在大氣頂?shù)淖兓?.3.3 黑炭氣溶膠的最新研究由黑碳強(qiáng)迫造成的地球表面變冷或變暖將依賴于大氣和地表如何耦合在一起的細(xì)節(jié)。由于一些外場(chǎng)試驗(yàn)像對(duì)流層氣溶膠輻射強(qiáng)迫觀測(cè)試驗(yàn)，煙，云和輻射-巴西試驗(yàn)，氣溶膠特征試驗(yàn)-II和印度洋試驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，在氣候變化研究中，吸光的、含黑碳?xì)馊苣z對(duì)輻射強(qiáng)迫的作用已經(jīng)成為科學(xué)研究的前沿問(wèn)題。IPCC（政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì) ）第三次評(píng)估報(bào)告（TAR）給出包含了來(lái)自化石燃料的黑碳?xì)馊苣z全球年平均輻射強(qiáng)迫的最新估計(jì)。研究表明，與硫酸鹽氣溶膠內(nèi)部混合的黑碳會(huì)有較強(qiáng)的輻射強(qiáng)迫；當(dāng)黑碳在云內(nèi)或云上時(shí)，黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫會(huì)加強(qiáng)；當(dāng)黑碳在云下時(shí)，黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫會(huì)減少。

16、黑碳?xì)馊苣z源的排放、柱含量的計(jì)算、合理的氣溶膠參數(shù)化方案、精確的輻射傳輸模式及所用的氣候模式，對(duì)估算黑碳?xì)馊苣z輻射強(qiáng)迫和氣候效應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生重要影響。目前對(duì)黑碳?xì)馊苣z輻射強(qiáng)迫及其氣候效應(yīng)的研究工作不確定性非常大；關(guān)于它的物理、化學(xué)和光學(xué)特性還不清楚，因此，有待于各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行深入、細(xì)致和全面的研究。氣溶膠指數(shù)(AI)表示了利用臭氧總量制圖光譜儀(TOMS)測(cè)定的氣溶膠吸收雷利散射輻射通量相對(duì)于完全雷利大氣隨波長(zhǎng)變化的測(cè)量 ,通常氣溶膠指數(shù)正值對(duì)應(yīng)的是紫外吸收氣溶膠 ,負(fù)值對(duì)應(yīng)的是非吸收性氣溶膠。 Back 前體物：一種物質(zhì)在發(fā)生反應(yīng)形成以前 的原始物。比如： 二氧化硫和氮氧化物是酸沉降 （酸雨）的主要前體物 二氧化硫也是PM2.5的一種主 要前體物 Back 輻射強(qiáng)迫是指，由于氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化，或二氧化碳濃度、太陽(yáng)輻射的變化等外部因素，引起的對(duì)流層垂直方向上的凈輻射變化。 氣溶膠輻射強(qiáng)迫包含