浅析硫酸盐气溶胶对气候变化的影响与反馈

摘要：大气污染，现今已经成为近些年来环境保护的重点问题。本文从实际出发，针对大气污染的成因进行分析，并就大气污染中硫酸盐的含量进行中国区域硫酸盐气溶胶的输送、扩散、沉降等时空分布及其气候效应的分析，以期能够更好地把握大气污染的程度，为后期针对性治理打下良好基础。

关键词：硫酸盐;气候效应;大气污染

全世界矿物燃料使用量的增加引起大气中SO浓度上升，使得在大气中的硫酸盐气溶胶浓度升高，对气候变化的影响也引起了越来越广泛的研究。不少学者对我国和东亚地区的SO和硫酸盐气溶胶浓度分布也做了研究。高丽洁等利用数值气候模式考察气溶胶的排放输送、转化及其沉降模式，参考2000年的污染排放源资料模拟了中国地区硫酸盐气溶胶的时空分布。王自发等和王喜红等利用数值模式模拟了东亚地区硫酸盐柱含量分布。作为一种主要由人为产生的气溶胶，硫酸盐具有较强的气候效应，主要是散射太阳辐射，削弱入射的短波，产生辐射强迫，扰动地气系统辐射平衡，进而影响地表能量平衡及水分平衡，影响温度、降水和大气环流变化等。

若考虑地球和对流层合并成一个整体的系统，全球对流层顶辐射净收入产生的变化將极大地影响地—气辐射平衡。为评估人类活动对气候变化的影响，世界气象组织（WMO）和联合国环境开发署（UNEP）1988年组建了各国政府间气候变化专门委员会（IPCC）。评估报告指出，预测未来的气候变化，首先需要科学地评估引起气候变化的辐射强迫。

使用区域气候模式（RegCM3），在NCAR/NCEP再分析资料驱动下，通过多年时间尺度的连续积分，在模式中考虑了硫循环过程，为了研究硫酸盐气溶胶的直接气候效应对全球水循环的影响，模拟实验包括：控制试验和敏感性试验、控制试验，其中不包括气溶胶、敏感性试验，引入硫酸盐气溶胶。并将二者结果相减，做差值分析，对结果进行分析。

1所用模式、资料

本文所用模式为意大利国际理论物理中心（The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics）发展的RegCM3，模式模拟了气溶胶的地面排放及其在物理化学过程中的生消及其耗损等，物理过程包括了大气的平流输送、湍流扩散，积云对流输送和干湿沉降等。对应于不同种类的气溶胶的辐射特性时，模式的光学参数含有不同气溶胶特定波长的质量消光效率因子、单次散射反照率和非对称因子，且对于不同类型吸湿性气溶胶采用不同的策略来模拟其吸式增长。

气溶胶的直接辐射强迫是指直接影响辐射净收入，间接辐射强迫是指气溶胶对云的光学特性或云的生命期的影响，间接地影响气候系统。本试验中只考虑气溶胶的直接效应。试验中的模式水平分辨率为60千米，模式的中心点选取在（104.0°E，34.0°N），数值的格点数是128（东西向）和80（南北）。竖直方向共计有18层，最顶层的高度为5hPa。由NCAR/NECP再分析数据驱动模式初始场和每6小时输入一次的侧边界场，海温资料来自美国海洋大气局（NOAA）的OISST资料。模式中气溶胶资料采用全球尺度1°×1°的排放清单。

2试验设计

实验1：控制试验，该试验中不包括气溶胶。

试验2：敏感性试验，引入硫酸盐溶胶。试验2与试验1两者结果之差被视为硫酸盐溶胶的气候效应。

3硫酸盐气溶胶的分布

二氧化硫气溶胶的发射率数据包括矿物质燃烧、生物质燃烧以及人为活动排放，采用全球尺度1°×1°的排放清单（所用资料来源于国际理论物理研究中心网站http：//users.ictp.it/～pubregcm/RegCM3/）。为了便于分析，模拟区域中分出3个子区域，分别为西区（35.5°—44°N，75°—95°E），中区（33°—44。N，95°—112°E）和东区（30°—46°N，112°—130°E）。

硫酸盐气溶胶柱浓度大的值出现在海拔较低、人口相对密集、工业相对发达的地区，最大值出现在四川盆地，中心含量在25mg·m以上，河北南部、山东、江苏、河南东南部、安徽、湖北东部等地区为此大值区，达到近24mg·m。

关于各个季节的硫酸盐气溶胶的年平均柱浓度分布，春季极大值出现在四川盆地以及湖南南部和江苏南部地区，其数值达到24mg·m，整个长江流域和华北地区包括山东半岛都是高值区，柱浓度在18mg·m以上。夏季明显的特征是硫酸盐气溶胶柱浓度高值中心北移到京津地区，极大值高达近40mg·m。这是由于我国是季风国家，夏季来自太平洋的东南季风和来自印度洋的西南季风把硫酸盐气溶胶向北输送到较远地区，从而使南部浓度更低，北部浓度相对升高。而冬季在强劲的冬季风影响下又退到长江中下游地区。秋季，硫酸盐气溶胶的柱浓度维持较高的水平，四川盆地、湖北、河南、安徽和部分江苏地区等是高值区，数值达30mg·m左右。冬季硫酸盐气溶胶柱浓度极大值位于四川盆地，极大值达到27mg.m，湖南为次高值中心，近24mg·m。

冬季北方的冬季取暖供热S02排放较高，但北方的硫酸盐柱浓度很低，这与中国北方地区冬季多雨雪天气，有较强的清除作用有关，且冬季受大陆性高压控制，多偏北风，于是北方地区冬季供暖等产生的大量硫酸盐气溶胶由高空偏北气流源源不断地输送到南方。

关于中国地区气溶胶的观测方面，有一系列的观测数据及其分析成果。其中卫星遥感资料在空间和时间的连续性上具有无可比拟的优势。通过对比模拟的光学厚度与观测数据，其空间分布比较一致，较好地模拟出了观测中的高值中心和低值区等。

4硫酸盐气溶胶的对地面气温和降水的影响

硫酸盐气溶胶的地表的辐射强迫，负的大值区出现在华北和山东南部，达到-3.5W.m，四川盆地也比较高，达到近-2W·m，而正的大值区则出现在湖北和江西北部，达到1W·m。四川虽然是硫酸盐气溶胶高负荷区，但是其辐射强迫却比较小，这可能是由于考虑了气溶胶的直接效应，使得总云量减少，反而使辐射强迫变小。中国区域硫酸盐气溶胶的直接辐射效应引起中国内陆普遍降温。图1给出了硫酸盐气溶胶引起的三个子区域地面气温变化，均为降温，其中四川盆地在8—9月间，降温最为明显，极值达-2℃。南方地域也8—9月间，降温最为明显，极值达-0.6℃，北方地区则有4月、7月和9月三个降幅较大的时间点。降幅顺序为：7月的降幅大于9月的降幅，9月的降幅大于4月的降幅。

图2给出了硫酸盐气溶胶引起的三个子区域的降水季节变化，对于四川盆地，总的来说，上半年是降水减少，下半年是降水增加。在6月中旬和11月中旬为增加和减少的平衡的零点。具体来讲，从1月份开始降水减少，2月后虽然还是降水减少，但降幅逐渐减小，到5月份，开始大幅导致降水减少，6月达到极值-0.63mm·day，而到了6月中旬后，硫酸盐气溶胶引起的南方地区的降水逐步增加，在8月达到最大的增幅，其量值为+0.8mm.day，而后降水增加幅度不断见小，在11月还有个小的峰值。对于南方地区，在1月到6月间为降水减少，6月至9月为降水增加，而后9月到12月降水减少。其中4月初和10月初为降水减少最多的时间点，而7月则达到降水增加最多的时候，达到+0.3mm·day左右。对于北方地区，其降水变化的波动较四川盆地和南方地区更频繁，具体来说，在1月到3月中旬、5月至6月中旬以及7月中旬至12月為降水减少的时段，而3月中旬到5月以及6月中旬到7月中旬为降水增加的时段，6月初和8月初达到降水减少的极值点，4月初和7月初达到降水增加的极值点。

大气中的气溶胶由许多复杂化学物质组成，这些物质的化学特性决定了更加复杂的混合气溶胶的复折射指数，即使不同的气溶胶具有相同化学成分，他们也会有不同的复折射指数，其不同的辐射特性对气候变化的影响也不尽相同。黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶的一致地同步排放，此后由于大气湍流、布朗运动、风切变等导致各个气溶胶粒子之间相互碰并、融合甚至发生反应。混合气溶胶的混合状态对其光学特性有重要影响，使得其对气候的综合影响更加复杂化。不同的数值模式、不同的气象资料、不同的气溶胶的类型以及混合方式的差异等，导致模式的模拟结果差别较大，若黑碳和硫酸盐气溶胶以外部混合的方式则其综合导致的部分正、负辐射强迫相抵消，反之如果以内部混合的方式其物理和化学的特性导致辐射过程及其复杂化，黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶的一致地同步排放，所以通常在气候模式中需要同时引入黑碳气溶胶与硫酸盐气溶胶。黑碳与硫酸盐气溶胶的不同的浓度比或不同的混合方式，对应的引起的辐射强迫作用也不相同。中国区域硫酸盐气溶胶引起中国内陆约25°N以北普遍降温，而海表温度升高，由此导致海陆温差缩小，东亚夏季风强度减弱，中国地区季风降水明显减少，积极地减少了积云降水。从而使得硫酸盐气溶胶对中国地区的大气对流起抑制作用，中国区域黑碳气溶胶引起除了青藏高原和广西以外的中国大部分地区降温，降低海陆温差，缩小气压差，减弱东亚夏季风。相较于硫酸盐气溶胶的作用，黑碳气溶胶相反地加强了中国东南部地区的对流活动。

5结论

本文利用RegCM3较好地模拟出硫酸盐气溶胶的分布和季节变化。在硫循环过程与辐射和动力过程之间双向耦合的情况下，利用RegCM3模式探讨了硫酸盐气溶胶直接气候效应，分析了我国气溶胶的时空变化特征，得到以下一些结论：（1）硫酸盐气溶胶的空间分布存在两大高值区，最大值出现在四川盆地，河北南部、山东、江苏、河南东南部、安徽、湖北东部等地区为此大值区。（2）硫酸盐气溶胶空间分布季节性非常显著。春季极大值出现在四川盆地以及湖南南部和江苏南部地区。夏季明显的特征是硫酸盐气溶胶柱浓度高值中心北移到京津地区，秋季，硫酸盐气溶胶的柱浓度维持较高的水平，四川盆地、湖北、河南、安徽和部分江苏地区等是高值区，冬季硫酸盐气溶胶柱浓度极大值位于四川盆地，湖南为次高值中心。（3）硫酸盐气溶胶的直接辐射效应引起中国内陆普遍降温。降幅最大的区域为四川盆地，辽宁、吉林以及整个中国东部除了沿海部分地区外，降温幅度比较大，达到-0.4℃左右。

作者简介：于勇（1979— ），男，汉族，江苏海安人，博士，中级，研究方向：气溶胶的气候效应。