黑碳?xì)馊苣z(BC)是大氣氣溶膠中的重要組成部分,由含碳物質(zhì)的不完全燃燒排放至大氣中。大氣中的BC可通過多種途徑對(duì)全球或區(qū)域氣候產(chǎn)生影響,如通過吸收太陽短波輻射加熱大氣或者參與云凝結(jié)核改變?cè)频姆凑章�、云滴單次散射反照�?SSA)、云的生命史和降水,改變大氣環(huán)流和水循環(huán)。沉降至地表的BC能夠改變冰雪反照率,從而影響局地溫度變化和大氣環(huán)流。中國處于典型的亞洲季風(fēng)氣候區(qū),黑碳?xì)馊苣z排放量大,研究其對(duì)中國區(qū)域氣候的影響具有重要意義。本文以BC為研究對(duì)象,以數(shù)值模擬為主要研究手段,利用耦合的區(qū)域氣候化學(xué)模式系統(tǒng)(RegCCMS)模擬計(jì)算中國地區(qū)BC的濃度、柱含量和光學(xué)厚度的時(shí)空特征,并定量研究BC的直接輻射強(qiáng)迫、第一間接輻射強(qiáng)迫和由BC減少云滴單次散射反照率引起的輻射強(qiáng)迫以及由此引起的直接、間接和半直接氣候效應(yīng)。此外,還定量研究了由于BC沉降至冰雪表面引起冰雪反照率的變化及其引起的氣候效應(yīng)。 論文對(duì)區(qū)域氣候化學(xué)模擬系統(tǒng)(RegCCMS)進(jìn)行了改進(jìn),引入氣溶膠影響云滴數(shù)密度、云滴有效半徑、云水向雨水轉(zhuǎn)化的自轉(zhuǎn)化率、BC影響云滴單次散射反照率(SSA)、BC影響冰雪反照率計(jì)算方案、復(fù)合氣溶膠混合方案,使得該系統(tǒng)具有評(píng)估BC各種氣候效應(yīng)的能力。模擬結(jié)果表明中國地區(qū)的BC主要集中在四川、重慶、貴州、華北、華中和長三角地區(qū),年均最大地面濃度、柱含量和光學(xué)厚度分別達(dá)到14.0μg/m3、8.0mg/m2和0.11。BC地面濃度、柱含量和光學(xué)厚度具有類似的季節(jié)變化特征,夏季最小,春、秋兩季相對(duì)較高。模擬的中國地區(qū)年均BC地面濃度、柱含量和光學(xué)厚度與觀測(cè)(地基、衛(wèi)星)結(jié)果的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.81、0.52和0.71。 首先,研究了BC的直接氣候效應(yīng)。由于BC的吸收作用,導(dǎo)致大氣頂(TOA)產(chǎn)生正的輻射強(qiáng)迫,地表(SRF)產(chǎn)生負(fù)的輻射強(qiáng)迫。晴空大氣和有云大氣下TOA區(qū)域平均的年均直接輻射強(qiáng)迫分別為1.16W/m2和0.81W/m2,局部地區(qū)分別超過7.0W/m2和6.0W/m2。晴空大氣和有云大氣中的SRF直接輻射強(qiáng)迫分別是-3.74W/m2和-2.42W/m2。直接輻射強(qiáng)迫分布與其濃度分布基本一致,中國西南以及華中、華東等地區(qū)的輻射強(qiáng)迫相對(duì)較強(qiáng)。直接效應(yīng)導(dǎo)致中國東部年均云量和云的液態(tài)水路徑減少,總吸收的太陽輻射增加,地表溫度增加、降水減少,區(qū)域平均變化值分別為-0.017%、-0.104g/m2和+1.22W/m2、0.042K和-0.003mm/d。此外,夏季BC的直接輻射強(qiáng)迫引起中國南部的降水增加,長江以北以及東北地區(qū)降水減少。中國大陸上BC的加熱改變了陸海間的溫度梯度,使得陸海溫度梯度冬季減小,夏季增加。 其次,考慮了BC與散射型氣溶膠(包括硫酸鹽、硝酸鹽和一次有機(jī)碳)的不同混合方式對(duì)直接效應(yīng)的影響,包括完全外部混合、完全內(nèi)部混合和部分內(nèi)部混合,其中內(nèi)部混合假設(shè)BC作為內(nèi)核,其他氣溶膠作為殼包裹在BC表面。研究表明,中國中、東部地區(qū)完全外部混合下氣溶膠的SSA最大(0.94),完全內(nèi)部混合的SSA最小(0.63),部分內(nèi)部混合的SSA介于二者之間(0.92),但更接近衛(wèi)星反演的結(jié)果。有云情況下三種混合狀態(tài)中年均氣溶膠在TOA的輻射強(qiáng)迫分別為-1.1、+0.5和-0.6W/m2,完全內(nèi)部混合下BC的吸收最強(qiáng),表現(xiàn)出正的輻射強(qiáng)迫。三種混合狀態(tài)下的直接氣候效應(yīng)均使得云量和云水減少,整層大氣吸收的太陽輻射增多,地表以溫度降低,降水減少為主。由于內(nèi)部混合的BC對(duì)太陽輻射的吸收增強(qiáng)(輻射強(qiáng)迫0.5W/m2),三種方案中,完全內(nèi)部混合下吸收的太陽輻射最多(1.75W/m2),地表降溫最弱(-0.03K)。部分內(nèi)部混合介于完全外部和內(nèi)部混合之間。 再次,研究了BC的間接氣候效應(yīng)。親水BC充當(dāng)云凝結(jié)核(CCN)后使得云滴數(shù)濃度增加(+70.9/cm3)、云滴有效半徑減少(-0.15μm)以及使得云水向雨水轉(zhuǎn)化的效率降低(-7.51×10-6g/kg/s)。模擬的BC第一間接輻射強(qiáng)迫在TOA和SRF具有類似的分布特征,高值區(qū)主要集中在中國西南、東北、日本和印度北部,其中四川-貴州-重慶等地區(qū)的輻射強(qiáng)迫最強(qiáng),區(qū)域平均的第一間接輻射強(qiáng)迫為-0.95W/m2,強(qiáng)于BC在TOA的直接輻射強(qiáng)迫(0.81W/m2)。BC總的間接效應(yīng)主要使中低層云量和云水增加,總吸收的太陽輻射減少,同時(shí)致使地表降溫、降水減少,各量年均的區(qū)域平均值分別為+0.114%、+1.42g/m2、-2.02W/m2、-0.135K和-0.06mm/d,地表降溫降水減少使得表面蒸發(fā)量下降。此外,中國多數(shù)地區(qū)夏季降水減少,中緯度下沉氣流加強(qiáng),陸上整層大氣溫度降低。研究發(fā)現(xiàn),第二間接效應(yīng)比第一間接效應(yīng)更為顯著。同時(shí)考慮BC直接和間接效應(yīng)后,中低層云量減少(-0.025%),云的液水路徑增加(+1.28g/m2),總吸收的太陽輻射減少(-0.733W/m2),地表降溫,降水減少。其中,云量的減少受直接效應(yīng)影響顯著,而間接效應(yīng)對(duì)云水、輻射、溫度和降水的變化貢獻(xiàn)更大。 第四,研究了黑碳-云滴混合改變SSA引起的氣候效應(yīng)。云滴內(nèi)BC吸收太陽輻射后,導(dǎo)致云滴SSA減少,引起大氣頂部正的輻射強(qiáng)迫,地表負(fù)的輻射強(qiáng)迫,四個(gè)月(2003年1、4、7和10月)的月均輻射強(qiáng)迫在大氣頂部約為0.04～0.096W/m2,具有較為明顯的季節(jié)變化,其中地表的輻射強(qiáng)迫是大氣頂?shù)?.25至1.46倍,該值比BC的直接和第一間接輻射強(qiáng)迫小1個(gè)量級(jí)左右。受該輻射強(qiáng)迫的影響,大氣中云量減少,氣溫增加,相對(duì)而言,該類效應(yīng)較BC的直接和間接效應(yīng)弱。 最后,研究了BC改變冰雪反照率的變化及其引起的氣候響應(yīng)。大氣中的BC通過干、濕沉降過程降至冰雪表面,污染冰雪圈,改變反照率。模擬結(jié)果顯示冬季雪中BC含量較高的地區(qū)主要分布在華中、華東、東北以及西南等地,最大超過200.0ng/g;BC含量高的地區(qū)冰雪反照率減少顯著(最大超過5%,中國大陸平均減少0.25%)。冰雪反照率減少后,地表溫度上升(0.2K),吸收的太陽輻射增多(5.0W/m2),雪的厚度減小(5.0cm),同時(shí)能夠影響局地的環(huán)流結(jié)構(gòu)。在發(fā)生降雪的地方,雪中BC含量降低,相應(yīng)的反照率變大。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：X513
【部分圖文】：

BC在大氣中的含量自工業(yè)革命以來不斷上升[素麼廣等；2001],其特殊的物理特性決定其在氣候（如圖1.1)、環(huán)境和人類健康中有著舉足輕重的作用。在氣候上，Memm et al. [2002]研究認(rèn)為，自上個(gè)世紀(jì)50年代以來中國的南漠北旱可能與BC有關(guān)；再者，BC對(duì)太陽短波福射具有很強(qiáng)的吸收能力，被認(rèn)為是僅次于C02的溫室效應(yīng)因子較之溫室氣體，BC生命史較短，其增溫效應(yīng)具有很強(qiáng)的局地性。作為大氣氣溶膠的重要組成部分，BC通過吸收太陽短波輻射加熱低層大氣

大氣化學(xué)模式（TACM)和區(qū)域氣候模式（RegCM3)。如圖2.1所示，區(qū)域氣候模式為大氣化學(xué)模式提供（1)參與大氣化學(xué)反應(yīng)的水汽濃度；（2)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率所需要的溫度、氣壓；（3)計(jì)算光解率所需要的云量、光化通量；（4)描述物種平流/擴(kuò)散/干沉降/煙氣抬升等過程所需要的流場(chǎng)、瑞流場(chǎng)等；（5)描述液相化學(xué)過程和濕清除過程所需要的云和降水等參數(shù)。大氣化學(xué)模式為區(qū)域氣候模式提供計(jì)算輻射過程所需要的具有福射特性和化學(xué)活性的微量氣體的濃度分布。對(duì)流層大氣化學(xué)模式（TACM)A 1排 輸 Z --ii 沉 化放 送 廣福射過程降 學(xué)過 過 過 過程 程 tT 程 程V區(qū)域氣候（RegCM3) r~圖2.1區(qū)域氣候化學(xué)模式系統(tǒng)（RegCCMS)17

部分采用參數(shù)化方案考慮了 S02等氣體的液相吸收和氧化過程以及云內(nèi)和云下清除過程。如圖2.2城丨fn如源排放S02、NOvVOC. COrjmmn | | | 電r點(diǎn)源排放 so:、NCV^occo卜堡而資料 初始條件 洛、(山、區(qū)〉區(qū)域總排放5(?、NOx物種?待呆濃度資料 邊界糸件 VOC- NOX.CH4. CO化學(xué)動(dòng)力學(xué)資抖 _1 —濃、丨? 丨I J I 二維1 ?流、二維：f!散I ▼ Jr I 氣象場(chǎng)資料 ?‘對(duì)流層大氣化學(xué)模式(TACM)— 三SIM力模塊— 氣相化學(xué)模塊 ‘ 7X 內(nèi)氣相物神濃度 （爾洗請(qǐng)除）液丨物種濃ff (液相化￥)(夾卷外分布）干沉降通;;!： 云下濕沉降M y： I . "“I 氣溶膠模塊圖2.2對(duì)流層大氣化學(xué)模式系統(tǒng)框架模式研宄的氣象物種共有23個(gè)，包括14個(gè)輸送物種、6個(gè)穩(wěn)態(tài)假設(shè)物種和3個(gè)定常物種，背景濃度參見表2.1。18
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李樹;王體健;莊炳亮;韓永;;Indirect Radiative Forcing and Climatic Effect of the Anthropogenic Nitrate Aerosol on Regional Climate of China[J];Advances in Atmospheric Sciences;2009年03期

2 吳澗,符淙斌;近五年來東亞春季黑炭氣溶膠分布輸送和輻射效應(yīng)的模擬研究[J];大氣科學(xué);2005年01期

3 王體健,謝旻,高麗潔,楊浩明;一個(gè)區(qū)域氣候-化學(xué)耦合模式的研制及初步應(yīng)用[J];南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年06期

4 張冬峰,高學(xué)杰,趙宗慈,Jeremy S.RAL,Filippo GIORGI;RegCM3區(qū)域氣候模式對(duì)中國氣候的模擬[J];氣候變化研究進(jìn)展;2005年03期

5 馬井會(huì);鄭有飛;張華;;黑碳?xì)馊苣z光學(xué)厚度的全球分布及分析[J];氣象科學(xué);2007年05期

本文編號(hào)：2859927