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  本文關(guān)鍵詞：北半球中緯度黑碳的源解析和輻射效應(yīng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《蘭州大學(xué)》 2015年

北半球中緯度黑碳的源解析和輻射效應(yīng)

章如東  

【摘要】：黑碳,一種典型的碳質(zhì)顆粒物,主要來自于化石燃料、生物燃料和生物質(zhì)的不完全燃燒。無論是在大氣當(dāng)中還是在雪冰里面,黑碳都是主要的吸收性顆粒物。除了對空氣質(zhì)量的影響以外,黑碳主要通過對輻射、云和雪冰反照率的影響及其由此引發(fā)的反饋過程在氣候系統(tǒng)中發(fā)揮獨(dú)特而重要的作用。在北極和北半球中緯度地區(qū),這些效應(yīng)能夠改變大氣環(huán)流并且(或者)加速積雪融化和冰川退縮。針對黑碳,這一氣候系統(tǒng)中重要而又不確定性很大的輻射強(qiáng)迫因子,本文首先介紹了分別于2010、2012和2013年冬季在中國北部、西部和北美地區(qū)展開的三次大范圍的季節(jié)性積雪中吸收性顆粒物的采集試驗(yàn)。隨后介紹了對積雪樣品進(jìn)行融化過濾、光學(xué)分析和化學(xué)分析的方法。黑碳與氣候系統(tǒng)聯(lián)系的一個重要方面就是其在大氣和雪冰中的源解析研究�；诖吮疚慕榻B了一種對以上分析方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行源解析研究的受體模型。最后介紹了在當(dāng)前一流全球氣候模式中加入的一種新穎的源標(biāo)簽技術(shù),該方法能夠識別從不同源地和不同源類型所排放的黑碳的生命史及其傳輸?shù)奖卑肭蛑芯暥鹊貐^(qū)的路徑。本文研究的北半球中緯度地區(qū)包括：中國北部、喜馬拉雅山、青藏高原以及北美地區(qū)。對2010年冬季在中國北部6省區(qū)46個季節(jié)性積雪采樣點(diǎn)采集的樣品進(jìn)行化學(xué)分析,然后將得到的一系列化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)與光學(xué)分析測得的不溶性吸收性顆粒物的濃度一起輸入到正定因子分解模型中進(jìn)行源解析研究。同時將正定因子分解模型的結(jié)果與大氣后向軌跡聚類分析和主要黑碳及沙塵的排放源地的地理信息相結(jié)合,最后共解析出三種源類型：土壤沙塵源、工業(yè)污染源、生物燃料和(或)生物質(zhì)燃燒源。土壤沙塵源是該地區(qū)季節(jié)性積雪中不溶性吸收性顆粒物的主要來源,對整個采樣區(qū)域不溶性吸收性顆粒物的平均貢獻(xiàn)是53%。采用加入源標(biāo)簽技術(shù)的CAM5模式對喜馬拉雅山和青藏高原地區(qū)黑碳的來源、傳輸路徑、沉降和輻射效應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明從不同源地和不同源類型排放的黑碳對該地區(qū)的貢獻(xiàn)大小隨季節(jié)和高原內(nèi)地理位置的變化而變化。對整個喜馬拉雅山和青藏高原地區(qū)年平均黑碳?xì)馊苣z的垂直積分和沉降而言,最大的貢獻(xiàn)是來自南亞的生物燃料和生物質(zhì)燃燒源,其次是來自南亞的化石燃料燃燒源,再其次是來自東亞的化石燃料燃燒源。除去在夏季來自東亞的化石燃料燃燒源變得更重要以外,在其余季節(jié)貢獻(xiàn)大小的排序與年平均是一致的。對于喜馬拉雅山和高原中部,來自南亞黑碳排放的貢獻(xiàn)在各個季節(jié)都是最大的。對于高原東北部,來自東亞黑碳排放的貢獻(xiàn)在各個季節(jié)都是最大的。但是對于高原東南部,只有在夏季來自東亞黑碳排放的貢獻(xiàn)才是最大的。對于高原西北部,來自中亞和中東的化石燃料燃燒源相對而言變得更為重要,特別是在夏季。對整個喜馬拉雅山和青藏高原地區(qū)而言,本地黑碳排放的貢獻(xiàn)只有約10%,但是該貢獻(xiàn)的大小對本地黑碳排放量的變化是極其敏感的。最后給出整個喜馬拉雅山和青藏高原地區(qū)由于黑碳在積雪中產(chǎn)生的年平均輻射強(qiáng)迫為0.42 W m-2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了黑碳?xì)馊苣z在該地區(qū)的造成的年平均地表冷卻效應(yīng)：-0.3 W m-2。同時發(fā)現(xiàn)在該地區(qū)黑碳在積雪中產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫有很強(qiáng)的季節(jié)變化和空間變化,最大值出現(xiàn)于高原西北部的春季(5Wm-2)。如此之大的由于黑碳在積雪中產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫足夠加速積雪融化并且對于冰川退縮形成潛在的威脅。綜合運(yùn)用前述的兩種源解析方法建立了北美地區(qū)(美國西北部和加拿大西部)大氣中和積雪中黑碳的源匯關(guān)系。通過再分析氣象場驅(qū)動CAM5運(yùn)行在與2013年積雪采樣時間相同的時間段發(fā)現(xiàn)：CAM5顯著低估了該地區(qū)積雪中黑碳的濃度,但僅僅略微低估了其在該地區(qū)近地表大氣中的濃度。即使是顯著低估了積雪中黑碳的濃度,但是由此引發(fā)的輻射強(qiáng)迫卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了黑碳?xì)馊苣z在該地區(qū)地表造成的冷卻效應(yīng)。本地排放源是該地區(qū)近地表大氣中和地表沉降的黑碳的主要來源。但是對于該地區(qū)對流層中上層而言,這里濕沉降相對較弱,遠(yuǎn)程傳輸而來的黑碳?xì)馊苣z就變得更為重要。對于該地區(qū)黑碳?xì)馊苣z的垂直積分而言,化石燃料的燃燒是最大的貢獻(xiàn)源類型。對于該地區(qū)黑碳?xì)馊苣z的垂直積分、近地表大氣中的濃度和地表沉降而言,本地源貢獻(xiàn)以化石燃料為主要貢獻(xiàn)源類型,遠(yuǎn)程傳輸而來的黑碳?xì)馊苣z則以生物燃料和生物質(zhì)燃燒為主要貢獻(xiàn)源類型。通過兩種源解析結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)：對于地表沉降(積雪中的黑碳)的源解析,盡管CAM5與正定因子分解模型的結(jié)果在定性上是一致的(化石燃料燃燒是主要的源貢獻(xiàn)類型),但是在定量上CAM5的結(jié)果顯著低估了生物燃料和生物質(zhì)燃燒源的貢獻(xiàn)。除了模式中對生物燃料和生物質(zhì)燃燒源排放的可能低估以外,CAM5中很有可能沒有考慮本地土壤源對于積雪反照率的影響。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X513
【目錄】：

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本文編號：170822