黑炭气溶胶对丹东地区温度影响的模拟研究

徐金秀+谭丽静+白华+单露露+辛鑫

摘要：黑炭气溶胶是气溶胶的重要组成成分，在大气中的浓度非常低，卻对全球变暖、区域气候变化有重要影响。黑炭气溶胶能吸收从可见光到红波段的太阳辐射，已经被普遍认为是造成全球变暖的潜在因子。根据1951年～2016年丹东地区平均温度图可知，丹东地区平均温度波动上升。黑炭气溶胶的大量排放是丹东地区气温异常和快速升高的重要因子之一。本文利用SBDART模型，分别对丹东地区在有黑炭气溶胶和没有黑炭气溶胶的情况下，对丹东地区温度的影响进行模拟分析。模拟得到的结果是，在有黑炭气溶胶时，地面0～10公里有明显增温。当云在黑炭气溶胶的上层时，增加黑炭气溶胶以上云层的温度，但对下层大气的温度有削减作用。当云层在黑炭气溶胶以下时，对下层大气有明显的保温作用。

关键词：黑炭气溶胶；辐射；SBDART

中图分类号： X513 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.10.053

黑炭气溶胶可以直接或间接影响气候变化。直接影响是通过气溶胶对可见光和红外光强烈的吸收作用，从而改变区域大气的稳定性和垂直运动，使地球变暖。单就直接驱动因子而言，黑炭已成为全球大气系统中仅次于CO2的增温组分[1]。它在研究全球辐射平衡中是一个重要的参数，在某些地区，黑炭的存在可以造成大气气溶胶辐射强迫由负辐射效应到正辐射效应转变，从而导致一个净的增温效应[2]。同样，黑炭气溶胶能与硫酸盐、有机碳等水溶性气溶胶混合作为云凝结核或直接作为冰核，改变云的微物理和辐射性质以及云的寿命，间接地影响气候系统[3]。

SBDART为平面辐射传输模式。旨在解决大气平衡研究中各种辐射传输问题模式，相比其他模式，大幅提高了在有云情况下各种传输问题的模式。便于进行敏感性试验。在SBART模式中，给出了六种标准的大气廓线，分别为热带地区，中纬度冬季，中纬度夏季，副极地夏季，副极地冬季和US标准大气；三种标准的气溶胶模式，乡村、城市及海洋模式；五种标准地表类型详细分为海面、湖面、植被、雪盖和沙地。其他参数共包含个主程序和引个子程序，主程序主要用于控制参数的输入以及结果的输出，其核心部分为，可给出垂直非均匀。各向异性并含热源的平面平行介质中的辐射传输完全稳定的解析解，成为普遍公认的辐射传输精确算法的实用模型。

1模拟结果及对比分析

本文主要研究丹东变暖与短波辐射辐射强迫之间的定量关系，建立了简单的线性关系模型。通过对比模拟分析，得到丹东地区气温异常迅速增长与大气中黑碳气溶胶的增加有关。

1.1丹东地区平均气温的变化

由以上4幅图可知，从1951～2016年之间，温度呈上升趋势，从1951年～1980年平均气温增长缓慢，但总体呈上升趋势。1981年之后平均气温迅速增长，而近年更是增长异常。由图1可知，春季平均最高气温出现在2002年，而最低平均气温也比同期最低高出1℃。图2的夏季平均气温虽然没有春、秋、冬明显，但可以看出，近20年平均气温大部分集中在22.5℃，而1961年～1980年大部分只是集中在21.5℃。据图3可知，秋季的平均气温在近20年增长更为迅速异常，尤其是在近10年，平均温度平稳趋于高态。冬季平均气温的最高温度出现在2007年，平均温度增长1℃左右。

自有卫星观测记录以来，气温观测和气球探空都说明，8公里以下地层大气的全球平均气温每10年约增加0.05±0.1℃，而全球地面气温平均且每10年己经显著地增加了0.15±0.05℃[4]。

1.2辐射强迫及模拟结果

辐射强迫就是对影响地球大气系统入射和出射能量平衡的因子的衡量标准，是表征气候变化机制的潜在因子重要性的指数，用每平方米多少瓦来表示（Wm-2）。

黑碳气溶胶对从可见光到红外波段范围内的太阳辐射都有强烈的吸收作用，它的浓度的增加会使其对太阳辐射的吸收增加，从而在大气顶造成正的辐射强迫，但是在有的地区的地表产生负的辐射强迫[5-7]。黑碳气溶胶主要与人类活动有关，其源在大气边界层内，对地面辐射强迫影响更为直接，这是地面辐射强迫与大气顶辐射强迫存在差异的主要原因[8]。大气顶辐射强迫和地表辐射强迫也是春季辐射强迫最大，秋、冬季次之，夏季最小[9]。

为了得到黑碳气溶胶对大气的增温状况，对模式进行了如下的设置：因为做丹东地区的模拟，所以设定丹东的经纬度为47°N，124°E。由于黑碳气溶胶在早晨稳定在逆温层，中午时，垂直方向对流强烈，所以这时黑碳气溶胶很不稳定。晚上时，垂直对流不强烈，黑碳气溶胶又稳定在逆温层之中。所以只模拟早晨8点时黑碳气溶胶的辐射强迫。根据不同的季节选择不同的廓线。地表情况选择urban asphalt（c城市沥青）。气溶胶模式中最低层选择城市，加强层中，根据黑碳气溶胶的半径，选择soot（re=0.1），并讨论没有气溶胶会出现的情况。在平流层中，基本没有黑碳气溶胶，可以假设此层没有气溶胶。在云模型中，根据需要来选择。最后直接通过对地面的加热率来表示。

图5给出1月15日在晴空无云的条件下，黑碳气溶胶对空气的加热率。1月15日上午8点的具体情况如下：

Name1图是在没有黑碳气溶胶的情况下，短波辐射对大气的加热率。在Name1图中，在0～100公里之内，从0～10公里，随着高度的升高，加热率逐渐减小，而且变化很小，在10～50公里，随着高度的升高，加热率很快增加，在50公里左右达到最大值，但在50～100公里加热率随着高度的升高又很快的减少到100公里变为0。Name2图是在有黑碳气溶胶的情况下，短波辐射对大气的加热率。由图可知，在10公里以上，大气的加热率基本相同，但在5～10公里，有很大的差别。具体对比如下：在有黑碳气溶胶的情况下，短波辐射对5～10公里有增温，其中在8公里处的增温最大。Konstantin等[10]处的结论是：过去40年（2001年以前）大气层以下部分已经升温，总体与近地层类似，都在每10年0.1量级上，这说明近地面层温度的升高与黑碳气溶胶有很大的关系。而在正午时刻，黑碳气溶胶消散的情况下，在没有黑碳气溶胶的对比图。

Name3/name4是在1月15日中午12点时，在加强对流层有和没有气溶胶时的对比图。Name3是在没有黑碳气溶胶的时候短波辐射对大气的加热状况，可以知道，正午时刻，黑碳气溶胶对短波辐射加热大气基本没有影响。

云对黑碳气溶胶直接辐射强迫的影响。真实大气是有云存在的，并且存在多种气溶胶成分。计算有云大气状况下，黑碳气溶胶的辐射强迫，更能真实反应黑碳气溶胶对真实大气的影响。云对黑碳气溶胶直接强迫有着重要的影响。当云层位于黑碳气溶胶以上时，能够反射部分直接到达气溶胶层的太阳辐射，极大地减少黑碳气溶胶对太阳辐射的吸收。当云层位于黑碳气溶胶层以下时，由于云对太阳辐射的反射，造成黑碳气溶胶对太阳辐射的二次吸收，从而增加了溶胶对太阳辐射的吸收[11]，（见图7） 。

折线1是在晴空无云状况各层的加热率，折线2是在高层10～12公里有云的情况下各层的加热率。由此可以看出，在0～10公里晴空的条件下，加热率比较大，在10～15公里有云的条件下加热率比较大，平均地面温度，还是在没有云的情况下地面的升温比较快，加热比较明显。在黑碳气溶胶上方的云对高空起到了保温作用。

由图8可知，10公里以上在晴空和有云的状况下，短波辐射对各层大气的加热率基本一致，在0～10公里有很大的差别：折线1表示的是在晴空状况下，短波辐射对大气的加热率，折线2表示的是在有云且云在黑碳气溶胶的下层的时候，短波辐射对大气增温状况。由折线1和折线2对比分析可知，在1～5公里和5～10公里大气的加热率有明显的增加，造成了地面温度的增加。

当云在黑碳气溶胶的下层时，云对太阳辐射有反射作用，反射光被上层的黑碳气溶胶二次吸收，从而增加了黑碳气溶胶对短波辐射的吸收，增加了地表的温度。

利用上述方法对夏季的辐射状况进行了模拟，得到了相似的结论。

2结论

利用平面平行传输模式对丹东地区黑碳气溶胶对大气的加热率进行了模拟和分析，得到以下结论：

在晴空无云的条件下，黑碳气溶胶对5～10公里的大气有明显的增温，这是由于黑碳气溶胶是吸收性气溶胶，主要存在于平流层大气的顶部（7～10公里）处，对太阳辐射有强烈的吸收作用，所以使大气增温，即近地面层的温度增加。

当空中有云时，云在黑碳气溶胶的上层，云的存在使云层的部分温度增加，削减下层的温度。这是由于云对黑碳气溶胶的直接辐射强迫有着重要的影响，当云层位于黑碳气溶胶层以上时，能够反射部分直接到达气溶胶层的太阳辐射，极大地减少了黑碳气溶胶对太阳辐射的吸收。

当空中云位于黑碳气溶胶以下时，对下层大气的增温率增加。这是由于云对黑碳气溶胶的直接强迫有重要影响，当云层位于黑碳气溶胶以下时，由于云对短波辐射的反射，使黑碳气溶胶能够吸收反射的短波辐射，对太阳辐射有二次吸收作用，从而增加了下层大气的温度。

以上研究数据说明，黑碳气溶胶是影响丹东地区近20年来温度异常迅速增长的原因之一。但研究过程还有很多的不足，例如黑碳气溶胶的分布不能够准确定位，模型不够完善，模拟出来的结果与实际还有很大差距。

参考文献

[1]Haywood J ， Boucher O. Estimates of t he direct and indirectradiative forcing due to t ropospheric aerosol s ： A review.Rev. Geophys. ，2000，38：513-543.

[2]白建辉，王庚辰.黑碳气溶胶研究新进展[J].科学环境，2005，9（05）：584-590.

[3]吕萍，黄建平，董志宝.黑碳和有机气溶胶对中国气候影响的模拟[C].第二十六届中国气象学会与天气气候及环境变化分会场讨论集，2009.

[4]郑安桥，苏亚欣，赵敬德.黑碳溶胶研究现状[J].能源环境保护，2007，21（05）：4-8.

[5]吕萍， 董治宝， 张克存.黑碳和有机碳气溶胶对大气温度影响的数值模拟[J].中国沙漠，2011，2（31）：500-504.

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[7]张华，马井会，郑有飞.黑碳气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究[J].大气科学，2008，32（05）：1147-1158.

[8] 王志立，郭品文，张华.黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季降水影响的模拟研究[J].气候与环境研究，2009，14（02）：161-171.

[9] 宿興涛，王汉杰.中国黑碳气溶胶分布特征与辐射强迫的模拟研究[J].大气科学学报，2009，32（06）：798-806.

[10]Konstantin Y，Vinnkow and Norman C G. Global Warming Trend of Mean Tropospheric Temperature Observed by Satellites.Science，2003，302：269-272.

[11]张双益，薛惠文.浅积云中微物理特性的垂直分布对短波辐射的影响[J].北京大学学报（自然科学版）网络版（预印本），2010，（02）.

作者简介：徐金秀，本科学历，助理工程师，研究方向：天气预报。