徐金秀+譚麗靜+白華+單露露+辛鑫
摘要:黑炭氣溶膠是氣溶膠的重要組成成分,在大氣中的濃度非常低,卻對全球變暖、區(qū)域氣候變化有重要影響。黑炭氣溶膠能吸收從可見光到紅波段的太陽輻射,已經(jīng)被普遍認為是造成全球變暖的潛在因子。根據(jù)1951年~2016年丹東地區(qū)平均溫度圖可知,丹東地區(qū)平均溫度波動上升。黑炭氣溶膠的大量排放是丹東地區(qū)氣溫異常和快速升高的重要因子之一。本文利用SBDART模型,分別對丹東地區(qū)在有黑炭氣溶膠和沒有黑炭氣溶膠的情況下,對丹東地區(qū)溫度的影響進行模擬分析。模擬得到的結(jié)果是,在有黑炭氣溶膠時,地面0~10公里有明顯增溫。當云在黑炭氣溶膠的上層時,增加黑炭氣溶膠以上云層的溫度,但對下層大氣的溫度有削減作用。當云層在黑炭氣溶膠以下時,對下層大氣有明顯的保溫作用。
關(guān)鍵詞:黑炭氣溶膠;輻射;SBDART
中圖分類號: X513 文獻標識碼: A DOI編號: 10.14025/j.cnki.jlny.2017.10.053
黑炭氣溶膠可以直接或間接影響氣候變化。直接影響是通過氣溶膠對可見光和紅外光強烈的吸收作用,從而改變區(qū)域大氣的穩(wěn)定性和垂直運動,使地球變暖。單就直接驅(qū)動因子而言,黑炭已成為全球大氣系統(tǒng)中僅次于CO2的增溫組分[1]。它在研究全球輻射平衡中是一個重要的參數(shù),在某些地區(qū),黑炭的存在可以造成大氣氣溶膠輻射強迫由負輻射效應(yīng)到正輻射效應(yīng)轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致一個凈的增溫效應(yīng)[2]。同樣,黑炭氣溶膠能與硫酸鹽、有機碳等水溶性氣溶膠混合作為云凝結(jié)核或直接作為冰核,改變云的微物理和輻射性質(zhì)以及云的壽命,間接地影響氣候系統(tǒng)[3]。
SBDART為平面輻射傳輸模式。旨在解決大氣平衡研究中各種輻射傳輸問題模式,相比其他模式,大幅提高了在有云情況下各種傳輸問題的模式。便于進行敏感性試驗。在SBART模式中,給出了六種標準的大氣廓線,分別為熱帶地區(qū),中緯度冬季,中緯度夏季,副極地夏季,副極地冬季和US標準大氣;三種標準的氣溶膠模式,鄉(xiāng)村、城市及海洋模式;五種標準地表類型詳細分為海面、湖面、植被、雪蓋和沙地。其他參數(shù)共包含個主程序和引個子程序,主程序主要用于控制參數(shù)的輸入以及結(jié)果的輸出,其核心部分為,可給出垂直非均勻。各向異性并含熱源的平面平行介質(zhì)中的輻射傳輸完全穩(wěn)定的解析解,成為普遍公認的輻射傳輸精確算法的實用模型。
1模擬結(jié)果及對比分析
本文主要研究丹東變暖與短波輻射輻射強迫之間的定量關(guān)系,建立了簡單的線性關(guān)系模型。通過對比模擬分析,得到丹東地區(qū)氣溫異常迅速增長與大氣中黑碳氣溶膠的增加有關(guān)。
1.1丹東地區(qū)平均氣溫的變化
由以上4幅圖可知,從1951~2016年之間,溫度呈上升趨勢,從1951年~1980年平均氣溫增長緩慢,但總體呈上升趨勢。1981年之后平均氣溫迅速增長,而近年更是增長異常。由圖1可知,春季平均最高氣溫出現(xiàn)在2002年,而最低平均氣溫也比同期最低高出1℃。圖2的夏季平均氣溫雖然沒有春、秋、冬明顯,但可以看出,近20年平均氣溫大部分集中在22.5℃,而1961年~1980年大部分只是集中在21.5℃。據(jù)圖3可知,秋季的平均氣溫在近20年增長更為迅速異常,尤其是在近10年,平均溫度平穩(wěn)趨于高態(tài)。冬季平均氣溫的最高溫度出現(xiàn)在2007年,平均溫度增長1℃左右。
自有衛(wèi)星觀測記錄以來,氣溫觀測和氣球探空都說明,8公里以下地層大氣的全球平均氣溫每10年約增加0.05±0.1℃,而全球地面氣溫平均且每10年己經(jīng)顯著地增加了0.15±0.05℃[4]。
1.2輻射強迫及模擬結(jié)果
輻射強迫就是對影響地球大氣系統(tǒng)入射和出射能量平衡的因子的衡量標準,是表征氣候變化機制的潛在因子重要性的指數(shù),用每平方米多少瓦來表示(Wm-2)。
黑碳氣溶膠對從可見光到紅外波段范圍內(nèi)的太陽輻射都有強烈的吸收作用,它的濃度的增加會使其對太陽輻射的吸收增加,從而在大氣頂造成正的輻射強迫,但是在有的地區(qū)的地表產(chǎn)生負的輻射強迫[5-7]。黑碳氣溶膠主要與人類活動有關(guān),其源在大氣邊界層內(nèi),對地面輻射強迫影響更為直接,這是地面輻射強迫與大氣頂輻射強迫存在差異的主要原因[8]。大氣頂輻射強迫和地表輻射強迫也是春季輻射強迫最大,秋、冬季次之,夏季最小[9]。
為了得到黑碳氣溶膠對大氣的增溫狀況,對模式進行了如下的設(shè)置:因為做丹東地區(qū)的模擬,所以設(shè)定丹東的經(jīng)緯度為47°N,124°E。由于黑碳氣溶膠在早晨穩(wěn)定在逆溫層,中午時,垂直方向?qū)α鲝娏?,所以這時黑碳氣溶膠很不穩(wěn)定。晚上時,垂直對流不強烈,黑碳氣溶膠又穩(wěn)定在逆溫層之中。所以只模擬早晨8點時黑碳氣溶膠的輻射強迫。根據(jù)不同的季節(jié)選擇不同的廓線。地表情況選擇urban asphalt(c城市瀝青)。氣溶膠模式中最低層選擇城市,加強層中,根據(jù)黑碳氣溶膠的半徑,選擇soot(re=0.1),并討論沒有氣溶膠會出現(xiàn)的情況。在平流層中,基本沒有黑碳氣溶膠,可以假設(shè)此層沒有氣溶膠。在云模型中,根據(jù)需要來選擇。最后直接通過對地面的加熱率來表示。
圖5給出1月15日在晴空無云的條件下,黑碳氣溶膠對空氣的加熱率。1月15日上午8點的具體情況如下:
Name1圖是在沒有黑碳氣溶膠的情況下,短波輻射對大氣的加熱率。在Name1圖中,在0~100公里之內(nèi),從0~10公里,隨著高度的升高,加熱率逐漸減小,而且變化很小,在10~50公里,隨著高度的升高,加熱率很快增加,在50公里左右達到最大值,但在50~100公里加熱率隨著高度的升高又很快的減少到100公里變?yōu)?。Name2圖是在有黑碳氣溶膠的情況下,短波輻射對大氣的加熱率。由圖可知,在10公里以上,大氣的加熱率基本相同,但在5~10公里,有很大的差別。具體對比如下:在有黑碳氣溶膠的情況下,短波輻射對5~10公里有增溫,其中在8公里處的增溫最大。Konstantin等[10]處的結(jié)論是:過去40年(2001年以前)大氣層以下部分已經(jīng)升溫,總體與近地層類似,都在每10年0.1量級上,這說明近地面層溫度的升高與黑碳氣溶膠有很大的關(guān)系。而在正午時刻,黑碳氣溶膠消散的情況下,在沒有黑碳氣溶膠的對比圖。
Name3/name4是在1月15日中午12點時,在加強對流層有和沒有氣溶膠時的對比圖。Name3是在沒有黑碳氣溶膠的時候短波輻射對大氣的加熱狀況,可以知道,正午時刻,黑碳氣溶膠對短波輻射加熱大氣基本沒有影響。
云對黑碳氣溶膠直接輻射強迫的影響。真實大氣是有云存在的,并且存在多種氣溶膠成分。計算有云大氣狀況下,黑碳氣溶膠的輻射強迫,更能真實反應(yīng)黑碳氣溶膠對真實大氣的影響。云對黑碳氣溶膠直接強迫有著重要的影響。當云層位于黑碳氣溶膠以上時,能夠反射部分直接到達氣溶膠層的太陽輻射,極大地減少黑碳氣溶膠對太陽輻射的吸收。當云層位于黑碳氣溶膠層以下時,由于云對太陽輻射的反射,造成黑碳氣溶膠對太陽輻射的二次吸收,從而增加了溶膠對太陽輻射的吸收[11],(見圖7) 。
折線1是在晴空無云狀況各層的加熱率,折線2是在高層10~12公里有云的情況下各層的加熱率。由此可以看出,在0~10公里晴空的條件下,加熱率比較大,在10~15公里有云的條件下加熱率比較大,平均地面溫度,還是在沒有云的情況下地面的升溫比較快,加熱比較明顯。在黑碳氣溶膠上方的云對高空起到了保溫作用。
由圖8可知,10公里以上在晴空和有云的狀況下,短波輻射對各層大氣的加熱率基本一致,在0~10公里有很大的差別:折線1表示的是在晴空狀況下,短波輻射對大氣的加熱率,折線2表示的是在有云且云在黑碳氣溶膠的下層的時候,短波輻射對大氣增溫狀況。由折線1和折線2對比分析可知,在1~5公里和5~10公里大氣的加熱率有明顯的增加,造成了地面溫度的增加。
當云在黑碳氣溶膠的下層時,云對太陽輻射有反射作用,反射光被上層的黑碳氣溶膠二次吸收,從而增加了黑碳氣溶膠對短波輻射的吸收,增加了地表的溫度。
利用上述方法對夏季的輻射狀況進行了模擬,得到了相似的結(jié)論。
2結(jié)論
利用平面平行傳輸模式對丹東地區(qū)黑碳氣溶膠對大氣的加熱率進行了模擬和分析,得到以下結(jié)論:
在晴空無云的條件下,黑碳氣溶膠對5~10公里的大氣有明顯的增溫,這是由于黑碳氣溶膠是吸收性氣溶膠,主要存在于平流層大氣的頂部(7~10公里)處,對太陽輻射有強烈的吸收作用,所以使大氣增溫,即近地面層的溫度增加。
當空中有云時,云在黑碳氣溶膠的上層,云的存在使云層的部分溫度增加,削減下層的溫度。這是由于云對黑碳氣溶膠的直接輻射強迫有著重要的影響,當云層位于黑碳氣溶膠層以上時,能夠反射部分直接到達氣溶膠層的太陽輻射,極大地減少了黑碳氣溶膠對太陽輻射的吸收。
當空中云位于黑碳氣溶膠以下時,對下層大氣的增溫率增加。這是由于云對黑碳氣溶膠的直接強迫有重要影響,當云層位于黑碳氣溶膠以下時,由于云對短波輻射的反射,使黑碳氣溶膠能夠吸收反射的短波輻射,對太陽輻射有二次吸收作用,從而增加了下層大氣的溫度。
以上研究數(shù)據(jù)說明,黑碳氣溶膠是影響丹東地區(qū)近20年來溫度異常迅速增長的原因之一。但研究過程還有很多的不足,例如黑碳氣溶膠的分布不能夠準確定位,模型不夠完善,模擬出來的結(jié)果與實際還有很大差距。
參考文獻
[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]白建輝,王庚辰.黑碳氣溶膠研究新進展[J].科學(xué)環(huán)境,2005,9(05):584-590.
[3]呂萍,黃建平,董志寶.黑碳和有機氣溶膠對中國氣候影響的模擬[C].第二十六屆中國氣象學(xué)會與天氣氣候及環(huán)境變化分會場討論集,2009.
[4]鄭安橋,蘇亞欣,趙敬德.黑碳溶膠研究現(xiàn)狀[J].能源環(huán)境保護,2007,21(05):4-8.
[5]呂萍, 董治寶, 張克存.黑碳和有機碳氣溶膠對大氣溫度影響的數(shù)值模擬[J].中國沙漠,2011,2(31):500-504.
[6]尹宏,韓志剛.氣溶膠大氣對太陽輻射吸收[J].氣象學(xué)報,1989,1(47):118-123.
[7]張華,馬井會,鄭有飛.黑碳氣溶膠輻射強迫全球分布的模擬研究[J].大氣科學(xué),2008,32(05):1147-1158.
[8] 王志立,郭品文,張華.黑碳氣溶膠直接輻射強迫及其對中國夏季降水影響的模擬研究[J].氣候與環(huán)境研究,2009,14(02):161-171.
[9] 宿興濤,王漢杰.中國黑碳氣溶膠分布特征與輻射強迫的模擬研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報,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]張雙益,薛惠文.淺積云中微物理特性的垂直分布對短波輻射的影響[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)網(wǎng)絡(luò)版(預(yù)印本),2010,(02).
作者簡介:徐金秀,本科學(xué)歷,助理工程師,研究方向:天氣預(yù)報。