黑碳气溶胶辐射强迫的数值模拟研究

论文总字数：14095字

目 录

1 引言……………………………………………………………………1

1.1 黑碳气溶胶的研究背景与研究意义…………………………………………………1

1.2 黑碳气溶胶的来源与理化性质………………………………………………………2

1.2.1 黑碳气溶胶的来源……………………………………………………………2

1.2.1 黑碳气溶胶的理化性质………………………………………………………2

2 模式介绍………………………………………………………………3

2.1 模式设置………………………………………………………………………………3

3 中国地区黑碳浓度的主要特征与成因分析…………………………3

3.1 夏季黑碳浓度…………………………………………………………………………3

3.2 冬季黑碳浓度…………………………………………………………………………5

3.3 总结……………………………………………………………………………………6

4 黑碳气溶胶的辐射强迫………………………………………………6

4.1 大气顶的辐射强迫……………………………………………………………………8

4.2 地表的辐射强迫………………………………………………………………………9

4.3 辐射强迫与浓度的关系………………………………………………………………10

4.4 总结……………………………………………………………………………………10

5 结论…………………………………………………………………11

6 存在的问题及讨论…………………………………………………11

参考文献………………………………………………………………12

致谢……………………………………………………………………14

黑碳气溶胶辐射强迫的数值模拟研究

张百超

，China

Abstract：Using the NCEP1°×1° reanalysis data of 2014.7 and 2015.1 to give out the concentrations of BC in East of china and analyze the causing of it.Setting a sensitivity tests to give out the the radiative forcing by BC at the tropopause and at the surface,and comparing with the concentrations of BC to give out the connection between the concentrations and radiative forcing of BC.According to the research,BC in china most exist in the east,BC concentrations in high concentrations areas are over 8μg/KG,high concentrations areas situated on area that have high regional economic development and high population density,and the area that frequently use coal,which is consists with season. The radiative forcing by BC is positive at the tropopause and negative at the surface,and consists with the concentrations of BC.In research,the radiative forcing by BC at the tropopause is 3W/m² to 5W/m²,less than 10W/m²,and the radiative forcing by BC at the surface is -5W/m² to -10W/m²,and the minimum radiative forcing less than -20W/m².

Key words：black carbon；density；radiative forcing；WRF-chem

1 引言

1.1黑碳气溶胶的研究背景与研究意义

碳质气溶胶，是燃烧的过程产生多种多样的物质里面，含碳粒子气溶胶的总称。其中又可大致分为两类:包括煤烟 、石墨碳和黑碳等在内的，被称之为元素碳;而另一种则被称为有机碳。有机碳是由大气中碳氢化合物的气－粒转换过程中产生，还有多种的燃烧过程等有联系^[1-2]。

而黑碳主要包括煤烟、木炭、烧焦等，一般由不完全燃烧的燃料产生，下文中部分情况简称为BC。

黑碳气溶胶对气候有着重要的影响，地表的黑碳气溶胶会改变地面反照率，使地面潜热通量跟感热通量改变。同时地表的黑碳气溶胶也会改变地面的净长波发射通量,从而让整个边界层高度内的热力结构发生很大的变化，最终影响边界层的高度。黑碳气溶胶还可以通过影响辐射来产生辐射强迫。辐射的变化会使低云云量产生改变，从而使降水发生变化，最终影响到大面积的水循环。黑碳气溶胶还可以作为云凝结核，改变云滴谱，使云量增加。通过上述直接影响，使云的光学特性发生了变化，改变了云的反照率，这在吸收辐射直接影响辐射强迫之外，造成了间接的辐射强迫。在以上影响之外，黑碳气溶胶在大气中还有很多复杂理化过程，这使黑碳气溶胶成为能够影响全球气候的重要成分^[3-4]。

近些年来，在黑碳气溶胶辐射效应与辐射强迫方面取得了一定的进展。Schult^[5]等得出，黑碳气溶胶通过减弱其他气溶胶的冷却效应，如硫酸盐气溶胶，导致温室效应加强。Jacobson^[6-7]在模拟实验中，指出全球范围内，黑碳气溶胶与其他气溶胶相比，应该采用不同的处理方法。结果得到黑碳气溶胶单位质量辐射强迫数值为1.2W/m²，黑碳气溶胶的辐射强迫数值为0.54W/m²。Haywood^[8]等人使用R30 GFDL大气环流模式，通过数值模拟指出黑碳气溶胶的直接辐射强迫数值为1.1—1.9W/mg。黑碳气溶胶在云滴中时，还会产生间接辐射强迫。这个辐射强迫的作用随着黑碳气溶胶的位置发生变化，如果黑碳气溶胶分布在云下，则辐射强迫会被减弱，反之则加强。

与此同时，黑碳气溶胶研究领域还有很多不足，黑碳气溶胶的辐射强迫，影响因素非常多，形成机制比较复杂，模式模拟的算法也存在很多的不足，所以不能很好的模拟黑碳气溶胶。所以黑碳气溶胶的模拟结果与现实情况还有一定的差距。黑碳气溶胶的资料也比较缺乏，其原因是黑碳气溶胶比起常规温室气体，不会通过化学反应除去，只能通过沉降除去，沉降速度快，在大气中停留时间相对短。黑碳气溶胶的浓度分布具有很强的地域性，也是资料缺乏的原因。全球范围内并没有大范围、长时间的黑碳气溶胶相关参数的观测。实验数据是数值模式的基础，没有准确的数据就不可能有好的模式结果，这是数值模式模拟黑碳辐射强迫不准确的一个原因。而且，黑碳除了吸收辐射产生直接的辐射强迫之外，还会产生间接辐射强迫。其理化过程极为复杂，现阶段没有模式能够完全模拟这个过程。这些都是黑碳气溶胶辐射强迫过程中的需要解决的问题^[9]。

1.2黑碳气溶胶的来源与理化性质

1.2.1黑碳气溶胶的来源

黑碳气溶胶有两种来源，分别为自然源和人为源，其中人为源产生的黑碳气溶胶，具有普遍性跟长时间的特征。而包括火山喷发在内的自然源排放的黑碳气溶胶，具有随机性，短时性，对大气中的黑碳气溶胶浓度长期背景值影响不大。而人为源人类的生活生产过程中产生的黑碳气溶胶排放已经是大气中黑碳气溶胶的主要来源了。经过研究总结，大气中的黑碳气溶的来源主要见表1.

表1，黑碳气溶胶的来源^[10]

1.2.2黑碳气溶胶的理化性质

在成分上，黑碳气溶胶有复杂的成分，黑碳气溶胶由包括碳、硅、铁、钾、锰元素在内的多种元素组成^[11]。黑碳气溶胶在大气中几乎不会发生化学反应，但是会通过吸附一些其他的气溶胶发生非均相反应，也会作为催化剂催化大气中的反应，可以认为不会直接污染大气。与此相对，黑碳气溶胶不会在大气中通过化学反应除去。黑碳气溶胶在大气中只能通过干湿两种沉降的方式除去，所以沉降作用在黑碳气溶胶的数值模拟实验中显得尤为重要。

黑碳气溶胶在光学的性质上就与别的气溶胶有所不同，黑碳吸光能力强。黑碳气溶胶在可见光波段跟红外波段内，有很强的吸收作用。黑碳气溶胶除了上述直接影响辐射强迫之外，沉降到地表的黑碳也会改变地表反照率，从而产生辐射强迫。黑碳气溶胶还能作为云凝结核改变云的性质进一步影响辐射强迫。

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