大氣氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng)

1、第32卷第4期2008年7月大氣科學(xué)ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol132No14Jul.2008石廣玉王標(biāo)張華等.大氣氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng).大氣科學(xué)200832(4):826～840ShiGuangyuWangBiaoZhangHuaetal.Theradiativeclimaticeffectsofatmosphericaerosols.ChineseJournalofAtmospher

2、icSciences(inChinese)200832(4):826～840收稿日期20082012282008203217收修定稿資助項(xiàng)目國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目2006CB403705、2006CB403706、2006CB403707國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40490260國家科技支撐計(jì)劃2007BAC03A01作者簡介石廣玉男1942出生研究員主要從事大氣輻射、大氣氣溶膠與全球氣候變化等領(lǐng)域的研究。E2mail:shigy@

3、mail.iap.ac.cn大氣氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng)石廣玉1王標(biāo)1張華2趙劍琦1檀賽春1溫天雪11中國科學(xué)院大氣物理研究所北京1000292中國氣象局國家氣候中心北京100081摘要大氣氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng)是目前全球氣候變化研究的一個(gè)熱點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)問題。本文從介紹一些基本概念和科學(xué)問題入手比較全面地回顧了我國特別是中國科學(xué)院大氣物理研究所建所以來有關(guān)方面的研究工作重點(diǎn)在于探討一些有待解決的科學(xué)問題。關(guān)鍵詞大氣氣溶膠氣候變化文章編號(hào)

4、100629895(2008)0420826215中圖分類號(hào)P422文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼ATheRadiativeClimaticEffectsofAtmosphericAerosolsSHIGuangyu1WANGBiao1ZHANGHua2ZHAOJianqi1TANSaichun1WENTianxue11InstituteofAtmosphericPhysicsChineseAcademyofSciencesBeijing1000292Na

5、tionalClimateCenterChinaMeteologicalAdministrationBeijing100081AbstractTheraditiveclimaticeffectsofatmosphericaerosolshavebeenoneofthekeyissuesinunderstingtheglobalclimatechange.Byintroducingtherelatedconceptsscientificp

6、roblemsthispaperreviewsthewksonthisareabyChinesescientistsespeciallythewksdonesincethefoundationoftheInstituteofAtmosphericPhysicsChineseAcademyofSciences.Thescientificissuestobesolvedarehighlighteddiscussed.Keywdsamosph

7、ericaerosolsclimatechange1引言根據(jù)2007年2月發(fā)布的政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第4次科學(xué)評估報(bào)告[1]在1906～2005年的過去一百年間全球平均地面溫度已經(jīng)上升了0.74℃而且這種增暖不僅出現(xiàn)在地面也出現(xiàn)在大氣對流層并由此引起了地球氣候系統(tǒng)其他要素的變化例如海平面上升、云和降水及其格局的變化甚或是極端天氣、氣候事件的變化。因此以全球變暖為代表的全球氣候變化正在成為各國政府和一般民眾所關(guān)心的重大地球

8、科學(xué)問題。IPCC報(bào)告進(jìn)一步認(rèn)為:造成上述全球變暖的主要原因是1750年的工業(yè)革命以來由人類活動(dòng)所產(chǎn)生的大氣溫室氣體(GreenhouseGases縮寫為GHGs)的排放。目前所得到的的最新結(jié)果是:在造成有關(guān)氣候變暖的輻射強(qiáng)迫中長壽命溫室氣體(包括CO2、CH4、N2O和鹵代烴)的總輻射強(qiáng)迫為2163[0126]Wm2對流層O3及由CH4生成的2.2大氣氣溶膠的輻射2氣候效應(yīng)地球氣候可以在一切時(shí)間尺度上因太陽短波輻射的散射和吸收以及地氣

9、系統(tǒng)吸收和發(fā)射的紅外熱輻射的變化而變化。如果氣候系統(tǒng)處于平衡態(tài)則其吸收的太陽輻射能將精確地等于地球和大氣向外空發(fā)射的紅外輻射能。任何能夠擾動(dòng)這種平衡并因此可能改變氣候的因子都被稱為輻射強(qiáng)迫因子它們所產(chǎn)生的對地氣系統(tǒng)的強(qiáng)迫則稱為輻射強(qiáng)迫[3]。輻射強(qiáng)迫在數(shù)值上定義為某種輻射強(qiáng)迫因子變化時(shí)所產(chǎn)生的對流層頂平均凈輻射的變化(太陽或紅外輻射)(單位:Wm2)。之所以選取對流層頂是因?yàn)?至少在簡單氣候模式中在全球平均的意義上地表和對流層緊密地耦合

10、在一起所以應(yīng)當(dāng)將它們作為一個(gè)單一的熱力學(xué)系統(tǒng)來處理。當(dāng)輻射強(qiáng)迫因子變化時(shí)平流層溫度也將發(fā)生變化。當(dāng)然可以把平流層溫度的這種調(diào)整看作是一種反饋過程。但是這種調(diào)整的時(shí)間尺度一般只有幾個(gè)月而地表2大氣系統(tǒng)對強(qiáng)迫的調(diào)整由于海洋巨大的熱慣性卻需要十年際的時(shí)間尺度。因此兩者相比可以把平流層溫度的調(diào)整作為強(qiáng)迫本身的一部分來處理。按照是否允許平流層溫度進(jìn)行調(diào)整可以把輻射強(qiáng)迫具體劃分為[4]:(1)瞬時(shí)輻射強(qiáng)迫(IRF)不考慮平流層溫度的變化(2)調(diào)整過

11、的輻射強(qiáng)迫(ARF)允許平流層溫度對瞬時(shí)輻射強(qiáng)迫重新進(jìn)行調(diào)整。如前所述在研究造成工業(yè)革命以來氣候變化的驅(qū)動(dòng)力(輻射強(qiáng)迫)以及預(yù)測未來的氣候變化時(shí)不但要考慮大氣溫室氣體的變化還要考慮其他強(qiáng)迫因子特別是大氣氣溶膠的變化。由于大氣氣溶膠可以散射和吸收太陽短波輻射以及地球長波輻射影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡(直接效應(yīng))與此同時(shí)它們還可以作為凝結(jié)核影響云的輻射特性以及作為反應(yīng)表面影響大量化學(xué)反應(yīng)的速度(間接效應(yīng))因此大氣氣溶膠在大氣輻射和氣候變化的研究

12、中占有重要地位。如何評價(jià)某種氣候驅(qū)動(dòng)因子(自然或人為)的氣候效應(yīng)實(shí)際上已經(jīng)提出了若干種方法。例如:(1)地面溫度的變化。如果想用一個(gè)單一的熱力學(xué)物理量來表征全球氣候狀況的話那么地面溫度無疑是最恰當(dāng)不過的因?yàn)榈孛鏈囟鹊淖兓菤夂蛐?yīng)的最直觀、也是最終的一種度量。但是地面溫度變化取決于地氣系統(tǒng)中的多種反饋過程例如水汽2溫度反饋、雪冰反照率2溫度反饋以及云2氣候反饋等。對這些反饋過程目前尚未完全了解。因此即使在氣候系統(tǒng)的外部強(qiáng)迫已知的條件下對

13、地面溫度變化的預(yù)測的不確定性仍然很大。比如當(dāng)大氣中二氧化碳濃度增加1倍時(shí)目前預(yù)測的地面溫度變化在115～415℃之間相差3倍左右。(2)輻射強(qiáng)迫。另一種評估氣候強(qiáng)迫因子所產(chǎn)生的氣候效應(yīng)相對大小的方法是計(jì)算某種強(qiáng)迫因子所引起的對流層頂凈輻射通量的變化即輻射強(qiáng)迫(RF)。用輻射強(qiáng)迫來表征不同溫室氣體氣候效應(yīng)相對大小的好處是:第一輻射強(qiáng)迫可以提示氣候變化的總趨勢。如上所述輻射強(qiáng)迫將擾動(dòng)入射和出射輻射的平衡為了建立新的輻射平衡氣候系統(tǒng)將響應(yīng)此種

14、擾動(dòng)而發(fā)生變化。例如平均而言當(dāng)RF0(定義向下的輻射通量為正)時(shí)它將加暖地面和對流層而當(dāng)RF0時(shí)地面和對流層將會(huì)變冷。第二由于避開了地氣系統(tǒng)中的多種復(fù)雜反饋過程因此可以比確定氣候變化本身高得多的精度來確定它從而得以比較它們的相對大小并進(jìn)而給控制和減緩氣候變化的政策制定提供參考依據(jù)。(3)還有全球增溫潛能(GWP)以及近年來提出的全球溫變潛能(GTP)等。按照產(chǎn)生強(qiáng)迫的物理機(jī)制輻射強(qiáng)迫又可分為:(1)直接輻射強(qiáng)迫:由增強(qiáng)溫室效應(yīng)的GHGs

15、以及大氣氣溶膠等的變化通過輻射效應(yīng)直接產(chǎn)生的強(qiáng)迫(2)間接輻射強(qiáng)迫:GHGs或氣溶膠通過化學(xué)或物理過程影響其他輻射強(qiáng)迫因子所產(chǎn)生的間接效應(yīng)例如:NOx、CO等的變化將影響GHGs(特別是對流層O3)的濃度大氣氣溶膠影響云的輻射特性等(3)對于大氣氣溶膠而言還有半直接效應(yīng)等。與大氣溫室氣體的輻射強(qiáng)迫相比大氣氣溶膠的輻射效應(yīng)顯得更為復(fù)雜。進(jìn)入地球大氣的太陽能量可以在大氣內(nèi)部被吸收、散射然后透射到地面或者被反射回外空。由于大氣氣溶膠的存在引起