项目名称气溶胶云辐射反馈过程及其与亚洲季 风相互作用的 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
项目名称：气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季 风相互作用的研究 首席科学家：张小曳中国气象科学研究院起止年限：至 依托部门：中国气象局
二、预期目标 总体目标: 提高我们对于气溶胶-云相互作用这个当今气候变化和云降水研究中最不确定问题的理解，研究我国气溶胶-区域性大气污染对天气和气候（特别是亚洲季风）的影响程度。发展一个包含气溶胶对云-辐射-降水影响及其反馈机制、可准确模拟气溶胶时空分布变化，并能有效耦合到全球/区域天气气候模式中气溶胶理化数值模式系统，建立雾的数值预报方法，并研究空气污染对天气预报的影响，特别是对云和降水预报的影响；提升我国参与IPCC第五次评估报告的气候系统模式模拟中国特点气溶胶、详细云过程和云辐射过程的能力，形成我国新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统。更深入、准确地认识气溶胶的间接气候效应、气溶胶对云和降水的影响，对亚洲季风的影响程度，以及对未来气候变化的影响程度。为回答气溶胶是否应像温室气体一样纳入减排、稳定气候与控制污染之间的关系等气候变化议题中的敏感问题、为我国天气预报和气候预估准确率的提高、为污染控制的宏观决策等提供系统、独立的科学支撑。 实现我国大气气溶胶及其天气-气候影响方面的研究与国家的应对气候变化、预报服务需求的无缝隙连接。不仅将在气溶胶-天气气候变化这一国际研究的热点领域不断作出中国科学家具有国际水平的系统、独立的研究成果，还将在提高预报能力、更好地预估未来气候变化和控制区域大气污染，以及为国家气候变化外交这些重要国家需求方面，不断发挥作用。锻炼和形成一批活跃在国际大气科学热点领域的中青年科学家群体，五年中要争取再有2-3人进入国际学术组织任职，扩大我国在此领域的骨干研究队伍规模，提高我国在该领域的整体研究水平。 五年预期目标: 前2年目标： 1)获得对中国不同区域和珠三角典型季风区大气气溶胶化学、物理和光学特性，以及典型挥发性有机物形成二次有机气溶胶(SOA)的主要化学过程（均相和非均相），以及SOA在老化过程的变化；并在气溶胶光学特性和云微物理特
中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫 及气候效应的数值模拟 X 田 华 马建中 李维亮 刘洪利 (中国气象科学研究院,北京100081) 摘 要 分析了M ODIS 卫星资料反演的2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度的时空分布特 征,并利用中尺度数值模式M M 5对该地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应进 行了模拟。结果表明:2001年四川盆地、长江中下游地区、黄淮一带及两广等地区气溶胶光 学厚度较大。各季光学厚度变化不同,全年以春季最大。地面温度响应呈现出明显的区域 季节变化特征,主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显,夏季北方降温幅度明显。就区域 平均而言,2001年中东部地区晴空时气溶胶辐射强迫以春季最大,达-34.53W/m 2;夏季 次之,达-22.76W /m 2;冬季再次,达-22.57W/m 2;秋季最小,达-20W/m 2。地面降温则 以冬季最大,达-0.65e ;秋季次之,达-0.37e ;春季再次,达-0.34e ;夏季最小,达 -0.09e 。 关键词:气溶胶 M OD IS 硫酸盐 辐射强迫 气候效应 引 言 大气气溶胶是引起气候变化的一个重要因子,它通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地影响气候系统[1]。Charlson 等[2]、Kiehl 等[3]、Hayw ood 等[4]对硫酸盐辐射强迫及其气候效应做了一定的研究并取得了一系列有意义的结果。概括起来,这些研究大多是将三维化学输送模式同气候模式耦合,在全球尺度上进行数值模拟。但由于气溶胶排放源的不均匀性以及生命期较短(约1周),气溶胶辐射强迫具有很大的区域差异性,为此在区域尺度上评估硫酸盐气溶胶的气候效应更具有意义。 20世纪90年代以来,国内外科学工作者对中国气溶胶区域气候效应产生了极大的关注。赵凤生等[5]利用一维辐射对流模式,模拟了乡村型和城市型两类气溶胶的直接和间接效应,指出了气溶胶在地气系统辐射收支及全球温度变化中的重要作用。王喜红等[6]利用三维区域欧拉型硫化物传输模式,研究了20世纪90年代中期东亚地区人为硫酸盐柱含量的分布,在此基础上,利用一个两层多次反射模式估算了东亚地区人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫,结果表明,东亚地区年平均的人为硫酸盐直接辐射强迫约为-0.7W/m 2。胡荣明等[7]用中国大陆SO 2的排放分布,计算了中国地区人为扰动气溶 第16卷3期2005年6月 应用气象学报JOU RNA L OF A PPL IED M ET EORO LOG ICA L SCIENCE Vol.16,No.3 June 2005 X 国家自然科学基金项目(批准号:40121120826)资助。2003-12-15收到,2004-06-17收到修改稿。
摘要 近日，环保部公布了我国第一部综合性大气污染防治规划——《重点区域大气污染防治“十二五”规划》。事实上，随着大气污染给人民生活带来的不便增多，人们空前关注大气科学进展以及PM2.5治理的理论依据。本文将从三个方面对大气气溶胶的研究做出总结和分析：大气气溶胶的基本特征，大气气溶胶的气候效应，国内外相关的大气气溶胶研究计划。 关键词：大气气溶胶；气候效应；环境健康；研究综述 前言 气溶胶是指长时间悬浮在空气中能被观察或测量的液体或固体粒子，其实际直径一般为0.001～100μｍ，动力学直径为0.002～100μｍ，对人体、环境、气候等产生着重要的影响。 [4] 由于大气气溶胶在气候、环境等方面的重要作用，近年来越来越引起科学界的重视。 很多过程可以产生气溶胶，根据来源可分为自然气溶胶和人为气溶胶。自然源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等；人为源主要来自化石燃料的燃烧、工农业生产活动等。工业革命以来，人类活动不仅直接向大气排放大量粒子，更重要的是向大气排放大量的SO2和SO X，NO2和NO X在大气中通过非均相化学反应逐渐转化成硫酸盐和硝酸盐粒子，形成二次气溶胶。污染气体形成的大气气溶胶自工业革命以来有大幅度增加。来自自然源的气溶胶如沙尘，也由于人类活动利用土地变化而发生着改变。尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分，但由于其在许多大气过程中的重要作用而日益受到重视。随着环境污染问题的发展，人们已认识到大气气溶胶自身的污染特性与其物理化学性质以及在大气中的非均相化学反应有着密切的关系。[5] 气溶胶还与其他环境问题如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相关。此外，气溶胶对人体和其他生物的生理健康也有其特有的影响。[1] 由于气溶胶的气候效应问题，气溶胶再次成为国际学术界的研究热点之一，大气气溶胶是当今大气化学研究中前沿的领域。国际大气化学研究计划（IGAC）科学指导委员会于1994年将国际全球大气化学研究计划和国际气溶胶计划（ICAP）合并重组，大气气溶胶研究被列为3大研究方向之一。大气气溶胶的研究内容，发展到包括物理和化学的性状、来源和形成、时空分布、对气候变化和环境质量的影响以及对大气化学过程的影响等多方面、多层次的综合研究，也涉及到大气科学的各个领域，具有很强的综合性。
气溶胶的光学特性参数 （1）气溶胶光学厚度 气溶胶光学厚度,英文名称为AOD（Aerosol Optical Depth）或AOT（Aerosol Optical Thickness），表示的是单位截面的垂直气柱上的透过率，有时候又叫大气混浊度，它是一个无量纲的正值。数值范围在0-1之间，0代表完全不透明大气，1代表完全透明的大气，气溶胶光学厚度越大，大气透过率越低。值的大小主要由气溶胶质粒的数密度、尺度分布、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。 气溶胶光学厚度的反演： 公式：L=L0+F*T*P/[1-S*P] L：传感器收到的辐射；L0：大气路径辐射；F：下行辐射 P：地表反射率；T：大气透过率；S：大气半球反射率 F*T*P/[1-S*P]：地表反射辐射 对于大气路径辐射项L0,它只是大气气溶胶光学厚度和几何参数的函数,假如地表反射辐射比较小或为零,就可以通过大气路径辐射项来反演获得气溶胶光学厚度,对于地表反射辐射（F*T*P/[1-S*P]）来说，仅是气溶胶光学厚度的函数,如果消去路径辐射信息,便可以通过它来反演气溶胶光学厚度。 （2）散射相函数 散射相函数反映的是电磁波入射能量经粒子散射后在方向上的分布，或者称相函数是粒子(散射体)将某个方向的入射波散射到其他方向的概率。定义相函数P(θ)为在θ角方向的散射辐射能量与各向同性散射时该方向的散射辐射能量之比。目前，常用的相函数有Mie散射相函数、HG相函数、双HG相函数和改进的HG*相函数等，这些函数各有优缺点。 Mie散射相函数： P Mie(θ)= [S1(θ)2 +S2(θ) 2]/ 2πα2 Qsca α=2πR/λ：球形气溶胶粒子的尺寸参数； S1(θ)、S2(θ)：散射振幅矩阵元； Qsca：气溶胶粒子的散射效率因子； S1(θ)、S2(θ)和Qsca可由Mie展开系数求解，Mie散射相函数适合于球形粒子求解。 （3）单次散射反照率 单次散射反照率（single scattering albedo,SSA），在随机介质中传播的光将会被介质中的粒子散射和吸收而衰减，我们称之为消光，其中因散射而导致入射光消光在总消光中所占的比例，可以用粒子的平均单次散射反照率来表示，其定义为： 0（x，m）= Cs（x，m）/C（x，m） C、Cs：粒子的消光截面和散射截面，消光截面是粒子或粒子群在电磁波传播路径上对电磁波衰减能力的度量； x=2πr/λ：为粒子的尺度因子，r、λ分别为粒子的半径和入射光的波长； m：复折射率，为复数m=n–ki，式中实数部分n为介质的折射率，虚数部分的k为介质的吸收系数； 如果用Ca表示粒子的吸收截面，则应满足C=Cs+Ca；如果粒子对入射光完全无吸收，即Ca=0，于是C=Cs，反照率为1，达到它的最大值。粒子有吸收时，反照率介于0到1之间。
收稿日期:1997-08-28第一作者:男,1962年生,硕士 *国家重点科技项目(96-911-01-02B)**任阵海为中国工程院院士 人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究* 高庆先 任阵海 ** 姜振远 (国家环保局气候变化影响研究中心,北京 100012) 摘 要 利用建立的大气气溶胶辐射强迫模式,对我国历年大气气溶胶(TS P 和硫酸盐气溶胶)引起的直接辐射强迫进行了计算,并给出其全国分布。得到了一些有意义的结果:我国大气气溶胶引起的辐射强迫与我国能源,特别是燃煤的消耗量密切相关,随着消耗量的增加,大气气溶胶(T SP 和硫酸盐气溶胶粒子)引起的辐射强迫也增加;指出在利用辐射模式讨论大气气溶胶引起的直接辐射强迫时,不能忽视扬尘和沙尘的作用;我国由于大气气溶胶引起的直接辐射强迫主要集中在工业比较发达的城市或地区,四川盆地由于其特殊的地理位置和气候条件,在该地区因大气气溶胶产生的辐射强迫始终比较大。关键词 大气气溶胶 辐射强迫 人为排放 R esearch on Radiation Forcing C aused by Man -made Emission of Atmosph eric Aerosol GAO Qingxian REN Zhenhai JIANG Zheny uan (Center fo r Climate Change Impact Research,N EPA ,Beijing 100012) Abstract T he dir ect radiatio n forcing (RF )caused by atmospher ic aerosol (T SP and sulfate aerosol)over t he years was calculated t hrough using t he built RF model of atmospher ic aerosol,and the g eogr aphic distribution w as also g ot.T he RF had close r elation with t he energy consumption in China,especially with her coal consumption.With the incr ease of coal consumption,the RF also increased.It w as pointed out that fine sand and raise dust can not be ignored when discussing the RF by using RF models.T he high v alues of RF in China were mainly located in those industry-developed regions and cities.T he RF value in Sichuan Basin was larger all the time due to its special g eog raphic and climate condit ions. Keywords Atmospheric aerosol;R adiation forcing;M an-made emission 人为排放大气气溶胶的气候效应和环境生态效应是当前环境科学和大气科学界普遍关注的热门课题,已引起各国政府和联合国IPCC 组织的高度重视。不仅仅是因为气溶胶的强迫作用会改变(或影响)区域乃至全球的气候和环境生态系统,更重要的是为了要实现可持续发展和保护人类所共同拥有的自然生态环境,必须进行减缓向大气排放气溶胶。这就涉及到各国的国民经济发展和工农业生产的发展,是摆在各国政策制定者面前的一个严肃课题。大气气溶胶主要来源是化石燃料的燃烧、生物物质的燃烧和人为不适当活动导致的沙尘、扬尘等途径。对流层气溶胶已直接导致了全球减少015%的太阳辐射,并可能间接导致同样的负强迫。尽管 这一辐射强迫主要集中于特定的区域和次大陆地区,但它对半球乃至全球的气候将产生一定的影 响[1]。 目前,国际上有关气溶胶对气候和生态环境效应的研究相对较多。Chuang (1997)应用耦合的气候/化学模式,并取云核化过程参数化,以局地气溶胶数密度、人为硫酸盐质量浓度和上升气流速度作为输入,研究人为硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫和间接辐射强迫。研究表明气溶胶全球直接辐射强迫约为-014W/m 2,最大值出现在人为硫发射最强的亚洲,间接辐射强迫约为-016~-116W/m 2,主要出现于大陆上空,间接强迫最大值位于北美和大西洋沿岸。 气溶胶辐射强迫具有明显的不确定性,其主要原因在于人为硫酸盐气溶胶的大气负荷的变化,起源于硫酸盐气溶胶相对短的滞留时间(约一周),还随大气中的降水过程的湿沉降而变化,表现为明显的空间不均匀性和时间变率大。可以认为气溶胶的 第11卷 第1期 环 境 科 学 研 究Research o f Environmental Sciences V ol.11,No.1,1998
冬季上海地区亚微米级城市气溶胶的吸湿性增长 摘要： 吸湿性增长因子和混合状态的信息对理解被严重污染的长三角地区的雾的形成机制具有重要的作用。在此研究了环境气溶胶的吸湿性增长。用HTDMA测量了复旦大学校园中粒径在30-250nm的干粒子的吸湿性增长因子，研究两种模式化的表面混合物。较少吸湿组在85%的相对湿度下的吸湿性增长因子为1.10。较少吸湿组的平均数部分在0.33-0.17范围内呈现多样化，随着干粒子的尺度的增长有轻微的减少。较多吸湿组的吸湿性增长因子显示出爱根核与积聚模态的粒子有显著的不同。爱根核为接近1.3，而积聚模态为1.4以上。在以硫酸铵盐为基础的模式中，较多吸湿组的吸湿体积增长分数在0.47-0.70这个范围内，而且爱根核和积聚模态的粒子的吸湿性增长分数的界限很清晰。以相对湿度测试为背景的吸湿性增长不仅显示出潮解相对湿度决定于粒子大小，同时也显示出硝酸盐粒子的增长最初是由硫酸盐的凝结提升的。结果也表明了大多数积聚模态的粒子在有雾的情况下都会潮解。 1前言： 近20年来，随着经济的快速增长和城市化进程的加快，中国超大城市的空气污染问题越来越受到关注。由化石燃料燃烧排放的一次污染物和由光化学氧化和多相反应而来的二次污染物对城市居民的环境和健康造成了极大地威胁。雾这种能见度小于十公里的现象是由于高浓度的微粒排放造成的。长江三角洲是中国四大雾区之一。作为长三角的经济中心，上海为国家GDP做出了4.6%的贡献。作为全国最大的超大城市，上海有1800万的常住居民和280万的流动人口（Geng等人，2008）。由当前研究为基础做出结论，上海雾天能见度的下降主要是由于PM2.5浓度升高造成的（Fu等人，2008）。 很多因素影响着大气能见度，比如化学组成、粒子大小的贡献、气溶胶的构成和气溶胶的混合状态。水相、海盐和矿物尘埃的参与促进了硝酸的吸湿反应。N2O5在对流层表面的水解（Dentener和Crutzen，1993；Mongili等人，2006），硫酸盐在有雾状态下的组成（Tursic等人，2004）。环境气溶胶的吸湿增长会改变粒子大小和光学特性（Gasso等人，2000；Kotchenruther等人，1999；Swietlicki等人，1999）。作为相对湿度RH的功能之一的光散射性质是衡量大气气溶胶直接影响气候的衡量参数之一,有些人已经试图将吸湿性增长因子包含到全球气候模型中去（Boucher 和
项目名称：气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季 风相互作用的研究 首席科学家：X小曳中国气象科学研究院 起止年限：2011.1至2015.8 依托部门：中国气象局 二、预期目标 总体目标: 提高我们对于气溶胶-云相互作用这个当今气候变化和云降水研究中最不确定问题的理解，研究我国气溶胶-区域性大气污染对天气和气候（特别是亚洲季风）的影响程度。发展一个包含气溶胶对云-辐射-降水影响及其反馈机制、可准确模拟气溶胶时空分布变化，并能有效耦合到全球/区域天气气候模式中气溶胶理化数值模式系统，建立雾的数值预报方法，并研究空气污染对天气预报的影响，特别是对云和降水预报的影响；提升我国参与IPCC第五次评估报告的气候系统模式模拟中国特点气溶胶、详细云过程和云辐射过程的能力，形成我国新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统。更深入、准确地认识气溶胶的间接气候效应、气溶胶对云和降水的影响，对亚洲季风的影响程度，以及对未来气候变化的影响程度。为回答气溶胶是否应像温室气体一样纳入减排、稳定气候与控制污染之间的关系等气
候变化议题中的敏感问题、为我国天气预报和气候预估准确率的提高、为污染控制的宏观决策等提供系统、独立的科学支撑。 实现我国大气气溶胶及其天气-气候影响方面的研究与国家的应对气候变化、预报服务需求的无缝隙连接。不仅将在气溶胶-天气气候变化这一国际研究的热点领域不断作出中国科学家具有国际水平的系统、独立的研究成果，还将在提高预报能力、更好地预估未来气候变化和控制区域大气污染，以及为国家气候变化外交这些重要国家需求方面，不断发挥作用。锻炼和形成一批活跃在国际大气科学热点领域的中青年科学家群体，五年中要争取再有2-3人进入国际学术组织任职，扩大我国在此领域的骨干研究队伍规模，提高我国在该领域的整体研究水平。 五年预期目标: 前2年目标： 1)获得对中国不同区域和珠三角典型季风区大气气溶胶化学、物理和光学特性，以及典型挥发性有机物形成二次有机气溶胶(SOA)的主要化学过程（均相和非均相），以及SOA在老化过程的变化；并在气溶胶光学特性和云微物理特性方面初步建立有统计或有物理意义的定量联系；获得气溶胶对云微物理结构影响的三维观测数据，并初步分析结果； 2)建立两个分别针对环境气溶胶单谱活化特性的观测系统和单粒子悬浮实验的室内实验系统，在认识气溶胶活化为云凝结核（C）的活化特性随粒径、化学成分等的变化特征，以及不同条件下气溶胶和云滴粒子的增长蒸发等微物理特性方面取得进展； 3)发展、完善、更新自主开发的中国区域气溶胶及其前体物排放源清单，并利用反演模式，研发可为当前气候和气溶胶-云-辐射模式提供最新的气溶胶及其前体物的排放源的源系统； 4)在发展的气体-气溶胶在线耦合气溶胶模式（CUACE/ Aero）中实现气溶胶-云-辐射-降水相互作用的模拟；并形成考虑气溶胶老化过程的环境气溶胶混合状态的参数化方案等；获得一个可准确模拟气溶胶分布变化，并能有效耦合到全球/区域天气气候模式中、包含气溶胶对云-辐射-降水影响及其反馈作用的气溶胶模式系统；
第23卷 第3期2008年3月 地球科学进展 A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C E V o l.23 N o.3 M a r.，2008 文章编号：1001-8166（2008）03-00 -10 气溶胶与云相互作用的研究进展* 段 婧，毛节泰 （北京大学物理学院大气科学系，北京 100871） 摘 要：气溶胶和云在气候系统中扮演着重要角色，近年来随着人们对它们重要作用的深入认识，气溶胶与云的相互作用也逐渐成为气候研究的一个重要方向。对该领域的研究方法和近20年来国内外的相关研究做了全面回顾。飞机观测、卫星观测、以及观测和模式模拟相结合3种研究方法被主要应用于该项研究。大量观测和模拟都证明了气溶胶对辐射、云滴以及降水的影响；云凝结核作为气溶胶和云相互作用过程中的重要环节，近些年在观测技术上有了较大进展，对相关理论的研究也随着观测水平的进步有了较大发展。我国在该领域的研究也从单一的观测资料分析逐渐转向模式模拟、多种方法综合分析。最后结合国内外研究进展，对该领域未来的发展进行了展望。 关 键 词：气溶胶；云；相互作用；气溶胶间接效应；云凝结核 中图分类号：P426．5 文献标识码：A 1 引 言 气溶胶是大气中一种重要的微量成分，它是许多大气化学过程的媒介或终端产物。尽管气溶胶的研究已经进行了几十年，但是它仍然是气候变化中最不确定的因素。伴随着矿物能源的消耗，人类向大气排放硫氧化物和氮氧化物，这些物质不但导致酸沉降，而且还能和其它人类活动排放的物质在大气中形成气溶胶。实际大气气溶胶的成分非常复杂，它可以通过吸收和散射太阳辐射而直接影响地气系统的辐射平衡，即直接辐射气候效应。另一方面，气溶胶粒子又可以作为云的凝结核影响云的光学特性、云量以及云的寿命，产生间接效应。目前对间接辐射强迫估计的不确定性很大［1］，而且对云本身的辐射特性的了解也还不是很全面。因此，气溶胶－云－辐射间的相互作用情况既是气候系统最不确定的因素之一，也是当前气候研究和预测中的难点问题［2］。 本文简要介绍了气溶胶与云的相互作用原理及 其国内外主要研究进展，并对我国未来气溶胶与云相互作用的研究重点和难点进行了展望。 2 气溶胶与云的相互作用 2.1 气溶胶与云相互作用过程 气溶胶的间接辐射强迫作用表现为气溶胶与云的相互作用，具体来讲就是气溶胶可以通过参与云中的微物理过程来改变云的物理特征，从而改变其辐射特性。通过近些年的研究，这种间接辐射强迫主要可以描述为两类间接效应（图1）。第一类间接效应也称T w o m e y效应，指气溶胶增加使云中云滴数量增加，减少云粒子半径，从而增加云的反照率（它依赖于气溶胶的吸收特性和光学厚度）；第二类间接效应也称为“云的生命期效应”或“A l b r ec ht效应”，是由人为气溶胶增加引起粒子半径的减小，从而抑制降水，使云的生命时间发生变化［3］。另有新近的研究提出一种气溶胶对云的半直接效应（s e m i-d i r ec t e ff ec t o n c l o ud）：吸收性气溶胶也可以通过云的半直接效应来使地面变暖［4，5］，在这种效应的作 * 收稿日期：2007-11-12；修回日期：2008-02-20. *基金项目：国家自然科学基金项目“华北地区大气气溶胶与云凝结核的飞机观测及其云物理效应的初步研究”（编号：40475003）；国家重点基础研究发展计划项目（973）“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”（编号：2006 C B403706）资助. 作者简介：段婧（1981-），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事气溶胶及其气候效应的研究. E-m a i l：d u a n j i ng＠p ku. e du. c n
气溶胶光学特性的反演方法研究 韩 冰,高 飞,李铜基 (国家海洋技术中心,天津 300111) 摘 要:气溶胶是大气重要组成部分,其对地球的辐射收支平衡以及气候变化均有非常重要的贡献。文中根据非线性辐射传输理论,研究了从自动观测太阳光度计(CE318)多角度的天空扫描数据获取气溶胶粒子谱分布、散射相函数等光学特性的反演方法,并对2000年10月27日、30日南海试验的观测数据进行了分析,取得了较好效果。关键词:气溶胶;粒子谱分布;散射相函数;辐射传输 中图分类号:T P722.4 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2006)03-0055-06 1 引言 气溶胶的严格含意是指悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体共同组成的多相体系[1]。相应地,大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶粒子的直径多在10-3～102L m之间,包括可溶性的(如海盐粒子)和不可溶性的(如化石燃料的氧化物)粒子。依其形成机制则可分为自然因子与人为因子,前者主要是经由地表的自然风化过程和海洋表面的碎浪过程而进入大气,后者则是来自人类工业文明所产生微小污染物[2]。气溶胶对地球的辐射收支平衡继而气候变化均有非常重要的贡献,但是目前人们对气溶胶的了解非常欠缺。气溶胶的辐射贡献包括两部分:一是直接辐射贡献,即气溶胶对太阳辐射进行吸收、散射等引起的;二是通过改变云的微观物理特性而产生的间接影响。 首先,气溶胶对气候的影响方面,M cCo rm ick和L ud-wig认为[3],气溶胶会增加太阳辐射的反照率,进而导致地球的长期性冷却效果,而Char lso n和Pilat[4]也曾提出气溶胶对大气系统能量收支的影响,即气溶胶透过吸收、散射和放射过程直接影响地球能量的收支。其次,在卫星数据校正方面,气溶胶对卫星信号的贡献是很难准确估算的部分,因而通过研究气溶胶的光学特性必然会提高估算的准确性。 利用地面的光谱辐射计对大气进行观测,是目前广泛使用的研究大气特性的方法之一。其中自动太阳光度计是一种不受天气限制、自动跟踪并存储数据的辐射计,在世界范围内得到认可并大量使用,例如A ERO N ET气溶胶观测网[5]采用的就是这种仪器。CE318具有天空辐亮度扫描的 收稿日期:2006-01-20功能,利用其测量数据可反演气溶胶粒子谱分布、散射相函数等信息。本文以2000年10月27日、30日海南三亚的观测数据为例,利用CE318多角度的天空扫描数据,采用非线性数值方法对气溶胶光学特性反演方法进行了研究。 2 太阳光度计测量原理 CE318是法国CIM EL公司生产的一种自动跟踪扫描太阳辐射计,该仪器在可见近红外设有8个观测通道,它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量,而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CE318能自动存储和传输测量数据,实现自动测量采集和远程数据传输。CE318天空扫描主要有两种模式:平维圈扫描和主平面扫描。平维圈扫描是指观测时保持仪器的天顶角与太阳天顶角相同,而仪器与太阳的相对方位角逐渐变化;主平面扫描是指观测时仪器与太阳之间的相对方位角不变,而仪器的天顶角变化[5]。 CI M EL318辐射计测量太阳直射辐射F和漫射辐射E: F=F0ex p(-m S)(1) E(H0,<)≡E(()=m XS P(()F$8+q(()(2)式中:F0是大气层外的辐射通量;S是总的大气光学厚度; m是大气光学质量;H0是太阳天顶角;<是观测的方位角;(是散射角;X是整个大气层内单次反照率;P(()是总的相函数(包括瑞利散射和气溶胶散射两部分);$8是观测辐射计的立体观测角;q(()表示多次散射的贡献[6]。 为了减少仪器带来的系统误差,我们将观测数据用太阳直射辐射进行标准化,即: E(()≡ m XS P(()F$8+q(() Fm$8 =XS P(()+r(()(3) 通过多角度的天空扫描,我们可以通过非线性数值方 第25卷 第3期2006年9月 海 洋 技 术 OCEAN T ECHNOLOGY Vol.25,No.3 Sept,2006
第2章 气溶胶光学厚度反演的原理和方法 气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth ）简称AOD ，定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，描述的是气溶胶对光的消减作用[7]。它是气溶胶最重要的参数之一，表征大气浑浊程度的关键物理量，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。。通常高的AOD 值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。现阶段对于AOD 的监测主要有地基遥感和卫星遥感两种方法。其中地基遥感又有多种形式：多波段光度计遥感、全波段太阳直接辐射遥感、激光雷达遥感等。其中多波段光度计遥感是目前地基遥感研究中采用的最广泛的方法。美国NASA 和法国LOA-PHOTONS 联合建立的全球地基气溶胶遥感观测网AERONET 所使用的就是多波段太阳光度计（Sun/Sky Photomerers ），在全球共布设1217个站点长期观测全球气溶胶的光学特性，积累了大量的AOD 数据，并用作检测气溶胶光学厚度反演精度的标准。而近年来卫星遥感技术的快速发展，多种传感器被用来研究气溶胶特性，加上经济发展带来的大气污染问题使得利用卫星遥感资料反演AOD 成为热门课题。 2.1 气溶胶光学厚度反演的基本原理 大气光学厚度是指沿辐射传输路径单位截面上气体吸收和粒子散射产生的总消弱，是无纲量值。在可见光和近红外波段，它可以由下列公式计算得出： )()()()()()(a 21m λτ+λτ+λτ+λτ+λτ=λτμωω (2-1) 其中)(λτ表示大气总的光学厚度，)(m λτ表示整层大气的分子散射光学厚度，)(1λτω表示氧气的吸收光学厚度，)(2λτω表示臭氧的吸收光学厚度，)(λτμ表示 水汽的吸收光学厚度，)(a λτ表示气溶胶光学厚度[21; 22]。 卫星遥感反演大气气溶胶是利用卫星传感器探测到的大气顶部的反射率，也称为表观反射率，可以表示为[23]： F /L s s * μπ=ρ (2-2)
气溶胶的影响 气候： 气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏；另一方面却能通过微粒散射，漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。 气候变化受到气候系统内部可变化性和外部因子（包括自然因素和人类活动）的共同影响，气溶胶的福幅射强迫效应是其中重要的外部银子之一，但目前对气溶胶气候效应的科学理解水平还相当低。最近Menon等利用美国GISS气候数值模式得到的模拟结果表明黑炭气溶胶吸收短波辐射，从而产生大气异常加热的直接影响，这种加热引起东亚中部大气的上升运动和南北两侧弃团的下沉，造成了我国东部地区夏季降水“南多北少”的变化趋势。Xu的工作却指出我国夏季“南涝北旱”的原因是工业排放的硫酸盐气溶胶显著减少了太阳辐射，陆地气温降低，使海陆温差减小，夏季风偏弱，进而造成我国夏季雨带位置偏南，气溶胶的气候效应仍是一个存在较大争议的额科学问题。 东亚是全球硫化物排放较多的地区之一，今年来伴随着经济的高速增长有更多的含硫气体排入大气中，大量生成的硫酸盐气溶胶除了使环境恶化外，还可能对该区域气候造成一定影响，Li等认为中国四川盆地近40年来气温的变冷趋势可能与这一地区硫酸盐气溶胶含量的增加有关。Qian等利用一个简单的硫酸盐气溶胶辐射模式与区域气候模式（RegCM）耦合，模拟了东亚区域硫酸盐气溶胶的辐射强迫气候效应，发现硫酸盐气溶胶的直接，间接，辐射强迫对屈原气候都有影响，其中间接辐射强迫的作用较大。……中国东南部气溶胶增加将导致日照时数减少和日照强度降低，进而使夏季这一地区的最高气温降低。上述研究表明，城市工业发展使大量的工业废气排放至城市大气中，不仅严重地污染了大气环境，而且使空气浑浊度增大，特别是大气中的气溶胶大量增加，其直接和间接的辐射强迫将使得城市太阳辐射强度减弱，进而可能对区域气候产生影响。 导致全球变冷的主要因子使大气气溶胶。除黑炭气溶胶可产生0.1W/m2的辐射强迫外，绝大部分气溶胶粒子（包括硫酸盐，硝酸盐一级矿物沙尘等）总的直接辐射强迫和间接辐射强迫（仅包括云反照率效应，见下）分别为-0.5W/m2和-0.7W/m2,二者总计达到-1.2W/m2,已经接 近工业革命以来大气主要温室气体二氧化碳所产生的1.66W/m2气候变化辐射强迫。 研究造成工业革命以来气候变化的驱动力（辐射强迫）以及预测未来的气候变化时，不但要考虑大气温室气体的变化，还要考虑其他强迫银因子特别是大气气溶胶的变化。由于大气气溶胶可以散射和吸收太阳短波辐射以及地球长波辐射，影响地气系统的辐射平衡（直接效应）；与此同时，他们还可以作为凝结核影响云的辐射特性以及作为反应表面影响大量化学反应的速度（间接效应）；因此，大气气溶胶大气辐射和气候变化的研究中占有重要地位。 气溶胶粒子的辐射强迫机制主要有直接辐射强迫和间接效应，间接效应分为第一类间接效应（云反照率效应，或Twomey效应），第二类间接效应（云生命期效应），还包括冰核化效应，热力学效应及半直接效应。大气气溶胶通过上述直接，半直接与间接效应，影响地气系统的辐射收支并仅为影响地球气候外，气溶胶粒子的存在还将引起大气加热率和冷却率的变化，直接影响大气动力过程。沙尘的大气气溶胶还可能携带营养盐，当其沉降到海洋时会影响海洋初级生产力，影响辐射活性气体（例如CO2、CH4和DMS等）的海气交换通量，并进而影响全球碳循环，最终造成对地球气候系统的冲击。这些影响均可以归类于大气气溶胶的“间接气候效应”，他们可能是非常重要的，有关研究刚刚开始不久，难以给出任何定量描述。使情景变得更加复杂的还有，大气气溶胶不但可以吸收和散射太阳辐射，而且也可以吸收和散射红外热辐射；而这两种效应所产生的辐射强迫以及对气候的影响是完全不同的。总之，大
李明华，范绍佳 中山大学大气科学系（510275） Email:lmh20000@https://www.doczj.com/doc/a83344386.html, 摘要：全球和区域气候变化是当今各国政府和科学界关注的重大问题。大气气溶胶作为影响气候变化的一个重要因子，引起了全球科学界的重视,是当今国际科学界的热门研究话题。本文总结了二十世纪九十年代以来我国科学家在大气气溶胶气候效应研究方面的一系列成果，讨论了未来研究的主要难题及研究方向。 关键词：中国；大气气溶胶；气候效应 1.引言 全球和区域气候变化是当前各国政府和科学界关注的重大问题。大气气溶胶作为影响气候变化的一个重要因子，引起了全球科学界的重视,是当今国际科学界的热门研究话题[1-4]。 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，习惯上用来指大气中悬浮的10-3～101μｍ固体和液体粒子。大气气溶胶对气候的影响主要通过两种方式：一种是大气气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射改变地-气系统的能量收支，直接影响气候；另一种是大气气溶胶粒子作为云凝结核（CCN）改变云的光学特性、分布和生命期，间接影响气候。理论上,只要知道大气气溶胶浓度时空分布的信息及其物理、化学、光学特性、尺度分布和大气含量的准确信息,便可精确计算其直接辐射强迫的大小。而实际上所缺乏的也正是对这些量和其变化过程的详细了解。因此,对其直接辐射强迫的估计只能是基于现有实验结果和观测资料基础上的理论数值模拟。模式结果表明，目前对人为大气气溶胶（硫酸盐、硝酸盐、煤烟、矿尘和生物大气气溶胶等）全球年平均直接辐射强迫的估值大体介于-0.3～-1.0W/m2 之间，不确定性是估值的两倍。由于理论上对云的夹卷和混合过程，以及大气气溶胶-云-辐射-气候之间的微物理和化学反应过程了解还很不全面，准确地估计大气气溶胶间接辐射强迫的大小是相当困难的。全球年平均间接辐射强迫估值介于0～-1.5W/m2之间，不确定性更大，还没有一个合理的中间估值[5]。 大气气溶胶的气候效应比温室气体复杂得多，尽管大多数研究认为大气气溶胶对气候的影响与温室效应气体的影响是反向的，但二者不能简单抵消[6]。从二者寿命来看，对流层大气气溶胶的寿命只有几天到几周，它的辐射强迫作用集中在排放源附近，而且基本只影响北 - 1 -
《大气气溶胶》课程教学大纲 1．绪论（2学时） （1）了解大气气溶胶的研究历史和研究方法。 20世纪之前 1841年，J.P.Espy，测云器，观测水汽形成 1847年，H.Becquerel，提出凝结核，Coulier证实 1875年，J.Aitken，粒子计数器 1890年，C.T.R Wilson，云室，研究均匀成核现象 19世纪60年代，气溶胶光学实验；光的散射理论（Rayleigh，1871a） 19世纪80年代，气溶胶采集器，微观观测 20世纪前、中期 20世纪初，物理学前沿（微观物质） 布朗运动和布朗扩散 Millikan电子电量测量 1955年，前苏联，Fuchs，《气溶胶力学》 气溶胶测量技术开始使用和普及 20世纪后期 微电子、激光、计算机技术及现代化分析化学和分析电镜的发展，各种观测自动化 二次大战后，特别是1970s和1980s，环境污染严重，迅速发展 1982年成立美国气溶胶学会（AAAR） 1990s后，将研究扩展到超细粒子（<0.1μm）的性质和气溶胶对全球气候变化影响方面 研究方法：观测研究;直接采样;遥感观测;实验室分析;数值模拟;理论研究 （2）理解大气气溶胶研究意义。 气候、环境、人体健康效应 气溶胶的直接气候效应和间接气候效应（空气质量、能见度、酸沉降、云和降水、大气的辐射平衡（进而对全球气候变化）、平流层和对流层的化学反应） 与其他环境问题，如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相关 对人体健康的影响（次微米粒子可直接经呼吸道进入人体，其中含有重金属、有毒有机物、病菌。）（3）掌握大气气溶胶概念。 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。 Aerosol = Particles = Particulate Matter (PM) PMX: particles with diameters ≤ X μm (PM2.5, PM10 , PM2.5-10) 重点：大气气溶胶基本概念和研究意义。 难点：大气气溶胶定义。 2.大气气溶胶基础知识（4学时） （1）了解常用的几类谱分布函数。 每个对数半径间隔内的气溶胶粒子总体积几乎为常数，，气溶胶粒子数差不多随半径的三次方指数下降。
气溶胶灭火系统的特点及应用 发布时间： 2007-8-3 浏览次数： 628 次 近年来，“气溶胶”灭火剂在国内被迅速推广，几乎所有的生产厂家都将之喻为“卤代烷”灭火剂的最佳替代物，并且在国家规范中要求使用清洁灭火剂的场所大力推崇。由于没有相关的国家规范，设计、安装一般都是依照厂标及地方标准进行。其适应场所及应用范围在国内一直都有较多争议，本文就此作一些讨论。 一、概述 60年代的前苏联曾使用烟雾型灭火剂扑救地下火灾。80年代末，俄罗斯、美国等开始大量研究此类灭火剂，并应用于一些无人机械舱等部位。90年代初，我国研制出了EBM气溶胶灭火剂，并在全国推广。由于第一代气溶胶产品在喷放时有高温和喷焰缺陷，导致了一些重大事故。经过改进后的新一代气溶胶产品，基本解决了以上缺陷，且工程造价低、安装简便，得以广泛应用。 二、系统组成 气溶胶灭火剂，是由氧化剂、还原剂及粘合物结合成的固体状态含能化学物质，属于烟火型灭火剂。气溶胶灭火系统由气溶胶灭火剂以及相应的贮存和启动装置组成，灭火剂在贮存装置内燃烧反应后直接喷放到防护区，属于无管网灭火系统。气溶胶胶粒具有高分散度、高浓度特点，大部分微粒直径小于1um，可较长时间悬浮在空气中，较易粘附在物体表面。其主要成份有金属盐类、金属氧化物以及水蒸汽、CO2、N2等，碱金属盐（钾盐等）和金属氧化物（K2O等）起主要灭火作用，灭火效率较高。 三、灭火机理 气溶胶的灭火机理主要是化学抑制，也有降温冷却的作用。 1、化学抑制 当燃料（烃类—RH）燃烧时，产生活性游离基H+、O--和OH-，并发生链式反应：
RH + O2 → H+ + 2O-- + R+（可燃物分解，吸热反应） O-- + H+ → OH- 2OH- → H2O + O--（放热反应） 最后一步为强烈的放热反应，放热量远大于第一步可燃物分解的吸热量，同时再次分解出游离O--，使得燃烧得以持续。 在高温燃烧区，气溶胶微粒分解出活性游离基K+，它迅速与H+和OH-发生以下反应： K+ + OH- → KOH KOH + H+ → K+ + H2O 密集的气溶胶微粒提供了较大的表面反应区域，K+不断再生，夺走燃烧链所需的载体OH-和H+，燃烧无法延续。因此，气溶胶的灭火机理是以中断燃烧链为主，与卤代烷的灭火机理基本相同。卤代烷高温下分解出的Br-与上面的K+扮演同样的角色，以1301为例： CF3Br → CF3 + Br-（高温下分解） Br- + RH → R+ + HBr HBr + OH- → H2O + Br- Br-不断再生，迅速夺走燃烧链载体OH-和H+，使得燃烧迅速终止。 2、吸热降温 气溶胶的吸热降温作用也不可忽视，以KHCO3为例： 2KHCO3 → K2CO3+CO2+H2O（吸热分解反应） K2CO3（固相）→ K2CO3（液相）→ K2CO3（气相）（吸热相反应）卤代烷的灭火机理中也有冷却作用，它主要源于灭火剂由液相转化为气相时的物理吸热反应和高温分解反应。 四、灭火效能 全淹没的气溶胶灭火系统可以有效地扑灭A、B类火灾和E类电气火灾，对烃类（RH）物质的灭火效果尤其明显，如石油、柴油、天燃气和木材等。以100M3
大气气溶胶综述 一、定义及类型 大气是由各种固体或液体微粒均匀地分散在空气中形成的一个庞大的分散体系，该体系中分散的各种粒子称为大气气溶胶。对我们气候有影响的气溶胶主要有三种类型：火山气溶胶、沙漠尘埃、人造气溶胶。 火山气溶胶在火山等主要火山爆发后形成于平流层，主要由二氧化硫气体形成，在火山喷发后一周至几个月内，二氧化硫气体在平流层中转化为硫酸液滴。平流层的风将气溶胶扩散到几乎覆盖全球。这些气溶胶一旦形成，就会在平流层中停留大约两年。它们反射阳光，减少到达较低大气层和地球表面的能量。 可能对气候有重大影响的第二类气溶胶是沙漠尘埃，这些尘埃羽流中的微粒是从沙漠表面吹来的微小的污垢，对于大气气溶胶来说，它们相对较大，如果没有被强烈的沙尘暴吹到相对较高的高度（15000英尺及以上），通常会在短时间飞行后从大气中脱落。因为尘埃是由矿物质组成的，所以微粒吸收阳光，也散射太阳光。通过吸收阳光，尘埃粒子温暖了他们居住的大气层。这种较暖的空气被认为能抑制风暴云的形成。通过对风暴云和随之而来的雨水的压制，人们相信沙尘会进一步扩展沙漠。 第三类气溶胶来自人类活动。虽然很大一部分人为气溶胶来自燃烧热带雨林的烟雾，但主要成分是煤和石油燃烧所产生的硫酸盐气溶胶。硫酸盐气溶胶没有吸收阳光，但它们反射阳光，从而减少了到达地球表面的阳光量。硫酸盐气溶胶也进入云层，使云滴数量增加，但使雾滴尺寸变小。其净效果是使云层比没有硫酸盐气溶胶时反射更多的阳光，除此之外，人们还认为，额外的气溶胶会使受污染的云持续时间更长，并且比未受污染的云反射更多的阳光。
二、来源 大部分气溶胶有天然来源。例如，火山向空气中喷射巨大的火山灰柱，以及二氧化硫和其他气体，产生硫酸盐。森林大火将部分燃烧的有机碳排放到高空。某些植物产生气体，与空气中的其他物质发生反应，产生气溶胶。同样地，在海洋中，某些类型的微藻会产生一种叫做二甲基硫醚的含硫气体，这种气体可以在大气中转化为硫酸盐。海盐和沙尘是两种最丰富的气溶胶，沙尘暴将沙漠中的小块矿物尘埃带到大气中，海浪中由风驱动的喷雾将海盐抛向高空。这两种粒子都倾向于比人工制造的粒子更大。 其余10%的气溶胶被认为是人为的，或人为制造的，它们来自不同的来源。虽然人为气溶胶的数量不如自然形式丰富，但它可以控制城市和工业区的空气下风。化石燃料燃烧产生大量的二氧化硫，二氧化硫与大气中的水蒸气和其他气体发生反应，生成硫酸盐气溶胶。生物质燃烧是一种常见的清理土地和消耗农业废物的方法，它产生的烟雾主要由有机碳和黑碳组成。汽车、焚烧炉、冶炼厂和发电厂是硫酸盐、硝酸盐、黑碳和其他粒子的多产生产者。砍伐森林、过度放牧、干旱和过度灌溉会改变土地表面，增加沙尘气溶胶进入大气的速度。即使在室内，香烟、炉灶、壁炉和蜡烛也是气溶胶的来源。 三、影响 气溶胶影响空气质量和公众健康，它们可以通过反射或吸收阳光以及改变云层形成的地点和时间来影响气候。进入地球大气的太阳能量, 可以在大气内部被吸收、散射, 然后透射到地面, 或者被反射回外空。由于大气气溶胶的存在，引起的这些过程的改变叫做气溶胶(辐射)强迫。大气气溶胶的辐射强迫可以分为以下两种类型：直接辐射强迫、间接效应。