大气气溶胶研究现状和发展趋势

收稿日期:1998-03-03作者介绍:刘强,男,29岁。1994年毕业于青岛大学,获工学学士学位。1995～1998年在北京大学

环境科学中心学习,并获硕士学位。现在中国科学院大气物理研究所攻读大气化学方向的博士

学位。

大气气溶胶研究现状和发展趋势

刘　强　王明星　李　晶　张仁健

(中国科学院大气物理研究所　北京　100029)

摘　要　对国际大气气溶胶研究现状及主要研究成果进行

了分析总结,讨论了未来气溶胶研究的主要领域,着重讨论

了气溶胶对气候和环境影响的主要问题。就沙尘气溶胶和人

为活动造成的气溶胶两个方面讨论当前急需研究解决的问

题。

关键词　大气气溶胶;气候效应;辐射强迫;沙尘

气溶胶一词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。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0.001～10Lm之间。很多过程可以产

生气溶胶,主要分为自然(沙尘暴和火山爆发)过程

和人为活动(化石燃料的燃烧和生物质燃烧)过程。

气溶胶的自然来源主要是海洋、土壤和生物圈以及

火山等;气溶胶粒子的人为源见表1。工业化革命以

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,SO2在大气中通过非

均相化学反应逐渐转化成硫酸盐粒子,形成二次气

溶胶。污染气体形成的大气气溶胶粒子自工业革命

以来有较大幅度增加。

尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组

分,但其重要性却因诸多因素而扩大化。这些因素包

括:在大气层中的广泛分布;对许多大气过程的重要

作用;对区域和全球大气质量和气候的影响等。气溶

胶是大气中普遍存在的异质混合物,不受国际边界

的限制,因此研究气溶胶对全球影响需要广泛的国

际合作。气溶胶还对空气质量、能见度、酸沉降、云和

降水、大气的辐射平衡和平流层和对流层的化学反应等有重要影响,因此气溶胶研究包括了大气科学

的许多分支,具有一定的综合性。

表1　大气气溶胶的人为源

类　别物质或过程类别物质或过程燃烧煤*化学制品碳黑

石油*硫磺天然气硫酸城市垃圾焚烧硝酸生物质

　陆地生物质的

清除和利用*邻苯二甲酸酐

石油炼制黑色金属原钢生铁纸浆和造纸牛皮纸(硫酸盐)冶金焦碳亚硫酸盐有色金属铜冶炼*半化学溶解锌冶炼*化肥硝酸铵铅冶炼磷酸铵铝土生产尿素铝冶炼正磷酸盐铝土矿生产浓缩磷酸盐矿物质

石灰水泥*　农业耕作

　土壤灰尘和生物

质残骸*石膏纯碱磷钙土

*主要的气溶胶粒子来源

气溶胶粒子对气候的辐射平衡有重要影响。气

溶胶对气候的影响可分为两大方面,即直接影响和

间接影响。直接影响指大气中的气溶胶粒子吸收和

散射太阳辐射和地面辐射出长波辐射,从而影响地-

气辐射收支。气溶胶对气候的间接影响是指气溶胶

浓度变化会影响云的光学特性、云量、云的寿命,而

云的变化反过来影响气候。

气溶胶对大气环境质量和人体健康也有很大的

影响。在城市大气中,由汽车尾气和燃煤排放出大量第5卷第3期1999年6月中　国　粉　体　技　术ChinaPowderScienceandTechnologyVol.5No.3June1999污染气体可通过气-粒转化过程形成二次气溶胶,由

于其粒子小、平均寿命长,已对城市大气环境产生显

著影响。高浓度的气溶胶可以降低大气的能见度而

影响城市的正常生活;微米级的气溶胶粒子对人的

呼吸系统产生重要影响,危害人类健康。最近的研究

表明,生物气溶胶(含有各种微生物和生物性物质的

气溶胶)可对一些从事特定职业的人群产生危害。生

物气溶胶所引起的各种呼吸道疾病已经得到医学界

的广泛关注。

1　气溶胶研究现状

1.1　气溶胶对辐射强迫和气候的影响

气溶胶对辐射的影响取决于其时间和空间的分

布、自身的物理化学性质(包括粒子尺度谱分布、化

学成分等)以及下垫面的光学性质,而气溶胶的分

布、物理化学性质及地表状况这些因子都有极大的

时间空间变率,因此客观准确地给出气溶胶的化学

成分、粒子尺度谱分布及其时空分布等特征是准确

计算气溶胶的气候效应的条件。

1.1.1　云与气溶胶的相互作用

云对地球的能量平衡、水循环和多种大气痕量

成分(包括气溶胶)的全球循环有着重要作用。而且

这种作用是相互的:气溶胶改变了云的微观结构,云

是气溶胶的源和汇。这种相互作用的结果是:云的辐

射特性对气溶胶物理化学性质具有依赖性,气溶胶

的辐射特性对云微物理性质与云中化学过程也具有

依赖性。通过研究可加深对气溶胶的物理化学性质

与云的辐射特性之间关系的理解,也可加深云的物

理化学性质与气溶胶的辐射特性之间关系的理解。

例如气溶胶作为凝结核对云的宏微观特性及云

中的化学过程有重要影响,对于气溶胶核化清除的

化学效应的数值模拟研究表明,气溶胶的核化清除

可造成云滴化学成分随云滴大小分布的非均匀性,

这种非均匀性又对云滴内发生的气体吸收、液相氧

化产生影响。气溶胶的物理化学特性不仅影响云的

宏、微观特征,而且影响云下雨水的酸化过程。有学

者运用云下雨水酸化模式模拟研究了不同浓度和酸

度的气溶胶对雨水中几种离子组分的影响,得出气

溶胶的物理化学特性,特别是气溶胶的pH值是决

定气溶胶起酸化作用还是起碱化作用的主要依据。

近期的大量观测结果表明,海洋中浮游生物排放的

二甲基硫(DMS)的数量与海上云的凝结核的数量及云量密切相关。还有人通过建立了包含气溶胶微

物理过程的大气气溶胶动力模式,研究了海洋中浮游生物排放DMS向二氧化硫及云凝结核的转化过

程,计算结果显示海洋上小粒子中非海盐硫酸盐可

通过气粒转化过程形成。

1.1.2　气溶胶的辐射特性

大气气溶胶通过以下几个方面来影响地球的辐

射平衡:散射和吸收太阳辐射、吸收和散发红外辐射

(直接效应);与水态云(waterclouds)相互作用以改

变其散射特性;对云的覆盖率和生存周期产生影响

(间接效应)。气溶胶的组成、形态、浓度的复杂性严

重影响气溶胶辐射特性,这成为理解气溶胶在气候

中作用的主要障碍。只有通过进一步的观测才能更

好地理解气溶胶对地球辐射平衡的影响。

研究表明,大气气溶胶造成的全球平均气候强

迫和通过模式计算得出的温室气体造成的气候强迫

相比,数值相近而符号相反。然而气溶胶引起的强迫

在时间和空间上的高变率使之不可能对温室效应的

增温进行简单的补偿。

为了减少对气候变化预测的不确定性,

P.B.Russell等人计划并开展了观测人为产生的气

溶胶的性质和影响的实验。为解决野外实验中通量

变化准确测量问题,他们提出一个新的计算气溶胶

引起向上辐射通量变化的表示式,与二流法和AD

(adding-doubling)的结果进行了比较,并用3种方

法估算了通量的变化。新表达式的原理是太阳天顶

角和地表反照率与气溶胶的透射和反射相关,而气

溶胶的透射和反射对野外观测中辐射通量变化有很

强的影响。尽管相对来说比较简单,新的表达式的结

果于以往的二流法结果近似。与AD结果相比,中

等太阳高度角即辐射通量变化极大值时误差小于

10W/m2,但在太阳高时有负误差,太阳低时有正误

差。气溶胶的中等可见光学厚度为0.1～0.5时,用

3种技术产生所得的辐射通量均为8～50W/m2。通

过实验得到的辐射通量变化是全球平均的辐射变化

的15～100倍(当全球平均人为产生的硫酸盐光学

厚度为0.004时)。大辐射通量变化的原因是大的光

学厚度(2.5%～12%)加上严格的无云测量和白天

海洋的大气状况(5%～9%)等。

1.1.3　生物物质燃烧产生的气溶胶对辐射平衡和

气候的影响

生物物质燃烧产生了大量痕量气体和气溶胶,

它们对大气的物理化学性质和区域及全球气候有较

大的影响。森林砍伐和生物物质燃烧产生的CO2是

目前人为活动排放总量的15%～25%,而且生物物

质燃烧也产生大量的气溶胶粒子。低强度和低燃烧18 ・SpecialColumnofAerosolResarch・ ChinaPowderScienceandTechnology1999No.3 率的燃烧可产生大量部分氧化的有机混合物;高强

度和高燃烧率的燃烧则产生大量的碳黑。气溶胶中

除含大量的碳黑外,同时还含有大量的无机硫、氯、

钙、钠和重金属等。结果是不论强度高低,生物物质

燃烧都能产生大量的云凝结核,但是烟尘粒子对气

候的影响仍然不清楚。在一项研究中,观测到由于烟

尘排放引起了云凝结核浓度的增加,其效果本应该

使云的反照率增加,但卫星对该地云层的分析表明

云的反照率实际上在下降。这说明应该对烟尘与云

相互作用的理论模型做进一步的发展,才能用于气

候研究中。

热带生态系统大火消耗的生物物质占全球生物

物质燃烧所消耗生物物质总量的80%。发生在草原

生态系统和森林砍伐地区的生物物质的消耗各占

50%,而两地的燃烧效率分别是大于95%和80%～

85%之间。又因为热带森林位于Hadley环流的上升

区,其燃烧产生的烟尘可以被抬升和长距离输送,所

以热带森林地区生物物质燃烧非常重要。由此引起

的区域环流、云性质和能量平衡变化可对全球天气

和气候产生影响。

1.1.4　气溶胶与气候关系的模型研究

虽然在气溶胶研究的其他领域也有模型研究的

成分,但在这里模型研究的目的是把气溶胶研究的

最新成果综合到全球气候模型中,以评价气溶胶的

全球气候效应。具体的数值模型研究方向为:气溶胶

的形成、转化、传输和清除(用以估计气溶胶不同时

空条件下的浓度);气溶胶的产生辐射强迫的过程;

全球气候对气溶胶强迫辐射的反应。研究集中在硫

酸盐气溶胶、生物物质燃烧产生的气溶胶和平流层

气溶胶上。

1.2　平流层气溶胶

由于缺乏清除机制,平流层中气溶胶具有比对

流层气溶胶更长的寿命,可以达到几个月甚至几年,

气溶胶的长距离输送通常发生在平流层。平流层气

溶胶研究关注的问题有:平流层气溶胶的产生、输

送、清除机制;有关气溶胶辐射强迫、化学特性和间

接气候效应;气溶胶作为大气运动求踪剂的用途;气

溶胶对遥感的影响等。

1.2.1　火山爆发对大气的影响

火山喷发对大气影响研究包括的它对以下几个

方面的影响:平流层气溶胶;大气辐射效应;平流层

化学等。火山爆发产生的气溶胶可以到达平流层,在几

个月或几年中输送到全球。火山喷发可向平流层一次性输入大量的气溶胶粒子,尤其是大量的SO2。例

如1991年7月Pinatubo火山喷发向平流层输送的

SO2的数量是有可靠观测记录以来最大的一次。这

一事件为研究气溶胶对全球气候的短期扰动和对臭

氧层的潜在影响提供了一次很好的机会。通过对火

山爆发产生气溶胶的研究,可对人为气溶胶增加造

成的气候变化加深理解。另外对火山喷发产生的气

溶胶对卷云(cirrusclouds)影响的研究有助于了解

人为活动对平流层上部云的影响。

1.2.2　平流层气溶胶辐射强迫的实验观测

在世界范围内化石燃料的消耗呈指数增长,造

成温室气体和SO2的浓度也以指数方式增长。现在

已有关于人为硫酸盐气溶胶(主要通过SO2的气-粒

转化形成)的空间分布模型。与预计相同,这些模型

表明:越靠近气体排放源上空,硫酸盐粒子浓度越

大,但风也可以把这些气溶胶进行越洋输送。

人为和自然气溶胶都增加了对太阳辐射的反射

(直接效应),它们也都改变了云的反射率(间接效

应)。直接效应增加了向太空的反射,是一种负的辐

射强迫。而温室气体则减少了这种反射,是一种正的

辐射强迫。目前人为硫酸盐气溶胶引起的全球年平

均直接辐射强迫估计在-0.3～-1.3W/m2之间。

这个估计的上限与过去100年中温室气体引起辐射

强迫的增加相当,但符号相反。如果这一估计是正确

的话,这一结果也许可以解释为什么北半球地球表

面温度的增加没有预计的大。这种不确定性导致了

对政府旨在减缓气候变暖政策的费用估计也有很大

的范围。

为减少这种不确定性,有必要在世界的不同地

区进行实验,以观测由平流层气溶胶引起的直接辐

射强迫。通过地面观测校正的卫星遥感资料可以用

来减少这种不确定性,也可以对气候预测模型进行

改进。

1.3　大气气溶胶中的生物成分

大气气溶胶中的生物成分也叫生物气溶胶,它