大气气溶胶对天气与气候的影响

赖鑫，杨复沫，贺克斌

（1.深圳市国家气候观象台，广东深圳518040；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院三峡生态环境研究所，重庆400714；3.长江师范学院三峡库区环境监测与灾害防治工程研究中心，重庆408100；4.中国科学院城市大气环境研究卓越创新中心，中国科学院城市环境研究所，福建厦门361021；5.清华大学环境学院，北京100084）



□本刊特稿

大气气溶胶对天气与气候的影响

赖鑫1，杨复沫2，3，4，贺克斌5

（1.深圳市国家气候观象台，广东深圳518040；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院三峡生态环境研究所，重庆400714；3.长江师范学院三峡库区环境监测与灾害防治工程研究中心，重庆408100；4.中国科学院城市大气环境研究卓越创新中心，中国科学院城市环境研究所，福建厦门361021；5.清华大学环境学院，北京100084）

大气气溶胶会对天气、气候产生重要的影响遥气溶胶通过改变云的辐射、云量和生命周期等影响降水，通过干湿沉降影响生态环境，气溶胶还可以通过散射和吸收太阳辐射影响全球气候遥已有的研究表明，气溶胶具有显著的气候效应，总的辐射强迫为负，可以抵消一部分由温室气体造成的增温，但仍有一些以黑碳为主的吸光成分，辐射强迫为正，对全球变暖有不容忽视的贡献遥

气溶胶；气候；辐射强迫

1　引言

早在一个世纪之前，科学家预言大气化学成分的改变，尤其是人类活动排放的二氧化碳（CO2）浓度的增加会改变地球的热平衡而导致大气变暖。大约在40年前，人们认识到空气污染［氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和其他污染物］导致的对流层臭氧（O3）增加起到重要的温室强迫效应；而氟氯化碳（CFCs）对平流层O3的作用及其气候效应也将大气化学与气候紧密地联系起来。直到大约20年前，空气污染仍被认为是城市尺度或局地的问题，而未视为一个主要的全球问题［1］。近年来，人们愈加认识到，悬浮在大气中的微小气溶胶颗粒达到一定数量时在不同的地域尺度上发生作用，对空气质量和对暴露在大气中人群的健康，及时对能见度、酸沉降、云和降水、平流层和对流层大气化学过程、大气辐射平衡（进而对全球气候）等均产生重要的影响［2］。

基于外场观测研究（如INDOX、ACE-Asia等）和全球模拟研究的新发现，人们对气溶胶从局地、区域到全球（从空气污染到气候变化）的影响有了进一步的认识。新的观测数据表明，由于快速的长距离传输，在特大城市和区域性热点地区集中形成的含亚微米颗粒的大气棕色云（Atmospheric Brown Cloud，ABC）烟羽跨越洲际和海洋［1］，造成局地与区域空气污染，并对区域与全球气候产生影响。大气棕色云是由于大气气溶胶导致能见度降低的一种现象，也是在近年来广受关注的霾的一种表现形式。

三峡工程是一项举世瞩目的伟大工程，同时也是一个多目标、多效益的系统工程。包括三峡库区在内的四川盆地是我国传统的四大酸沉降和雾—霾频发区之一［3］。雾与霾均表现为低能见度的天气现象；在其相互转化过程中，大气气溶胶细颗粒物作为凝结核始终存在，在大气中长时间滞留和反复被利用，相当于放大了其在霾形成中的作用。三峡库区在大坝建成后的反季节拦蓄调节所致的水汽条件变化，且与经济快速发展背景下加剧排放的气溶胶复合作用，对于包括大气颗粒物在内的一次污染物和二次污染物的大气历程产生怎样的影响？并进而对局地与区域气候的影响如何？有待将大气污染与气候变化相结合开展研究。

2　对降水和季风的影响

气溶胶与降水相互作用的研究源于人们对云和降水形成的认识。20世纪70年代初，对不同地理区域云降水效率的研究表明，气溶胶的性质对云滴的浓度和大小及降水有很大影响。1972年召开的斯德哥尔摩人类环境会议，促进了对潜在的气候变化和相关领域的研究。次年美国气象学会组织了大批气象学家和云物理学家对云物理学进行了综合的评述和展望。总结当时的观测结果发现，城市地区云凝结核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）大量增加；降水、雷暴、冰雹和雾增多；能见度降低。随着人们对气候变化的关注以及对气溶胶认识的逐步深入，气溶胶的气候效应理论于20世纪70年代末被提出来，研究的重点主要针对云的反照率和大气辐射收支的影响。20世纪80年代以后气溶胶的化学成分引起了特别的关注，对气溶胶和酸雨的研究在国内外呈蓬勃之势，其中大量的实验研究基于云和降水过程对气溶胶的清除，并关注酸性物质的湿沉降。随着观测技术的进步，全面观测气溶胶的物理和化学特征，甚至对CCN、冰核（Ice Nuclei，IN）以及云的发展过程的观测成为可能，因而人类活动导致的排放增加对云乃至气候的影响引起广泛的研究兴趣。

气溶胶在降水形成中的作用表现在与云的相互作用，即通过参与云中的微物理过程来改变云的辐射特征、云量和生命期等物理特征，从而改变降水的分布和强度。气溶胶粒子作为CCN和IN在云雨形成和增长过程中起着重要作用，不但可以增加或减少降水量，而且可以改变云雨的类型（如使非降水性云转换成降水性云），从而影响降水。气溶胶粒子增加的一个最直接的后果是云滴数量增加，并可能导致云量增加和降水增加，但也可能在云滴数量增加的同时其尺度减小（如云层中一定含量的液态水分配给更多更小的云滴），从而导致更高的云层反射率和抑制降水的发生，并可能延长云层的生命周期。气溶胶增强对太阳辐射的散射和吸收，同时导致云亮度增加而降雨减少，到达地表的太阳辐射大幅度减少，而对大气加热作用则相应增强，大气热力层结改变，地表变冷，区域环流系统如季风受扰动，降雨受抑制，水力循环延缓，以及污染清除（如湿沉降）效果削弱，如果CCN中吸热组分较多，可导致云滴蒸发［1］。

在以人为源为CCN主要源的大陆上，气溶胶很可能是引起云的降水效率减小的重要因素。2000年后的一些研究从包括半直接效应、冰化效应、热力学效应、结凇效应及地表能量通量效应等方面探讨气溶胶对降水的可能影响机制［4］。最近的研究从气溶胶使低层大气稳定度发生变化入手，研究其对降水的影响。这种效应主要是由于含碳燃料不完全燃烧所产生的烟黑（soot）对太阳辐射的较强吸收作用所产生的。除了在大气层顶部（Top Of Atmosphere，TOP）引发一系列变化，气溶胶还对地表能量平衡产生影响，并导致对流、蒸发和降水的改变。

研究表明，虽然人为源气溶胶的年平均排放量和浓度只占自然源和人为源气溶胶总量的10%～20%，但是人为源的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）却占其总量的一半左右。通过北半球气溶胶粒度谱和浓度的观测资料推算，北半球人为源气溶胶可能使云滴数浓度增加15%，由此可能产生的云量和云生命时间的变化都将对降水产生重要的间接影响。然而，由于气溶胶与云、大气性质之间相互作用的复杂性，目前对与降水有关的气溶胶间接效应的认识虽然取得了较大的进展，但仍然十分有限，科学认知水平仍处于非常低的程度。由于这种复杂的相互作用，难以解析气溶胶对所观测的单次降雨量的影响［1］。Rosenfeld等［5］认为，由气溶胶造成的空气污染可明显减少山区水资源，使得干旱更易发生。一些研究表明，大气气溶胶可以对季风的爆发时间、季风的强度造成影响；季风和降水反过来对气溶胶浓度也有影响，但涉及的过程复杂，研究结论不尽相同甚至相反［6-13］。

人类活动排放的气溶胶是影响中国干旱与暴雨分布的可能因子之一。Menon等［14］通过模拟分析认为，中国南部和印度等气溶胶高值区降水增多；BC气溶胶的增加使青藏高原南北侧分别产生了一个强的上层东风和西风带，形成一个反气旋环流，并可能与过去数十年中国南涝北旱加剧的趋势有关。Zhang等［11］在气候模式中纳入含碳气溶胶（Black Carbon，BC和Organic Carbon，OC）的作用，模拟表明中国南部、印度云量减少，地表温度上升，降水减少；而中国北部（30～40°N）、孟加拉湾云量增加，地表温度下降，降水增加，即总体上中国呈现北涝南旱趋势，与前面的研究结论相反。有学者［15-17］研究认为，自20世纪80年代起，华南和沿海地区工业经济迅速发展所引起硫酸盐气溶胶大量增加所产生的降温效应，可能是东亚夏季风出现异常的主要原因之一，并使得降水带呈南移趋势。硫酸盐气溶胶明显削弱到达地面的太阳辐射，从而减少了该区域夏季海陆热力差异，造成东亚夏季风环流减弱，西太平洋副热带高压脊线南移，季风雨带向南偏移。

3　对酸沉降的影响

大气颗粒物通过干湿沉降可对生态系统产生广泛而重要的环境影响。SO42-与NO3-颗粒物是最重要的致酸物种。通常认为，导致正常降水pH＜5.6的酸性物质主要是人类排放的硫氧化物和氮氧化物，它们在大气中经过各种氧化反应生成了硫酸和硝酸。SO42-与NO3-颗粒物的前体物排放量的高速增长使我国成为继欧洲和北美之后的全球第三大酸雨区，酸雨区面积超过100万km2；在2014年开展降水监测的470个城市（区、县）中，有29.8%的城市出现了酸雨且主要分布在长江以南—青藏高原以东地区［18］，酸雨频率平均为17.4%。三峡库区降水酸化趋势在逐渐增强，污染程度高于北京、成都、深圳、湖南等地［19］。与之相对应，铵盐和矿物组分中的CaCO3和MgCO3则是颗粒物中的碱性组分，可中和颗粒物和干湿沉降的酸度。由于亚洲沙尘中富含这些碱性矿物颗粒，其对中国北方及东北亚地区的长距离传输可使其降水pH增加0.5～2.0，从而显著降低酸沉降对这些地区的影响［1］。此外，硝酸盐和铵盐的沉降可改变生态系统的氮循环［20］；亚洲沙尘中的富铁矿物还可在传输过程中与东亚地区排放的高浓度酸性颗粒物及其前体物发生反应，生成具有营养功能的可溶性铁并影响海洋生态系统［21］。

主要来自地面扬尘的碱金属和碱土金属等可以中和降水的酸性。我国北方土壤的碱性物质含量高，总悬浮颗粒物中的碱性物质浓度也高于酸性物质，因而对酸性降水具有较大的中和缓冲能力；相反，南方大气颗粒物中碱性物质浓度低，其缓冲能力低于北方。例如，北京春季大气颗粒物的中和能力是柳州大气颗粒物的3倍；华南地区气溶胶的酸化临界缓冲容量＜100 neq·m-3，而北京气溶胶临界缓冲容量为375 neq·m-3［1］。这是我国一些北方地区环境大气中SO2浓度较南方地区高，但北方大部分地区未发生酸雨，而南方地区出现大面积酸雨的重要原因。

4　对全球气候的影响

Rasool和Schneider［22］曾预测，若全球大气气溶胶的本底浓度增加4倍，将导致地表平均温度降低3.5℃。之后，全球性的普遍增暖现象使气溶胶对气候的降温效应被淡化。1991年，菲律宾Pinatubo火山喷发，大量的尘埃和硫酸盐气溶胶进入平流层，并在其长达1～2年的寿命期内逐渐均匀分布，而次年全球平均气温下降了0.5℃。1991年海湾战争爆发后，科威特油井的数百万桶原油被焚烧，所产生的烟雾遮天蔽日持续数月，由于大范围的气溶胶阳伞效应，致使科威特周边地区温度明显降低。由此，气溶胶对气候的影响重新获得关注，并作为影响气候变化的一个重要因子，日益引起了科学界的普遍重视。

自然源气溶胶（如沙尘、海盐粒子等）在大气中的含量、分布和光学特性在一个较长的时间段内可以近似视为不变；火山爆发产生的气溶胶也不会有长期的效应，对气候变化或气候强迫的研究而言，可以忽略这类气溶胶的影响。自工业化革命以来，人为源气溶胶（如硫酸盐气溶胶、含碳气溶胶）的大量排放已经显著增加了全球气溶胶的平均含量，具有不容忽视的气候影响［23-28］。

大气气溶胶以两种重要的方式影响气候：一方面，颗粒物通过吸收和散射太阳辐射以及吸收和释放地表的红外辐射而直接影响气候；另一方面，颗粒物作为CCN或IN而改变云的微物理、光学特性以及降水效率，从而间接影响气候。气溶胶的间接气候效应包括：以微物理作用影响云滴数密度、云滴粒径的第一间接效应（云反照率效应），影响云层厚度及其生命周期的第二间接效应（云生命周期效应），此外还有半直接效应。后者的机制表现为对流层气溶胶吸收短波辐射导致对流层增温，进而改变对流层相对湿度及其稳定性，最终影响云的形成及其生命周期［4］。此外，气溶胶可以改变反应性温室气体（如O3）的多相化学反应；通过沉降为海洋生物提供营养物，影响其初级生产力，并进而影响CO2和二甲基硫（DiMethyl Sulfide，DMS）等辐射活性气体的释放，影响海洋生物泵过程，引起海洋和全球碳循环的变化，导致极为重要的生态环境和气候效应。

气溶胶光散射的净效应导致到达地球的入射光减少，因此对地表起到降温作用；而颗粒物的光吸收的净效应是导致入射太阳光被转化为能量，并最终转移到周围的大气中，从而起到增温效应。因此，气溶胶的直接辐射强迫具有双重性，即既有正的效应，也有负的效应。

从直接辐射强迫的角度，气溶胶的关键影响因素包括颗粒的表面尺寸分布、形状和复折射率等；从间接辐射强迫（影响云的微物理和大气化学）的角度，则包括颗粒的粒度谱、吸湿性、相态和化学组成等。与直接效应相关的光学性质（散射和吸收系数或消光截面与单散射反照率）和与间接效应相关的CNN、IN、化学和生物活动取决于气溶胶颗粒的尺寸、结构和化学组成，因而受到气溶胶颗粒的碰并（coagulation）、化学转化和与水的作用（包括吸湿和潮解）等大气过程的强烈影响［1］。

硫酸盐气溶胶能够有效地散射各波段的太阳光，仅对近红外光谱有少量吸收，是气溶胶中主要的消光成分。上世纪90年代后期的气候模型即基于硫的循环模型研究硫酸盐气溶胶的气候效应。IPCC［29］总结已发表的有关硫酸盐辐射强迫的数据，给出其全球平均直接辐射强迫为-0.4W·m-2（-0.6～-0.2 W·m-2）。硫酸盐辐射强迫的不确定性主要来源于模型中对相对湿度和硫酸盐与其他颗粒物的混合状态的模拟［1］。硝酸盐气溶胶在可见光谱区基本上是非吸收的，所以其直接辐射强迫也是负的，约为-0.11（-0.3～-0.03）W·m-2［29］。

有机气溶胶主要是散射太阳辐射，但也有少量对短波辐射具有吸收作用而被称为棕色碳（brown carbon）。棕色碳可吸收紫外光而影响大气光化学反应以及O3的产生［1］，因而进一步具有间接气候效应。有机气溶胶辐射强迫与硫酸盐气溶胶类似，都产生负的辐射强迫。IPCC［29］第五次评估报告估计一次有机气溶胶（Primary Organic Aerosol，POA）和二次有机气溶胶（Secondary Organic Aerosol，SOA）的直接辐射强迫为-0.12（-0.4～-0.1）W·m-2。

BC是气溶胶中最主要的吸光成分，它对短波和长波辐射均具有强烈的吸收作用，比温室气体的吸收波段更宽，比矿物尘的质量吸收系数要大两个数量级。BC的光学性质取决于其粒度和复折射指数。BC和其他气溶胶组分之间的混合状态是影响其辐射强迫的重要因素，譬如当BC和硫酸盐内部混合时其辐射强迫更大［1］。BC通过直接和间接两种辐射效应影响大气辐射，且这两种效应均占有重要地位。在大气的增温成分中，BC的直接辐射强迫仅次于二氧化碳，对全球变暖贡献了15～30%［30］，可以部分地平衡其他气溶胶的降温作用，因而也被称为“温室型气溶胶”。另一方面，BC的粒径通常在0.01～1μm，因而可作为云凝结核而改变云滴的尺度分布、光学特性、云中液态水的含量及云量等，从而通过影响云和降水的分布而间接影响气候。IPCC［29］总结了有关BC直接辐射强迫的研究结果，并将第二次评估中的全球平均估计值+0.1 W·m-2在第五次评估报告中修订为+0.4（+0.05～+0.8）W·m-2。此外，BC沉降在冰雪表面会降低其地表反照率，增加冰雪对太阳辐射的吸收而引起冰雪消融，由此产生正的辐射强迫（+0.04W·m-2）。

矿物尘（mineral dust）中既有粗颗粒也有一部分细颗粒，因而既散射短波辐射而起到降温效应，也可吸收短波辐射和长波辐射而起到增温效应，此外还可通过与硫酸盐、硝酸盐和铵盐颗粒（Sulphate Nitrate Ammonium，SNA）内部混合的形式成为云凝结核而产生间接的气候效应。矿物颗粒的气候效应受矿物组成、粒径大小、传输高度及其与SNA等其他组分的混合状态等多种因素的影响。例如，亚洲沙尘中富含浅灰色矿物，而非洲沙尘则含有呈淡棕色至大红色的多种矿物，因而它们对光的吸收、散射能力均有所不同；处于3 km以下大气层中的沙尘可通过抑制云滴的形成导致降水的减少，而3 km以上大气层中的沙尘则可加速IN的形成，进而增加云量和降水量。矿物尘通常较为粗大，在大气中的滞留时间相对较短，往往难以很好地混合，因此其辐射强迫具有很大的时空变化［1］。总的来说，矿物尘的全球平均辐射强迫的“最佳估计值”为-0.1（-0.3～+0.1）W·m-2。矿物尘曾被认为是“自然气溶胶本底”的一部分，但Tegen等［31］估计，全球大气中大约有一半的矿物尘是由于在干旱和半干旱地区土地利用改变引起土壤扰动所导致的。

海盐气溶胶可直接散射太阳的短波辐射。当云中液态水含量一定时，海盐气溶胶浓度的增加会减少云滴的有效半径，导致其反射率增加。海盐气溶胶在占地球表面70%的海洋上空持续产生，对地气系统的能量收支起着重要调节作用。

根据IPCC［29］第五次评估报告，目前估计气溶胶与辐射相互作用产生的有效辐射强迫为-0.45（-0.95～+0.05）W·m-2；气溶胶通过与云的相互作用所产生的有效辐射强迫估计为-0.45（-1.2～0.0）W·m-2，总的气溶胶有效辐射强迫估计值为-0.9（-1.9～-0.1）W·m-2。与IPCC第四次评估报告相比，气溶胶强迫的绝对值在减小。全球气溶胶气候效应估算存在着较大的不确定性，这种不确定性远大于估算值本身［1］。事实上，气溶胶、云和降雨的交互作用及反馈效应的不确定性是气候敏感度不确定性高和预测的21世纪全球平均地表温度升高范围大（1～6℃）的原因。与温室气体相比，气溶胶气候效应的影响因素要复杂得多且尚未很好量化，迄今对其辐射强迫尤其是间接气候效应的科学认知水平仍较低。这主要由于所涉及的气溶胶物理化学性质的复杂性以及相关的观测历史较短，至今尚缺少全球范围的气溶胶分布数据；另一方面是由于对气溶胶的排放、成核和生长的机理，以及气溶胶与云作用的物理化学过程等了解有限。

尽管气溶胶强迫估计存在较大不确定性，但仍有很高信度显示气溶胶抵消了很大部分由温室气体造成的正的全球平均辐射强迫，不过二者不能简单抵消［32］。从影响的范围看，温室气体由于寿命长达数年至数百年，在全球尺度上产生气候效应，而对流层气溶胶的寿命通常只有数天至数周且在大气中未能很好混合，因而其辐射强迫作用与其水平分布和垂直分布有关，并主要集中在北半球的源排放及其下风向地区。虽然在全球范围内温室气体较气溶胶的气候效应要大得多，并由于其在大气中的滞留时间长而在未来越来越处于支配地位，但在一些气溶胶的高排放区域，其在气温和降水方面的气候效应可能超过温室气体。从影响的时间看，温室气体昼夜都产生影响，在冬季中高纬度造成的影响较大，而气溶胶的影响主要是在白天对太阳的辐射，与其浓度的季节变化和日变化等相关，并且在夏季低纬度造成的影响较大。此外，温室气体的影响基本上与下垫面的性质无关，而气溶胶对太阳辐射的影响与下垫面的光学性质密切相关，同样一层气溶胶可能由此产生大小殊异的辐射强迫，甚至产生符号相反的影响。

大气气溶胶对气候系统的辐射平衡具有重要影响，而气候变化反过来又对气溶胶产生影响。气溶胶的可能变化取决于大气物理与化学过程的复杂相互作用，如化学反应速率的变化、生物排放的变化及传输方式和混合高度的变化等。有研究预测，21世纪的气候变化将导致气溶胶的浓度升高，但不同成分的敏感性有所不同，如纽约气候和健康研究项目预测在2050年气候情景下PM2.5浓度将上升并主要来自硫酸盐的增加，BC和其他一次颗粒物也有所增加，但有机物和硝酸盐减少［1］。硫酸盐的增加与气温上升和O3浓度升高导致光化学活性增强相一致，而有机物和硝酸盐的减少是由于半挥发性组分从颗粒物中挥发至气态所致。目前在这方面的研究结果还很有限。

5　结语

气溶胶虽然只是大气中的微量成分，但涉及从局地到跨区域的复合型大气污染乃至全球气候变化等重要环境问题。由于气溶胶颗粒对人体健康的不利影响，不可能通过增加和维持大气气溶胶的含量来持续抵消温室效应。全面、深入研究气溶胶的气候效应至关重要，唯如此才能确定气候变暖发生的进程快慢，分辨人为和自然因素的作用大小，并在此基础上准确再现过去的气候变化和更为可信地预测未来的气候变化。只有综合考虑气溶胶在局地、区域与全球的生态环境和气候影响及其之间的关联，才有可能同时经济有效地减轻局地与区域的大气污染和减缓全球气候变化。

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［责任编辑：友清］

The Impacts of Atmospheric Aerosols on Weather and Climate

LAI Xin1，YANG Fu-mo2，3，4，HE Ke-bin5

（1.Shenzhen National Climate Observatory，Shenzhen 518040，China；2.Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，China；3.Research Center for Environmental Monitoring and Hazard Prevention of Three Gorges Reservoir，Chongqing 408100，China；4.Center for Excellence in Urban Atmospheric Environment，Institute of Urban Environment，Chinese Academy of Sciences，Xiamen 361021，China；5.School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Atmospheric aerosols have important impacts on weather and climate.Aerosols affect precipitation by changing cloud radiation，cloud cover and life cycle.They change the eco-environment through dry and wet deposition.In addition，aerosols have significant effects on the global climate through scattering and absorbing the solar radiation.Their total radiative forcing is negative，that could offset much of warming caused by greenhouse gases.However，there are some absorption components like black carbon，whose radiative forcing is positive and contributes to global warming.

atmospheric aerosols；climate；radiative forcing

X131.1

A

2096-2347（2016）01-0002-07

2016-03-25

国家自然科学基金项目（41375123），重庆市科学技术委员会项目（CSTC2014yykfc2003）。

赖鑫（1986—），女，四川安岳人，工程师，主要从事气象探测应用与大气环境研究。E-mail：lxsrl@126.com；杨复沫（1967—），男，湖北仙桃人，研究员，博导，主要从事大气复合污染特征及其来源与成因研究。

贺克斌（1962—），男，四川成都人，中国工程院院士，清华大学环境学院院长。E-mail：hekb@tsinghua.edu.cn