典型行业黑碳气溶胶排放对区域气候的影响模拟

郑辉辉，师华定，陈莉荣，高庆先，关攀博，张强

1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010 2.中国环境科学研究院气候变化环境影响研究中心，北京 100012 3.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206 4.清华大学地球系统科学研究中心，北京 100084



典型行业黑碳气溶胶排放对区域气候的影响模拟

郑辉辉1，师华定2*，陈莉荣1，高庆先2，关攀博3，张强4

1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010 2.中国环境科学研究院气候变化环境影响研究中心，北京 100012 3.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206 4.清华大学地球系统科学研究中心，北京 100084

黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成成分，其对太阳短波辐射和红外辐射均有强烈的吸收作用，对区域气候有较大影响。利用区域气候模式RegCM3，加入自主编制的黑碳排放清单，模拟研究了2013年工业、交通、民用3个典型行业黑碳气溶胶地表吸收太阳辐射量的变化，分析不同行业黑碳气溶胶排放的气候效应。结果表明：黑碳气溶胶主要分布在华北、中原、长三角、珠三角和成渝地区，其中又以山东省和河北省的排放量最大，呈现明显的季节变化，即冬春季高于夏季；3个典型行业排放量排序表现为民用源>工业源>交通源；黑碳气溶胶使地表吸收太阳辐射量增大，引起的气候效应表现在使华北、中原、长三角等地区气温升高，川渝、珠三角地区气温降低；但引起的降水量变化不大，可能与该模式对降水量的模拟效果较差有关。

典型行业；黑碳气溶胶；区域气候变化；RegCM3模式

近几十年，中国南涝北旱现象时有发生，全球气候模式的模拟结果表明，黑碳气溶胶可能是引发该现象的一个重要因素[1]。黑碳一般是在碳质燃料不完全燃烧过程中产生的不定型碳质[2]。黑碳气溶胶是大气中太阳辐射的重要吸收体，与CO2、CH4、CFCs等温室气体相比，其具有更宽的吸收波段；与沙尘相比，其质量吸收系数要大2个数量级[3]。其不仅能影响区域与全球气候变化[1,4]，而且能够降低大气能见度[5]，造成粮食减产[6]，并导致人体健康受损和建筑物的腐蚀[7-8]。黑碳气溶胶可以吸收红外到可见范围内的太阳辐射，在大气层顶产生正的辐射强迫[9-10]。Haywood等[11]通过大气环流模型得到黑碳气溶胶的直接辐射强迫为0.400 W/m2，Jacobson[4]的研究结果则达到0.55 W/m2，超过CH4的直接辐射强迫，黑碳气溶胶成为仅次于CO2的具有全球增温效应的物质。此外，黑碳气溶胶还能够影响云的反照率和成云量，进而影响区域和全球的气候变化[12-13]。由于黑碳气溶胶在大气中的停留时间较短，因此减少黑碳气溶胶的排放量可在短期内降低大气中黑碳气溶胶的含量[14]，可更为有效地减缓全球变暖趋势[15]。

张楠等[16]研究了2008年黑碳气溶胶排放清单，分析了不同行业黑碳排放量占比及其空间分布；李柯等[17]使用大气化学传输模式模拟了不同行业排放源黑碳气溶胶的地表浓度及其对直接辐射强迫的影响。国内研究使用的清单相对落后，且对黑碳气溶胶的气候效应只停留在直接辐射强迫方面，鉴于黑碳气溶胶对气候变化的突出贡献，急需开展不同行业黑碳气溶胶对气候变化贡献相对全面的评估工作，为我国制定相应的减排政策提供科学依据。本文利用区域气候模型RegCM3(Regional Climate Model Version 3)，加入自主编制的适宜中国地区的民用、交通和工业3个典型行业黑碳气溶胶排放清单，通过对2013年1月、4月、7月和10月的数据模拟，获得不同行业黑碳气溶胶在各季节对我国地表辐射以及地表温度和降水量的影响特征，从而研究其对地表的辐射强迫和气候效应的影响。

1 材料与方法

1.1 清单资料

本文所用黑碳气溶胶排放清单是基于清华大学在国家高技术研究发展计划(863计划)项目支持下开发的排放清单模型——中国多尺度排放清单模型(Multi-resolution Emission Inventory for China，MEIC)，将分省各部门排放量按GDP、人口和路网等空间分布信息进行必要的网格化处理得到本地化的黑碳气溶胶排放清单。

针对黑碳颗粒物产生机理和排放特征差异，将黑碳颗粒物的人为排放源划分为固定燃烧源、工业工艺源和移动源三大类；在此基础上按行业、燃料(产品)、设备(工艺)和末端控制技术共4层，对每个大类进行细分；最后将各地区各部门排放量按GDP、人口和路网等空间分布信息进行必要的网格化处理。

黑碳气溶胶排放总量(F)计算公式：

(1)

Fn,m,y=EFm(1-Cn,y)

(2)

式中：Ei,y为i地区大气污染物y的排放量；i为省(直辖市、自治区)；j为部门；k为燃料类型或产品类型；m为技术类型；n为控制设施类型；y为排放物种；A为排放源活动水平(如燃料消耗量、产品产量、行驶里程等)；X为技术应用比例；η为控制技术应用比例；EFm为技术m无控状态下的排放因子；C为控制技术的去除率。

在第4级源分类层面收集获取各种排放源的活动水平和对应的排放因子，计算得到每个地区每种污染源的黑碳排放量。计算所需的排放源活动水平、技术分布、排放因子和颗粒物粒径分布等参数主要通过年鉴、行业协会、环境统计和国内外文献中获取；清单资料经过检验，更加适合中国区域，合理可靠。具体可参考张强等[18]关于清单估算的验证。

1.2 模式介绍与参数设置

本研究所使用的模式为意大利国际理论物理研究中心(The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics，ICTP)在Giorgi等提出的RegCM2基础上所发展的区域气候模式RegCM3。RegCM3主要参数如下：模拟区域中心位于107°E、35°N，水平分辨率选择45 km，水平格点数取160×132个，垂直方向18层，模式层顶气压为100 hPa，积分时间步长120 s。物理参数方案和过程：侧边界选择5层过渡的指数松弛方案，Holtslag行星边界层方案，积云对流参数化方案采用Grell积云参数化方案，SUBEX大尺度降水方案，海洋表面通量采用Zeng海洋参数化方案。模式的初始和边界资料采用NCEP的NNRP2数据集，每日4次，水平分辨率为2.5°×2.5°，包括气温、位势高度、垂直速度、相对湿度、经纬向风和地面气压场，插值到模式各层为模式提供初始边界场，每6 h更新一次；全球陆地覆盖特征(GLCC)资料，包括地形和植被数据，分辨率分别为10°和30°，海平面温度采用NCEPNCAR的GISST月平均海温资料。陆面过程使用BATSle(生物圈-大气圈传输方案)。积分时间为2013年1月1日—12月31日，为了研究黑碳气溶胶的辐射效应以及气候反馈，每个时间段设计2个试验方案：A不加入气溶胶进行模拟；B加入黑碳气溶胶进行模拟。图1是区域气候模式的模拟范围。

注：小图右下角的数字表示全国排放总量。图2 2013年中国黑碳气溶胶排放总量和典型部门的年均及各季节分布Fig.2 China’s black carbon emissions in 2013 and the average annual and seasonal distribution of the typical sector

2 结果与讨论

2.1 排放总量及典型行业的空间分布特征

图2展示了2013年黑碳气溶胶排放的空间分布特征。由图2可见，黑碳气溶胶在2013年的全国排放总量约为178.67万t。由于不同地区人口数量、经济产业结构、工业企业规模、居民能源消费种类和数量等因素的不同，各地区对黑碳气溶胶排放的贡献差别很大。我国人为源黑碳气溶胶排放地区分布严重不均衡，排放量最高的省份主要分布于华北和华中区域，其中京津冀和山东省的排放量最大，其次是东北、华南和成渝地区，西部的西藏、青海、新疆、甘肃等地排放量最低。

注：文中底图来源于GrADS软件，网址:www.opengrods.org。图1 区域气候模式的模拟范围Fig.1 Regional climate model simulation range

3个黑碳气溶胶排放的典型行业为民用源(88.15万t)，工业源(62.89万t)和交通源(27.43万t)。三者空间分布都与黑碳气溶胶排放总量的分布相近，主要集中在我国东部，且以京津冀和山东一带为中心。黑碳气溶胶总量还有明显的季节变化，即冬季排放量是其他季节的2倍左右，该变化特征主要是由于冬季民用源黑碳气溶胶排放量明显偏高所致，而工业和交通源各季节的排放总量差别不大。

2.2 不同季节和行业黑碳气溶胶的辐射分布

本文研究的辐射主要是地表吸收的太阳辐射量，图3显示不同月份加入黑碳气溶胶地表吸收的太阳辐射量与不加入黑碳气溶胶地表吸收的太阳辐射量的差值。由图3可见，加入黑碳气溶胶后地表吸收的太阳辐射量增大0～10 Wm2，冬季在全国大部分地区增加地表吸收的太阳辐射量在0～20 Wm2不等，在春季引起的变化不大，在夏季南方大部分地区地表吸收的太阳辐射量减少20 Wm2以上，其中川渝地区地表吸收的太阳辐射量减少了40～60 Wm2。从季节上看，春季地表吸收的太阳辐射量变化不明显；而夏季的变化分布尤为显著，冬季和秋季全国范围的整体趋势基本一致。从行业看，民用源和工业源冬季地表吸收的太阳辐射量差异比交通源大，可能与交通源排放量较小有关；而春季民用源地表吸收太阳辐射量差异明显，可能与民用源春季黑碳气溶胶排放量较大有关。整体来看，在秋冬季节，黑碳气溶胶引起的地表吸收太阳辐射量普遍增大；春夏在我国西部和东北增大，南部大部分地区减少。

图3 3个典型行业黑碳气溶胶引起地表太阳辐射量变化(单位：Wm2)Fig.3 Variation of surface solar radiation caused by black carbon aerosol in three typical industries

2.3 黑碳气溶胶对温度及降水的影响

2.3.1 3个典型行业排放黑碳气溶胶的温度反馈

本文所研究温度为近地面2 m的气温，图4为3个典型行业黑碳气溶胶排放对气温的影响模拟。由图4可见，在秋季和冬季，大部分地区有明显的升温效应，尤其是京津冀地区、长三角地区、河北省和山东省，最大升温可达1 ℃，这类地区是黑碳气溶胶排放的集中区，可能是因为集体供暖和居民利用散煤采暖的原因；而春季和夏季川渝地区还有小幅降温，降幅在0.2～0.6 ℃，这可能是因为黑碳气溶胶使得地表吸收的太阳短波辐射量在春季和夏季减少了20～60 Wm2不等导致地表温度的降低。民用源所引起的升温效应相对明显，而工业源引起的升温幅度偏小，这可能与冬季许多居民需要采暖有关，也可能是民用源排放管理措施不严格，造成的排放量高，而工业源管理相对规范。

图4 3个典型行业黑碳气溶胶排放引起的气温效应(单位：℃)Fig.4 The temperature effect caused by black carbon aerosol emission in three typical industries

2.3.2 3个典型行业排放黑碳气溶胶的降水反馈

图5为3个典型行业黑碳气溶胶对不同季节降水影响模拟结果。由图5可见，整体上，黑碳排放对降水的影响不很明显，中国处于东亚季风区，因此中国上空的水汽输送有明显的季风特征。冬季,大陆广大地区盛行西北气流,虽然所含水汽量很小，但风力强劲稳定，一般可将水汽送过长江流域，华南和东南沿海仍有西南和东南气流将水汽输入大陆,可达云贵高原上空；夏季,西北气流退缩到35°N以北。黄河中下游以南广大地区为夏季风所控制，南和西南气流携带丰沛水汽可送达华北平原。黑碳的加入对水汽运输产生的影响不大。整体看京津冀地区在夏季的降水量减少6～9 mm，约占总降水减少量的30%～40%。全国大部分地区由于黑碳气溶胶引起的降水变化相对微小，几个行业的黑碳引起的降水变化分布基本一致，而且数值十分接近，民用源排放的黑碳气溶胶在秋季引起山东、山西、河北南部、河南及安徽北部地区降水量减少3～5 mm，这可能是由于模型内部变率导致模型对降水量的模拟效果不是很好。

图5 3个典型行业黑碳气溶胶排放引起的降水效应(单位：mm)Fig.5 Precipitation effects of black carbon aerosol emissions from three typical industries

3 结论

(1)黑碳气溶胶排放主要分布于华北、中原、长三角、珠三角和成渝地区，其中又以山东省和河北省的排放量最大，呈现明显的季节变化，冬季、春季明显高于夏季。

(2)3个典型行业黑碳气溶胶排放量排序：民用源>工业源>交通源。

(3)黑碳气溶胶使得地表吸收的太阳辐射量增大，气候效应表现在黑碳气溶胶的加入使华北、中原、长三角等地区气温升高，川渝、珠三角地区气温降低，但引起的降水量变化不大，可能与模式对降水量的模拟效果较差有关。

[1] 王志立.黑碳气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应的模拟研究[D].南京:南京信息工程大学,2008. WANG Z L.Simulation of direct radiative forcing and climate effects of black carbon aerosol [D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2008.

[2] 唐杨,韩贵琳,徐志方.黑碳研究进展[J].地球与环境,2010,38(1):98-108. TANG Y, HAN G L,XU Z F.Research progress of black carbon [J].Earth and Environment,2010,38(1): 98-108.

[3] 周晨.气溶胶的不同混合状态对其光学性质和辐射强迫的影响[D].南京:南京信息工程大学,2013. ZHOU C.Effects of different mixing states on the optical properties and radiative forcing of aerosols[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2013.

[4] JACOBSON M Z.Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols[J].Nature,2001,409:695-697

[5] 田谧.京津冀地区霾污染过程大气PM2.5及前体物变化特征研究[D].北京:北京化工大学,2013. TIAN M.Study on the variation characteristics of PM2.5atmospheric haze pollution process in Beijing-Tianjin-Hebei region and precursors[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2013.

[6] JI D S,WANG Y S,WANG L,et al.Analysis of heavy pollution episodes in selected cities of northern China[J].Atmospheric Environment,2011,50(3):338-348.

[7] SAIKAWA E,NAIK V,HOROWITZ L W,et al.Present and potential future contributions of sulfate, black and organic carbon aerosols from China to global air quality,premature mortality and radiative forcing[J].Atmospheric Environment,2009,43:2814-2822.

[8] TAN J H,DUAN J C,et al.Chemical characteristics of haze during summer and winter in Guangzhou[J].Atmospheric Research,2009,94(2):238-245.

[9] IPCC.Climate change 2013: the physical science basis technical summary[M].Geneva:IPCC,2014:127.

[10] SATE M,HANSEN J,KOCH D,et al.Global atmospheric black carbon inferred from AERONET[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2003,100: 6319-6324.

[11] HAYWOOD J M,RAMASWAMY V. Global sensitivity studies of the direct radiative forcing due to anthropogenic sulfate and black carbon aerosols[J].Journal of Geophysical Research,1998,103: 6043-6058.

[12] 李剑东,毛江玉,王维强.大气模式估算的东亚区域人为硫酸盐和黑碳气溶胶辐射强迫及其时间变化特征[J].地球物理学报,2015,58(4):1103-1120. LI J D,MAO J Y,WANG W Q.Radiative forcing of anthropogenic sulfate and black carbon aerosol in East Asia and its temporal variation characteristics [J].Chinese Journal of Geophysics,2015,58(4):1103-1120.

[13] LI J D,SUN Z,LIU Y,et al.A study on sulfate optical properties and direct radiative forcing using LASG-IAP general circulation model[J].Advances in Atmospheric Sciences,2012,29(6):1185-1199.

[14] 黄观,刘伟,刘志红,等.黑碳气溶胶研究概况[J].灾害学,2015,30(2):205-214. HUANG G,LIU W,LIU Z H,et al.General situation of black carbon aerosol [J].Journal of Disaster Science,2015,30(2):205-214.

[15] JACOBSON M Z.Control of fossil-fuel particulate black carbon and organic matter,possibly the most effective method of slowing global warming[J].Journal of Geophysical Research,2002,107:4410.

[16] 张楠,覃栎,谢绍东.中国黑碳气溶胶排放量及其空间分布[J].科学通报,2013,58(19):1855-1864. ZHANG N,TAN L,XIE S D.Emission and spatial distribution of black carbon aerosol in China[J].Chinese Science Bulletin,2013,58(19):1855-1864.

[17] 李柯,廖宏,RIDLEY D A,等.中国不同行业排放对黑碳和直接辐射强迫的贡献[C]//第31届中国气象学会年会S6大气成分与天气、气候变化.北京:中国气象学会,2014.

[18] 张强,KLIMONT Z,STREETS D G,等.中国人为源颗粒物排放模型及2011年排放清单估算[J].自然科学进展,2006,16(2):223-231. ZHANG Q, KLIMONT Z,STREETS D G,et al.Chinese anthropogenic particulate matter emission model and emission inventory estimation in 2011[J].Natural Science Progress,2006,16(2):223-231. ▷

Simulation of impact of black carbon aerosol on regional climate change in typical industries

ZHENG Huihui1, SHI Huading2, CHEN Lirong1, GAO Qingxian2, GUAN Panbo3, ZHANG Qiang4

1.School of Energy & Environment, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou 014010, China 2.Climate Change Environmental Impact Research Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Environmental Science & Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China 4.Center for Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Black carbon aerosol is an important component of atmospheric aerosols, which has a strong absorption effect on the solar shortwave radiation and infrared radiation, and has a great impact on the regional climate. Using the Regional Climate Model Version 3 (RegCM3) and combined with self-established black carbon emissions inventory, the variation of solar radiative forcing by black carbon aerosols emitted from industry, transportation, and residential sectors in 2013 was simulated, and the climate effects of black carbon aerosol emissions from different sectors analyzed. It was shown that the black carbon aerosols were mainly distributed in the North China, Central Plains, Yangtze River Delta, Pearl River Delta and Chengdu-Chongqing region, showing obvious seasonal changes, with higher emissions in winter and spring than in summer. Among the regions, Shandong Province and Hebei Province had the biggest emissions. The emissions of the three typical sectors were in the order of residential sources>industrial sources>transportation source. The black carbon aerosol increased the surface absorption of solar radiation and caused climate effect of raising the temperature of the North China, Central Plains and Yangtze River Delta, and decreasing the temperature of Sichuan-Chongqing region and Pearl River Delta. However, the resulted change of rainfall was little, which may be related to poor simulation function of the model.

typical sectors;black carbon aerosol; regional climate change;RegCM3 model

2016-11-16

环境保护公益性行业科研专项(201409027，201509001)；中国环境科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2016YSKY-003)

郑辉辉(1993—)，男，硕士，主要从事气候变化和大气污染研究，15650094369@163.com

*责任作者：师华定(1979—)，男，研究员，博士，主要研究方向为气候变化与大气污染、定量遥感，shihd@craes.org.cn

X513

1674-991X(2017)03-0255-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.037

郑辉辉，师华定，陈莉荣，等.典型行业黑碳气溶胶排放对区域气候的影响模拟[J].环境工程技术学报,2017,7(3):255-261.

ZHENG H H, SHI H D, CHEN L R, et al.Simulation of impact of black carbon aerosol on regional climate change in typical industries[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):255-261.