论文部分内容阅读
自工业革命以来，随着社会和工、农业的发展，人类向大气中排放的污染物及其前体物逐渐增多，这些物质在大气中又会经过复杂的化学反应形成二次大气污染物。除了影响生态环境、对人体造成伤害之外，这些污染物也将通过影响地-气系统的辐射平衡，进而影响到气候及其变化。目前，对流层臭氧和气溶胶颗粒物已成为大气科学界关注的重要污染物。政府间气候变化专门委员会第五次评估报告（简称IPCC AR5）指出，控制臭氧、颗粒物的关键是控制其前体物，如控制NOx、CH4、CO和NMVOCs的排放可以降低对流层臭氧的浓度，从而对地-气系统产生冷却作用;同时，减排NOx和NH3可以减少硝酸盐气溶胶的形成，从而对地-气系统产生加热作用。在全球污染物排放加剧的背景之下，有关对流层臭氧和人为气溶胶对辐射与气候影响的定量研究亟待开展。为此，本文在中国气象局国家气候中心和中国气象科学研究院联合开发的耦合模式基础之上，建立了新的污染物大气化学-气候耦合模式BCC_AGCM_CUACE2.0，并且在最新有效辐射强迫的概念之下，计算了对流层臭氧的有效辐射强迫和气候效应;另外，本文还首次定量计算了硝酸盐气溶胶的有效辐射强迫。主要结论如下:
(1)对流层臭氧的浓度:1850～2010年，全球年均对流层臭氧浓度增加了14.1DU，中国地区增加了21.1DU，与卫星观测基本一致。2010～2050年，随着前体物排放的减少，全球年均对流层臭氧浓度在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下将分别降低2.28、1.23、2.49和0.30DU，但是南亚地区的对流层臭氧在RCP4.5和RCP8.5情景下则有明显的上升趋势;中国地区的对流层臭氧在RCP8.5情景下将会上升0.09DU;在其他情景下则会降低1.60～3.97DU。
(2)对流层臭氧的辐射强迫:2010年，对流层臭氧在全球和中国地区产生的有云条件下辐射强迫（all-sky RF）分别为0.48W m-2和0.59W m-2;晴空辐射强迫（clear-sky RF）分别为0.52W m-2和0.64Wm-2，大于有云条件下的值，这是由于云的屏蔽效应导致的。到2050年，全球范围内对流层臭氧的辐射强迫在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下的全球年均值分别为0.42、0.45、0.41和0.47W m-2，相比2010年均有所下降;而中国地区的对流层臭氧辐射强迫在RCP8.5的情景下则出现了上升，其值为0.6W m-2(增加了0.1W m-2)，在RCP2.6、4.5和6.0情景下则分别降低为0.51、0.56和0.55Wm-2。
(3)对流层臭氧的有效辐射强迫:2010年对流层臭氧在全球和中国地区产生的有效辐射强迫(ERF)分别为0.25W m-2和0.50W m-2。研究指出ERF包含了快速调整过程，由于对流层臭氧浓度的改变，2010年云的快速调整过程造成的辐射强迫为0.03Wm-2，大气快速调整过程造成的辐射强迫为0.02Wm-2。2050年，对流层臭氧全球平均ERF在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下分别为0.26、0.18、0.23和0.25W m-2;其在中国地区对应的ERF分别为0.24、0.32、0.03和0.01Wm-2。
(4)对流层臭氧的气候效应:1850～2010年，随着对流层臭氧浓度的上升，全球平均近地面气温增加了0.16K，中国地区平均近地面气温增加了0.46K，其中西北地区升温最多，可达0.58K。对流层臭氧增加还导致全球平均降水增加了2.30mm yr-1，但中国地区的降水却减少了14.31mm yr-1，其中东南地区降水减少的最多，可达-39.71mm yr-1。
2010～2050年，对流层臭氧浓度的改变将导致全球近地面气温在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下分别降低0.04、0.01、0.02和0.01K;对应中国地区的近地面气温则分别降低0.09、0.09、0.08和0.09K。对流层臭氧浓度的改变导致全球降水仅在RCP6.0情景下有所增加(0.24mm yr-1)，其余情景下将会减少0.21～0.73mm yr-1;然而，中国地区的降水则普遍增加，且在RCP2.6情景下降水增加最多，为29.97mmyr-1，其余情景下中国地区的降水将增加7.83～19.36mm yr-1。
(5)NOx排放的改变不仅会影响O3的浓度，也会影响硝酸盐气溶胶的浓度。1850～2010年硝酸盐气溶胶全球平均柱浓度增加了1.5mg m-2，其中东亚地区增幅最大，为9.44mg m-2，其次是欧洲和南亚地区，分别增加了4.36mg m-2和3.09mg m-2。这将会给全球造成-0.28W m-2的有效辐射强迫。到2030年，硝酸盐气溶胶在全球产生的有效辐射强迫为-0.17～-0.24Wm-2，到了2050年则降低至-0.07～-0.19Wm-2。
(1)对流层臭氧的浓度:1850～2010年，全球年均对流层臭氧浓度增加了14.1DU，中国地区增加了21.1DU，与卫星观测基本一致。2010～2050年，随着前体物排放的减少，全球年均对流层臭氧浓度在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下将分别降低2.28、1.23、2.49和0.30DU，但是南亚地区的对流层臭氧在RCP4.5和RCP8.5情景下则有明显的上升趋势;中国地区的对流层臭氧在RCP8.5情景下将会上升0.09DU;在其他情景下则会降低1.60～3.97DU。
(2)对流层臭氧的辐射强迫:2010年，对流层臭氧在全球和中国地区产生的有云条件下辐射强迫（all-sky RF）分别为0.48W m-2和0.59W m-2;晴空辐射强迫（clear-sky RF）分别为0.52W m-2和0.64Wm-2，大于有云条件下的值，这是由于云的屏蔽效应导致的。到2050年，全球范围内对流层臭氧的辐射强迫在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下的全球年均值分别为0.42、0.45、0.41和0.47W m-2，相比2010年均有所下降;而中国地区的对流层臭氧辐射强迫在RCP8.5的情景下则出现了上升，其值为0.6W m-2(增加了0.1W m-2)，在RCP2.6、4.5和6.0情景下则分别降低为0.51、0.56和0.55Wm-2。
(3)对流层臭氧的有效辐射强迫:2010年对流层臭氧在全球和中国地区产生的有效辐射强迫(ERF)分别为0.25W m-2和0.50W m-2。研究指出ERF包含了快速调整过程，由于对流层臭氧浓度的改变，2010年云的快速调整过程造成的辐射强迫为0.03Wm-2，大气快速调整过程造成的辐射强迫为0.02Wm-2。2050年，对流层臭氧全球平均ERF在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下分别为0.26、0.18、0.23和0.25W m-2;其在中国地区对应的ERF分别为0.24、0.32、0.03和0.01Wm-2。
(4)对流层臭氧的气候效应:1850～2010年，随着对流层臭氧浓度的上升，全球平均近地面气温增加了0.16K，中国地区平均近地面气温增加了0.46K，其中西北地区升温最多，可达0.58K。对流层臭氧增加还导致全球平均降水增加了2.30mm yr-1，但中国地区的降水却减少了14.31mm yr-1，其中东南地区降水减少的最多，可达-39.71mm yr-1。
2010～2050年，对流层臭氧浓度的改变将导致全球近地面气温在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下分别降低0.04、0.01、0.02和0.01K;对应中国地区的近地面气温则分别降低0.09、0.09、0.08和0.09K。对流层臭氧浓度的改变导致全球降水仅在RCP6.0情景下有所增加(0.24mm yr-1)，其余情景下将会减少0.21～0.73mm yr-1;然而，中国地区的降水则普遍增加，且在RCP2.6情景下降水增加最多，为29.97mmyr-1，其余情景下中国地区的降水将增加7.83～19.36mm yr-1。
(5)NOx排放的改变不仅会影响O3的浓度，也会影响硝酸盐气溶胶的浓度。1850～2010年硝酸盐气溶胶全球平均柱浓度增加了1.5mg m-2，其中东亚地区增幅最大，为9.44mg m-2，其次是欧洲和南亚地区，分别增加了4.36mg m-2和3.09mg m-2。这将会给全球造成-0.28W m-2的有效辐射强迫。到2030年，硝酸盐气溶胶在全球产生的有效辐射强迫为-0.17～-0.24Wm-2，到了2050年则降低至-0.07～-0.19Wm-2。