中国地区黑碳气溶胶的气候效应模拟
关攀博1，师华定1*，高庆先1，杜吴鹏2，郑辉辉1，张强3
【摘 要】摘要：RegCM模式对于中国区域气候要素模拟的准确性已得到本地化验证，但系统默认的数据源往往不具备本地化的特征，尤其是气溶胶排放清单设定的生物质源具有季节变化性，人为源为固定值，大大降低了人为源的气溶胶气候效应影响。采用多尺度排放清单模型(MEIC)计算的2013年黑碳气溶胶排放清单，设置不同试验情景，对比分析了人为黑碳气溶胶的气候效应。结果表明：黑碳气溶胶的加入使中国地区的辐射强迫、温度、降水以及黑碳气溶胶柱含量都产生明显变化，且有显著季节变化特征；随着季节变化，气候要素的增减效应范围不同，温度呈由南向北的增长趋势，降水量呈南增北减的趋势，黑碳气溶胶柱含量高值区集中出现在南方工业聚集区。 【期刊名称】环境工程技术学报 【年(卷),期】2017(007)004 【总页数】6
【关键词】RegCM；气候效应模拟；排放源；黑碳气溶胶
20世纪50年代，伦敦烟雾事件引起环境领域的专家对氮氧化物的关注，同时也对黑碳气溶胶所引发的气候效应开始进行研究[1]。由于长期的能源结构和能源利用不均衡，大气中化石能源燃烧所累积的黑碳气溶胶越来越多，全球气候变暖、重污染天气频发以及我国的南涝北旱现象均与该污染物的排放息息相关[2]。随着研究的深入，科学家发现这类极端现象的发生主要由二氧化碳和黑碳的扩散引起[3]。据IPCC报告[4]，黑碳气溶胶相比二氧化碳，具有短生命周期性和易扩散的特征，因此研究黑碳气溶胶消散对于减少重污染天气至关重要。
气候效应的研究主要分为站点监测和数值模拟2个方式。站点监测可以为数值模拟提供有效的模拟验证。其中，区域气候模式兼顾全球模式和分辨率较高的中尺度模式的优点，可准确地评估中尺度范围内的气候变化问题[5]。Kotroni等[6]通过提高分辨率对地中海东部区域的气候进行了模拟。高学杰等[7]通过提高水平分辨率对东亚地区的降水进行了模拟，并证实采用真实地形和提高分辨率可提升区域气候模式的模拟准确性。Solmon等[8]将区域模式和气溶胶模块进行耦合，利用地面观测资料验证模式的模拟效果。刘玲等[9]利用小波分析方法将FCGCM全球模式和RegCM模式进行耦合模拟了三江源未来气候变化。 区域气候模式不论对历史年份的模拟还是对未来气候变化的模拟都具有较为广泛的应用，且通过不同模式之间的耦合可进一步提高模拟的准确性。但这些模拟数据主要为模式系统自带且准确性较差，如穆燕等[1]研究表明，数值模拟的局限性在于模式输入数值的不精确性，有效利用观测值并取代预估值才可精确地模拟出黑碳气溶胶对区域气候效应的影响。本研究采用多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China，MEIC)计算出2013年黑碳气溶胶排放清单，对系统自带数据进行有效替代，一方面改变了原始数据的缺失性，另一方面有效增强了模式模拟的区域适用性，模拟出2013年黑碳气溶胶造成的区域气候影响。
1 数据来源和研究方法
1.1 数据来源及处理方法
数据来源于MEIC计算的2013年黑碳气溶胶排放清单，分辨率为1°×1°。据MEIC计算得出，2013年中国黑碳气溶胶排放量为178 t，排放源主要集中在民用行业[10]。为有效模拟出人为黑碳气溶胶的气候效应，将系统默认气溶胶
排放清单进行替换：生物源设为固定源；人为源设为季节变化源；其他气溶胶因素不进行相应替换。 1.2 研究方法
RegCM3区域气候模式是由意大利国际理论物理中心(The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics, ICTP)[11-12]研制开发，该模式弥补了全球气候模式在模拟精度方面的空白，模式一经开发便在区域模拟研究领域得到广泛应用和高度认可。本次模拟研究区域主要为全国范围，具体参数设定如表1所示[13-17]。
为充分研究黑碳气溶胶的辐射效应和气候效应，每个时间段设计2个试验方案:1)不加入黑碳气溶胶模拟试验；2)加入黑碳气溶胶的敏感性试验。采用2个方案的模拟结果差异表现黑碳气溶胶的气候效应。
2 模拟结果与分析
2.1 黑碳气溶胶的辐射强迫
图1为近地面黑碳气溶胶引起的辐射强迫差异分布。从图1可以看出，黑碳气溶胶总体会导致地球-大气系统吸收较多的太阳辐射。其中，1月和4月产生的均是正辐射强迫，1月大部分区域辐射强迫为0～1.0 W/m2，部分地区如华中西部辐射强迫高达1.0～1.5 W/m2。4月辐射强迫略有增强，主要为1.2 W/m2。东北区域辐射强迫有所增强，这与其冬季取暖、秸秆燃烧排放的黑碳量增多有关；我国西部区域属于黑碳排放贫乏区，出现一定的正辐射强迫可能与其边界区域的黑碳物质传输有关，加之青藏高原等高海拔区域对黑碳输送的拦截，进而导致西部区域正辐射强迫效应高于华南、华北等地。7月西南、华南则出现明显的负辐射强迫，四川省、长江以南、珠三角等地出现-2.0～-1.0
中国地区黑碳气溶胶的气候效应模拟
