北半球中纬度黑碳的源解析和辐射效应

发布时间：2016-11-11 12:11

  本文关键词：北半球中纬度黑碳的源解析和辐射效应，由笔耕文化传播整理发布。

《兰州大学》 2015年

北半球中纬度黑碳的源解析和辐射效应

章如东  

【摘要】：黑碳,一种典型的碳质颗粒物,主要来自于化石燃料、生物燃料和生物质的不完全燃烧。无论是在大气当中还是在雪冰里面,黑碳都是主要的吸收性颗粒物。除了对空气质量的影响以外,黑碳主要通过对辐射、云和雪冰反照率的影响及其由此引发的反馈过程在气候系统中发挥独特而重要的作用。在北极和北半球中纬度地区,这些效应能够改变大气环流并且(或者)加速积雪融化和冰川退缩。针对黑碳,这一气候系统中重要而又不确定性很大的辐射强迫因子,本文首先介绍了分别于2010、2012和2013年冬季在中国北部、西部和北美地区展开的三次大范围的季节性积雪中吸收性颗粒物的采集试验。随后介绍了对积雪样品进行融化过滤、光学分析和化学分析的方法。黑碳与气候系统联系的一个重要方面就是其在大气和雪冰中的源解析研究。基于此本文介绍了一种对以上分析方法获得的数据进行源解析研究的受体模型。最后介绍了在当前一流全球气候模式中加入的一种新颖的源标签技术,该方法能够识别从不同源地和不同源类型所排放的黑碳的生命史及其传输到北半球中纬度地区的路径。本文研究的北半球中纬度地区包括：中国北部、喜马拉雅山、青藏高原以及北美地区。对2010年冬季在中国北部6省区46个季节性积雪采样点采集的样品进行化学分析,然后将得到的一系列化学成分数据与光学分析测得的不溶性吸收性颗粒物的浓度一起输入到正定因子分解模型中进行源解析研究。同时将正定因子分解模型的结果与大气后向轨迹聚类分析和主要黑碳及沙尘的排放源地的地理信息相结合,最后共解析出三种源类型：土壤沙尘源、工业污染源、生物燃料和(或)生物质燃烧源。土壤沙尘源是该地区季节性积雪中不溶性吸收性颗粒物的主要来源,对整个采样区域不溶性吸收性颗粒物的平均贡献是53%。采用加入源标签技术的CAM5模式对喜马拉雅山和青藏高原地区黑碳的来源、传输路径、沉降和辐射效应进行研究。结果表明从不同源地和不同源类型排放的黑碳对该地区的贡献大小随季节和高原内地理位置的变化而变化。对整个喜马拉雅山和青藏高原地区年平均黑碳气溶胶的垂直积分和沉降而言,最大的贡献是来自南亚的生物燃料和生物质燃烧源,其次是来自南亚的化石燃料燃烧源,再其次是来自东亚的化石燃料燃烧源。除去在夏季来自东亚的化石燃料燃烧源变得更重要以外,在其余季节贡献大小的排序与年平均是一致的。对于喜马拉雅山和高原中部,来自南亚黑碳排放的贡献在各个季节都是最大的。对于高原东北部,来自东亚黑碳排放的贡献在各个季节都是最大的。但是对于高原东南部,只有在夏季来自东亚黑碳排放的贡献才是最大的。对于高原西北部,来自中亚和中东的化石燃料燃烧源相对而言变得更为重要,特别是在夏季。对整个喜马拉雅山和青藏高原地区而言,本地黑碳排放的贡献只有约10%,但是该贡献的大小对本地黑碳排放量的变化是极其敏感的。最后给出整个喜马拉雅山和青藏高原地区由于黑碳在积雪中产生的年平均辐射强迫为0.42 W m-2,远远超过了黑碳气溶胶在该地区的造成的年平均地表冷却效应：-0.3 W m-2。同时发现在该地区黑碳在积雪中产生的辐射强迫有很强的季节变化和空间变化,最大值出现于高原西北部的春季(5Wm-2)。如此之大的由于黑碳在积雪中产生的辐射强迫足够加速积雪融化并且对于冰川退缩形成潜在的威胁。综合运用前述的两种源解析方法建立了北美地区(美国西北部和加拿大西部)大气中和积雪中黑碳的源汇关系。通过再分析气象场驱动CAM5运行在与2013年积雪采样时间相同的时间段发现：CAM5显著低估了该地区积雪中黑碳的浓度,但仅仅略微低估了其在该地区近地表大气中的浓度。即使是显著低估了积雪中黑碳的浓度,但是由此引发的辐射强迫却远远超过了黑碳气溶胶在该地区地表造成的冷却效应。本地排放源是该地区近地表大气中和地表沉降的黑碳的主要来源。但是对于该地区对流层中上层而言,这里湿沉降相对较弱,远程传输而来的黑碳气溶胶就变得更为重要。对于该地区黑碳气溶胶的垂直积分而言,化石燃料的燃烧是最大的贡献源类型。对于该地区黑碳气溶胶的垂直积分、近地表大气中的浓度和地表沉降而言,本地源贡献以化石燃料为主要贡献源类型,远程传输而来的黑碳气溶胶则以生物燃料和生物质燃烧为主要贡献源类型。通过两种源解析结果的对比发现：对于地表沉降(积雪中的黑碳)的源解析,尽管CAM5与正定因子分解模型的结果在定性上是一致的(化石燃料燃烧是主要的源贡献类型),但是在定量上CAM5的结果显著低估了生物燃料和生物质燃烧源的贡献。除了模式中对生物燃料和生物质燃烧源排放的可能低估以外,CAM5中很有可能没有考虑本地土壤源对于积雪反照率的影响。

【关键词】：
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X513
【目录】：

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