雪冰中黑碳的研究进展

doi:10.3724/SP.J.1201.2012.02044

摘要：黑碳气溶胶是大气气溶胶的一种重要成分，沉降在雪冰中可减小雪冰表面的反照率，影响雪冰的融化过程，导致全球和区域气候变化。黑碳气溶胶沉降在雪冰中产生的辐射强迫效应值得关注。中国是黑碳气溶胶排放大国，雪冰黑碳的问题值得关注。现简要介绍雪冰中黑碳研究的意义，着重综述雪冰中黑碳的来源，历史环境记录，现有的计算雪冰中黑碳对反照率影响的方法以及其辐射强迫效应的研究。对未来雪冰中黑碳的研究进行了展望，提出3点今后需加强研究的内容。

关键词：雪冰;黑碳;反照率;研究进展

中图分类号：X16;P343.6 文献标识码：A 文章编号：

1672-1683（2012）02-0044-08

Research Progress of Black Carbon in Snow and Ice

LIU Chang-ming1,2,DANG Su-zhen1,WANG Zhong-gen2,WANG Shu-gong3

(1.College of Water Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China; 3.University of Pittsburgh,Pittsburgh,PA,15261，U.S.)

Abstract:Black carbon aerosol is an important component of the atmospheric aerosols.When it is settled in snow and ice,it can decrease the reflectivity of the surface of snow and ice.As a result,it can affect the melting process of snow and ice,and lead to the potential global and regional climate change.In addition,the radiative forcing effects of black carbon in snow and ice are of great concern.China discharges lots of black carbon aerosol,therefore the issues of black carbon in snow and ice merit the attention.This paper describes briefly the importance of the study of black carbon in snow and ice,and emphasizes the sources and historical environmental records of black carbon in snow and ice,and the calculation method of the effects of black carbon on the reflectivity in snow and ice and the radiative forcing effects of black carbon.Finally,this paper presents the prospect of the study of black carbon in snow and ice,and proposes three aspects of research which needs to be further strengthened.

Key words:snow and ice;black carbon;reflectivity;research progress

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20世纪50年代由于伦敦烟雾事件，黑碳气溶胶逐渐引起了各国相关专家的注意。黑碳是生物质和化石燃料不完全燃烧的产物，具有生物化学和热稳定性。黑碳气溶胶在大气气溶胶成分中所占比例较小，但黑碳是大气气溶胶中主要的光吸收组分［1］，从可见光到红外的波长范围内对太阳辐射都有强烈的吸收效应。纯净的新鲜雪表面反照率很高，当黑碳气溶胶通过干湿沉降进入地表冰雪中后，在积雪表面只要有很少的吸光物质就会大大降低雪表面的反照率，从而降低地表反照率，使地表吸收更多的太阳辐射，其加热作用会加速冰雪消融，减小冰雪留存时间和面积导致全球和区域气候变化［2-6］。悬浮于印度-恒河平原上空的大量黑碳颗粒物随着盛行的西风急流南支沿喜马拉雅山麓自西向东移动，在喜马拉雅山脉大面积的冰川上沉降，降低了冰雪表面的反照率，导致喜马拉雅山冰川的加速融化和退缩，不但会造成冰川融化季节和融水补给河流春汛的提前，持续时间延长，更为重要的是使冰川储备降低［7-8］。黑碳可使区域雪场融化加速，地表径流在晚冬早春期间增加，改变区域地表径流特征，进而影响区域水循环可能导致区域干旱洪涝的发生［9］。因此，冰雪中的黑碳对地表反照率的改变和产生的辐射强迫效应，对全球和区域的气候变化以及冰雪水资源的

影响是不容忽视，值得关注。

本文主要对雪冰中黑碳的来源，雪冰中黑碳浓度及时空分布，雪冰中黑碳对反照率的影响作用和计算方法，及其气候效应等方面进行阐述。

1 雪冰中黑碳的来源

黑碳气溶胶主要是由富含碳的物质不完全燃烧产生的，比如化石燃料和生物质燃料等，多呈黑色颗粒或由黑色颗粒凝结而成的絮状物质。燃烧的热力作用使黑碳升腾并悬浮于大气中，成为一种大气气溶胶。黑碳气溶胶的来源可分为自然源和人为源两种，自然源排放如火山爆发、森林大火等具有区域性和偶然性，而人为源排放却是长期和持续的。工业革命以来，人类出于自身发展的需要，大量使用煤、石油等化石燃料，其他如汽车尾气、生物质燃烧等都成为大气中黑碳气溶胶的主要来源。中国由于能源结构的原因，大量使用煤和生物质作为燃料，通常被认为是全球黑碳排放的大户［10-11］。曹国良等［12］通过汇总基础数据，计算的中国大陆2000年黑碳排放总量为149.94万t，主要由燃煤和燃烧生物质所致，来自工业源和居民生活的黑碳排放量占总排放量的比重分别为36.3%和54.5%。黑碳的排放具有较强的季节性，全国黑碳排放的最高值在1月和12月，而7月和8月的排放则相对较低;排放的最高值是最低值的1.4倍。随着交通工具的日益发展，由汽车尾气造成的黑碳气溶胶排放也成为大气中尤其是城市区域大气中黑碳气溶胶的重要来源。

黑碳气溶胶通过干湿沉降混入冰雪中，以内部混合和外部混合两种形式存在。干沉降过程是指在没有降水的条件下，由于重力、湍流运动、热运动、惯性力和静电力等因素的作用，污染物尤其是粒子污染物在大气中输送扩散时，随时都会被地面滞留，形成连续不断的由大气向地面的质量转移的过程。湿沉降通过云中过程和云下过程（即降水冲刷）对从地面到对流层中上层高度内的物质产生清除作用。湿沉降对污染物颗粒的清除作用快速集中，是黑碳气溶胶从大气传输到雪场的主要机制;干沉降没有湿沉降那么快速集中，但其作用时间长、地域广，沉降效果也很重要［13］。

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