《大气环境化学》课件：气候变化与大气化学.ppt

1、气候变化和大气化学气候变化和大气化学1、气候变化、气候变化2、温室气体与气候变化、温室气体与气候变化3、气溶胶与气候变化、气溶胶与气候变化1、气候变化、气候变化地气系统的辐射平衡和温室效应地气系统的辐射平衡和温室效应气体吸收率和气体吸收率和波长的关系波长的关系入射太阳辐射通量入射太阳辐射通量 psRSF 1400SpR太阳常数太阳常数 1370w m-2全球平均行星反照率全球平均行星反照率（albedo）地气系统向外发射红外净通量地气系统向外发射红外净通量4elTF 地气系统黑体辐射温度地气系统黑体辐射温度 4/1041 SRTpe地气系统平均发射功率地气系统平均发射功率 240wm-2 相当

2、黑体温度相当黑体温度 255 K 地面发射率地面发射率 390wm-2 相当黑体温度相当黑体温度 288 K温室气体的温室效应温室气体的温室效应 33 K净辐射通量净辐射通量lsnetFFF 辐射平衡时为辐射平衡时为0扰动时的变化扰动时的变化lsnetFFF 再平衡时的温度变化再平衡时的温度变化neteFT 0 气候灵敏度因子气候灵敏度因子0 不考虑反馈的灵敏度因子不考虑反馈的灵敏度因子leFTT44130 1 elTF00.3K(w/m2)-1, 加倍加倍CO2, FL=4.6w/m2, Te=1.4 K, 小于气候模式估计小于气候模式估计没有考虑反馈没有考虑反馈, 如温度升高如温度升高,

3、水汽增加水汽增加, 加热效应加热效应考虑工业革命至今的温室气体增加对全球年平均辐考虑工业革命至今的温室气体增加对全球年平均辐射平衡的贡献为射平衡的贡献为2.5 w/m2一维辐射对流模式估计的地面温度变化一维辐射对流模式估计的地面温度变化(IPCC 1995)相对的辐射强迫相对的辐射强迫绝对全球变暖潜力绝对全球变暖潜力全球变暖潜力全球变暖潜力 fftRtAdttRadttAaGWP00 ftAdttAa0AGWP=Effects of Change Global Climate? Potential Negative (for people) Effects: Enhanced Natural

4、Hazards / Disasters Reduced Agriculture (shift in patterns of rainfall) Ecosystems (loss of biodiversity) Urban Environment Disease / health (over-blown) Sea level rise and coastal systems (if Business as Usual is correct then 40 cm) Potential Positive (for people) Effects: Agriculture (the fertiliz

5、ation effect) But not all crops will be affected. Corn, for example, will show little enhanced growth. Reduced Natural Hazards / Disasters 全球气候系统与大气化学全球气候系统与大气化学Greenhouse Gasses Water (H2O) Carbon dioxide (CO2)* Methane (CH4)* Ozone (O3) CFCs Nitrous Oxides (N2O) Oxides of Nitrogen (NOx) Trace Gase

6、 2、温室气体与气候变化、温室气体与气候变化 GasCO2 (ppm)Methane (ppb)NOx (ppb)Preindustrial28070028520003701680310Anthropogenic Emissions CO2: Fossil fuel consumption (6.25 billion metric tons per year) Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa (CDIAC) Other Minor Sources: Industrial Methane: Fossil fuel consumpt

7、ion: over one third Landfills: about one third Agriculture (soils and livestock) Other Minor Sources: Industrial North America and Europe Account for 50% of the antropogenic enhancement in greenhouse carbon compounds, Asia accounts for about 33%. See: NASA on Tracking Carbon Emissions from fossil fu

8、els NOx and N2O: Fossil fuel use Agriculture: Nitrate fertilizers and soil depletion 温室气体的辐射强迫温室气体的辐射强迫3、气溶胶与气候变化、气溶胶与气候变化直接辐射强迫直接辐射强迫。对光散射贡献最大的大气气溶胶是。对光散射贡献最大的大气气溶胶是硫酸硫酸盐盐气溶胶。次微米的硫酸盐气溶胶大大增加了气溶胶。次微米的硫酸盐气溶胶大大增加了光散射的效光散射的效率率。在大多数高度上，光散射效应是主要的，但吸收效应。在大多数高度上，光散射效应是主要的，但吸收效应在随高度的增加，其重要性增加，尤其是在高反射的雪或在随高度的

9、增加，其重要性增加，尤其是在高反射的雪或冰覆盖的地表面冰覆盖的地表面(Charlson 1992 )。Charlson等人等人1991计算计算了美国东部由于人为硫酸盐气溶胶反射太阳辐射引起的辐了美国东部由于人为硫酸盐气溶胶反射太阳辐射引起的辐射强迫是射强迫是 2Wm-2，人为有机气溶胶大约是人为有机气溶胶大约是-0.5WM-2。对于其他的气溶胶可。对于其他的气溶胶可能局地很重要但它们的能局地很重要但它们的全球气候效应却很小全球气候效应却很小，尤其是，尤其是沙尘沙尘或森林野火或森林野火等情况，因为它们产生的粒子较大，通常寿命等情况，因为它们产生的粒子较大，通常寿命较短，传输距离也短。较短，传输距

10、离也短。大气气溶胶对光的大气气溶胶对光的吸收吸收主要是其中的主要是其中的碳碳成分，它们大都由成分，它们大都由含碳燃料的不充分燃烧产生的。尽管现在对含碳燃料的不充分燃烧产生的。尽管现在对 C吸收太阳辐吸收太阳辐射还没有精确的计算，但已经明确在半球和全球尺度上，射还没有精确的计算，但已经明确在半球和全球尺度上，它的它的重要性比硫酸盐和有机气溶胶要小重要性比硫酸盐和有机气溶胶要小得多得多(Penner 1994)。 间接辐射强迫间接辐射强迫。大气气溶胶作为。大气气溶胶作为云凝结核云凝结核（CCN）能直接）能直接参与大气中云的形成和降水过程。大气气溶胶特征的改变可通参与大气中云的形成和降水过程。大气气

11、溶胶特征的改变可通过改变过改变CCN的分布特征来的分布特征来改变云的宏、微观结构，进而影响改变云的宏、微观结构，进而影响云的反射率，改变云的辐射特征云的反射率，改变云的辐射特征。大气气溶胶的这种通过改变。大气气溶胶的这种通过改变云辐射特征而影响全球辐射的作用称作间接辐射强迫作用。全云辐射特征而影响全球辐射的作用称作间接辐射强迫作用。全球能量平衡对云的反射率极为敏感，尤其是对大约覆盖地球四球能量平衡对云的反射率极为敏感，尤其是对大约覆盖地球四分之一的海洋层云，反过来，云反射率的计算对云滴浓度的变分之一的海洋层云，反过来，云反射率的计算对云滴浓度的变化也很敏感。化也很敏感。Penner(1993)

12、指出海洋层云中指出海洋层云中CCN 有有 30%的相的相对变化会导致全球的热平衡改变对变化会导致全球的热平衡改变 1Wm-2。 云中气溶胶粒子能否作为云中气溶胶粒子能否作为CCN 取决于其尺度和组成。其中气取决于其尺度和组成。其中气溶胶的组成是至关重要的，尤其是可溶解部分和能影响液滴表溶胶的组成是至关重要的，尤其是可溶解部分和能影响液滴表面张力的物质面张力的物质(有机物种有机物种)。间接辐射强迫的另一种形式是大气。间接辐射强迫的另一种形式是大气气溶胶对气溶胶对云寿命的影响云寿命的影响。观测与模拟证实，。观测与模拟证实，CCN 浓度的增加，浓度的增加，会使平均云滴尺度减小，阻碍降水的发展，进而增

13、加云的寿命。会使平均云滴尺度减小，阻碍降水的发展，进而增加云的寿命。云量和云寿命的改变将大大改变云对长短波辐射的影响。云量和云寿命的改变将大大改变云对长短波辐射的影响。 气溶胶的辐射强迫气溶胶的辐射强迫l l 大气气溶胶粒子在对流层中大气气溶胶粒子在对流层中寿命寿命与温室气体相比相对较短，与温室气体相比相对较短，造成辐射强迫上的时空不均一性。不同类型和不同尺度的气造成辐射强迫上的时空不均一性。不同类型和不同尺度的气溶胶粒子有着不同的清除机制，其生命时间有着较大的差别。溶胶粒子有着不同的清除机制，其生命时间有着较大的差别。l l 大气气溶胶的辐射强迫具有明显的大气气溶胶的辐射强迫具有明显的日变化

14、和季节变化日变化和季节变化，它的，它的作用在白天和夏季最大，这样只有在白天才能抵消一部分温作用在白天和夏季最大，这样只有在白天才能抵消一部分温室效应。而温室气体在整个日循环和季节循环中都起作用，室效应。而温室气体在整个日循环和季节循环中都起作用，它的辐射强迫（加热效应）的日变化和年变化不大。它的辐射强迫（加热效应）的日变化和年变化不大。l l 大气气溶胶粒子不象温室气体分子那样，对某一特定物种，大气气溶胶粒子不象温室气体分子那样，对某一特定物种，各个分子的吸收不变。大气气溶胶粒子单粒子光学特性决定各个分子的吸收不变。大气气溶胶粒子单粒子光学特性决定于其于其尺度和化学组成尺度和化学组成。大气气溶

15、胶复杂的化学组成和几个量。大气气溶胶复杂的化学组成和几个量级的尺度分布跨度使其光学特性的计算非常复杂。级的尺度分布跨度使其光学特性的计算非常复杂。 大气气溶胶与温室气体对比大气气溶胶与温室气体对比 大气气溶胶尤其是人为气溶胶的大气气溶胶尤其是人为气溶胶的区域分布不均匀区域分布不均匀，如硫，如硫酸盐气溶胶主要分布在北半球的工业区，其辐射冷却效应酸盐气溶胶主要分布在北半球的工业区，其辐射冷却效应也主要发生在这些地区。而温室气体如也主要发生在这些地区。而温室气体如CO2会扩散与整个会扩散与整个大气层，其浓度分布相对比较均匀。大气层，其浓度分布相对比较均匀。 大气气溶胶与云的相互作用和大气气溶胶浓度、

16、尺度、大气气溶胶与云的相互作用和大气气溶胶浓度、尺度、化学组成成化学组成成非线性关系非线性关系。要定量化描述这一关系是十分困。要定量化描述这一关系是十分困难的。而温室气体辐射效应的定量化相对较为简单。难的。而温室气体辐射效应的定量化相对较为简单。 小结小结1. 太阳辐射、大气组分、云覆盖、植被、地表覆盖的改变太阳辐射、大气组分、云覆盖、植被、地表覆盖的改变都可能引起气候变化；而气候变化又影响大气过程，它都可能引起气候变化；而气候变化又影响大气过程，它们之间有极其复杂的相互作用。人类活动急剧改变大气们之间有极其复杂的相互作用。人类活动急剧改变大气的组成和地表状况有可能引起全球和区域的气候变化，的

17、组成和地表状况有可能引起全球和区域的气候变化，是为全球变化的重要部分。是为全球变化的重要部分。2. 大气中的微量气体如大气中的微量气体如H2O、CO2、CH4、N2O、O3、CFC-11、CFC-12，吸收太阳辐射和地面的红外辐射，吸收太阳辐射和地面的红外辐射，发出长波辐射。其所起的作用如温室使地面温度高于有发出长波辐射。其所起的作用如温室使地面温度高于有效辐射温度，称为为温室效应，并称这些气体为温室气效辐射温度，称为为温室效应，并称这些气体为温室气体。体。3. 大气气溶胶有强的辐射强迫作用，通过直接散射（或吸大气气溶胶有强的辐射强迫作用，通过直接散射（或吸收）太阳辐射（直接辐射强迫）和通过改变云的辐射特收）太阳辐射（直接辐射强迫）和通过改变云的辐射特性（间接的辐射强迫）改变全球辐射系统。性（间接的辐射强迫）改变全球辐射系统。Chemistry of the StratosphereChemistry of the TroposphereN2OCH3(Cl, Br, I)