鄭利娟 程天海 吳俁

1)(中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

黑碳團(tuán)簇氣溶膠混合生長(zhǎng)的紅外吸收特性及長(zhǎng)波輻射效應(yīng)?

鄭利娟1)2)程天海1)?吳俁1)

1)(中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(2017年4月20日收到;2017年5月16日收到修改稿)

黑碳?xì)馊苣z是當(dāng)前氣溶膠輻射強(qiáng)迫評(píng)估中最不確定的因子.本文通過(guò)構(gòu)建黑碳的微物理模型,分別模擬了新鮮狀態(tài)的黑碳?xì)馊苣z和混合生長(zhǎng)(老化)后被硫酸鹽包裹的黑碳?xì)馊苣z,利用疊加T矩陣方法計(jì)算獲得了具有團(tuán)簇形態(tài)和多成分混合的黑碳?xì)馊苣z紅外吸收特性,通過(guò)大氣輻射傳輸模型模擬了黑碳?xì)馊苣z的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫,分析了典型理化參數(shù)的敏感性.發(fā)現(xiàn)黑碳混合生長(zhǎng)可以顯著增強(qiáng)其大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫,最高可達(dá)3倍.而且,包裹黑碳的硫酸鹽半徑越大,將明顯增強(qiáng)大氣層頂?shù)暮谔奸L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫.這些發(fā)現(xiàn)將有助于降低黑碳?xì)馊苣z氣候效應(yīng)評(píng)估的不確定性.

氣溶膠,黑碳,長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫,粒子吸收特性

1 引 言

黑碳由化石燃料、生物燃料和生物質(zhì)等不完全燃燒形成,是氣候增溫效應(yīng)僅次于二氧化碳的人為源[1?3].黑碳?xì)馊苣z顆粒的微觀形態(tài)非常復(fù)雜,一般在排放初期的新鮮狀態(tài)下呈現(xiàn)為數(shù)百個(gè)小粒子聚集成的團(tuán)簇狀[4,5].在大氣中,黑碳與硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)物、沙塵等不同成分的氣溶膠粒子通過(guò)相互包裹、附著和內(nèi)嵌等方式發(fā)生混合生長(zhǎng)(老化),形成更加復(fù)雜的微觀物理化學(xué)特性[6,7].黑碳的混合生長(zhǎng)增加了對(duì)于短波和長(zhǎng)波輻射的吸收能力,增強(qiáng)了其通過(guò)凝結(jié)核形成水云和冰云的能力,直接和間接地影響地氣系統(tǒng)的短波和長(zhǎng)波輻射[8,9].目前,黑碳的混合生長(zhǎng)對(duì)其短波輻射強(qiáng)迫的影響已經(jīng)開展了一些研究,取得了初步的成果[10?14].然而,具有團(tuán)簇形態(tài)的黑碳?xì)馊苣z的混合生長(zhǎng)對(duì)其長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的定量化影響尚不清楚[15].

在長(zhǎng)波光譜范圍內(nèi),近期實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬研究表明,新鮮狀態(tài)下黑碳?xì)馊苣z的復(fù)雜微觀形態(tài)顯著影響其紅外吸收特性[16?19].在熱紅外波段(15μm),基于團(tuán)簇模型模擬的新鮮黑碳吸收截面大約是其等效球形假設(shè)的4倍左右[20].而黑碳混合生長(zhǎng)對(duì)于黑碳的紅外吸收截面的定量化影響有待研究,當(dāng)前常用的球形近似模型是否能夠精確描述具有團(tuán)簇形態(tài)和多成分混合方式的老化黑碳?xì)馊苣z的紅外吸收特性也需要評(píng)估.相比較而言,黑碳混合生長(zhǎng)引起的短波吸收截面的放大效應(yīng)非常明顯.最新的實(shí)測(cè)和模擬指出,在可見光波段,硫酸鹽或有機(jī)物包裹黑碳將導(dǎo)致黑碳吸收截面放大1.5到3.5倍以上,其定量化影響主要由氣溶膠微觀形態(tài)、混合方式和相對(duì)濕度等因素決定[21?29].由于黑碳混合生長(zhǎng)造成的微觀物理化學(xué)參數(shù)變化,對(duì)于黑碳紅外吸收特性以及長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的定量化影響,是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題.

本文通過(guò)模擬黑碳的混合生長(zhǎng)過(guò)程,定量化研究了黑碳混合生長(zhǎng)對(duì)其長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的影響,旨在為黑碳?xì)馊苣z的氣候評(píng)估提供理論支撐.對(duì)于排放初期的黑碳?xì)馊苣z顆粒,構(gòu)建了具有松散團(tuán)簇形態(tài)的微物理模型;隨著黑碳的混合生長(zhǎng),黑碳顆粒被逐漸增大的硫酸鹽包裹,而且黑碳顆粒的團(tuán)簇形態(tài)逐漸緊湊.基于不同的成分體積比、形態(tài)特征和黑碳顆粒的分形結(jié)構(gòu),模擬計(jì)算了不同混合生長(zhǎng)狀態(tài)的黑碳?xì)馊苣z紅外吸收截面,評(píng)估其相對(duì)于新鮮狀態(tài)黑碳吸收截面的放大效應(yīng).將黑碳?xì)馊苣z的光學(xué)特性引入大氣輻射傳輸,模擬不同混合生長(zhǎng)狀態(tài)下的大氣層頂?shù)妮椛湔斩?分別計(jì)算大氣層頂?shù)臍馊苣z輻射強(qiáng)迫,分析黑碳混合生長(zhǎng)對(duì)其長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的定量化影響.

2 黑碳?xì)馊苣z微物理模型

2.1 黑碳的微觀形態(tài)

黑碳的微觀形態(tài)和組成取決于化石燃料或生物質(zhì)來(lái)源、燃燒過(guò)程和大氣中的老化過(guò)程[30,31].由顯微鏡圖像可知,排放初期的黑碳顆粒由數(shù)百個(gè)小的球形粒子聚集形成團(tuán)簇形態(tài)[32,33],其結(jié)構(gòu)可由分形定律[34?36]來(lái)描述:

其中,Ns是團(tuán)簇中小粒子的數(shù)量;a是團(tuán)簇中小粒子的平均半徑;k0是分形因子;Df是分形維數(shù);Rg是回轉(zhuǎn)半徑,表征團(tuán)簇中總體聚集半徑的偏差;ri是從第i個(gè)小粒子到團(tuán)簇中心的距離.

2.2 黑碳老化機(jī)理模型

基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),老化的黑碳顆粒常被不同大小的硫酸鹽顆粒完全包裹[6,7],其團(tuán)簇形態(tài)趨于緊湊[22,23].利用擴(kuò)散限制聚集算法,構(gòu)建黑碳顆粒的分形聚集結(jié)構(gòu),分別模擬了新鮮狀態(tài)下黑碳的松散團(tuán)簇形態(tài)和老化狀態(tài)下黑碳的緊湊團(tuán)簇形態(tài).對(duì)于黑碳和硫酸鹽組成的非均質(zhì)氣溶膠混合物,將硫酸鹽顆粒假設(shè)為球形,對(duì)黑碳進(jìn)行形態(tài)約束,使得黑碳被硫酸鹽完全包裹[37].

黑碳的混合生長(zhǎng)直接導(dǎo)致其團(tuán)簇形態(tài)發(fā)生劇烈的變化.前期的實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果指出,黑碳顆粒的分形因子通常為1.2,而分形維數(shù)(Df)一般從新鮮狀態(tài)時(shí)的1.8變化到嚴(yán)重老化狀態(tài)的3.0左右[11];黑碳顆粒的小粒子平均半徑通常在0.01—0.025μm范圍內(nèi)[38];單個(gè)黑碳顆粒中小粒子的數(shù)量通常為50—300個(gè),最多甚至可以高達(dá)約800[6];而大多數(shù)硫酸鹽顆粒的體積等效半徑通常在0.2—1.0μm之間[39].

為了研究黑碳?xì)馊苣z及其混合物的長(zhǎng)波輻射特性,在微物理模型構(gòu)建中選取了典型的形態(tài)參數(shù),硫酸鹽半徑(Rsul=0.15,...,1.05 μm),黑碳單體數(shù)(Ns=50,100,200,300)和分形維數(shù)(Df=1.8,2.4,3.0)等形態(tài)參數(shù)是變化的,而假設(shè)小粒子半徑(a=0.025μm)和分形因子(k0=1.2)是恒定的.

2.3 長(zhǎng)波范圍內(nèi)氣溶膠的復(fù)折射指數(shù)

黑碳的復(fù)折射指數(shù)采用Chang和Charalampopulos[40]提出的經(jīng)驗(yàn)公式,在0.4≤λ≤30μm波段范圍內(nèi)有效,并得到Bond和Bergstrom[38]的推薦.對(duì)于實(shí)數(shù)(n)和虛部(k)部分的表達(dá)式如下:

圖1 (網(wǎng)刊彩色)黑碳(紅色虛線)和硫酸銨(藍(lán)色實(shí)線)在0.4≤λ≤30μm波段的復(fù)折射指數(shù) (a)實(shí)部;(b)虛部Fig.1.(color on line)The(a)real and(b)iMaginary parts of refractive ind ices of b lack carbon and amMoniuMsu lfate aerosols in the visib le and in frared range froM0.4μMto 30μm.

基于上述經(jīng)驗(yàn)公式,在紅外波段范圍內(nèi),黑碳?xì)馊苣z的復(fù)折射指數(shù)變化很大.此外,假定硫酸鹽氣溶膠主要成分是硫酸銨,1976年,Toon等[41]測(cè)量獲得其在可見光和紅外范圍內(nèi)的復(fù)折射指數(shù).圖1描述了黑碳和硫酸銨在不同波段下的復(fù)折射指數(shù).本文假設(shè)這些氣溶膠是干燥的,不考慮相對(duì)濕度的變化對(duì)于氣溶膠復(fù)折射指數(shù)的影響.

3 黑碳?xì)馊苣z的光學(xué)輻射特性模擬

3.1 黑碳?xì)馊苣z的光學(xué)特性模擬

利用疊加T矩陣法模擬計(jì)算具有團(tuán)簇形態(tài)的黑碳?xì)馊苣z光學(xué)特性.通過(guò)對(duì)麥克斯韋方程進(jìn)行求解,將團(tuán)簇中各個(gè)小粒子的T矩陣進(jìn)行疊加,計(jì)算整個(gè)團(tuán)簇的光學(xué)特性,分析獲得團(tuán)簇的隨機(jī)取向截面和散射矩陣[42?44].利用相同的微觀物理化學(xué)參數(shù),隨機(jī)構(gòu)建多個(gè)不同的微物理模型,分別利用疊加T矩陣法計(jì)算光學(xué)特性,采用平均的方式獲得反映這些微觀物理化學(xué)參數(shù)的通用光學(xué)特性.

基于疊加T矩陣的結(jié)果,可以計(jì)算獲得黑碳?xì)馊苣z的消光、吸收和散射截面(Cext,Cabs和Csca),并歸一化得到質(zhì)量消光、吸收和散射截面(MEC,MAC和MSC).以吸收截面為例,黑碳吸收截面可以歸一化得到黑碳質(zhì)量吸收截面,Rsoot為黑碳的體積等效半徑,ρsoot為黑碳的質(zhì)量密度.而黑碳的消光和散射截面,也可以類似地定義出其質(zhì)量消光和散射截面.根據(jù)Bond和Bergstrom的測(cè)量結(jié)果,黑碳的質(zhì)量密度(ρsoot)通常假定為1.8 g/cm3[38].

在紅外波段,利用疊加T矩陣法模擬獲得的黑碳?xì)馊苣z光學(xué)特性與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相一致.對(duì)于具有100個(gè)半徑為0.025μm單體的黑碳顆粒,其體積等效半徑(Rsoot=)約為0.11μm,其吸收截面符合文獻(xiàn)[17]的測(cè)量和模擬結(jié)果(約為0.1μm2).在3.5μm波長(zhǎng)下,新鮮狀態(tài)的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量消光截面約為1.11 m2/g,在實(shí)際測(cè)量的質(zhì)量消光截面的范圍內(nèi)(0.8—1.5 m2/g)[16].而且,在紅外波段,黑碳?xì)馊苣z的質(zhì)量消光截面隨著波長(zhǎng)的增加而減少,與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本符合,如圖2所示.

3.2 黑碳?xì)馊苣z輻射強(qiáng)迫計(jì)算

利用Libradtran程序[45]中的DISORT輻射傳輸模塊[46]模擬計(jì)算獲得黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫.由于篇幅有限,本文不考慮大氣條件的變化.假設(shè)大氣條件為中緯度夏季的標(biāo)準(zhǔn)大氣,空氣密度、壓力、水蒸氣和臭氧均為默認(rèn)值.長(zhǎng)波波段范圍假定為4—30μm,利用REPTRAN模塊[47]計(jì)算分子吸收,同時(shí)假設(shè)地表為朗伯表面,其反照率為零.

為了計(jì)算氣溶膠的輻射強(qiáng)迫,首先模擬計(jì)算了沒(méi)有氣溶膠存在(Fclear)和有氣溶膠存在(Faerosol)的晴空無(wú)云條件下的輻照度.假設(shè)大氣層頂?shù)母叨葹?20 km,氣溶膠分布在0—10 km的均勻?qū)又?氣溶膠輻射強(qiáng)迫(RFTOA)定義為在沒(méi)有氣溶膠存在的條件下的大氣層頂上行輻照度減去有氣溶膠存在的條件下的大氣層頂上行輻照度

在長(zhǎng)波光譜范圍內(nèi)選擇典型的11個(gè)波長(zhǎng),即3.5,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5,11.5,15,20和30μm,計(jì)算獲得氣溶膠的光學(xué)特性.利用描述不同波長(zhǎng)間[λ1,λ2]消光特性差異的消光?ngstr?m指數(shù)(E?E),計(jì)算不同波長(zhǎng)下的氣溶膠光學(xué)厚度.E?E指數(shù)通常被認(rèn)為是表征氣溶膠粒子半徑的重要量化指標(biāo)之一[48,49],具體公式表達(dá)如下:

在模擬中,基于常用的0.55μm波長(zhǎng)下的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD0.55),可以分別計(jì)算不同波長(zhǎng)(λ1)的氣溶膠光學(xué)厚度

4 硫酸鹽大小對(duì)黑碳紅外吸收截面放大效應(yīng)的影響

為了定量化描述硫酸鹽對(duì)于黑碳?xì)馊苣z紅外吸收截面的影響,將黑碳吸收截面放大系數(shù)(f abs=C abs,coated/C abs,bare)定義為老化黑碳?xì)馊苣z(硫酸鹽包裹黑碳)與新鮮黑碳?xì)馊苣z(末被包裹)的吸收截面之比.如圖3所示,隨著硫酸鹽半徑的增加,黑碳?xì)馊苣z在紅外波段的吸收截面放大系數(shù)增長(zhǎng)幅度明顯大于其在可見光波段(0.55μm)的增長(zhǎng)幅度.前期的實(shí)測(cè)[21?23]和模擬[50,51]表明,在可見光波段,當(dāng)硫酸鹽半徑增加到Rsul=0.35μm,黑碳?xì)馊苣z吸收截面放大系數(shù)快速增大至2左右;而如果再增大硫酸鹽半徑,只能非常有限地增加黑碳?xì)馊苣z的吸收截面放大系數(shù).

隨著硫酸鹽顆粒紅外吸收能力的增加,硫酸鹽對(duì)于老化黑碳?xì)馊苣z紅外吸收截面放大效應(yīng)的影響得到顯著增強(qiáng).更大的硫酸鹽顆粒包裹在黑碳顆粒上,將導(dǎo)致更小的黑碳體積比和更厚的硫酸鹽外殼.在紅外波段,吸收截面放大系數(shù)隨著硫酸鹽半徑(0.15—1.05μm)不斷增加.在7.5μm波長(zhǎng)處,由于被半徑為0.15,0.45,0.75和1.05μm的硫酸鹽顆粒包裹,黑碳?xì)馊苣z的吸收截面放大系數(shù)分別為1.5,10,50和150.在9.5μm波長(zhǎng)處,由于較大硫酸鹽的混合(Rsul=1.05μm),黑碳?xì)馊苣z的吸收截面放大系數(shù)可以達(dá)到約500.

在短波光譜范圍內(nèi),硫酸鹽被認(rèn)為是弱吸收或不吸收性氣溶膠,其復(fù)折射指數(shù)的虛部很小(k=10?7),而在紅外波段,硫酸鹽復(fù)折射指數(shù)的虛部明顯大于其在可見光波段內(nèi).例如,在3—10μm波段內(nèi),硫酸鹽復(fù)折射指數(shù)的虛部增加到10?3—2.而且,在長(zhǎng)波光譜范圍內(nèi),硫酸鹽的復(fù)折射指數(shù)變化劇烈,如圖1所示.硫酸鹽復(fù)折射指數(shù)的虛部在3.5μm波長(zhǎng)時(shí)為0.14,在5.5μm波長(zhǎng)減小為8×10?3,而在9.5μm波長(zhǎng)又增大為0.59.硫酸鹽復(fù)折射指數(shù)虛部的增加,說(shuō)明硫酸鹽在紅外波段的吸收能力得到極大的提升.因此,硫酸鹽在老化黑碳?xì)馊苣z中的紅外吸收貢獻(xiàn)可以隨著硫酸鹽半徑的增加而增加.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)硫酸鹽半徑對(duì)于黑碳?xì)馊苣z吸收截面放大系數(shù)的影響 可見光波長(zhǎng)0.55μm,紅外波長(zhǎng)5.5,7.5和9.5μmFig.3.(color online)Variations of in frared absorp tion aMp lifi cation factor of b lack carbon(BC)by coating su lfateWith various thicknesses(Rsul=0.15μMto Rsul=1.05μm)at diff erent wavelengths(0.55,5.5,7.5,and 9.5μm).Ns=100,a=0.025μm,and k0=1.2 for BC.Df=1.8 for bare BC,Df=3.0 for coated BC.

5 黑碳形態(tài)對(duì)黑碳紅外吸收截面放大效應(yīng)的影響

如圖4所示,隨著黑碳顆粒中小粒子個(gè)數(shù)(Ns)的增加,黑碳紅外吸收截面放大系數(shù)單調(diào)下降.在硫酸鹽半徑不變的情況下,更多的黑碳小粒子導(dǎo)致更大的黑碳體積比,這種形態(tài)變化直接影響其紅外光學(xué)特性.通過(guò)模擬具有典型小粒子個(gè)數(shù)(Ns=50,100,200,300)的黑碳?xì)馊苣z,分別計(jì)算了新鮮狀態(tài)和老化狀態(tài)下的吸收截面.結(jié)果表明,在波長(zhǎng)為9.5μm情況下,具有50,100,200和300個(gè)小粒子的黑碳顆粒,相應(yīng)的紅外吸收截面放大系數(shù)分別約為58,28,15和10.在其他紅外波長(zhǎng),也有相似的影響規(guī)律.在5.5μm波長(zhǎng),黑碳?xì)馊苣z的紅外吸收截面放大系數(shù)從50個(gè)小粒子的3.6下降到300個(gè)小粒子的2左右.在8.5μm波長(zhǎng),具有50個(gè)小粒子的黑碳?xì)馊苣z紅外吸收放大系數(shù)約為85,而對(duì)于具有100,200和300個(gè)小粒子的黑碳?xì)馊苣z,其紅外吸收放大系數(shù)依次減少,分別約為42,21和15.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)在不同紅外波長(zhǎng)(5.5,7.5和9.5μm),黑碳顆粒的小粒子個(gè)數(shù)(Ns=50,100,200,300)對(duì)黑碳?xì)馊苣z紅外吸收截面放大系數(shù)的影響Fig.4.(color on line)Variations of in frared absorption aMp lifi cation factor of b lack carbon by coating su lfate for diff erent BC MonoMer nuMbers(Ns=50,100,200,300)at diff erent wavelengths(5.5,7.5,and 9.5μm).Rsul=0.5μMfor su lfate.a=0.025μm,k0=1.2 for BC.Df=1.8 for bare BC,Df=3.0 for coated BC.

雖然硫酸鹽復(fù)折射指數(shù)的虛部在紅外范圍內(nèi)顯著增加,但其吸收能力仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黑碳?xì)馊苣z.因此,新鮮狀態(tài)下的黑碳?xì)馊苣z吸收能力隨著黑碳小粒子增多而變大的幅度要大于其在老化狀態(tài).在3.5μm波長(zhǎng)下,具有300個(gè)小粒子的新鮮黑碳?xì)馊苣z的紅外吸收截面比具有50個(gè)小粒子的紅外吸收截面大約500%,而在老化狀態(tài)下,相應(yīng)的紅外吸收截面的增加幅度則相對(duì)有限(約20%).

在新鮮狀態(tài)下,不論是在可見光還是紅外波段,表征黑碳顆粒團(tuán)簇形態(tài)的分形維數(shù)(Df)是影響其吸收特性的重要參數(shù)[20,52,53].然而,這種形態(tài)參數(shù)對(duì)黑碳?xì)馊苣z紅外吸收的影響隨著硫酸鹽半徑的增大而不斷減弱.為了定量化研究黑碳?xì)馊苣z的分形維數(shù)對(duì)其紅外吸收截面放大系數(shù)的影響,模擬分析了具有典型分形維數(shù)(Df=1.8,2.4,3.0)的黑碳?xì)馊苣z紅外吸收特性,其中較大的分形維數(shù)表示黑碳團(tuán)簇形態(tài)更加緊密.在這部分研究中,假設(shè)黑碳?xì)馊苣z的分形維數(shù)不隨著混合生長(zhǎng)而變化,而且假設(shè)黑碳和硫酸鹽的體積也保持不變.通過(guò)定義黑碳?xì)馊苣z團(tuán)簇形態(tài)的不同分形維數(shù)之間產(chǎn)生的紅外吸收截面放大系數(shù)的相對(duì)偏差百分比

以表征黑碳?xì)馊苣z分形維數(shù)對(duì)其紅外吸收特性的定量化影響.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)不同分形維數(shù)(Df=1.8,2.4,3.0)之間產(chǎn)生的紅外吸收截面放大系數(shù)的相對(duì)偏差百分比隨波長(zhǎng)的變化Fig.5.(color on line)Wavelength-dependent variations of in frared absorp tion enhanceMent factor relative deviations of b lack carbon aerosols by coating large su lfate particles for d iff erent fractal d iMensions of b lack carbon aggregates(Df=1.8,2.4,3.0).Rsul=0.5μMfor su lfate.Ns=100,a=0.025μm,and k0=1.2 for BC.

如圖5所示,假設(shè)混合生長(zhǎng)后的黑碳?xì)馊苣z團(tuán)簇形態(tài)不變,其紅外吸收截面放大系數(shù)和分形維數(shù)具有明顯的相關(guān)性.緊湊的黑碳?xì)馊苣z(Df更大)將產(chǎn)生較大的紅外吸收截面放大系數(shù).分形維數(shù)為2.4的黑碳?xì)馊苣z紅外吸收截面放大系數(shù)相比分形維數(shù)為1.8的情況增加約4%,而分形維數(shù)為3.0的情況則相比其為1.8時(shí)增加7%—22%.在波長(zhǎng)為3.5μm時(shí),緊湊的黑碳團(tuán)簇形態(tài)(Df=3.0)的紅外吸收截面放大系數(shù)比松散的黑碳團(tuán)簇形態(tài)(Df=1.8)大7%.而這種相對(duì)偏差隨著入射波長(zhǎng)的增加而增加,在波長(zhǎng)9.5μm時(shí)可以達(dá)到約22%.相比可見光波段,黑碳團(tuán)簇形態(tài)中的分形維數(shù)對(duì)于老化黑碳?xì)馊苣z紅外吸收特性的影響不能忽略,主要原因在于硫酸鹽顆粒在紅外波段的吸收能力得到明顯增強(qiáng).這些結(jié)果表明,黑碳?xì)馊苣z混合生長(zhǎng)后的紅外吸收截面在一定程度上受到黑碳顆粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的影響.

6 黑碳混合生長(zhǎng)對(duì)其長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的影響

如圖6所示,被更大的硫酸鹽顆粒包裹,將導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫顯著增大.在硫酸鹽半徑為Rsul=1.05μm的情況下,相比新鮮狀態(tài),老化黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫將增大2.6—3.1倍.具體而言,假設(shè)0.55μm波長(zhǎng)下的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD0.55)等于0.5,新鮮狀態(tài)黑碳?xì)馊苣z(Rsul=0μm)在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫約為2.1 W/m2,經(jīng)過(guò)混合生長(zhǎng)后,在Rsul=0.75μm狀態(tài)下增加至約3.8 W/m2,并在Rsul=1.05μm情況下進(jìn)一步達(dá)到6.2 W/m2.以前的研究表明,黑碳?xì)馊苣z在內(nèi)混合狀態(tài)下的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫大于其外混合狀態(tài)下的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫[52].本文重點(diǎn)研究黑碳混合生長(zhǎng)狀態(tài)對(duì)于黑碳?xì)馊苣z長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的影響,不考慮外混合狀態(tài)下的硫酸鹽貢獻(xiàn).結(jié)果表明,老化黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫明顯大于其新鮮狀態(tài),而且長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫數(shù)值隨著硫酸鹽外殼厚度的增大而明顯增大.

由于體積占比更大的硫酸鹽具有相對(duì)較小的吸收能力,因此相比新鮮狀態(tài),老化黑碳的單次散射反照率和不對(duì)稱因子變大.在短波光譜范圍內(nèi),這種變化將增強(qiáng)地表與大氣的多次散射,從而增加了大氣層頂?shù)纳闲休椛?因此大氣層頂?shù)臍馊苣z短波輻射強(qiáng)迫隨著黑碳的老化而下降.如圖6所示,對(duì)于硫酸鹽顆粒半徑較小(Rsul≤0.35μm)的情況,其老化黑碳?xì)馊苣z的紅外吸收截面放大程度較低,因此其長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫相比新鮮狀態(tài)同樣降低(約50%).然而,隨著硫酸鹽顆粒半徑的增大,老化黑碳?xì)馊苣z的紅外吸收截面放大系數(shù)顯著提高,導(dǎo)致其在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫不斷增大.這意味著黑碳?xì)馊苣z的混合生長(zhǎng)傾向于吸收更多的長(zhǎng)波輻射,從而減少大氣層頂?shù)某錾溟L(zhǎng)波輻射,影響氣候長(zhǎng)波輻射平衡.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)不同氣溶膠光學(xué)厚度下(AOD0.55=0.2,0.5,1.0),硫酸鹽顆粒半徑對(duì)黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂(TOA)的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的影響Fig.6.(color on line)Longwave rad iative forcing at top of atMosphere(TOA)for b lack carbon by coating su lfate With d iff erent thicknesses(Rsul=0.15μMto Rsul=1.05μm)and d iff erent aerosol op tical dep th at 0.55μm(AOD0.55=0.2,0.5,1.0).

將黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫模擬結(jié)果與當(dāng)前氣候研究中通常使用的球形近似模型進(jìn)行了比較,評(píng)估了簡(jiǎn)化模型的精度.其中,新鮮狀態(tài)的黑碳顆粒通常被簡(jiǎn)化成體積等效的均質(zhì)單球,經(jīng)過(guò)混合生長(zhǎng)后包裹硫酸鹽形成單個(gè)核-殼球形模型.這里,將球形簡(jiǎn)化模型對(duì)于黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫模擬精度定義為球形模型與更接近實(shí)際情況的團(tuán)簇模型計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差

在新鮮狀態(tài)下,基于常用的均質(zhì)單球模型,黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫模擬精度較低,明顯低估約100%,相關(guān)結(jié)果與短波輻射強(qiáng)迫相似[54].以前的研究還表明,以團(tuán)簇模型和單個(gè)核-殼球形模型模擬獲得的老化黑碳?xì)馊苣z短波輻射強(qiáng)迫相差約20%[55].實(shí)驗(yàn)觀測(cè)指出,隨著混合生長(zhǎng)的不斷進(jìn)行,黑碳顆粒趨于被更厚的硫酸鹽等粒子包裹,其團(tuán)簇形態(tài)也從松散結(jié)構(gòu)變得更加緊湊[22].由于黑碳的這種緊湊團(tuán)簇形態(tài),利用單個(gè)核-殼球形模型計(jì)算獲得的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫結(jié)果與團(tuán)簇模型的相對(duì)偏差較低.結(jié)果表明,當(dāng)硫酸鹽較小時(shí),利用單個(gè)核-殼球形模型計(jì)算黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫估算誤差約為20%,而隨著硫酸鹽變大,這種差異趨于消除(＜2%).但是需要指出的是,由于新鮮狀態(tài)下黑碳?xì)馊苣z長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫被球形模型嚴(yán)重低估,因此當(dāng)前常用的簡(jiǎn)化模型可能會(huì)高估(約100%)黑碳?xì)馊苣z混合生長(zhǎng)所造成的大氣層頂長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的放大效應(yīng).

圖7 (網(wǎng)刊彩色)更接近真實(shí)情況的黑碳團(tuán)簇模型與球形假設(shè)模型獲得的大氣層頂氣溶膠長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的相對(duì)偏差(左軸)和絕對(duì)值(右軸)Fig.7.(color on line)Relative deviations(left-axis)and values(right-axis)of longwave rad iative forcing at TOA between realistic BC Models With fractal aggregated Morphologies and sphere Model With single or core-shellMorphologies.

7 結(jié) 論

黑碳?xì)馊苣z的混合生長(zhǎng)顯著影響其在大氣層頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫.由于包裹硫酸鹽顆粒,黑碳?xì)馊苣z的紅外吸收截面顯著放大,導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z老化后的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫明顯大于其新鮮狀態(tài),最高可達(dá)3倍左右.更大的硫酸鹽粒子將減少黑碳?xì)馊苣z在大氣層頂?shù)某錾溟L(zhǎng)波輻射,并產(chǎn)生較大的黑碳?xì)馊苣z長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫.這種影響與短波不同,在大氣層頂?shù)暮谔細(xì)馊苣z短波輻射強(qiáng)迫隨著黑碳?xì)馊苣z的混合生長(zhǎng)而不斷降低[56].對(duì)于其他大氣氣溶膠成分,如硝酸鹽、有機(jī)物、沙塵、海鹽和水滴等,同樣易于與黑碳顆粒發(fā)生混合生長(zhǎng),其復(fù)折射指數(shù)的虛部也在紅外范圍內(nèi)大幅增加.類似地,黑碳與這些氣溶膠顆?；旌仙L(zhǎng)后,也將趨于增加其紅外吸收截面和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫,后續(xù)需要進(jìn)一步研究.

黑碳?xì)馊苣z及其混合物通過(guò)影響地表下行長(zhǎng)波輻射、大氣內(nèi)部的長(zhǎng)波升溫速率和逸出長(zhǎng)波輻射來(lái)影響地氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射平衡.黑碳?xì)馊苣z混合生長(zhǎng)過(guò)程中,隨著硫酸鹽顆粒吸收貢獻(xiàn)的增加,黑碳顆粒對(duì)于長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的影響趨于減弱.研究表明,黑碳?xì)馊苣z的混合生長(zhǎng)狀態(tài)對(duì)其長(zhǎng)波輻射平衡的定量化影響具有重要的作用,有必要在氣候模式中進(jìn)行考慮,從而降低黑碳?xì)馊苣z輻射強(qiáng)迫效應(yīng)評(píng)估的不確定性.

感謝Daniel Mackowski教授提供的疊加T矩陣算法程序MSTMversion 3.0,感謝Bernhard Mayer教授提供的Librad tran version 2.0.

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PACS:92.20.Bk,92.70.Kb,95.85.Hp,52.25.TxDOI:10.7498/aps.66.169201

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.41401386,41371015,41001207),the Major Special Project-the China High-Resolution Earth Observation System(G rant No.30-Y 20A 21-9003-15/17)and Open Fund Pro ject of State K ey Laboratory of ReMote Sensing Science,China(G rant No.OFSLRSS201619).

?Corresponding author.E-Mail:chength@radi.ac.cn

E ff ect of aggregated b lack carbon aging on in frared absorp tion and longWave rad iative forcing?

Zheng Li-Juan1)2)Cheng Tian-Hai1)?Wu Yu1)

1)(Institute of ReMote Sensing and D igital Earth,Chinese AcadeMy of Sciences,Beijing 100101,China)
2)(University of Chinese AcadeMy of Sciences,Beijing 100049,China)

20 Ap ril 2017;revised Manuscrip t

16 May 2017)

B lack carbon aerosols aff ect the shortwave and longwave radiation in cliMate in a strong yet uncertain way.In aging process,black carbon particles coated by co-eMitted aerosols tend to reduce the shortwave radiative forcing of freshly eMitted black carbon at the top of atMosphere(TOA),however,this eff ect is still unclear in the longwave range.Here in this work,we investigate the eff ect of black carbon aging on longwave radiative forcing.The freshly eMitted b lack carbon aerosols are simu lated to be fractal aggregates consisting of hund reds of small spherical p rimary particles,and these aggregated b lack carbon aerosols tend to be fully coated by the large sulfate particles after aging.The optical properties of these fresh ly eMitted and internally Mixed black carbon aerosols are simu lated using the nuMerically exact superposition T-matrix method,and their longwave radiative forcings are calculated by the radiative transfer equation solver.The results indicate that the black carbon longwave radiative forcing at TOA is reMarkably aMp lified(up to 3)by coating the large sulfate particles,while the b lack carbon shortwave radiative forcings decrease during their aging.Moreover,the thicker su lfate coatings tend to increase the longwave radiative forcings of black carbon aerosols at TOA.These findings should iMp rove our understanding of the eff ect of black carbon aging on their longwave radiative forcings and provide guidance for assessing the climate change.

aerosol,black carbon,longwave radiative forcing,absorption of particles

10.7498/aps.66.169201

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41401386,41371015,41001207)、國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):30-Y 20A 21-9003-15/17)和遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(批準(zhǔn)號(hào):OFSLRSS201619)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:chength@radi.ac.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn