论文部分内容阅读
北极地区是全球气候变暖的敏感区。减缓全球变暖是遏制北极变暖，减缓冰雪消融的唯一途径。减少大气中CO2含量是缓解气候变暖的关键所在，但非最有效的手段。因CO2生命期较长，通过对其减排很难及时缓解目前北极冰雪快速消融的现状。故而，有必要同时致力于对生命期较短的气溶胶辐射强迫的研究，以期通过减少这类短生命期气溶胶的排放，达到快速遏制北极变暖的目的。甲烷、臭氧以及黑碳等吸光性气溶胶皆属于短生命期气候强迫因子，其中，黑碳为大气中吸光效率最强的气溶胶，可以通过对太阳短波辐射的散射和吸收加热大气。当其沉降到冰雪中后，会增加冰雪对太阳短波辐射的吸收，降低地表反照率，加剧冰雪消融。
本论文以黑碳气溶胶为关注点，着重研究其沉降对地面冰雪反照率的影响及可能造成的辐射强迫。以数次在中国北极考察走航沿线观测的积雪特征数据和海冰密集度资料为基础，结合再分析资料对北极雪冰黑碳的物理背景场进行分析;改进NASAGISS-PUCCINI模式，并结合观测资料和模式输出结果给出北极雪冰黑碳的空间分布，最后借助SNICAR(SNow,ICe，andAerosolRadiative)等辐射传输模型，估算北极雪冰黑碳造成的辐射强迫。主要结论如下:
北极夏季，海冰表面积雪随深度增加主要呈现6种粒雪状态，从表层到底层依次为新降雪、冻融壳、冰片、深霜、冻结状粗雪和链状深霜。雪层内广泛发育深霜，表层常被新降雪或厚度为2～3cm的冻融壳所覆盖。在积雪底部存在一个融雪再冻结成冰的过渡层。观测的积雪平均厚度为6.73±2.37cm;密度为304.01±29.00kgm-3，其中表层(0～3cm)为290.8±56.0kgm-3，次表层(＞3cm)为332.9±20.3kgm-3;雪水当量为2.01±0.73cm，具有由南向北递减的空间分布特征。积雪温度随深度的增加而增加，且普遍高于地表气温。观测区域积雪表面的平均温度为-2.01±0.96℃，积雪与海冰相邻界面的温度为-0.62±0.66℃，存在明显的垂直温度梯度。
利用在三次北冰洋考察走航沿线观测的海冰密集度数据，评估了NASA-NSIDC和NOAA-NSIDC两套再分析资料在北极地区的适用性。结果表明，基于不同再分析资料得出的北极海冰的整体范围较为接近，但在密集度较高(＞80％)和较低(＜30％)的海域，存在明显差异。相比观测，NASA-NSIDC再分析资料在密集度较高和较低的区域存在系统性偏低。NOAA-NSIDC再分析资料在密集度较高的区域存在明显偏高，误差在5％左右，在密集度较低的区域与观测较为吻合。
北极雪冰黑碳浓度分布呈现出显著的空间差异，在俄罗斯北极地区观测的雪冰黑碳浓度明显高于北极其他地区，观测区域的平均浓度为23.4ngg-1。与北极四站近地面黑碳气溶胶观测资料的对比分析表明，改进后的GISS-PUCCINI模式对北极近地面黑碳气溶胶浓度季节变化的模拟能力明显提高。具体表现在，对Alert，Zeppelin和Nord站冬、春季黑碳气溶胶浓度的模拟值与观测结果更为接近。与雪冰黑碳观测资料的对比分析也显示，改进后的模式可以较好地模拟春季北极地区雪冰黑碳浓度的空间分布。模拟效果最好的地区依次为加拿大北极地区、北冰洋地区和斯瓦尔巴德地区，表明，模式中对黑碳陈化过程的参数化方案是合理的。结合观测与模式结果可以看出，北极春季雪冰黑碳浓度最高的地区为俄罗斯，其次为加拿大和阿拉斯加，北冰洋地区的雪冰黑碳浓度与加拿大地区较为接近，浓度最低的地区为斯瓦尔巴德和格陵兰。夏季北冰洋海冰表面的雪冰黑碳浓度比春季大得多。
基于观测资料的估算结果显示，雪冰黑碳浓度较高的俄罗斯北极地区，对应的辐射强迫亦为同期最大(1.52Wm-2)，其次为加拿大和阿拉斯加北极地区(～0.65Wm-2)。北冰洋夏季雪冰黑碳的辐射强迫要比春季大得多，前者为2.8Wm-2，后者为0.54Wm-2。基于模式输出结果的估算表明，在2007-2009年间，春季雪冰黑碳浓度可使北极65°N以北地区地表反照率降低0.4-0.6％。结合地表入射辐射再分析资料的估算结果显示，2007-2009年春季雪冰黑碳造成的平均辐射强迫为0.95Wm-2。用SNICAR模型估算的北极春季雪冰黑碳的平均辐射强迫为0.79Wm-2，在空间分布上与用WW-1985方法估算的结果相似，但在北冰洋和俄罗斯北极地区明显低于WW-1985方法估算的结果。