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本文作者：唐信英1羅磊1金之川2作者單位：1.中國氣象局成都高原氣象研究所2.四川省大氣探測技術(shù)中心

引言

青藏高原占我國陸地面積的1/4，平均海拔高度在4000m以上，深入大氣對流層的中部，是全球海拔最高、地形最為復(fù)雜的高原，被稱為南極和北極之外的“第三極”［1～5］。青藏高原遠(yuǎn)離人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，其大氣環(huán)境很少受到人類活動的影響，因此，可以認(rèn)為青藏高原部分地區(qū)的氣溶膠濃度及成分基本代表了北半球大氣環(huán)境的本底狀況。對高原地區(qū)的大氣氣溶膠監(jiān)測研究，是認(rèn)識大氣污染物長距離傳輸?shù)闹匾緩剑瑸檠芯繗夂蜃兓蛱峁┛茖W(xué)數(shù)據(jù)。19世紀(jì)下半葉，部分國外探險家和科學(xué)家對青藏高原進(jìn)行了各種考察和調(diào)查;20世紀(jì)30年代，中國科學(xué)家對高原的植被、地質(zhì)和地理進(jìn)行了初步考察;中國于1979年、1998年先后組織開展了兩次大規(guī)模青藏高原氣象科學(xué)試驗。1994年在青藏高原東北部青海省海南藏族自治州建成瓦里關(guān)大氣成分本底站，目前觀測項目有大氣CO2，CO，O3，CH4，氣溶膠濃度及化學(xué)成分(包括黑碳?xì)馊苣z)、降水化學(xué)、常規(guī)氣象觀測和邊界層氣象要素等20多個項目［6］，為青藏高原大氣成分本底變化特征研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)。近年來，科學(xué)界對青藏高原大氣環(huán)境越來越重視，2005年以來，中國科學(xué)院青藏高原研究所在納木錯、珠峰、林芝和慕士塔格建立了定位觀測站長期開展大氣化學(xué)相關(guān)監(jiān)測并取得了突出成果。20世紀(jì)90年代歐洲科學(xué)家在海拔5050m處設(shè)立了“金字塔”站［6］。

1大氣氣溶膠

大氣氣溶膠通常是指懸浮于大氣層中粒徑小于10μm的固體和液體微粒，是大氣科學(xué)最早研究的大氣化學(xué)對象之一。研究青藏高原大氣氣溶膠，首先，有助于了解偏遠(yuǎn)地區(qū)大氣本底狀況，其次，還可以了解大氣污染物的長距離傳輸機(jī)制和對人類生存環(huán)境的影響。由于青藏高原特殊的地理環(huán)境，氣溶膠研究起步較晚。近年來，科學(xué)界對青藏高原大氣環(huán)境越來越重視，對氣溶膠的研究也得出了一些寶貴的結(jié)論。

1.1氣溶膠物理特性研究進(jìn)展

青藏高原氣溶膠的研究多采用衛(wèi)星資料及個別站的觀測資料，從氣溶膠光學(xué)厚度、氣溶膠面密度、硫酸鹽等研究，并得出存在較明顯的季節(jié)變化特征。其中，光學(xué)厚度是表征大氣氣溶膠的一個重要物理參量，是評價大氣環(huán)境污染，研究氣溶膠輻射氣候效應(yīng)的一個很關(guān)鍵的因子。青藏高原上空平流層大氣氣溶膠的光學(xué)厚度在冬季最大，春、秋季次之，夏季最小，存在明顯的季節(jié)振蕩現(xiàn)象［7］。1979～1990年來，青藏高原大氣氣溶膠的平均光學(xué)厚度呈增長趨勢，其中，拉薩站近10a來增加最為明顯［8］。1993年9月～1999年12月五道梁地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征是早晚大中午小;大氣氣溶膠光學(xué)厚度具有較明顯的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為春季大，冬季次之，秋季較小，夏季最小;就五道梁地區(qū)而言，月、年平均氣溫隨大氣氣溶膠光學(xué)厚度的增長而反向變化:即大氣氣溶膠光學(xué)厚度增大時月與年平均氣溫降低［9］。

青藏高原平流層氣溶膠面密度的時間變化序列顯示:大的火山噴發(fā)對青藏高原平流層氣溶膠具有重要影響，其影響可持續(xù)6年左右。從1997年至今，青藏高原18～25km氣溶膠面密度增加，最大的增長出現(xiàn)在23km，每年大約增長4%～5%。而在16～17km氣溶膠的面密度出現(xiàn)減少趨勢［10］。1991年10月～2005年11月青藏高原上空氣溶膠的體積密度、面積密度受Pinatubo火山噴發(fā)的影響主要發(fā)生在1991～1995年，然而氣溶膠數(shù)密度受火山影響則不如前二者明顯;高原上空氣溶膠在對流層頂附近存在一個極大值區(qū)，在夏季該極大值區(qū)位于對流層頂下方(約120hPa)，而其他季節(jié)則位于對流層頂上方(約100hPa)［11］。1989年8月青藏高原北部的五道梁地區(qū)近地面大氣層受人類活動的干擾較少，氣溶膠粒度譜具有明顯的大陸本底氣溶膠特征，粒度譜曲線相對應(yīng)的粒子數(shù)密度值很小，約在103～5×102之間，與城區(qū)氣溶膠粒度譜曲線相比，小于0.55μm的細(xì)粒子數(shù)急劇減少。在0.35～0.55μm區(qū)間形成因細(xì)粒子數(shù)急劇減少而產(chǎn)生的特征性“過渡峰”［12］。

青藏高原氣溶膠光學(xué)特性也有了一些研究成果。劉誠等［13］用微脈沖激光雷達(dá)對西藏那曲地區(qū)于2004年8月16日大氣對流層氣溶膠的光學(xué)特性進(jìn)行了測量和分析得出:那曲地區(qū)則具有較好的近地面空氣質(zhì)量;在那曲高原對流層內(nèi)氣溶膠含量也存在著多層結(jié)構(gòu);在近地面層，氣溶膠粒子消光系數(shù)小于大氣分子的消光系數(shù)值。對納木錯地區(qū)夏季風(fēng)期間大氣氣溶膠的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了從南亞傳入的污染物［14］。王喜紅等［15］研究了1996年東亞地區(qū)人為硫酸鹽柱含量的時空演變規(guī)律，得出，青藏高原地區(qū)由于冬夏大氣環(huán)流形勢差異，硫酸鹽分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征。柱含量逐月變化呈單峰結(jié)構(gòu)，夏季最大，冬季最小。冬季濃度隨高度減小，硫酸鹽主要集中在2km以下的對流層大氣中;而夏季，由于高原中低空存在很強(qiáng)的輻合氣流，污染物向高原輸送，因此300m左右濃度最大。夏季高原上空維持強(qiáng)上升氣流，對流活動旺盛，形成物質(zhì)輸送通道，使夏季各高度層硫酸鹽濃度比冬季大1個量級，同時，邊界層內(nèi)污染物充分混合，濃度接近。邊界層以上，濃度隨高度減少。叢春華等［16］利用1988年7月～1993年12月逐月的SAGE資料，計算了100hPa上的氣溶膠和臭氧的年際變化情況，得出穿越對流層頂?shù)拇髿赓|(zhì)量與100hPa的氣溶膠濃度及100hPa的臭氧體積比相關(guān)性，表明夏季青藏高原地區(qū)自下而上的強(qiáng)大上升氣流，有可能將中、低層高濃度氣溶膠粒子帶到對流層上部和平流層在適宜的條件下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而使青藏高原上空臭氧減少進(jìn)而形成低谷。

1.2氣溶膠化學(xué)成分特征研究進(jìn)展

研究表明青藏高原大部分氣溶膠化學(xué)成分主要以地殼元素為主，反映出受人類活動影響較低;然而也有一些地區(qū)由于遠(yuǎn)距離輸送等原因，出現(xiàn)一些受人類活動影響的污染元素。

1．2．1大氣氣溶膠化學(xué)元素

1989年8月［12］及1993年9～10月和1994年4～5月及7～8月［17］對青藏高原五道梁地區(qū)近地面大氣氣溶膠進(jìn)行元素分析，其組成以地殼元素為主，由人類活動造成的污染輕微，可與格陵蘭島、北極等偏遠(yuǎn)地區(qū)相比較。

楊軍等［18］分析西藏澤當(dāng)1997～1999年大氣氣溶膠資料得出化學(xué)元素以Si、Al、Ca、Fe，Mg，K，Ti等地殼元素為主。張仁健等［19］，2000年6月2～5日對珠穆朗瑪峰地區(qū)大氣氣溶膠化學(xué)元素成分進(jìn)行了觀測和分析。初步分析結(jié)果表明，珠峰地區(qū)大氣氣溶膠以Al、Ca、Si、K、Fe等地殼元素為主，地殼元素占總元素濃度的82%以上。S、Pb等與人類活動影響有關(guān)的污染元素含量很低，接近于格陵蘭地區(qū)的濃度。研究表明，人類活動對珠峰地區(qū)的影響很小。溫玉璞等［20］利用1992～1995年青海瓦里關(guān)本底站大氣氣溶膠測量資料分析得出，位于青藏高原偏遠(yuǎn)地區(qū)的瓦里關(guān)大氣氣溶膠以土壤及地殼等自然來源為主，自然源的貢獻(xiàn)率平均在70%以上。燃煤、交通及冶煉等人為源也占有一定比例。經(jīng)研究［21］喜馬拉雅山南坡的大氣污染物也能通過山谷風(fēng)的作用翻越喜馬拉雅山，傳輸?shù)角嗖馗咴凇Ｇ嗖馗咴邓醒醴€(wěn)定同位素比率的研究表明印度季風(fēng)在青藏高原的影響范圍可以延伸到唐吉拉山一帶［22］。因而南亞的大氣污染物隨著西南夏季風(fēng)完全可以傳輸?shù)侥钋嗵乒爬宓貐^(qū)。青藏高原低海拔地區(qū)的大氣氣溶膠主要來自局地粉塵［23］。而高海拔冰川區(qū)比低海拔的大氣潔凈得多，幾乎沒有局地氣溶膠的輸入［24］。

李潮流等［25］，2006年6～10月，在青藏高原南部念青唐古拉峰扎當(dāng)冰川埡口(30°28＇N，90°39＇E，5800ma．s．l．)采集了7個大氣總懸浮顆粒物樣品，測定了樣品中27種元素的含量。結(jié)果表明，埡口冰川區(qū)大氣氣溶膠的元素濃度，特別是典型地殼元素的濃度不僅低于同時期該地區(qū)較低海拔的氣溶膠元素值，而且遠(yuǎn)低于青藏高原其他較低海拔地區(qū)(如五道梁、瓦里關(guān)站等)的值。因而冰川區(qū)的氣溶膠代表了青藏高原對流層中上部大氣的本底狀況。元素富集因子的研究表明，與人類活動密切相關(guān)的元素(如B，Zn，As，Cd，Pb，Bi)有較高的富集，由于夏季青藏高原南部大氣環(huán)境主要受西南夏季風(fēng)影響，氣團(tuán)軌跡也顯示該時期的氣團(tuán)來自南亞大陸。因而推斷南亞的污染物在夏季風(fēng)期間影響了青藏高原冰川區(qū)的大氣環(huán)境。李月芳等［26］研究1900～1991年青藏高原古里雅冰芯中Cd的濃度，得出，Cd的濃度高于南極和北極雪冰中的濃度，并且這一時段內(nèi)呈增加趨勢，在80年代至1991年增加趨勢更明顯，表明人類活動對該地區(qū)環(huán)境污染在研究時間內(nèi)呈上升趨勢，分析表明，古里雅冰芯中Cd主要與西亞及南亞有關(guān)國家的污染物有關(guān)，而非來自高原本身。Cd的濃度在1991年最大，與這一年發(fā)生的海灣戰(zhàn)爭期間大量的石油燃燒有關(guān)。章申［27］對珠穆朗瑪峰高海拔地區(qū)冰雪中的微量元素進(jìn)行了研究，1975年采集了珠峰頂峰的冰雪樣品，分析得出珠峰高海拔地區(qū)冰雪中Hg、Cu和Sb的含量基本上與地球極地冰雪相同，As和Cr的含量比南極冰雪稍高，Zn的含量相當(dāng)于美國降水的含量。珠峰高海拔地區(qū)冰雪中微量元素的富集系數(shù)除Zn外與南北極大氣氣溶膠相仿。這個地區(qū)冰雪中的微量元素除自然來源外，主要與人類的經(jīng)濟(jì)活動造成的污染有關(guān)。效存德等［28］在對青藏高原從南到北不同地區(qū)雪坑的離子和元素含量的研究中發(fā)現(xiàn)，在空間上青藏高原的粉塵氣溶膠含量“南低北高”。而重金屬含量卻是“南高北低”，從而在一個側(cè)面證明雪冰中的重金屬以人為源占主導(dǎo)且主要來自南亞。

1．2．2大氣氣溶膠可溶性離子及OC、EC分析

Wakeetal．［29］最早在青藏高原的冰川區(qū)開展了大氣氣溶膠可溶性化學(xué)成分的研究，結(jié)果表明夏季喜馬拉雅山中、東段和高原中部的各拉丹東峰地區(qū)主要離子由NH+4、SO2－4、NO－3和Ca2+占主導(dǎo)地位，它們的濃度值與其它處在對流層的偏遠(yuǎn)地區(qū)在同一水平;在高原的東北部夏季氣溶膠中Ca2+、SO2－4、Mg2+和Cl－濃度較高可能反映了周圍干旱區(qū)(如柴達(dá)木盆地)陸源物質(zhì)的輸入。楊東貞等［30］1994年秋冬季對瓦里關(guān)基準(zhǔn)站進(jìn)行了氣溶膠樣品的質(zhì)量濃度、可溶性離子濃度的時空特征和變化規(guī)律的研究，得出可溶性離子濃度大小順序為NH+4≈Cl－＞SO2－4＞NO－3，與臨安、龍風(fēng)山區(qū)域本底站比較得出，瓦里關(guān)山站代表了全球大陸尺度的環(huán)境，各項濃度為最低。

姚檀棟等［31］對青藏高原雪冰化學(xué)的地域分布研究表明，Na+濃度有從青藏高原中部向南緣增加的趨勢，而K+，Mg2+和Cl－濃度有從高原中心向北部和南部增加的趨勢;Ca2+濃度的空間分布明顯的表現(xiàn)出從北部和中心的大陸性冰川向南緣的海洋性冰川減少的趨勢。大氣中含碳?xì)馊苣z分為三類［32］:有機(jī)碳(OC)、碳酸鹽碳(CC)和元素碳(EC)。OC是一種可吸入的大氣污染物，嚴(yán)重危害周圍環(huán)境和人類健康。同時，OC能吸收硫酸鹽和硝酸鹽而改變其吸濕特性，使這些氣溶膠對大氣中云凝結(jié)核(CCN)數(shù)目濃度有較大貢獻(xiàn)，因此OC可以直接或間接地影響地球輻射平衡，對全球氣候變化起到重要作用，成為氣候預(yù)測中最不確定的因子之一［33］。

王茉等［34］研究得出青藏高原東南部帕隆藏布源頭海洋性冰川區(qū)1998～2005年冰芯中EC含量及EC/WIOC(不溶性有機(jī)碳)比值表現(xiàn)出非季風(fēng)季節(jié)高、季風(fēng)季節(jié)低的顯著特征，揭示了該地區(qū)冰川中記錄的碳質(zhì)氣溶膠濃度與南亞棕色云之間的密切聯(lián)系。劉先勤等［35］對青藏高原8條冰川的34個雪冰和降水樣品中OC和EC的含量進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:在青藏高原雪冰中OC和EC含量自東向西、自北向南呈明顯的下降趨勢(西昆侖除外)。在高原東北部EC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，平均為79.2ng•g－1;在喜馬拉雅西段EC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，平均為4.3ng•g－1。在冰川表面，雪的融化使雪冰中碳質(zhì)氣溶膠聚集，并導(dǎo)致其含量明顯升高，該過程降低了雪表面的反照率，加速了冰川的消融。

1．3大氣氣溶膠氣候效應(yīng)研究進(jìn)展

全球氣候異常變化，是當(dāng)今世界關(guān)注的焦點之一，而青藏高原對全球大氣運動有著重要的影響［36］。大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)，既包含它與太陽輻射和地球輻射的相互作用，也具有相應(yīng)的動力學(xué)變化，尤其是氣溶膠的輻射吸收加熱的動力效應(yīng)，還包括地面－大氣的水分循環(huán)過程［37］。氣溶膠粒子不但可以吸收和散射太陽短波輻射，直接影響地一氣系統(tǒng)的能量收支，而且還可以影響云的形成和發(fā)展，從而間接影響地—氣系統(tǒng)的能量平衡。目前的研究表明，大氣氣溶膠主要有兩種成分:硫酸鹽氣溶膠和含碳?xì)馊苣z，硫酸鹽氣溶膠的輻射強(qiáng)迫是負(fù)值，和溫室氣體剛好相反，能部分抵消不斷增加的溫室效應(yīng)，含碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫則是正值，和溫室氣體一致，能使溫室效應(yīng)加劇，但是二者在大氣氣溶膠中的含量卻有很大的不確定性，所以大氣氣溶膠對氣候的影響究竟如何，已經(jīng)成為大氣科學(xué)界的一個重要研究課題。青藏高原是北半球氣候變化的啟動區(qū)和調(diào)節(jié)區(qū)［38，39］。青藏高原的氣候變化不僅直接驅(qū)動我國東部、西南部的氣候變化，對全球的氣候變化也具有明顯的敏感性和調(diào)節(jié)性。高原上空平流層－對流層交換(STE)對周邊地區(qū)甚至全球大氣有顯著影響，高原上空平流層氣溶膠含量的變化必然會導(dǎo)致輻射平衡的改變，影響高原上空的熱量收支，進(jìn)而影響我國乃至全球的氣候。

李新周等［40］利用美國大氣研究中心(NCAR)提供的2組數(shù)值試驗結(jié)果對比，分析了只考慮溫室氣體增加(1%CO2試驗)和綜合考慮大氣溫室氣體與氣溶膠持續(xù)增加(50yrs試驗)條件下，青藏高原地區(qū)地表溫度、積雪深度及其他氣候要素的變化，并在此基礎(chǔ)上探討了大氣氣溶膠含量變化對高原氣候變化的可能影響。分析結(jié)果表明:只考慮大氣CO2含量每年增加1%的變化時，青藏高原相對鄰近地區(qū)地表溫度顯著增加，春、夏、秋及冬季地表溫度線性增溫率均表現(xiàn)出隨著海拔高度升高而增強(qiáng)。在溫室氣體引起的高原增暖過程中地表積雪深度普遍降低，且高海拔地區(qū)的積雪減少愈加明顯。當(dāng)綜合考慮氣溶膠和溫室氣體含量共同增加時，青藏高原地表增暖相對偏弱，春、夏和秋季增溫也隨海拔高度上升而加強(qiáng)，但冬季地面增溫幅度隨海拔上升反而下降。對比分析發(fā)現(xiàn)，大氣氣溶膠增加造成青藏高原冬季增溫不明顯甚至出現(xiàn)變冷趨勢，地面積雪也隨之增多，這可能歪曲了青藏高原地區(qū)氣候變暖對海拔高度的依賴性。王志立等［41］利用NCAR的全球大氣模式CAM3，模擬了南亞地區(qū)黑碳?xì)馊苣z對亞洲夏季風(fēng)的影響。結(jié)果表明:晚春時期，南亞地區(qū)黑碳?xì)馊苣z強(qiáng)烈吸收太陽輻射，加熱低層大氣，造成孟加拉灣及沿岸地區(qū)雨季的提前，可能導(dǎo)致南亞夏季風(fēng)提前爆發(fā)。夏季，被加熱的大氣沿青藏高原南坡爬升，在高空形成一個穩(wěn)定的加熱層。高空的持續(xù)加熱，引起局地的深對流活動，使得印度洋和南亞大陸之間產(chǎn)生一個北升南降的經(jīng)圈環(huán)流，導(dǎo)致印度洋洋面上的向北運動加強(qiáng)，從而使南亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度增大。但是，南亞地區(qū)黑碳?xì)馊苣z通過影響表面氣壓、垂直運動、降水和850hPa風(fēng)場等減弱了東亞夏季風(fēng)，且導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓北移西伸，使我國梅雨帶位置向東北方向移動。

李維亮等［7］利用中尺度數(shù)值模式MM5模擬了高原地區(qū)的氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫得出，相對于設(shè)置均一的背景氣溶膠而言，青藏高原地區(qū)的輻射強(qiáng)迫均為正值。高原上地面土壤溫度和地面氣溫均有所增加，增加的量級相當(dāng)，但增幅略小。高原上500hPa處的氣溫也有所增加，增幅比地面氣溫的增幅更小，但仍處于同一個量級。

2研究展望

青藏高原以其獨特的地理位置和氣候環(huán)境效應(yīng)，正逐漸成為大氣科學(xué)研究的不可或缺的部分和熱點區(qū)域。近年來青藏高原氣溶膠研究取得了顯著進(jìn)展，但由于高原高寒缺氧，自然條件惡劣，開展監(jiān)測仍比較困難，所得到的數(shù)據(jù)同全球其它區(qū)域相比仍相當(dāng)缺乏。青藏高原對我國乃至亞洲和世界氣候都有著重要的影響，因此，應(yīng)當(dāng)重視青藏高原氣溶膠的監(jiān)測，尤其是在高原具有代表性的區(qū)域，增加監(jiān)測站點及項目，為青藏高原的研究積累寶貴數(shù)據(jù)，也為評估人類活動對大氣環(huán)境的影響提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)目前的研究，以下方面還需要更深入、系統(tǒng)的研究。

(1)高原上目前對大氣氣溶膠的觀測站點稀少，且長期觀測資料較少，大多是短期的觀測，不利于高原大氣氣溶膠的研究，因此，使得大氣氣溶膠成為當(dāng)今環(huán)境與氣候變化研究中一個既重要又難以估計的不確定因子。今后應(yīng)該加強(qiáng)高原上大氣氣溶膠觀測站的建設(shè)，對氣溶膠濃度、成分、氣溶膠探空等進(jìn)行綜合觀測分析，并同時增加氣象要素的觀測，積累長期第一手觀測資料，為研究氣候變化及提供基礎(chǔ)資料。

(2)目前用于氣溶膠垂直觀測的儀器有太陽光度計等，利用這些儀器在高原上加強(qiáng)氣溶膠的地基遙感觀測，將觀測反演結(jié)果與衛(wèi)星遙感產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，研究高原地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度衛(wèi)星資料的訂正方法。