北极雪冰黑碳的空间分布及其辐射强迫模拟研究

Black carbon(BC) has a strong absorption of light. Its deposition to the surface of snow and ice can effectively reduce the surface albedo and then accelerate snow/ice melting. The Arctic region is sensitive to the BC-albedo effect caused by the BC emissions from the high latitudes of the Northern Hemisphere, because it’s widely covered by snow and ice. Comprehensive investigation on the radiative effects of BC in the Arctic Ocean and its surrounding regions(north of 67 º N) will be performed. BC deposition in the snow will be taken as the study object. In view of the special characteristics of Arctic climate and underlying surface, we will improve the processes of BC aging and dry deposition in the GISS-PUCCINI climate-composition model, and significantly improve the model simulations for BC in the Arctic snow (sBC) on basis of analysis of large-scale dynamic process and parameter measurements in sea ice/air interface. We will give accurate and high resolution map of Arctic sBC based on model validation using sBC observations obtained during the Arctic expeditions and collected data of the major regions in the Arctic. We will extract characteristic observations from typical sea ice and snow regions of the Arctic as input parameters, and evaluate the impacts of sBC on surface albedo and resulting radiative forcing with SNICAR model. This work can provide scientific basis for assessment on the influences of present human activity on the Arctic sea ice and snow melting.

黑碳气溶胶具有强吸光性，当其沉降到冰雪表面后可有效降低反照率，加速冰雪消融。北极地区被广泛的冰雪覆盖，易受到来自北半球中高纬地区排放的黑碳气溶胶沉降的影响。本项目拟选择北冰洋及周边地区开展黑碳气溶胶的辐射效应研究，将沉降到北极积雪中的黑碳作为研究对象。针对北极特殊的下垫面和气候特征，综合海冰-气界面的主要参数观测和大气大尺度动力过程分析，改进GISS-PUCCINI气候与大气化学模式中影响黑碳形成与分布的关键物理过程—黑碳老化过程和干沉降过程，显著提升模式对北极雪冰黑碳的模拟能力。以北极考察走航沿线观测的雪冰黑碳浓度和收集的北极主要地区观测数据为验证基础，给出准确的高分辨率北极雪冰黑碳浓度空间分布。提取北极典型区域观测的海冰积雪特征数据作为输入参数，运用SNICAR辐射传输模型定量估算北极雪冰黑碳对地表反照率的影响及其造成的辐射强迫，为评估当前人类活动对北极海冰积雪消融的影响提供科学依据。

北极地区对气候变化极为敏感，北半球人类活动排放产生的黑碳等吸光性气溶胶传输到北极地区，沉降后可降低冰雪反照率，对北极冰雪消融产生重要影响。我国之前尚未在北极地区开展雪冰黑碳方面的研究，由于观测资料的缺乏，之前国际上对北极雪冰黑碳的研究也存在很大的不确定性。我们通过在北极地区开展雪冰黑碳采样观测，拓展了现有的北极雪冰黑碳观测资料的覆盖区域。并在此基础上，结合数值模式的结果评估了北极春夏季节雪冰黑碳的分布水平及辐射强迫。主要完成了以下几项工作：北极春季雪冰黑碳的空间分布评估；北极巴罗地区春季积雪中黑碳源解析；北极春夏季节转换期雪冰黑碳浓度演变情况；北极夏季雪冰黑碳浓度分布水平评估；春季-夏季雪冰黑碳对反照率的影响及其辐射强迫。取得如下结果：北极冰雪中黑碳等吸光性物质（EC, OC, dust）主要来源于生物质燃烧（森林火灾、秸秆燃烧）和自然源（陆生高等植物、微生物）。春季雪冰黑碳浓度分布水平：俄罗斯北极（23.4±10.6ng/g）>加拿大-阿拉斯加北极（7.9±2.5ng/g）>北冰洋（5.9±2.9ng/g）>斯瓦尔巴德（4.9±3.3ng/g）>格陵兰（3.4±0.9ng/g）。春末，随着积雪的消融，黑碳等吸光性物质在积雪表面富集。夏季雪冰黑碳浓度为16.2±11.5ng/g。平均而言，春（夏）季雪冰黑碳可使海冰反照率降低~0.8%（~2.1%），造成的辐射强迫为~1W m-2（~2.8W m-2）。同时获取了如下几套关键数据：北极春季雪冰黑碳空间分布数据一套；北极春夏季节转换期雪冰黑碳浓度变化、积雪物理特性演变及反照率观测数据两套；北极夏季雪冰黑碳浓度观测数据一套。这项工作相比前人的研究在观测数据上更丰富、在研究方法上引入了数值模式的结果，获得了空间上连续的高分辨率雪冰黑碳分布图，显著减小了北极雪冰黑碳辐射强迫评估中的不确定性。为准确评估雪冰黑碳对北极冰雪消融的定量影响奠定了扎实的观测数据和方法基础。