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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］。青藏高原遠離人類工農業生產區，其大氣環境很少受到人類活動的影響，因此，可以認為青藏高原部分地區的氣溶膠濃度及成分基本代表了北半球大氣環境的本底狀況。對高原地區的大氣氣溶膠監測研究，是認識大氣污染物長距離傳輸的重要途徑，為研究氣候變化原因提供科學數據。19世紀下半葉，部分國外探險家和科學家對青藏高原進行了各種考察和調查;20世紀30年代，中國科學家對高原的植被、地質和地理進行了初步考察;中國于1979年、1998年先后組織開展了兩次大規模青藏高原氣象科學試驗。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，氣溶膠濃度及化學成分(包括黑碳氣溶膠)、降水化學、常規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據。近年來，科學界對青藏高原大氣環境越來越重視，2005年以來，中國科學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相關監測并取得了突出成果。20世紀90年代歐洲科學家在海拔5050m處設立了“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，是大氣科學最早研究的大氣化學對象之一。研究青藏高原大氣氣溶膠，首先，有助于了解偏遠地區大氣本底狀況，其次，還可以了解大氣污染物的長距離傳輸機制和對人類生存環境的影響。由于青藏高原特殊的地理環境，氣溶膠研究起步較晚。近年來，科學界對青藏高原大氣環境越來越重視，對氣溶膠的研究也得出了一些寶貴的結論。

1.1氣溶膠物理特性研究進展

青藏高原氣溶膠的研究多采用衛星資料及個別站的觀測資料，從氣溶膠光學厚度、氣溶膠面密度、硫酸鹽等研究，并得出存在較明顯的季節變化特征。其中，光學厚度是表征大氣氣溶膠的一個重要物理參量，是評價大氣環境污染，研究氣溶膠輻射氣候效應的一個很關鍵的因子。青藏高原上空平流層大氣氣溶膠的光學厚度在冬季最大，春、秋季次之，夏季最小，存在明顯的季節振蕩現象［7］。1979～1990年來，青藏高原大氣氣溶膠的平均光學厚度呈增長趨勢，其中，拉薩站近10a來增加最為明顯［8］。1993年9月～1999年12月五道梁地區大氣氣溶膠光學厚度的日變化特征是早晚大中午小;大氣氣溶膠光學厚度具有較明顯的季節變化特征，表現為春季大，冬季次之，秋季較小，夏季最小;就五道梁地區而言，月、年平均氣溫隨大氣氣溶膠光學厚度的增長而反向變化:即大氣氣溶膠光學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:大的火山噴發對青藏高原平流層氣溶膠具有重要影響，其影響可持續6年左右。從1997年至今，青藏高原18～25km氣溶膠面密度增加，最大的增長出現在23km，每年大約增長4%～5%。而在16～17km氣溶膠的面密度出現減少趨勢［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火山噴發的影響主要發生在1991～1995年，然而氣溶膠數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，在夏季該極大值區位于對流層頂下方(約120hPa)，而其他季節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，粒度譜曲線相對應的粒子數密度值很小，約在103～5×102之間，與城區氣溶膠粒度譜曲線相比，小于0.55μm的細粒子數急劇減少。在0.35～0.55μm區間形成因細粒子數急劇減少而產生的特征性“過渡峰”［12］。

青藏高原氣溶膠光學特性也有了一些研究成果。劉誠等［13］用微脈沖激光雷達對西藏那曲地區于2004年8月16日大氣對流層氣溶膠的光學特性進行了測量和分析得出:那曲地區則具有較好的近地面空氣質量;在那曲高原對流層內氣溶膠含量也存在著多層結構;在近地面層，氣溶膠粒子消光系數小于大氣分子的消光系數值。對納木錯地區夏季風期間大氣氣溶膠的監測發現了從南亞傳入的污染物［14］。王喜紅等［15］研究了1996年東亞地區人為硫酸鹽柱含量的時空演變規律，得出，青藏高原地區由于冬夏大氣環流形勢差異，硫酸鹽分布呈現明顯的季節變化特征。柱含量逐月變化呈單峰結構，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上升氣流，對流活動旺盛，形成物質輸送通道，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，得出穿越對流層頂的大氣質量與100hPa的氣溶膠濃度及100hPa的臭氧體積比相關性，表明夏季青藏高原地區自下而上的強大上升氣流，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生一系列化學反應，從而使青藏高原上空臭氧減少進而形成低谷。

1.2氣溶膠化學成分特征研究進展

研究表明青藏高原大部分氣溶膠化學成分主要以地殼元素為主，反映出受人類活動影響較低;然而也有一些地區由于遠距離輸送等原因，出現一些受人類活動影響的污染元素。

1．2．1大氣氣溶膠化學元素

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近地面大氣氣溶膠進行元素分析，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、北極等偏遠地區相比較。

楊軍等［18］分析西藏澤當1997～1999年大氣氣溶膠資料得出化學元素以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大氣氣溶膠化學元素成分進行了觀測和分析。初步分析結果表明，珠峰地區大氣氣溶膠以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的污染元素含量很低，接近于格陵蘭地區的濃度。研究表明，人類活動對珠峰地區的影響很小。溫玉璞等［20］利用1992～1995年青海瓦里關本底站大氣氣溶膠測量資料分析得出，位于青藏高原偏遠地區的瓦里關大氣氣溶膠以土壤及地殼等自然來源為主，自然源的貢獻率平均在70%以上。燃煤、交通及冶煉等人為源也占有一定比例。經研究［21］喜馬拉雅山南坡的大氣污染物也能通過山谷風的作用翻越喜馬拉雅山，傳輸到青藏高原口。青藏高原降水中氧穩定同位素比率的研究表明印度季風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完全可以傳輸到念青唐古拉峰地區。青藏高原低海拔地區的大氣氣溶膠主要來自局地粉塵［23］。而高海拔冰川區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。結果表明，埡口冰川區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較低海拔的氣溶膠元素值，而且遠低于青藏高原其他較低海拔地區(如五道梁、瓦里關站等)的值。因而冰川區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境主要受西南夏季風影響，氣團軌跡也顯示該時期的氣團來自南亞大陸。因而推斷南亞的污染物在夏季風期間影響了青藏高原冰川區的大氣環境。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環境污染在研究時間內呈上升趨勢，分析表明，古里雅冰芯中Cd主要與西亞及南亞有關國家的污染物有關，而非來自高原本身。Cd的濃度在1991年最大，與這一年發生的海灣戰爭期間大量的石油燃燒有關。章申［27］對珠穆朗瑪峰高海拔地區冰雪中的微量元素進行了研究，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的含量相當于美國降水的含量。珠峰高海拔地區冰雪中微量元素的富集系數除Zn外與南北極大氣氣溶膠相仿。這個地區冰雪中的微量元素除自然來源外，主要與人類的經濟活動造成的污染有關。效存德等［28］在對青藏高原從南到北不同地區雪坑的離子和元素含量的研究中發現，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”，從而在一個側面證明雪冰中的重金屬以人為源占主導且主要來自南亞。

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開展了大氣氣溶膠可溶性化學成分的研究，結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主要離子由NH+4、SO2－4、NO－3和Ca2+占主導地位，它們的濃度值與其它處在對流層的偏遠地區在同一水平;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(如柴達木盆地)陸源物質的輸入。楊東貞等［30］1994年秋冬季對瓦里關基準站進行了氣溶膠樣品的質量濃度、可溶性離子濃度的時空特征和變化規律的研究，得出可溶性離子濃度大小順序為NH+4≈Cl－＞SO2－4＞NO－3，與臨安、龍風山區域本底站比較得出，瓦里關山站代表了全球大陸尺度的環境，各項濃度為最低。

姚檀棟等［31］對青藏高原雪冰化學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。大氣中含碳氣溶膠分為三類［32］:有機碳(OC)、碳酸鹽碳(CC)和元素碳(EC)。OC是一種可吸入的大氣污染物，嚴重危害周圍環境和人類健康。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核(CCN)數目濃度有較大貢獻，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1998～2005年冰芯中EC含量及EC/WIOC(不溶性有機碳)比值表現出非季風季節高、季風季節低的顯著特征，揭示了該地區冰川中記錄的碳質氣溶膠濃度與南亞棕色云之間的密切聯系。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的含量進行了測試。結果表明: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的質量分數相對較高，平均為79.2ng•g－1;在喜馬拉雅西段EC的質量分數最低，平均為4.3ng•g－1。在冰川表面，雪的融化使雪冰中碳質氣溶膠聚集，并導致其含量明顯升高，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研究進展

全球氣候異常變化，是當今世界關注的焦點之一，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，既包含它與太陽輻射和地球輻射的相互作用，也具有相應的動力學變化，尤其是氣溶膠的輻射吸收加熱的動力效應，還包括地面－大氣的水分循環過程［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的能量收支，而且還可以影響云的形成和發展，從而間接影響地—氣系統的能量平衡。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氣溶膠，硫酸鹽氣溶膠的輻射強迫是負值，和溫室氣體剛好相反，能部分抵消不斷增加的溫室效應，含碳氣溶膠的輻射強迫則是正值，和溫室氣體一致，能使溫室效應加劇，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，已經成為大氣科學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和調節區［38，39］。青藏高原的氣候變化不僅直接驅動我國東部、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節性。高原上空平流層－對流層交換(STE)對周邊地區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致輻射平衡的改變，影響高原上空的熱量收支，進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組數值試驗結果對比，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增加(50yrs試驗)條件下，青藏高原地區地表溫度、積雪深度及其他氣候要素的變化，并在此基礎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出隨著海拔高度升高而增強。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，且高海拔地區的積雪減少愈加明顯。當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，但冬季地面增溫幅度隨海拔上升反而下降。對比分析發現，大氣氣溶膠增加造成青藏高原冬季增溫不明顯甚至出現變冷趨勢，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，模擬了南亞地區黑碳氣溶膠對亞洲夏季風的影響。結果表明:晚春時期，南亞地區黑碳氣溶膠強烈吸收太陽輻射，加熱低層大氣，造成孟加拉灣及沿岸地區雨季的提前，可能導致南亞夏季風提前爆發。夏季，被加熱的大氣沿青藏高原南坡爬升，在高空形成一個穩定的加熱層。高空的持續加熱，引起局地的深對流活動，使得印度洋和南亞大陸之間產生一個北升南降的經圈環流，導致印度洋洋面上的向北運動加強，從而使南亞夏季風的強度增大。但是，南亞地區黑碳氣溶膠通過影響表面氣壓、垂直運動、降水和850hPa風場等減弱了東亞夏季風，且導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］利用中尺度數值模式MM5模擬了高原地區的氣溶膠直接輻射強迫得出，相對于設置均一的背景氣溶膠而言，青藏高原地區的輻射強迫均為正值。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，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境效應，正逐漸成為大氣科學研究的不可或缺的部分和熱點區域。近年來青藏高原氣溶膠研究取得了顯著進展，但由于高原高寒缺氧，自然條件惡劣，開展監測仍比較困難，所得到的數據同全球其它區域相比仍相當缺乏。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，應當重視青藏高原氣溶膠的監測，尤其是在高原具有代表性的區域，增加監測站點及項目，為青藏高原的研究積累寶貴數據，也為評估人類活動對大氣環境的影響提供科學依據。根據目前的研究，以下方面還需要更深入、系統的研究。

(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今環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。今后應該加強高原上大氣氣溶膠觀測站的建設，對氣溶膠濃度、成分、氣溶膠探空等進行綜合觀測分析，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氣溶膠的地基遙感觀測，將觀測反演結果與衛星遙感產品進行對比分析，研究高原地區氣溶膠光學厚度衛星資料的訂正方法。