2009–2022年中国对北极黑碳（Black Carbon, BC）贡献的下降

《Earth's Future》：China's Contribution to Arctic Black Carbon Declined From 2009 to 2022

　　

摘要：黑碳（Black Carbon, BC）气溶胶是北极增温的重要驱动因子，中国曾通过长距离大气传输成为北极BC负荷的主要贡献国之一。研究表明，受清洁空气政策实施导致国内BC排放削减的影响，2009–2022年中国对北极BC的贡献显著下降。全球化学–传输模式（Global Chemistry–Transport Model, GCTM）模拟显示，中国对北极BC贡献的相对下降速率约为～3% yr?1（p < 0.05），超过底层排放清单的下降速率。敏感性模拟进一步表明，气候变化引起的传输变化可能放大了这一下降趋势。北极背景站观测的气溶胶吸收系数（σap）在中国来源BC占比高的时段呈更陡的下降趋势，且σap与中国来源模拟BC呈正相关，相关性随中国来源BC占比升高而增强。上述结果提供稳健证据表明中国BC减排削弱了其对北极BC的贡献，估算使北极霾季（Arctic haze season）黑碳直接辐射效应（Direct Radiative Effect, DRE）减少约0.02 W m?2。

论文解读：《China's Contribution to Arctic Black Carbon Declined From 2009 to 2022》（发表于《Earth's Future》）

一、研究背景与意义

北极是全球气候变化的敏感区域，增温速率约为全球平均的三倍。黑碳（Black Carbon, BC）是最重要的最短寿命气候强迫因子（Short-Lived Climate Forcer, SLCF）之一，单位质量增温潜力可达CO₂的数百至上千倍，通过直接加热大气、暗化冰雪加速融化、影响云辐射特性及改变极地向热通量等机制促进北极增温，被认为是仅次于CO₂的北极有效辐射强迫第二大贡献者。北极本地BC排放极少，绝大部分由中低纬度经长距离大气传输（Long-Range Atmospheric Transport, LRAT）输入。中国在2000年代至2010年代初曾占全球BC排放约30%，是北极中层对流层及总BC负荷的最大单一来源（约27%–39%）。自2013年起中国实施系列清洁空气政策使国内BC排放大幅降低（MEIC估算2013–2017年降约28%），但此前尚无研究定量评估这一减排对中国来源BC对北极贡献变化趋势及气候效应的影响。此外，气候变化导致的环流与降水变化可能改变LRAT效率，亦未被以往研究充分考虑。因此，研究人员开展此项研究以量化2009–2022年中国对北极BC贡献的变化趋势、归因（排放vs传输），并结合北极地面台站观测予以验证，评估其对北极BC直接辐射效应（Direct Radiative Effect, DRE）的影响。

二、主要技术方法概述

研究人员采用GEOS-Chem（v13.1.2）全球化学传输模式进行BC示踪（tagged tracer）模拟，水平分辨率2°×2.5°，47层垂直网格，气象场取自MERRA-2再分析资料，人为源BC排放采用ECLIPSEv6b排放清单（5年间隔线性插值），生物质燃烧排放采用GFED v4.1s。标准模拟逐年更新各国排放及气象场；敏感性模拟（chn2010）将中国人为BC排放固定为2010年水平，其余区域排放与气象场逐年变化，以分离传输效率变化的影响。全化学模拟耦合RRTMG辐射传输模式计算北极BC直接辐射效应（DRE），对比2009–2011与2020–2022年前三年与后三年均值差异。观测数据来自四个北极背景站——Alert（加拿大，Magee AE31测σ_ap@660 nm，TSP）、Barrow/Utqia?vik（美国，先后用PSAP-3W@660 nm和CLAP@652 nm，PM₁₀，经风向筛选去除局地污染）、Zeppelin（斯瓦尔巴，先后用PSAP@525 nm和Thermo MAAP@637 nm，TSP，经?ngstr?m指数校正统一波长）及Pallas（芬兰，Thermo MAAP@637 nm，先后为PM₁₀和PM_2.5），取自EBAS及Bolin Centre数据库。趋势分析采用非参数Mann–Kendall检验与Theil–Sen斜率估计，显著性水平p<0.05为显著（SS），0.05≤p≤0.1为中等显著（MS），相对变化率R_rate以2009年值为基准计算。

三、研究结果

3.1 Time-Altitude Variations in China's Arctic BC Contribution（中国对北极BC贡献的时间–高度变化特征）

研究人员通过标准GEOS-Chem模拟发现，中国来源BC对北极（>66°N）的贡献在冬春季（FMA：2–4月）中层大气（750–300 hPa，峰值约500 hPa/5 km）最高，可达30%以上，与已有研究一致；夏季（JAS）贡献最低。据此选取地表、500 hPa及整层柱浓度，分析年均、FMA均值及JAS均值的长期趋势。

3.2 Decline in China's Arctic BC Contribution（中国对北极BC贡献的下降）

标准模拟显示，2009–2022年中国对北极BC贡献在地表、500 hPa及整层在各季节均呈统计显著下降趋势。相对下降速率R_rate约为～3% yr^{?1（范围2.5%–3.6% yr?1），高于ECLIPSEv6b清单中中国BC总排放下降速率（2.4% yr?1），提示除排放削减外可能存在其他影响因素。霾季绝对下降速率为年均两倍，500 hPa处下降速率约为地表1.5倍。}

3.3 Changes in Long-Range Transport Contributed to the Decline（长距离传输变化对下降的贡献）

通过chn2010敏感性实验（中国排放固定2010年水平），研究人员发现当排除中国排放下降影响后，北极中国来源BC仍呈弱下降或无明显趋势（仅在年均地表呈显著下降），表明气候变化相关的传输效率变化（风场、降水清除等）本身可导致中国来源BC向北极输送减弱。比较标准与chn2010的斜率，研究人员估算中国自身BC排放削减贡献了下降的51%–64%，气候变化引起的传输效率变化贡献了36%–49%，前者为主导因素。

3.4 China's Contribution to the Total Arctic BC Change（中国贡献对总北极BC变化的影响）

对比标准与chn2010模拟的总北极BC趋势发现：霾季总BC显著下降（表面?1.4% yr^?1，500 hPa?1.5% yr^?1），夏季总BC显著上升（表面+15.6% yr^{?1，主要受北方森林野火生物质燃烧增加驱动，GFEDv4.1s显示2021年野火BC排放近均值两倍）。中国BC排放削减在霾季对北极总BC下降的贡献为：地表19%、500 hPa 48%、整层38%；夏季若中国排放未减，中层BC增幅将略高（约8%），地表影响微弱。}

3.5 Observational Evidence for China's Declining Arctic BC Contribution（中国对北极BC贡献下降的观测证据）

研究人员将四站观测气溶胶吸收系数（σ_ap）与模拟的中国来源BC质量浓度（m_BC,China）及总BC（m_BC,total）对比。霾季观测σ_ap与模拟m_BC,total相关性良好（Alert r=0.90）。在Alert、Barrow和Zeppelin，当模拟中国来源BC占总BC比例较高时，σ_ap与m_BC,China均呈显著/中等显著下降趋势，且下降幅度更大、σ_ap–m_BC,China决定系数r²更高（Alert FMA r²=0.15，JFMA中位r²=0.27，当中国占比>25%时r²可达0.87），表明中国BC贡献减小是观测北极近地面吸光系数下降的重要原因。Pallas因中国来源BC占比低未显示同样的分层特征。各站霾季r²（Barrow 0.36–0.43，Zeppelin 0.22–0.49，Pallas 0.09–0.22）与模式估算的中国贡献空间分布一致。

3.6 Impacts on BC Direct Radiative Effect in the Arctic（对北极BC直接辐射效应的影响）

研究人员通过RRTMG计算得到：研究期初（2009–2011）北极BC DRE春（MAM）均值为0.29 W m^?2，夏（JJA）0.14 W m^?2；期末（2020–2022）春降至0.24 W m^?2，夏升至0.29 W m^?2（受夏季野火BC增加驱动）。中国BC排放削减使春（MAM）北极BC DRE额外降低0.020 W m^?2，相当于期初平均BC DRE的7.0%，占整个研究期春DRE降幅的35%；全年避免了0.007 W m^?2的DRE增加，相当于期初年均DRE的5.8%及总增幅的27%。

四、讨论与结论总结（翻译Conclusions节）

中国BC排放显著影响北极大气。随着2013年以来清洁空气政策的强化，中国BC排放大幅下降。研究人员利用经日本下风向站点验证的GEOS-Chem–ECLIPSEv6b模式框架分析了2009–2022年中国对北极BC贡献的模式化趋势，发现所有高度和季节均呈统计显著（p<0.05）下降。敏感性模拟（中国排放固定2010年）表明排放削减是主导因素（占下降51%–64%），气候变化引起的传输效率变化亦贡献剩余部分（36%–49%）。中国排放削减在霾季分别对北极地表、500 hPa及整层总BC下降贡献19%、48%和38%。

北极四背景站（Alert、Barrow、Zeppelin、Pallas）观测气溶胶吸收系数（σ_ap）在霾季呈显著/中等显著下降，且与模拟中国来源BC质量浓度正相关——中国来源BC占比越高，σ_ap下降趋势越明显、相关性越强，为模式结论提供观测支撑。

辐射效应估算表明，中国BC排放削减使春（3–5月）北极BC直接辐射效应减少0.02 W m^?2，占期初春平均BC DRE的7.0%和研究期春DRE总降幅的35%；全年避免0.007 W m^?2的DRE增量增加，占期初年均DRE的5.8%及总增幅的27%。

研究表明中国BC减排显著缓解了北极BC浓度及其直接辐射增温效应，同时气候变化相关的传输效率变化也不可忽视。未来需深入研究向北极LRAT效率演变机制（平流、对流、降水格局变化）及北极污染物清除过程。中低纬减排与北半球其他排放源下降将改变BC来源构成，需持续改进排放清单并维持北极长期监测以精确评估BC气候与空气质量影响。