研一阅读综述的一些总结，PPT的讲稿，因此可能较为分散零碎，敬请见谅。

引言

北极放大效应与气溶胶
在过去的几十年间，北极的环境经历了快速的变化，其增温速度是全球增温速度的2-3倍，这种现象称为北极放大效应（Arctic amplification,AA)。
AA带来的北极诸如：海冰融化、暖季延长、气溶胶与痕量气体的远距离运输等变化受到了诸多关注。高纬度地区的气候变化是全球气候变化的风向标（bellwether),也可能对全球气候系统产生反馈，产生全球性的影响。然而，造成AA的的因子与相应的物理机制仍有许多不确定性。
气溶胶对于AA起着极为重要的作用，而IPCC报告指出，在未来的二三十年间，短期气候因子（SLCFS）如臭氧、甲烷与气溶胶粒子对于全球变暖的贡献要高于温室气体，因此，在短期的气候预测中，气溶胶起着至关重要的作用，而气溶胶的气候效应对于AA的影响至今仍未被清楚的阐明，在北极地区，更多关于气溶胶-气候间的相互作用需要去被研究细化。

1971-2019北极地表温度变化趋势
北极气溶胶概况
目前研究中，我们主要关注的气溶胶粒子有：黑炭、硫酸盐粒子、以及其他有机物质。在过去的几十年间，观测到的黑炭与气溶胶粒子呈现出下降趋势，尤其是黑炭等人为气溶胶排放的下降或许会使得北极增温变缓。


Decline in BC and sulfare aerosols at Alert(Canada)
关于北极气溶胶粒子的特点：

较大的季节与区域差异
对于不同的季节与区域而言，气溶胶的源汇项与主要过程有所不同，下图给出了北极不同区域主要气溶胶的过程。
气溶胶的季节差异主要来自于自然源不同，例如，在冬春季，海洋飞沫对极地气溶胶有着重要的作用，而在夏季，海洋生物过程产生的气溶胶粒子对于北极近地面气溶胶粒子有巨大的影响。

Regional characteristics of aerosol–climate interactions

较短的生命周期
气溶胶粒子的生命周期较短，一般为小时到数周，这为极地气溶胶粒子的观测与研究增加了难度。
复杂的生成过程
气溶胶粒子的生成涉及到许多物理化学过程，除了直接形成的初生粒子，还有经过反应新生成的次生粒子，新的粒子的生成会带来气溶胶自身气候效应的变化，使得过程更为复杂。
气溶胶的气候效应
气溶胶有着多种气候效应，会带来的不同的结果。下图给出了气溶胶的气候效应及其影响。

在这里需要指出的是，一般而言，气溶胶的间接气候效应会带来冷却的作用，然而在北极，在大气条件极为干净，低云无法完全形成时，气溶胶粒子的增加使得CCN浓度增加，对低云产生了扰动，此时将会增加云的反照率，伴随着较弱的太阳短波辐射（冬季），此时，气溶胶的LW效应将起主导作用，促进北极增暖。

观测

气溶胶的观测方式有多种途径“，有着不同的优缺点。
北极站点可以提供长期观测，提供气溶胶粒子物理与化学性质的连续记录，但是这些站点数量较少，具有一定的区域限制，目前为止，没有一个站点的观测数据可以代表整个北极地区的气溶胶特征。
飞行器：可以准确获得气溶胶垂直分布，但昂贵且受限于时间、高度和区域。
雷达：提供一个站点处连续的气溶胶剖面图，然而雷达探测对于较小的爱根核测量效果不佳，而爱根核与极地低云形成密切相关。
卫星遥感：当气溶胶浓度较低时准确度较低，且受限于时空分辨率。
目前为止，在欧洲、美国、加拿大等地区开展了数个气候与气溶胶网络，为北极地区气溶胶与气溶胶气候提供了数据支撑。如美国的(IMPROVE、欧洲的EMEP、加拿大的CABM等三个主要网络为特定气溶胶粒子（黑炭、硫酸盐、有机碳等）提供了数据支撑。
在这里，着重介绍一下由加拿大政府与学界开展的关于北极气溶胶与气候研究，NETCARE
(Network on Climate and Aerosols: Addressing Key Uncertainties in Remote Canadian Environments)，该网络研究了包括北极地区气候、大气化学、气溶胶、云物理特性、海洋生物化学、生物地球化学等内容，具有跨学科的性质。下图给出了该网络的观测站点与观测活动。

Map of the Arctic indicating NETCARE field work locations,

. NETCARE Arctic field campaigns.
之后会给出部分该网络对于北极区域的气溶胶观测结果。

结果

极地气溶胶过程
下图给出了北极地区昼夜气溶胶过程概况，在以下过程中，气溶胶表现出不同的气候效应。

Aerosol processes during polar day and night day
(a) and night (b).
气溶胶可以通过北极内部的过程来局部影响北极内部气候，也可以通过发生在北极之外的过程影响北极气候。
局地过程（Local process)：发生在北极内部，通过气溶胶的气候效应影响北极局地气候。
在局地过程中，气溶胶的直接效应（通过影响辐射影响北极能量平衡)的影响与世界其他地区原理相同。
值得关注的是气溶胶与云的作用，北极的特殊环境条件:表面较低的气溶胶浓度、一年中大部分⑤光照、表面的海冰与雪、混合相态的低云，使得北极地区整体气溶胶的气候效应难以观测与评估。
对于北极的局地过程，目前主要关注以下几个方面：
1、夏季的海洋过程生成的气溶胶粒子（二甲基硫DMS与有机物），参与过程2，生成二次气溶胶粒子硫酸盐，主要通过影响云来间接影响北极气候。
2、冬春季的海洋飞沫产生的初生粒子（作为二次无机气溶胶前体物质、与有机物硫酸盐混合，影响北极雾霭（Arctic haze)成分）。
3、气溶胶的沉降，北极尘埃（Arctic dust)与黑炭通过沉降，降低冰雪反照率（Darkening ice),影响北极辐射能量收支。
远程过程（Remote process)
指北极地区以外气溶胶负担的变化从远处影响能量平衡，进而影响经向热输送，从而影响北极云、辐射和气候。
这说明任何地方的气溶胶排放的变化都会引起北极气候的变化，遥远气溶胶的变化对于北极气候的影响难以量化和区分。
目前以下三个方面获得较多关注：
1、人为排放：人为污染物排放的降低使北极地区人为气溶胶（主要为有机气溶胶）含量下降。
2、森林野火：最近几年森林野火频率的增加，产生的气溶胶粒子为北极地区气溶胶粒子来源之一。
3、经向热传输：在北极区域以外的黑炭可以增加经向温度梯度，通过加热大气并将热量传输给北极。
极地气溶胶尺度分布
下图是由Alert 和 Zeppelin两个北极站点观测到的每月气溶胶尺度分布图。

Aerosol size distributions from Alert and Zeppelin Arctic field stations
从上图可以看出北极气溶胶的分布特征具有明显的季节特点，且呈现单峰分布。
秋季各尺度气溶胶的浓度较低，实际研究中较少获得关注。
冬春季：单峰分布，以直径在200-300nm的气溶胶为中心，该大小的气溶胶粒子对于太阳辐射的散射与吸收（直接气候效应），与作为CCN与IN影响云继而影响能量收支（间接气候效应）都是有效的，因此，对于冬春季的北极雾霭，我们需要同时考虑其直接与间接效应，再观测时需要观测其光学特征。
夏季：极为显著的爱根核模态主导，该模态气溶胶粒子对于太阳辐射的散射与吸收效果不强，但是对于云的微物理过程具有重要作用。
气溶胶粒子的尺度分布特征的季节性差异意味着在不同季节气溶胶对北极气候的影响是不同的。
极地气溶胶光学特征
在春季，北极雾霭对于北极气候的影响较为显著，但是其组成与来源仍不清楚。
黑炭是影响春季北极雾霭光学特性的重要气溶胶粒子，春季北极黑炭的来源也是目前关注的研究课题。
Xu等人(2017)利用GEOS-Chem全球化学输运模型及其伴随模型，利用多种测量技术对一系列机载和地面BC测量进行了解释，以确定北极BC的来源。该模拟表明，东亚与南亚地区的人为排放对于北极春季BC负担贡献最大（56%），贡献最大高度位于对流层中部。
北亚（40%-45%）、东亚和南亚（20%-40%）的人为排放是冬春季北极黑炭来源的最大贡献，其中中国东部（15%）和西伯利亚西部（6.5%）贡献尤为显著。


GEOS-Chem adjoint modelling results for BC sources to the Arctic. Figure from Xu et al. (2017)
Leaitch等人(2019年)首次对春季北极高纬度地区的气溶胶组成和光学性质进行了垂直解析和并行测量。可以看出单次散射反照率SSA随着高度降低的趋势与黑炭气溶胶粒子的增加相联系，

极地气溶胶辐射强迫
Ulas Im等（2021）GISS-E2.1地球系统模式对多种情景下极地气溶胶辐射强迫作用进行了模拟，根据模拟来看，在二十一世纪中叶，气溶胶粒子浓度与成分的改变会对北极气候起着更高的负辐射强迫。

Arctic TOA aerosol radiative forcing from anthropogenic and natural aerosols and only anthropogenic aerosols

挑战

气溶胶的空间与季节特征差异
由于北极地区明显的空间与季节特征差异，对于 该方面的研究，主要遇到的挑战主要分为两方面：观测与评估
1、更加详细的探测
目前为止对于极地气溶胶的探测手段都有着各自的缺陷，尤其对于北极地区气溶胶粒子的垂直结构需要更多详尽观测。
2、较少的北极长期观测站点
由于北极气溶胶具有明显的区域特征，目前为止所拥有的全部北极站点都无法完全表征北极地区的气溶胶粒子特性。
3、系统性评估差异
目前还没有关于北极气溶胶源、性质和气候效应的区域和季节差异的全面综述工作。由于气溶胶物理和化学过程以及气溶胶云气候相互作用的所有区域和季节细节。过程过多，模型分辨率过粗。为了研究(并更好地理解)不同的北极气溶胶过程及其对该地区低层云和辐射通量的相对重要性，需要在一系列时间和空间尺度上使用模式和观测的系统方法。

人为和自然气溶胶变化
1、人为气溶胶的变化
气溶胶粒子对于北极的偏远效应（偏远地区气溶胶对于北极气候变化）的贡献目前尚没有得到很好的确定，而近年来，由于人为排放的下降与改变对北极局部气候的影响无法确定。此外，未来大气输送（环流）过程的变化，也会影响北极气溶胶粒子的数量。
2、北极自然气溶胶基线的移动
我们知道，气溶胶粒子会引起气候变化，然而经常被忽略的是，气候变化会对气溶胶的生成同样产生反馈，改变气溶胶粒子的自然源。比如：由于未来气候变化使得野火频率增长会增加气溶胶粒子增长，而变暖的北冰洋也将改变藻华的发生和类型，从而改变生物地球化学循环和营养收支，并可能改变海洋主要有机气溶胶(POA)、DMS和挥发性有机碳(VOC)的排放。目前，很少有工作考虑这些变化，而这种气溶胶自然源的改变，也使得气溶胶粒子的气候效应更加变换莫测。
3、模式问题
北极自然局地气溶胶过程的变化高度复杂，与环境变化密切相关。目前还没有足够的观测来描述底层过程，因此，数值模式不够全面，无法模拟对北极气候的相应影响。

问题

根据个人的兴趣，我提出以下几个比较感兴趣的问题：
1、在未来改变的气候条件下，北极气溶胶的遥远与局地效应的影响？
——气候变化对于环流的改变如何影响极地气溶胶长距离运输过程？
——海冰融化如何引起北极气溶胶局地过程改变？
——日益增长的野火频率对北极气溶胶的影响？
2、人为排放的减少对未来气候的影响？
——不同时间尺度，不同i情景下气溶胶的辐射效应模拟
3、北极地区气溶胶传输模式、来源、汇（沉降）的不同，以及其对AA的影响？
——尤其是，在秋冬季，北极地区太阳辐射强度较弱，在这样冰冷、黑暗的条件下以及夜间气溶胶作用与观测。

参考文献

AMAP 2021 Assessment: Arctic climate, air quality, and health impacts from short-lived climate forcers (SLCFs)
Abbatt, J. P. D., Leaitch, W. R., Aliabadi, A. A.,etal, Overview paper: New insights into aerosol and climate in the Arctic, Atmos. Chem. Phys., 2527–2560,(2019).
Schmale, J., Zieger, P. & Ekman, A.M.L. Aerosols in current and future Arctic climate. Nat. Clim. Chang. 11, 95–105 (2021).
M, U. et al. Present and future aerosol impacts on Arctic climate change in the GISS-E2.1 Earth system model. Atmos. Chem. Phys., 10413-10438(2021).

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