湿度对黑碳气溶胶及其混合体吸光特性的影响研究

Black carbon (BC) is an important component of atmospheric aerosol and its directive radiative forcing has considerable influence on global climate change. Directive radiative forcing by BC has large uncertainty, and BC’s light absorption property is one of the important influence factor on the uncertainty. Ambient relatively humidity (RH) is main influence factor on BC’s light absorption property. At elevated RH, aerosol uptakes water, which lead to change its size and chemical components, and hence its optical properties including light absorption. However, the research on RH (especially at high RH) impact on light absorption property of BC and its mixtures are limited. In view of this situation, we plan to conduct through systemic measurement physical-chemical-optical properties of BC and its organic/inorganic mixtures at different RH. We will also report a modeling study. We will obtain key light absorption and other optical properties of BC and its mixtures as a function of RH. We also assess RH impact on directive radiative forcing by optical properties of BC and its mixtures. The results can be used for input parameters for climate model to simulate directive radiative forcing by black carbon, which can contribute to less uncertainty of aerosol climate impact research, and offer a scientific support for design strategy on stable climate change relate to aerosol. Moreover, the results will be helpful for determining of BC contribution on haze formation and control haze.

黑碳是大气气溶胶的重要组成部分，其直接辐射强迫效应对全球气候变化有显著影响。黑碳气溶胶直接辐射强迫效应不确定性大，其吸光特性是影响不确定性的重要因素之一；而湿度是吸光特性的主要影响因素，特别是在高湿度下，气溶胶吸水，导致粒径和化学组分改变，进而影响包括吸光在内的光学特性。然而目前尚缺乏湿度，特别是高湿度对黑碳气溶胶及其有机/无机气溶胶混合体吸光特性影响的研究，针对这一现状，本课题拟通过不同湿度下(RH达92%)黑碳及有机/无机气溶胶混合体的物理-化学-光学特性的系统实验测试，结合Mie理论等数值模型方法，获得反映湿度影响的黑碳气溶胶及其混合体的吸光特性及其他主要光学特征参数，继而评估湿度特别是高湿度对黑碳气溶胶及其混合体的直接辐射强迫效应影响。研究成果可用于气候模式模拟黑碳气溶胶的直接辐射强迫，有助于减少气溶胶气候效应研究的不确定性；为确定黑碳对大气灰霾形成的贡献以及控制灰霾提供科学依据。

黑碳是大气气溶胶的重要组成部分，其直接辐射强迫效应对全球气候变化有显著影响。黑碳气溶胶直接辐射强迫效应不确定性大，其吸光特性是影响不确定性的重要因素之一；而湿度是吸光特性的主要影响因素，特别是在高湿度下，气溶胶吸水，导致粒径和化学组分改变，进而影响包括吸光在内的光学特性。然而目前尚缺乏湿度、特别是高湿度对黑碳气溶胶及其有机/无机气溶胶混合体吸光特性影响的研究。针对这一现状，建立了适应高湿度条件下的黑碳及有机/无机气溶胶混合体的物理-化学-光学特性的测试系统，并进行了性能表征。开展了不同湿度下黑碳及其他气溶胶混合体的物理-化学-光学特性的实验测试，并利用Mie理论进行模拟计算；发现湿度对黑碳气溶胶的粒径、形貌、吸光特性均没有影响；黑碳和硫酸铵混合气溶胶粒径在RH小于70%时，不随着RH的增加而增长；当RH到达70%时，混合气溶胶的粒径开始变大，其吸湿增长因子在1.1-1.2之间；黑碳混合气溶胶刚混合时已不是链状结构，内部结构有点塌陷，像球状靠拢；当加湿到RH80%后，黑碳混合气溶胶内部结构塌陷厉害，结构紧凑，呈球形；在RH74%左右，黑碳混合气溶胶消光系数开始上升；在RH80%时，消光系数快速增长。模拟了四种不同混合模型下黑碳混合气溶胶的光学参数变化。运用光吸收型气溶胶直接辐射强迫模型，获取黑碳气溶胶及其混合体在不同湿度下的简单强迫效率（SFE），黑碳-硫酸铵混合气溶胶在RH=0%的情况下地球表面的SFE积分为26.49（W/g），而RH为80%和90%时SFE增长到29.98（W/g）和30.48（W/g）；在高湿度下，黑碳-硫酸铵混合气溶胶对地球表面的增温效应加强。研究成果可用于气候模式模拟黑碳气溶胶的直接辐射强迫，有助于减少气溶胶气候效应研究的不确定性。