【碳减排】统一的黑碳混合状态理论框架可以提高气候效应估计的准确性

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题    目：Unified theoretical framework for black carbon mixing state allows greater accuracy of climate effect estimation

作    者：Jiandong Wang, Jiaping Wang, Runlong Cai, Chao Liu, Wei Nie, Nobuhiro Moteki et al.

期    刊：Nature Communications

时    间：2023.05.10

一作单位：Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, 210044 Nanjing, China.

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38330-x

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研究背景

作为一种无处不在的气溶胶成分，黑碳由于强烈的光吸收而成为全球变暖的主要贡献者，但由于气溶胶的混合状态复杂，这种影响的大小高度不确定。因此该研究建立了一个统一的理论框架来描述黑碳的混合状态，将动态过程与黑碳涂层厚度分布联系起来，并展示了其在不同环境中站点的自相似性。发现含黑碳颗粒的尺寸分布遵循一个普遍规律，基于这一发现建立了新的混合状态模块，该理论框架在混合状态描述和光吸收量化方面将观测与模式模拟联系起来。

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研究结果

为了表征受复杂大气控制过程的黑碳混合状态，该研究考虑了大气中影响黑碳的主要物理过程，进行了理论推导。该研究发现，含黑碳离子的尺寸分布遵循一个普遍规律，与黑碳核心尺寸无关。图1所示，该研究提供了一个单分散气溶胶种群在时间为0时排放到大气中，直径为D，数量浓度为n(Dc)经历生长和沉积的连续进展形成稳态。对于图中方程所示，对于不同粒径，方程式呈现线性关系，斜率与D无关，表明黑碳粒径分布的自相关性，即不同芯尺寸的含黑碳气溶胶应具有相似是涂层分布厚度。

该研究利用单粒子烟尘光度计（SP2，液滴测量技术），在全球8个不同环境的站点进行了黑碳大小的现场观测，验证了该研究的理论模型。如图2所示，尽管不同的区域和性质不同，但所有站点的黑碳尺寸分布遵循指数规律，这与该研究理论模型非常吻合。

图3给出了SP2在四个地点测量的不同黑碳核心尺寸的直径分布，该研究选择了四个站点，结果表明，具有不同核心尺寸的黑碳尺寸分布具有近似相同的斜率，验证了黑碳尺寸分布的形状与直径无关。

在评估黑碳吸收和辐射效应是，简单低假设内部或外部气溶胶的混合物可能会导致很大的差异和不确定性，基于该研究理论可以大大简化黑碳混合状态的描述。因此该研究建立了一个新的混合状态模块，并以全球气候模式和化学运输模式为例进行应用，将这两个模式与研究模块和传统混合状态假设交替进行了Eabs直接辐射的模式模拟。图4显示，将模拟的数据与观测数据进行比较，在CESM-CAM6和WRF-Chem中，使用传统的混合状态假设模拟的据显著高于观测值。使用新模块计算出的数据与观测值吻合良好，证明该研究的混合状态描述在量化中具有良好的性能。

图5给出了CESM-CAM6中新方案和常规方案模拟黑碳直接辐射强迫，选择四个典型区域（欧洲、北美、南美和亚洲）进行统计。与采用常规方案相比，使用该研究方案的计算黑碳直接辐射强迫都大大降低了，这一结果与最近发现的全球气候模式中黑碳对辐射变暖的高估一致，这主要是由于对气溶胶混合状态的处理。图5表明基于该理论框架的新方案可以有效解决黑碳对模式模拟辐射变暖的高估问题。

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编者按

该研究建立了一个基于稳态假设的统一理论框架来描述黑碳的复杂混合状态，并发现其自相似性在广泛的现场观察点得到了证实。该研究结果将颗粒直径的表示和动态参数联系起来，将观测的数据适用于模型模拟，在不增加计算复杂度的情况下有效提高了气溶胶气候效应估计的精度。

转自：“西农RE学术社”微信公众号

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