近日，我校大气物理学院王建栋副教授和刘超教授团队合作的研究成果“An aerosol optical module with observation‐constrained black carbon properties for global climate models”在国际知名学术期刊《地球系统建模进展杂志》（Journal of Advances in Modeling Earth Systems，JAMES）发表 [1]，并被主编Jiwen Fan博士评选为“主编研究亮点（Editor’s Highlight）”，在美国地球物理学会（AGU）网站EOS进行了推荐和介绍 [2]。文章第一作者是大气物理学院博士研究生陈泔真，通讯作者为王建栋副教授和刘超教授，该研究与国内外多所高校机构的学者均有合作，包括了美国斯坦福大学、南京信息工程大学环境科学与工程学院、清华大学、南京大学。
该研究针对大气中的黑碳（BC）气溶胶对环境和气候影响的显著不确定性以及BC的光吸收特性被模式高估的问题，基于多源颗粒粒径分布和混合状态的观测数据、通用地球系统模式-通用大气模式CESM-CAM和核壳模型米散射光学算法，分析并提取了影响BC辐射效应的关键特征，优化全球气候模式中对BC微物理和光学特性的表征方案，提出了一个全新的观测约束的气溶胶光学模型。新模型模拟的BC吸收增强因子从原CAM6-MAM4的2.6降至1.4，更接近全球各地观测值（大多小于1.5）。与全球气溶胶观测网AERONET观测结果相比，气溶胶Single-Scattering-Co-Albedo （1−SSA）的模拟偏差减少了18～69%。此外，新模型模拟的全球平均的BC直接辐射效应在大气层顶降低了24%。结果显示新气溶胶光学模型缓解了通用大气模式CAM6对BC混合气溶胶吸收特性的高估，显著提高了模式模拟与多源观测的气溶胶光学特性的一致性，并量化了黑碳气溶胶直接辐射效应的影响。
BC气溶胶由于其强烈的吸光效应对气候系统有重要影响，但由于没有考虑复杂的BC微物理和混合特性，全球气候模型可能高估了BC的光吸收效率。该研究从观测数据中提取分析了BC尺度分布、混合特征等特性，发现目前通用大气模式CAM6中气溶胶光学特性模拟时对BC表征严重不足（如图1所示）。传统模型中BC粒径小、包裹层厚，所有粒子都是含BC粒子，与观测事实不符。针对上述问题，本研究在模态气溶胶模型MAM4的框架下，研发了一个全新的气溶胶光学特性模块，因为该模块通过对黑碳气溶胶更准确的表征，被称为“Advanced Black Carbon（ABC）气溶胶光学模块”，该模块涉及的具体光学模拟参量见图2。在CAM6积聚模态内，新模型ABC首先基于观测数据引入了更大的BC尺度分布，限制了含BC粒子的数目比例，使BC在核壳模型中的包裹层更薄。由于我们只固定了BC粒子的大小分布，所以包裹物厚度在不同气溶胶微物理参量下仍然存在差异，也代表着BC混合状态的时空变化情况。新模型ABC不仅可以离线模拟BC的混合结构和光学特性，还能耦合于模式CAM6，且不改变黑碳排放源，计算量与原有模式相当，CAM6不同模态之间的黑碳老化过程也不受影响。新模型CAM6-ABC解决了原模型CAM6-MAM4在BC微物理和混合特性方面的模拟不足，尤其是BC的尺寸、混合状态和光学特性的模拟。
图1 CAM6中BC混合态设置概念图：（a）传统的均匀核壳假设；（b）新BC模块ABC在气溶胶光学模拟中的处理。传统的均匀核壳模型使得BC粒径小，包裹层厚，含黑碳粒子占比100%，人为导致黑碳吸收被高估。ABC采用观测的BC尺度分布和混合状态，只有一部分气溶胶包含BC成分。
图2 新BC光学模块计算流程示意图。蓝色背景中展示了ABC模块的具体光学模拟参量。
模拟结果显示，新模型CAM6-ABC模拟的BC吸收增强从原模型CAM6-MAM4的2.6降至1.4，更接近全球各地观测值（大多小于1.5）。作为总气溶胶吸收的主要贡献者，BC约占总吸收性气溶胶光学厚度的60%以上。随着BC吸收特性的模拟优化，模型CAM6-ABC也改善了整体气溶胶的吸收特性模拟。与BC气溶胶不同的是，整体气溶胶散射比大气吸收强得多，散射占消光的比例，即单次散射反照率（SSA）主要在0.8 ~ 1之间。为了更明显地呈现出BC引起的吸收变化，我们将气溶胶Single-Scattering-Co-Albedo（1−SSA，气溶胶光吸收与消光的比例）与全球AERONET观测结果进行了比较。与全球气溶胶观测网AERONET观测结果相比，CAM6-ABC模拟的1−SSA较原模型减少了18～69%（如图3所示），其中，新模型CAM6-ABC模拟的平均1−SSA从0.12降至0.08，更接近AERONET观测的平均值（0.07），模拟的偏差在北美、欧洲、东亚、非洲和中亚五个地区分别降低了47%、18%、51%、49%和69%。由于CAM6-ABC模拟的550 nm处全球BC吸收气溶胶光学厚度比原模型CAM6-MAM4结果减少了约29%，大气层顶部的全球平均BC直接辐射效应从0.37 W/m2减少到0.28 W/m2。该研究提出的新方案模拟气溶胶辐射和气候效应时约束了BC微物理和混合态特性，缓解了全球大气模式CAM6对BC吸收特性的高估，量化了BC直接辐射效应的影响，且该气溶胶光学模型可应用于基于模态法的全球气候模式中。
图3 全球多地区气溶胶1−SSA的模拟与观测对比。其中比较AERONET观测与原模式CAM6-MAM4和新模式CAM6-ABC模拟结果在（a）北美，（b）欧洲，（c）东亚，（f）非洲和（g）中亚地区的1−SSA分布。d-f, CAM6-MAM4和CAM6-ABC模型模拟的全球空间分布的1−SSA。红线代表平均值。选取了AERONET 2011年至2016年169个站点的月平均值。
研究中的黑碳混合态模块应用了团队此前建立的黑碳混合态稳态理论框架[3]，该理论表明了黑碳在排放、化学反应、沉降等过程的共同作用下，其包裹厚度应该在对数坐标下遵从线性分布这一统一规律，且不同尺度黑碳核的包裹厚度满足相同的分布特征。该研究受到国家重点研发计划（2022YFC3701005）、国家自然科学基金（42075098和42005082）、江苏省气象灾害预报预警与评估协同创新中心等资助。
[1] Chen, G., Wang J.*, Wang, Y., Wang, J., Jin, Y., Cheng, Y., Yin, Y., Liao, H., Ding, A., Wang, S., Hao, J., and Liu C.*, 2023: An aerosol optical module with observation-constrained black carbon properties for global climate models, J. Adv. Model. Earth Sy., 15, e2022MS003501. https://doi.org/10.1029/2022MS003501
[2]https://eos.org/editor-highlights/new-aerosol-model-better-represents-black-carbon-properties
[3] Wang, J., Wang, J., Cai, R., Liu, C., Jiang, J., Nie, W., Wang, J., Moteki, N., Zaveri, R. A., Huang, X., Ma, N., Chen, G., Wang, Z., Jin, Y., Cai, J., Zhang, Y., Chi, X., Holanda, B. A., Xing, J., Liu, T., Qi, X., Wang, Q., Pohlker, C., Su, H., Cheng, Y., Wang, S., Hao, J., Andreae, M. O., and Ding, A.*, 2023: Unified theoretical framework for black carbon mixing state allows greater accuracy of climate effect estimation, Nat. Comm., 14, 2703. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38330-x
