利用示踪剂引导的最小二乘法量化碳质气溶胶的光谱吸收特性及其对辐射强迫估计的影响

《Atmospheric Environment》：Quantifying spectral absorption of carbonaceous aerosols using a tracer-guided least-square method and the impacts on radiative forcing estimation

碳吸收定量与光谱分离：基于Tracer-Guided Least-Square方法研究北京冬季黑碳-棕碳分异及辐射强迫敏感性

　　

王文芳|田鹏飞|崔晨|曾淑华|王涛|于泽仁|吴云飞|关旭|史金森|曹贤杰|梁建宁|张雷

教育部半干旱气候变化重点实验室，兰州大学大气科学学院，中国兰州，730000

摘要

准确量化碳质气溶胶的光谱吸收对于可靠的辐射强迫评估至关重要，然而由于方法论假设的限制，城市地区测量得到的黑碳和棕碳吸收的分离仍然存在不确定性。我们开发了一种基于示踪剂的最小二乘法（TGLS），该方法利用化学示踪剂来约束拟合过程，消除了不现实的假设，从而提高了碳质气溶胶吸收的量化精度。2023–2024年冬季，我们在北京使用多波长热/光学碳分析仪（型号DRI 2015）进行了实地测量，该仪器能够选择性地测量碳质气溶胶并排除矿物尘埃的吸收。通过这种方法，我们得到黑碳的吸收阿恩斯特罗姆指数（AAE）为0.81，棕碳的吸收阿恩斯特罗姆指数为4.89。在405纳米波长下，棕碳的吸收量占碳质气溶胶总吸收量的约19%，这一结果低于大多数先前的研究报道，也与我们在该季节观测到的较低有机碳水平一致。与固定黑碳AAE值1.0相比，TGLS方法显著减少了碳质气溶胶光谱吸收的归因误差，并改善了辐射强迫的估计，尤其是对于棕碳而言。这一点非常重要，因为棕碳的辐射强迫对AAE的变化比黑碳更为敏感（其敏感性是黑碳的四倍以上）。一个关键的限制是，目前TGLS方法的实施仅适用于不受尘埃影响的测量数据，将其扩展到能够检测总气溶胶吸收的光学仪器上还需要进一步开发。本研究推进了碳质气溶胶吸收的量化，提供了关于源依赖性变异性的见解，并强调了其对辐射强迫估计的关键影响。

引言

碳质气溶胶（CAs），主要包括黑碳（BC）和棕碳（BrC），既能散射也能吸收太阳辐射，从而加热大气并影响辐射效应；同时它们还充当云凝结核和/或冰核，改变云的微物理特性（Charlson等人，1992年；McGraw等人，2020年；Penner等人，2018年）。此外，沉积在雪和冰表面的碳质气溶胶会降低反照率，加速融化过程（Che等人，2024年；Hansen和Nazarenko，2004年；Kang等人，2019年）。黑碳在从紫外线到近红外波段强烈吸收太阳辐射，导致显著的正面辐射强迫（Bergstrom等人，2007年）。相比之下，棕碳的光谱吸收具有明显的依赖性，在近紫外到可见光范围内吸收更强（Samset等人，2018年）。模型模拟表明，棕碳可能贡献了总气溶胶辐射强迫的20–50%（Feng等人，2013年）。因此，准确区分黑碳和棕碳的吸收对于量化气溶胶的辐射效应至关重要。

气溶胶吸收的光谱依赖性通过吸收阿恩斯特罗姆指数（AAE）来表征，这一指标被广泛用于划分黑碳和棕碳对测量到的气溶胶吸收的贡献（Lack和Langridge，2013年；Moosmüller等人，2011年；Pani等人，2021年；Yang等人，2009年）。由于测量到的环境气溶胶光谱吸收的复杂性，通常会采用一些简化的假设。常见的假设包括：（1）近红外吸收完全由黑碳引起，而较短波长的吸收则归因于黑碳和棕碳；（2）黑碳的AAE值固定为1.0（例如，De Sá等人，2019年；Duan等人，2024年；Kasthuriarachchi等人，2020年；J. Tian等人，2023年；Yang等人，2025年）。第一个假设忽略了矿物尘埃的吸收，导致对棕碳吸收的系统性高估。第二个假设没有考虑黑碳的老化过程。尽管正矩阵分解（PMF）模型可以在不假设黑碳AAE值的情况下区分黑碳和棕碳的吸收，但它未能成功解析棕碳在近红外波段的吸收（Wang等人，2021年）。一些使用多波长热/光学碳分析仪的研究虽然原则上可以消除尘埃干扰，但仍假设黑碳的AAE值为1.0（例如，Chen等人，2015年；Li等人，2018年；Zhao等人，2022年）。其他研究采用了如1.1和1.15这样的经验黑碳AAE值（Katoch等人，2024年；Tao等人，2024年；P. Tian等人，2023年；Wang等人，2019年）。然而，测量得到的黑碳AAE值仍存在显著不确定性（Lack和Cappa，2010年；Tang等人，2024年；Tasoglou等人，2020年；Wang等人，2021年），这些不确定性可能会影响吸收归因和辐射强迫的估计。

为了改进黑碳和棕碳吸收的归因，我们开发了一种新的基于示踪剂的最小二乘法（TGLS），该方法可以在不固定AAE假设的情况下解析它们的光谱贡献。我们在2023–2024年冬季的北京实地观测中应用了这种方法，使用多波长热/光学碳分析仪（型号DRI 2015）获取了从紫外线到红外线（405–980纳米）范围内碳质气溶胶的光谱吸收数据。我们进一步在两种情况下比较了黑碳和棕碳的光谱吸收：一种假设黑碳的AAE值为1.0，另一种使用我们方法推导出的AAE值。最后，我们应用了一个简化的辐射强迫框架来量化这两种黑碳AAE情况下的黑碳和棕碳辐射强迫，突显了黑碳辐射强迫对黑碳光谱假设的敏感性。

观测站点

2023年12月16日至2024年1月15日期间，在北京市区进行了实地测量。观测站位于中国科学院大气物理研究所（IAP，39.98°N，116.39°E）3号楼的屋顶上，海拔高度为45米。该站点位于北京北部的第三环路和第四环路之间，周围是教育、商业和住宅区（Zhang等人，2023a）。观测期间没有明显的污染源。

化学成分对AAE_CA的影响

在冬季观测期间，碳质气溶胶的吸收系数和质量吸收效率均随波长的增加而减小，其中405纳米处的b_abs,CA从26.11 ± 20.22 Mm^?1下降到635纳米处的12.25 ± 8.53 Mm^?1，MAE_CA从2.95 ± 1.46 m²g^?1下降到1.46 ± 0.64 m²g^?1（图2a）。AAE_CA的范围在0.50到1.90之间，大多数值介于1.20到1.60之间。在1.40–1.60区间观察到一个明显的峰值，平均值为1.28 ± 0.39（图2b）。

结论

准确量化碳质气溶胶的吸收特性对于提高辐射强迫估计至关重要。在这项研究中，我们开发了一种基于示踪剂的最小二乘法（TGLS），该方法无需依赖传统的固定AAE（1.0）假设，即可分离黑碳和棕碳的光谱吸收，避免了将所有红外吸收归因于黑碳的做法。该方法利用示踪剂信息来

CRediT作者贡献声明

王文芳：数据整理、正式分析、资金获取、研究调查、方法论设计、软件开发、验证、数据可视化、初稿撰写及审阅编辑。田鹏飞：概念构思、正式分析、资金获取、研究调查、方法论设计、项目管理、资源协调、监督、验证、初稿撰写及审阅编辑。崔晨：正式分析、研究调查、验证、初稿撰写及审阅编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42475080）、甘肃省研究生创新资助项目（编号2025CXZX-177）和中央高校基本科研业务费（编号lzujbky-2024-ey04）的支持。我们感谢兰州大学超级计算中心提供的计算支持。