近日，Nature Communications 在线发表了中心王建栋副教授的最新研究成果“Unified theoretical framework for black carbon mixing state allows greater accuracy of climate effect estimation”(论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38330-x）。
该研究构建了一个黑碳混合态的统一理论模型，并得到全球多种环境站点观测验证。在此基础上提出了黑碳混合状态的普适规律，并成功应用于全球气候模型和区域大气化学模型中，提升了模型对黑碳气溶胶气候效应评估的准确性。
黑碳气溶胶由于其强烈的吸光效应对天气和气候系统有重要影响，但其在真实大气中与其他气溶胶组分的复杂混合状态为其辐射效应的准确认识提出了挑战。为了定量描述受排放、大气理化等复杂过程控制的黑碳混合状态，研究团队基于外场观测结果，提出黑碳壳层厚度分布不随时间显著变化的稳态假设（如图1所示）。进而通过提炼了黑碳气溶胶在大气中复杂变化的关键理化过程，构建了一个统一的黑碳混合态模型，将黑碳气溶胶的老化时间特征转换为粒径分布特征，阐释了在排放、化学反应、沉降等过程的共同作用下，黑碳包裹厚度会在对数坐标下遵从线性分布的统一规律，且不同尺度黑碳核的包裹厚度满足相同的分布特征。通过利用全球多站点黑碳气溶胶单颗粒观测，该研究证实了上述统一规律在不同环境背景的普适性（见图2所示）。
基于这一发现，研究团队建立了一个普适的黑碳混合态模块，并成功应用于全球和区域模型。在现有气候模型和大气化学模型框架下，更准确地描述黑碳混合态，有效改善模型气溶胶光吸收计算结果。图3显示了该理论所得结果与传统模型以及观测结果的对比。新方案中黑碳的直接辐射效应评估在全球范围内约减少了40-50%，这在很大程度上解决了现有模型对黑碳辐射效应的高估问题。该理论模型统一了观测和模拟中对黑碳混合态的描述，使得观测得到的黑碳混合态可以有效应用于模型模拟。
王建栋和王佳萍为该论文的共同第一作者，王建栋和王佳萍、丁爱军为共同通讯作者，研究论文合作者还包括德国马克斯-普朗克化学研究所、芬兰赫尔辛基大学、清华大学、日本东京大学、美国西北太平洋国家实验室和暨南大学等机构的学者。该研究受到国家自然科学基金（42005082和42075098）、第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0106）、国家重点研发计划（2022YFC3701005）、江苏省气象灾害预报预警与评估协同创新中心、江苏省气候变化协同创新中心以及腾讯基金会等资助。
图1 黑碳壳层厚度分布的理论模型
图2 多种大气环境站点黑碳混合态的观测结果，验证了黑碳壳层厚度符合指数分布
图3 使用本研究新方案（红色方块）和传统方案（蓝色方块）模拟的黑碳（BC）吸收增强，与观测结果比较