2021年8月17日，Nature旗下期刊《npj Climate and Atmospheric Science》在线发表了源排放与区域大气环境（SEEA）团队和国内多家单位在黑碳气溶胶源解析方法改进方面的研究：“A method to dynamically constrain black carbon aerosol sources with online monitored potassium”。
黑碳气溶胶（BC）对气候变化、大气能见度和人体健康均产生影响和危害，对其来源进行解析是制定防控对策的基础。黑碳仪光度计模型被广泛应用于黑碳气溶胶源解析研究。黑碳仪光度计模型中生物质燃烧（AAEbb）和化石燃料（AAEff）燃烧产生气溶胶的吸收Ångström指数（AAE），是表征黑碳气溶胶吸收性随波长变化依赖性的指数。AAE受到燃料类型、燃烧状态、组分混合状态、气溶胶粒径等诸多因素影响。课题组通过系列燃烧实验排放测试、理论计算和大气环境观测结果证明AAE不仅不是定值，而是有明显的实时变化。仪器出厂设置和前人研究通常默认AAEbb=2和AAEff=1，导致采用该模型开展黑碳气溶胶来源解析存在较大的不确定性。
作为燃烧源排放的标识组分，大气中黑碳浓度和源贡献存在明显的时间变化，尤其是在昼夜变化尺度上。前人的研究中通常利用14C和生物质燃烧指示物（如左旋葡聚糖，LG）约束得到研究点位最优的AAE组合，以约束BC来源解析结果。14C方法会受到当代碳（如烹调油烟）排放干扰，时间分辨率低，分析测试昂贵；LG受到燃煤、油烟等其它源类干扰，其高时间分辨率监测尚处于仪器开发测试阶段。不同地区最优的AAE组合也存在空间变异性。水溶性钾离子（K+）的在线监测方法、设备和大规模应用都已经普及。耦合源排放颗粒物成分谱、源排放BC吸光性和在线元素碳（EC）实时监测数据，本文提出了一种利用在线观测和校正后K+对黑碳仪光度计模型最优AAE组合进行约束的方法，评估了该方法对BC源解析结果的改进程度。
方法主要分为4步：K+浓度校正、吸收系数校正、敏感性分析和不确定度分析。（1）K+同时也源于尘和海盐粒子，通过公式计算，扣除海盐粒子和道路尘贡献的K+浓度，得到生物质燃烧产生的钾离子（K+ wb）；（2）黑碳仪测量得到的吸收系数由于遮蔽效应和多重散射效应的影响，测得的吸收系数与真实大气环境存在差异，采用EC和吸收系数的相关关系，对仪器默认的质量吸收截面参数进行校正；（3）敏感性分析的重要假设是生物质燃烧产生的黑碳与标识组分经历了相同的大气过程及去除率，两者之间线性回归方程的截距为0。在该假设基础上，本文通过源排放实测AAE的范围，设定AAEbb和AAEff的变化范围分别为1.60～2.20和0.80～1.30，设置变化步长为0.01，计算了3721种不同AAE组合条件下线性回归方程的统计参数（图1），确定了最优的AAEff为1.09。获得最优AAEff后，通过计算该AAEff之下不同AAEbb组合的统计参数得到泰勒图（图2），得出最优的AAEbb为1.79；（4）通过误差传递的方式对该方法的不确定度进行计算。
图1 不同AAE组合下线性回归方程统计参数与AAE之间的关系（r为相关系数，slope为拟合方程斜率，int为拟合方程截距）
图2 最优AAEff下不同AAEbb组合解析结果的泰勒图
将该方法应用到昼夜尺度上，得到了最优AAE组合的昼夜变化特征（图3）。比较该方法动态约束下得到的最优AAE组合的解析结果与固定AAE组合（AAEbb=2，AAEff=1）的解析结果，发现动态约束解析结果中，生物质燃烧贡献的黑碳与K+ wb之间的相关性（r）以及化石燃料燃烧贡献黑碳与NO2之间的相关性显著，并分别提高了78.6%和16.2%。动态约束AAE组合得到的黑碳日夜变化特征也更加符合实际。
图3 最优AAE组合以及解析结果的日夜变化特征
方法建立中所用到的仪器包括水溶性离子在线、OC/EC在线分析仪和黑碳仪。上述在线仪器目前已经是国内外大气环境监测超级站的标配。该方法具有应用推广到各个超站的可能性。方法建立过程中，也用到了再悬浮采样器和道路尘源成分谱，拓展了源成分谱的应用视角，提供了新的应用参考价值，也突出了实测本地化源成分谱的重要性。该方法对于各个地区精准识别黑碳来源和防控排放，减缓其环境、气候和健康效应，可以提供更准确的参考。
论文第一作者为环境学院博士后郑煌，通讯作者为孔少飞教授。该研究受到国家自然科学基金重点项目和科技部国家重点研发计划等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/doi.org/10.1038/s41612-021-00200-y
