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黑碳对大气加热率的影响因素及不确定性研究

黑碳，辐射强迫，加热率，垂直分布

黑碳气溶胶（BC）可以通过吸收太阳短波辐射来加热大气。在化工燃料排放较多的城市工业地区，黑碳甚至可通过加热行星边界层（PBL）进而改变大气热力学结构。然而，黑碳垂直分布的多样性以及黑碳尺度和混合状态的差异性，导致在评估黑碳对大气的加热率（HR）上存在很大程度上的不确定性。本文系统性地研究了黑碳特性 (垂直浓度、形状、大小和混合状态) 和大气环境因素 (云和气溶胶含量、地表反照率和太阳天顶角) 对黑碳辐射效应的影响。黑碳的垂直分布廓线来源于北京地区无人机探空观测以及气溶胶激光雷达反演廓线。另外，本文利用Libradtran辐射传输模式计算黑碳辐射强迫与加热率。结果表明，由于黑碳不同的几何形状和尺寸分布所造成的黑碳辐射强迫和加热率的不确定性小于30%，而黑碳混合状态所导致的不确定性高达80%。黑碳的垂直结构差异所造成的对整层大气中黑碳辐射强迫和加热率的相对变化小于10%，但却显著影响到加热率的垂直分布，进而影响大气边界层的稳定性。云和大气气溶胶等外界大气条件通过显著影响着大气所吸收的太阳入射辐射，间接影响着黑碳对大气的加热率。同时，近地面处黑碳加热率的评估受地表反照率和太阳天顶角等外界因素的敏感性同样较大。综合考虑上述不确定性因素，本文引入一个经验近似公式近似计算黑碳加热率对大气的影响。当已知黑碳的垂直结构时，黑碳的垂直加热率可以通过拟合公式近似得到，这可以用于进一步判定黑碳是否促进或抑制大气边界层的发展，进而提高与大气边界层相互作用的认识。